不同浊度原水絮凝综合指标探讨

曹翀 贾晓珊 王晓昌

( 西安冶金建筑学院)

在文献〔1〕中笔者通过试验资料分析，提出以GT/ 作为絮凝池的综合指标。当原水浊度C o 一定时，该指标可以作为小型絮凝试验结果推广放大的依据。至于浊度，不少研究者早就注意到它对絮凝效果的显著影响，并提出过一些包含浊度因素的絮凝指标 〔2、3〕 。
在我国，地面水源的浊度差异很大，即使同一水源，浊度变化也是很大的。实际的絮凝试验很有必要考虑浊度的影响，此外，就某种絮凝池而言，也有必要搞清楚它对不同浊度的适用性。因此，在不同原水浊度下絮凝池综合指标应取何种形式是一个值得研究的问题。

一、絮凝效果的测定方法

研究原水浊度对絮凝效果的影响，须先明确测定絮凝效果的方法。测定絮凝效果的方法有两种:
1.摄影法取经一定时间反应的水样，置于特制的器皿中进行摄影，以测得水中絮凝体粒径分布。根据絮凝体粒径分布判定絮凝效果。
2.静沉法水样反应一定时间后，静置沉降，取上清液测定剩余浊度，根据剩余浊度判定絮凝效果。
摄影法应按规定时间逐次取样，其结果能准确地反映絮凝体粒度随反应时间的变化，取得的资料可以直接与絮凝速度基础式相验证，因而是一种比较科学的方法。但是，这个方法须将水样置入2mm深的浅玻璃皿，显微摄影(或近拍摄影)后，逐个量度絮体尺寸。每次所取水样中絮体个数不宜少于200粒 〔4〕 ，如果一个絮凝过程取8个水样，整理资料的工作量就相当繁重。所以，此法只能用于专门研究。
静沉法是国内外普遍采用的方法。其依据是相同的絮体粒度分布必有相同的沉降效果，因而能够用上清液余浊间接反映絮凝效果。这种方法简单易行，一般设备条件和技术水平均可操作。
然而，由于通过沉淀余浊来测定絮凝效果，某结果难免受到沉淀过程中某些因素的影响。人们都注意到无论是反应以后的絮凝体悬浊液还是未加药反应的原水，在静沉过程中都有可能发生重力絮凝(自然絮凝)现象。这种絮凝是由于颗粒粒度不同，沉速不同引起的速度梯度所致，且浓度愈高，重力絮凝作用愈显著。由此可见，静沉法测定结果实质上包含了两种絮凝过程:反应池絮凝和静沉重力絮凝，测定结果是二者的综合效果。因为测定方法本身不可能将这两种絮凝作用区分开，所以从严格的研究絮凝过程要求来看，静沉法是不合用的。但是，考虑到工程实用性，实际的反应池后总要设置沉淀池，因而并不一定要求把两种絮凝作用分开，所以静沉法仍然是可行的。
有文献指出，可能发生重力絮凝的条件是水中固体含量达到500mg/L 〔4〕 。若仅仅是为了测定固体粒度分布，为避免重力絮凝，可以采取稀释法。但是，稀释法对絮凝体这种特殊固体，操作上相当困难，不能推广。故而，采用静沉法时，必须考虑重力絮凝因素。

二、原水自然静沉试验

为了解重力絮凝的作用，首先观察原水自然静沉情况。
用高岭土配制不同浊度的原水，高岭土粒度分布如表1。平均粒径为4.51μm，比实际原水粒度细(指多数水源)，关于这一点后面还要说明。

自然静沉试验以水温10℃，沉降20min，水面下5cm深处取水样，测定剩余浊度C s 。
当水温非10℃时，可根据斯托克斯公式按照实际水温的粘滞系数μt修正静沉时间Tt

这样就能保证不同水温下静沉效果的共同基准，即在不同水温条件测得相当10℃水温的静沉效果，此为本文规定的标准静沉试验条件。
根据上述试验方法测得不同初浊度C o 时的静沉余浊C s ，并以余浊率ξ=C s /C o 作为参数，将实测C o 与ξ绘于双对数坐标上，结果如图1。

