絮凝池的合理设计

戚盛豪

前 言

　　完成絮凝过程的絮凝池(一般常称反应池)，在净水处理中占有重要的地位。天然水中的悬浮物质及肢体物质的粒径非常细小。为去除这些物质通常借助于混凝的手段，也就是说在原水中加入适当的混凝剂，经过充分混和，使胶体稳定性被坏(脱稳）并与混凝剂水介后的聚合物相吸附，使颗粒具有絮凝性能。而絮凝池的目的就是创造合适的水力条件使这种具有絮凝性能的颗粒在相互接触中聚集，以形成较大的絮凝体(絮粒)。因此，絮凝池设计是否确当，关系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影响后续处理的沉淀效果。
　　当然，为了获得良好的絮凝效果，混凝剂的合理选择是重要的，但是也不能忽视絮凝池设计的重要性。在生产实践中，不少水厂由于改进了絮凝池的布置，从而提高了出水水质，降低了药耗，或者增加了制水能力。在混凝沉淀的设计中，也出现了宁可延长一些反应时间以缩短沉淀时间的看法。这些都说明絮凝反应在净水处理中的重要作用。
　　近年来，由于高效能沉淀以及过滤装置的出现，使水厂的平面布置(包括构筑物尺寸及占地面积)大为缩小。相对来说絮凝池所占比例就有所增加。例如，在原平流式沉淀池中，絮凝只占较小的体积。然而在斜管沉淀池中，絮凝部分的体积几乎与沉淀部分的体积相仿。为此，国内不少同志在这方面进行着如何改进絮凝构筑物的研究，并提出了不少设想。对设计工作者来说，亦迫切要求有一个科学的评价方法，以解决如何合理选择絮凝形式的问题。
　　絮凝反应是一个很复杂的过程，它不仅受絮凝池水力条件的控制，而且还与原水性质、混凝剂品种和加药量以及混和过程都有密切关系。从目前国内外的研究情况来看，尚没有一个能定量地反映絮凝过程的完整数学模式，甚至作为定性分析，也还存在不少问题。这些情况就给具体设计工作者带来很多困难。严格地说，目前不少絮凝池的设计，仅是水力的验算，并没有对絮凝过程作完整的分析。因此，往往出现即使原水的絮凝性质很不相同，而其絮凝池的布置却完全相同的情况。
　　根据规范或设计手册规定的设计数据，进行水力计算，是目前絮凝池设计中应用最广泛的方法。应该说它在大多数场合下是可行的，但并不一定是最优的，况且，这些规定也只规定一些主要指标，至于具体的布置还需由设计者确定。例如，一般规定隔板絮凝池的流速由0．6米／秒渐减至0．2米／秒。至于流速如何递减，以及隔板转折的布置和道数等等，都未作明确规定。因而尽管所用主要指标完全相同，却可设计成很不相同的布置形式，至于它们的效果差异则更难以鉴别。
　　为了探讨絮凝池设计的合理方法，福建省净水工艺试验组曾提出了应用“模型絮凝池”的概念。其基本出发点就是认为：合理的反应速度应符合流速渐变的原则，即反应速度由大到小呈直线变化，且反应池进口流速应蚊祝?耄?隹诹魉傥?.1米／秒。凡符合这二个条件的所谓“模型絮凝池”则被认为是理想的絮凝池布置。
　　“模型絮凝池”作为探讨整个絮凝过程变化规律的设想，是有其积极意义的。但是，要把“模型絮凝池”作为理想的絮凝形式，则尚缺乏足够的依据。作为问题之一，它脱离了原水性质的考虑。速度渐变原则应对不同水质条件有不同的要求，而不宜取作常量。譬如，对于原水颗粒浓度不足以及絮凝体不易破碎的情况，将较高流速区的反应时间增加些，显然是有好处的。反之，则应增加较低流速区的比例。另外，隔板絮凝的转折，从“模型絮凝池”的要求考虑，显然是不符合要求的。但是实际上在絮凝的最初阶段，它往往起到了促进絮凝的效果。“模型絮凝池”用流速作为比较的相似关系，与絮凝理论所采用的以速度梯度作为相似关系有所区别。随着絮凝形式的不同，同样的流速，其速度梯度可相差达数倍。因此关于“模型絮凝池”的设想尚有不少问题需要进一步深入研究。
　　目前絮凝池设计中一个普遍问题就是没有考虑进入絮凝池的处理水水质。众所周知，良好的絮凝反应必须具备二个条件，即具有充分絮凝能力的颗粒以及合适的反应水力条件。实际上，它们就是絮凝过程中的“内因”和“外因”。水力条件只有适合欲絮凝颗粒的絮凝要求时，才能促进絮凝的进行。反之则不仅不能促进絮凝的进行，甚至使已经絮凝的颗粒破坏。因此作为具体的絮凝池设计，就必须考虑到处理水的水质条件。但是这却是目前絮凝池设计中最薄弱的环节。
　　本文的目的就是想探索一种能够根据原水条件来确定絮凝池合适指标的方法。应该说本文所述内容仅仅是一个设想，尚缺乏实验的验证。本文的目的是为引起有关同志对这一课题的重视，共同对此加以探讨。由于作者水平有限，时间仓足，所述内容可能存在不少错误，请大家批评指正。
　　为了叙述方便起见，本文首先对这一设想的基本假设作探讨和阐明，然后就建议的方法作一概要介绍。最后就其可能获得的应用作一分析。

