水污染控制工程混凝实验混凝沉淀实验是给水处理的基础实验之一，被广泛地用于科研、教学和生产中。通过混凝沉淀实验，不仅可以选择投加药剂的种类、数量，还可确定其它混凝最佳条件。一、实验目的：1、通过本实验，加深对混凝机理的理解，了解影响混凝沉淀的主要因素。2、选择和确定最佳混凝工艺条件。3、掌握综合设计实验能力。二、实验原理：天然水中存在大量胶体颗粒，是使水产生浑浊的一个重要原因，胶体颗粒靠自然沉淀是不能除去的。水中的胶体颗粒，主要是带负电的粘土颗粒。胶粒间的静电斥力，胶粒的布朗运动及胶粒表面的水化作用，使得胶粘具有分散稳定性，三者中以静电斥力影响最大。向水中投加混凝剂能提供大量的正离子，压缩胶团的扩散层，使电位降低，静电斥力减小。此时，布朗运动由稳定因素转变为不稳定因素，也有利于胶粒的吸附凝聚。水化膜中的水分子与胶粒有固定联系，具有弹性和较高的粘度，把这些水分子排挤出去需要克服特殊的阻力，阻碍胶粒直接接触。有些水化膜的存在决定于双电层状态，投加混凝剂降低电位。有可能使水化作用减弱。混凝剂水解后形成的高分子物质或直接加入水中的高分子物质一般具有链状结构在胶粒与胶粒间起吸附架桥作用，即使电位没有降低或降低不多，胶粒不能相互接触，通过高分子链状物吸附胶粒，也能形成絮凝体。消除或降低胶体颗粒稳定因素的过程叫做脱稳。脱稳后的胶粒，在一定的水力条件下，才能形成较大的絮凝体，俗称矾花。直径较大且较密实的矾花容易下沉。自投加混凝剂直至形成较大矾花的过程叫混凝。混凝离不开投混凝剂。混凝过程见下表1表1混凝过程阶凝聚絮凝段过 程脱稳混合异向絮凝为主同向絮凝为主微絮凝体的进一步作用药剂扩散混凝剂水解杂质胶体脱稳脱稳胶体聚集碰撞聚集分子热运动（布液体流动的能量消动力质量迁移溶解平衡各种脱稳机理耗朗扩散）处理构筑物混合设备反应设备胶体状态原始胶体脱稳胶体絮凝胶体矾花胶体粒径0.01~0.001μm约5~10m0.5~2mm由于布朗运动造成的颗粒碰撞絮凝，叫“异向絮凝”。由机械运动或液体流动造成的颗粒碰撞絮凝，叫“同向絮凝”。异向絮凝只对微小颗粒起作用，当粒径大于1～5um时。布朗运动基本消失。从胶体颗粒变成较大的矾花是一连续的过程，为了研究的方便可划分为混合和反应两个阶段。混合阶段要求浑水和混凝剂快速均匀混合，一般说来，该阶段只能产生用眼晴难以看见的微絮凝体：反应阶段则要求将微絮凝体形成较密实的大粒径矾花。混合和反应均需消耗能量，而速度梯度G值能反映单位时间单位体积水耗能值的大小，- 11 -
- 11 -. 水污染控制工程 混 凝 实 验 混凝沉淀实验是给水处理的基础实验之一，被广泛地用于科研、教学和生产中。通过混 凝沉淀实验，不仅可以选择投加药剂的种类、数量，还可确定其它混凝最佳条件。 一、实验目的： 1、通过本实验，加深对混凝机理的理解，了解影响混凝沉淀的主要因素。 2、选择和确定最佳混凝工艺条件。 3、掌握综合设计实验能力。 二、实验原理： 天然水中存在大量胶体颗粒，是使水产生浑浊的一个重要原因，胶体颗粒靠自然沉淀是不能 除去的。 水中的胶体颗粒，主要是带负电的粘土颗粒。胶粒间的静电斥力，胶粒的布朗运动及胶 粒表面的水化作用，使得胶粘具有分散稳定性，三者中以静电斥力影响最大。向水中投加混 凝剂能提供大量的正离子，压缩胶团的扩散层，使ξ电位降低，静电斥力减小。此时，布朗 运动由稳定因素转变为不稳定因素，也有利于胶粒的吸附凝聚。