由图1看出，当原水浊度较低时，不同原水浊度相应的余浊率处于某水平线附近，基本是一个定值。这一结果表明，尽管原水浊度不同，水中固体粒子数量不同同，各粒子直径有大有小，但各粒的沉降互不影响，因而出现相同的余浊率。一般认为粒子互不影响的沉降是自由沉降状态。
原水浊度较高时，余浊出现差异，而且差异程度随原水浊度增加而加大。这就表明水中粒子在沉降过程中发生了“絮凝”现象。且当C o >250度时，存在ξ= 的关系，规律性相当明显。
本试验所用高岭土粒度较细，浊度继续增大，静沉时已出现浑液面，沉降属于另一种规律，不在本文研究范围之内，故未列出这些数据。
综上所述，原水在自然静沉中呈现较强的规律性:浊度较低时，颗粒为自由沉降，余浊率接近某一常数；浊度较高时，出现重力絮凝作用，余浊率按 的规律骤减。这里不妨把具有前一种性质的原水叫做低浊度水，而把具有后一种性质的原水叫做中浊度水。
由于实际原水中形成浊度的固体粒度分布各不相同，故而不可能存在普遍意义的低、中浊度水定量界限值和余浊率表达式。笔者认为这个定量界限值和余浊率的计算并不是主要的，重要的是原水自然静沉的这种规律性，使我们有可能根据低、中浊度原水的重力絮凝特点，分别建立适用的絮凝综合指标。

三、考虑浊度因素的絮凝综合指标

使用同一原水进行絮凝模型试验或絮凝试验时，可以不考虑浊度因素，余浊率与综合指标有以下关系 〔1〕

的关系。
为推求(3)式的具体形式，采用几何尺寸比为2: :1的一组方形搅拌槽，即文献〔5〕中的1 # ～3 # 模型(有效容积K分别为96，34，12L)进行不同浊度原水的混凝试验，原水同前，混凝剂采用硫酸铝，投量根据烧杯搅拌试验确定。

对应前面定义的低浊度区，取原水为25，50，75，100度四种浊度，中浊度区从250至2000度取八个浊度，各浊度用两种搅拌速度分别在三个搅拌槽中进行试验。试验数据如按ξ～GT/ 关系整理得到如图2形式的曲线(以下简称余浊率曲线)。试验取得的余浊率曲线形式相同，下面以图2的曲线为代表，对该类曲线进行分析。
反应时间较短(即GT/ 指标较小)时，余浊率呈直线规律，反应时间较长(指标值较大)时余浊率也是直线关系，中间有一个弯曲段。第一直线段因其反应时间甚短(例如图2曲线，相当T<2min)，余浊率大于0.6，絮凝效果差。第二直线段反应时间长(如大于8min)余浊率基本不再变化，表明絮凝体已达到成长平衡，继续延长反应时间不可能提高絮凝效果。研究这两个直线段并没有实际意义，因而把重点放在中间弯曲段。

将弯曲段数据按照不同浊度点绘在双对数坐标上，如图3。由图3看出，各浊度的数据均成较好的直线关系，表明余浊率曲线弯曲段可用下式表示

式中，logθ(C o )是图3中各直线的截距，显然它是C o 的函数。m是各直线斜率。由数据初步整理发现，绝大多数m值接近-1，故按m=-1整理得各浊度C o 时的θ(C o )，值列于表2。
θ(C o )值的差异表明了原水浊度对絮凝速度的影响。当原水浊度不同时，絮凝效果不仅与GT/ 有关，而且取决于C o 的函数θ(C o )值。为建立C o 对余浊率的关系，需将图3结果作进一步整理。