絮凝的相似关系

　　所谓合理设计，无非是从许多可供选择的方案中，选定一种最能符合要求的方案。同样，絮凝池的合理设计，就是要从诸多的絮凝形式，以及不同的指标中，选择一种最能适合具体絮凝条件而又切实可行的形式和指标。鉴于目前的研究水平，仅用理论的方法还无法解答上述课题，因此还需借助于实验手段。实验的目的就是可以在较小规模下模拟实际的效果，以便对可供选择的方案加以比较。和其它许多实验一样，絮凝的实验也需要解决一个模拟的相似问题。也就是说需要解决怎样在较小规模的试验中，获得与真实絮凝池同样的絮凝结果。
　　对于絮凝反应来说，需待解决的相似关系主要有二个，即处理水的水质条件和絮凝池的水力条件。关于水质条件，一般采用真实水样还是容易办到的。例如选择若干具有代表性处理对象的原水，加注适量混凝剂，并经充分混和，即可供作絮凝的实验。至于水力条件，则不能依靠实际絮凝池来作试验。因设计的目的是要对多种方案进行对比，而这在实际絮凝池中是难以完全实现的。为此，需要寻找合适的水力条件作模拟相似。对于水力条件，一般可以采用雷诺数或弗鲁特数相似，也可采用其它相似准则。至于采用何种相似方法则应视研究对象而定。为此有必要就絮凝过程中水力条件的作用作一分析，以确定相似关系。
　　絮凝的目的是使细小颗粒彼此聚集。除了颗粒具有絮凝能力外，还必须创造颗粒彼此接触，或者接近(达到颗粒吸附的作用范围以内)的机会。否则，若保持颗粒间的相对位置不变，即使颗粒的絮凝性能极为良好，也无法聚集。可以通过三个途径，使颗粒达到彼此的接触：水分子的热力运动、颗粒的沉速差异和水体的流动。
　　所谓热力运动产生的颗粒碰撞，是由于水分子进行的杂乱而没有规则的运动(布朗运动)，不断撞击附近的胶体颗粒，使颗粒也进行着杂乱而没有规则的运动，从而获得了颗粒彼此碰撞的机会。这种接触机会与温度有关，而与液体的流动无关。因而只要保持温度和时间的因素相同，热力运动造成的碰撞也是相同的。
　　至于沉速差异产生的颗粒碰撞，往往在沉淀池中有明显的作用。然而在絮凝池中，由于其颗粒一般尚属细小，沉速不大，可以说差异所产生的碰撞作用在絮凝池中，不占统治地位可予忽略。
　　一般认为在絮凝池中，对颗粒碰撞起主导作用的主要是水体的流动，也就是由于水体流动所产生的能量损耗而造成的。
　　一般关于水体流动所产生的碰撞公式可表示为：

　　J=2Gd³N²/3　　　　　(1)
　　式中：J为单位时间单位体积内颗粒接触的机会；
　　　　　d为颗粒的有效粒径；
　　　　　N为单位体积内的颗粒数；
　　　　　G为计算范围内的绝对平均速度梯度。
　　平均速度梯度值可用下式计算：

　　G=(W/μ)^0.5　　　　　　　　　(2)
　　式中：W为单位体积单位时间所消耗的功；
　　　　　μ为液体的动力粘滞系数。

　　一般认为式(1)只适用于层流，而大多数絮凝池的水源均属紊流。对于紊流条件下颗粒的碰撞频率，Levich提出了如下公式:

　 　J=12πβd³n³(ε₀/μ)^0.5　　　　　(3)
　　式中：β为系数；
　　　　　ε0为有效能量消耗率。

　　比较式(1)与式(3），除了系数差别外，主要是式(3)所用的功为有效能量，而式（1）则采用计算的能量，两者相差一个效率系数。而在实用上有效能量是难以确定的，仍需用计算的能量来表示。
　　因此，无论是式(1)或式(3)，作为单位时间单位体积内颗粒碰撞的因素都是颗粒的粒径、浓度以及水流的速度梯度。实际上，这里包含了二个方面的内容，即以颗粒的粒径及浓度为代表的参与絮凝的水质条件和以G为代表的絮凝池水力条件。由于粒径和浓度已由真实水样来模拟，因而只要保持G值相似，理论上即可得到同样的颗粒碰撞条件。
　　但是应该指出，颗粒的碰撞并不就是颗粒的聚集。对于不同絮凝能力的颗粒，在同样碰撞次数时，应该得到程度不同的聚集。也就是说它们的有效聚集比例是各不相同的。但是，如采用真实水样作为絮凝的模拟，则这一因素同样可在实验中获得反映。
　　另外，在模拟絮凝水力条件时还需考虑一个重要的现象，即絮凝体的破碎，或絮凝体大小的限制条件。絮凝体所能承受的水流剪力是有限度的。随着絮凝体的增大，相应的抗剪能力会减弱。与水流共同运动的絮凝体，受到液体切应力的作用。因此，当液体的切应力大于絮凝体的抗剪能力时，絮凝体将被破碎。因此在模拟絮凝反应时，除了模拟颗粒碰撞而产生的聚集外，还需要模拟因液体的切应力而产生的破碎。
　　众所周知，液体的切应力可由二部分组成，即粘滞阻力及混掺阻力。对于层流条件，切应力纯由粘滞阻力产生。对于紊流条件，则主要由混掺阻力产生(除边界层附近外)。这二种切应力的大小都决定于液体的速度梯度。
　　在速度梯度G中，所谓消耗的功，也就是指切应力所做的功。因为只有切应力所做的功是不可逆的，也就是由机械能转化为热能。
　　丹保宪仁教授在分析絮凝过程中，考虑到水流切应力对絮粒的破碎影响，引入了颗粒最大成长度Sm的概念，也就是说Sm代表在一定的水流条件下，能形成最大粒径的原始颗粒数。丹保教授通过试验得出，在原水水质条件不变时，Sm是有效能量消耗率ε0(或速度梯度G)的函数。
　　通过对絮凝过程中一些主要现象的分析，包括颗粒的碰撞，因碰撞产生的聚集、絮凝体尺寸的限制以及水流对絮凝体的剪切，我们得到了可用真实水样模拟水质特征以及用G值模拟水流特征这样两个关系。
　　采用G值来模拟絮凝池的水流絮凝特征，至少在二方面是有用处的，一是可以把真实絮凝池的研究缩小到在实验室内进行，也就是只要维持实验条件的G值与真实池相同。其结果也应相同。另一是可以用作不同絮凝形式的比较，也就是即使絮凝池的水流形态相差甚大，只要其过程的G值相同，(当然还应考虑不同絮凝池形式有效能量利用的差别)效果也应相同。