水化膜中的水分子与胶粒有 固定联系，具有弹性和较高的粘度，把这些水分子排挤出去需要克服特殊的阻力，阻碍胶粒 直接接触。有些水化膜的存在决定于双电层状态，投加混凝剂降低ξ电位。有可能使水化作 用减弱。混凝剂水解后形成的高分子物质或直接加入水中的高分子物质一般具有链状结构在 胶粒与胶粒间起吸附架桥作用，即使ξ电位没有降低或降低不多，胶粒不能相互接触，通过 高分子链状物吸附胶粒，也能形成絮凝体。 消除或降低胶体颗粒稳定因素的过程叫做脱稳。脱稳后的胶粒，在一定的水力条件下， 才能形成较大的絮凝体，俗称矾花。直径较大且较密实的矾花容易下沉。 自投加混凝剂直至形成较大矾花的过程叫混凝。混凝离不开投混凝剂。混凝过程见下表 1 表 1 混凝过程 阶 段 凝 聚 絮凝 过 程 混合 脱 稳 异向絮凝为主 同向絮凝为主 作 用 药剂扩散 混凝剂水解 杂质胶体脱稳 脱稳胶体聚集 微絮凝体的进一步 碰撞聚集 动 力 质量迁移 溶解平衡 各种脱稳机理 分子热运动（布 朗扩散） 液体流动的能量消 耗 处理构筑物 混合设备 反应设备 胶体状态 原始胶体 脱稳胶体 絮凝胶体 矾花 胶体粒径 0.01～0.001μm 约 5～10μm 0.5～2mm 由于布朗运动造成的颗粒碰撞絮凝，叫“异向絮凝”。由机械运动或液体流动造成的颗 粒碰撞絮凝，叫“同向絮凝”。异向絮凝只对微小颗粒起作用，当粒径大于 1～5μm 时。布 朗运动基本消失。 从胶体颗粒变成较大的矾花是一连续的过程，为了研究的方便可划分为混合和反应两个 阶段。混合阶段要求浑水和混凝剂快速均匀混合，一般说来，该阶段只能产生用眼睛难以看 见的微絮凝体；反应阶段则要求将微絮凝体形成较密实的大粒径矾花。 混合和反应均需消耗能量，而速度梯度 G 值能反映单位时间单位体积水耗能值的大小
混合的G值应大于300～500S-，时间一般不超过30S，G值大时混合时间宜短。水泵混合是一种较好的混合方式，本实验水量小便可采用机械搅拌混合。由于粒径大的矾花抗剪强度低，易破碎，而G值与水流剪力成正比，故反应开始至反应结束，随着矾花逐渐增大，G值宜逐渐减小。从理论上讲反应开始时的G值宜接近混合设备出口的G值，反应终止时的G值宜接近沉淀设备进口的G值，但这样会带来一些问题。例如反应设备构造较复杂，在沉淀设备前产生沉淀。实际设计中G值在反应开始时可采用100S-1左右，反应结束时可采用10S-1左右。整个反应设备的平均G值约为20～70S-l，反应时间约15～30min，本实验采用机械搅拌反应，G值及反应时间T值（以秒计）应符合上述要求。近年来出现若干高效反应设备，由于能量利用率高，反应时间比15min短。混合或反应的速度梯度G值PG-(1)Vuv式中P一一混合或反应设备中水流所耗功率W：IW=IJ/S=1N·m/S：V一一混合或反应设备中水的体积，m：μ一一水的动力粘度Pa·S，1Pa·S=IN·S/m?。不同温度水的动力粘度μ值见表2。表2不同水温水的动力粘度值05101520253040温度（℃）1.5181.3071.1391.0020.8900.7980.653μ(10N·S/m2)1.781桨本实验搅拌设备垂直轴上装设两块浆板，如图（1）示，板绕轴旋转时克服水的阻力所耗功率P为PCprLW3(rt-rt)(2)4g式中L一--浆板长度，m；P桨板腊旋转半径，m；I2-浆板内缘旋转半径，m；ri-图1搅拌设备示意图a相对于水的浆板旋转角速度，可采0.75倍轴转速，rad/s；r一一水的重度。