将C o 与θ(C o )点绘于双对数坐标上，如图4。图中低浊区与中浊区的C o 与θ(C o )关系分别接近直线规律，统计整理得

再把(6)、(7)式和m=-1代入(5)式得到低、中浊区余浊率曲线弯曲段表达式

式中L、M均为常数。
以上是适合本试验条件的余浊率表达式。推广到其它某种原水，只要形成浊度的固体粒度分布及特性相同，其不同浊度之间也应存在上述规律，即可以划分为低浊区及中浊区，两个

参数决定余浊率。当然，不同的原水，其浊度分区及各分区的L、M值可能不同，但这种共同的规律性是可以成立的。据此写出余浊率的一般表达式

中浊度原水的絮凝综合指标。

四讨论

在GT指标的基础上，引入水流雷诺数Re 的意义已做过专门讨论 〔1〕 ，这里只对絮凝综合指标中的原水浊度C o 进行讨论。
低浊度原水由于固体粒数浓度甚低，故而不论是自然静沉还是絮凝后静沉，粒子互相碰撞结合的机率很小，重力絮凝作用都不明显，可认为静沉法测得的絮凝效果完全反映了反应池的絮凝效果。巴宾科夫的著作 〔2〕 介绍了如下结论:用水解混凝剂处理水的条件下，可以利用C o GT乘积作为准数。丹保则提出以无因次絮凝时间m值(m～C o GT)作为控制参数 〔3〕 。这些结论表明，反应池絮凝效果与原水浊度C o 成正比关系，在这一点上本文结果与前人的研究结果是一致的。
中浊度原水时，静沉过程中的重力絮凝不能忽视，用静沉法测得的是反应池絮凝和静沉重力絮凝的综合效果。絮凝综合指标中C o 方次的升高，显然是重力絮凝作用所致，也可以说是静沉法造成的偏差。这种偏差对于研究纯絮凝过程当然是不能接受的，因为它反映的不单纯是絮凝过程本身的规律，还包括后继的静沉重力絮凝规律，所以又称它为絮凝静沉综合指标。
既然不同尺寸反应池絮凝综合效果(包括静沉重力絮凝的影响)，在同一浊度区服从同一综合指标，如(11)式，而该式实质上就是中浊度水絮凝的准数方程式，所以中浊度水絮凝静沉现象存在相似性。前已述及，静沉重力絮凝本身也存在相应的规律性，故而静沉法测定的效果能够间接表明反应池絮凝效果。
当然，静沉法不能直接给出中浊度水反应池絮凝效果，但作为一种实用的测定方法是可以为人们所接受的。实际工程上并不一定需要求出纯粹的反应池絮凝效果，因为水厂反应池后的沉淀池中必然也发生重力絮凝，所以只要能相对地推测或比较反应效果就足够了。因此，中浊度水的絮凝综合指标是具有实际意义的。

五、结论

由试验结果和以上分析可得下列结论。
1.根据固体粒子在静沉过程中重力絮凝影响程度的大小，可将原水进行浊度分区。静沉过程中重力絮凝作用不明显，粒子处于自由沉降状态的原水可定义为低浊度水。静沉过程中重力絮凝作用明显，但未形成界面沉降的原水可定义为中浊度水。
2.考虑原水浊度的影响，适用于低浊度区

3.同一浊度区综合指标相同，从而絮凝试验的模拟范围可以扩大。对一定原水，在某浊度下的絮凝试验资料可用来推算该浊度区范围内任一浊度的工作参数。
在做不同浊度原水絮凝试验时，掌握投药量规律是十分重要的，否则试验结果就失去了可比性。限于篇幅，本文略去了这一方面的叙述。

参考文献

〔1〕 曹翀等，《絮凝池综合指标浅析》，中国给水排水，第3卷，第2期。
〔2〕 E.д.巴宾科夫，《论水的混凝》，郭连起译，1981年。
〔3〕 丹保宪仁等，《フロツキ工レ—夕—の合理的设计》，水道协会杂志(日)，第431号。
〔4〕 大山义年，《化学工学》Ⅱ，岩波全书254，1964。
〔5〕 曹翀等，《絮凝池相似规律的探讨(二)》，西安冶金建筑学院学报，1985.3。