N/m3一重力加速度，9.81m/s：gCp——阻力系数，决定于桨板长宽比，见表3。表3阻力系数Cp值b/L小于11~2大于182.5~44.5~1010.5~18CD1.101.151.191.291.402.00当Cp=1.10（即b/L<1），r=9810N/m2，=9.81m/s，及转速为n（r/min）（即2元r×0.75=0.0785nrad/s时）。0=60P = 0.133Ln(r4-rt)(3)- 12 -
- 12 -. 混合的 G 值应大于 300～500S-1，时间一般不超过 30S，G 值大时混合时间宜短。水泵混合 是一种较好的混合方式，本实验水量小便可采用机械搅拌混合。由于粒径大的矾花抗剪强度 低，易破碎，而 G 值与水流剪力成正比，故反应开始至反应结束，随着矾花逐渐增大，G 值 宜逐渐减小。从理论上讲反应开始时的 G 值宜接近混合设备出口的 G 值，反应终止时的 G 值宜接近沉淀设备进口的 G 值，但这样会带来一些问题。例如反应设备构造较复杂，在沉 淀设备前产生沉淀。实际设计中 G 值在反应开始时可采用 100S-1 左右，反应结束时可采用 10 S-1 左右。整个反应设备的平均 G 值约为 20～70 S-1，反应时间约 15～30min，本实验采 用机械搅拌反应，G 值及反应时间 T 值（以秒计）应符合上述要求。近年来出现若干高效反 应设备，由于能量利用率高，反应时间比 15min 短。 混合或反应的速度梯度 G 值 V P G = （1） 式中 P——混合或反应设备中水流所耗功率 W；IW=1J／S=1N·m/S； V——混合或反应设备中水的体积，m3； μ——水的动力粘度 Pa·S，1Pa·S=1N·S／m 2。 不同温度水的动力粘度μ值见表 2。 表 2 不同水温水的动力粘度μ值 温度（℃） 0 5 10 15 20 25 30 40 μ（10-3 N·S/m 2） 1.781 1.518 1.307 1.139 1.002 0.890 0.798 0.653 本实验搅拌设备垂直轴上装设两块桨板，如图（1）示， 桨 板绕轴旋转时克服水的阻力所耗功率 P 为 ( ) 4 4 1 4 2 3 r r g C rLW P D = − （2） 式中 L——桨板长度，m； r2——桨板腊旋转半径，m； r1——桨板内缘旋转半径，m； 图 1 搅拌设备示意图 ω——相对于水的桨板旋转角速度，可采 0.75 倍轴转速，rad／s； r——水的重度。N／m3； g——重力加速度，9.81m/s2 ； CD——阻力系数，决定于桨板长宽比，见表 3。 表 3 阻 力 系 数 CD值 b/L 小于 1 1～2 2.5～4 4.5～10 10.5～18 大于 18 CD 1.10 1.15 1.19 1.29 1.40 2.00 当 CD=1.10 （ 即 b/L<1 ）， r=9810N/m3 ， =9.81m/s2 , 及转速为 n （ r/min ）（ 即 n r 0.75 0.0785 60 2 = = rad/s 时）。 0.133 ( ) 4 1 4 2 3 P = Ln r − r （3）