假设和设想

　　作为研究的方法可以是微观的，也可以是宏观的。大多理论研究都以微粒作为对象。由于实际的原水是由不同颗粒所组成，不仅粒径呈一定分布，而且其性质也各不相同。对于水流条件来说，同样存在一个断面内的速度梯度各不相同。可能在同一时刻同一断面上，既有颗粒的絮凝，又有颗粒的破碎。因此，采用微粒的分析方法，问题要复杂的多。甚至在很多情况下难以办到。微观现象的分析，可以帮助我们对问题的考虑(如前节所作的那样)，但试验还应以整个悬浊液在絮凝过程中的平均效果作代表。这样，我们就不必去分析诸如颗粒大小的组成分布，断面各点的速度梯度分布以及絮凝颗粒的沉速分布等等。而分别用平均粒径、平均速度梯度以及平均沉速来表示。
　　对于絮凝效果的评价，一般可以采用颗粒粒径、颗粒沉速以及沉淀后浊度去除率等来表示。无论是颗粒粗径的加大，沉速的加快以及沉淀后浊度去除率的增加都能反映絮凝效果的提高。在理论研究方面，一般以粒径为指标的居多。许多理论公式都与粒径有关。对于后续处理的沉淀计算来说，采用沉速的概念较为有利。因为沉淀池设计希望提供反应后的沉速数据。然而对于测定来说，采用浊度指标最为方便。实际上这三个指标都是相互关联的。沉淀后浊度去除率可以间接地表达悬浊液的平均沉速。
　　为了探讨方便起见，我们在研究设想方案时，仍以平均沉速作为指标；而作为实验的手段，则以沉淀后浊度去除率为指标。
　　此外，我们还作了一个假设，就是由不同方式获得相同絮凝效果的悬浊液，在其进一步作絮凝反应时，应获得同样的结果，例如采用G1值的速度梯度反应T1时间后，得到了悬浊液的平均沉速为V，而用另一G2值反应T2时间后也可得到平均沉速为V，我们就认为这二者效果相同，同时，尽管它们形成的条件各不相同，但在进一步絮凝时，二者应该获得同等的絮凝条件。
　　根据以上对絮凝过程以及基本假设的分析，我们就可以进而讨论絮凝池合理设计的设想方案。
　　如果把单位体积中颗粒所占的比例用φ来表示，即：

　　φ=N(π/6)d³　　　　(4)

　　则参照式(1)及式(3)，并假定颗粒的每一次碰撞均产生聚集，那么颗粒浓度的时间变化率就应为：

　　dN/dt=-K_sN　　　　　　　(5)
　　式中：Ks取决于G和φ，即Ks＝kGφ。

　　将式(5)积分，可得：

　　N=N₀e-K_st　　　　　　(6)
　　式中：N为絮凝时间为t时的颗粒总浓度；
　　　　　No为絮凝开始时(t＝0)的颗粒总浓度。

　　假如絮凝过程中密度保持不变，即φ固定，则上式可换算成粒径的变化关系。即：

　　d=d₀e^(K_st/3)
　　式中：d及do分别为时间t及t＝0时的颗粒粒径。

　　也就是说。如果颗粒的每次碰撞均属有效，则其粒径的增长(或相应沉速的增长)理论上应如图1所示的形式。粒径(或沉速)随时间呈指数关系增加。其增长的速率取决于ks值。即Ks越大增长速率越快。ks与水流的速度梯度及原水颗粒体积比成正比。因此当G值增加。或者颗粒浓度增加时，粒径（或沉速）的增长就迅速。

　　

　　图1所示为理论曲线，然而，根据一般搅拌试验的结果，所得图形与图1有很大出入，大致得到象图2实线所示的曲线。也就是说，在维持G值不变情况下，沉速增长的速率不一定是随时间增加而加速。在开始时或开始以后较短时间，沉速增长形式与理论曲线大致相似。但以后其增长率不仅不是逐步增加，相反出现逐步减小，最后趋向于某一极值Vmax。我们不妨称Vmax为某一G值时的极限沉速。例如，在作一般反应的搅拌试验时，最初5～10分钟效果增长较明显。然而超过10分钟以后其反应效果一般很少有明显增加。如果不改变搅拌速度，那么即使搅拌20分钟或30分钟，其结果往往不会有什么变化。
　　产生理论曲线与试验曲线不一致的原因，很容易得到介释。理论曲线假定颗粒的每一次碰撞都产生聚集，实际上颗粒碰撞时不仅不一定聚集，而且还可能被破碎。图2中阴影部分实际上代表了碰撞中的无效和破碎部分。由于V与絮凝结果的沉速相比是微小的，故一般可略而不计。

　　但是图2的试验曲线是用同一水质、同一G值试验的结果。如果改变G值，情况就会不同。实际上在进行搅拌试验时，用肉眼也可发现。在经一定时间搅拌后，停止浆板的转动，由于水流的惯性，液体仍在旋转。但G值显然逐渐减小，此时所看到的絮凝体往往明显地优于搅拌时的絮凝体。其原因也较清楚，由于G值减小，其极限沉速就相应增大，虽然此时的絮凝时间尚达不到相应的极限沉速，但颗粒还是向加大的方向发展。
　　因此，为了探索合理的絮凝水流条件，就应该对不同G值情况下的絮凝分别进行试验。图3所示为可能获得的一组试验结果。a、b、c分别代表低、中、高三种不同的G值，按照理论曲线(虚线)应该出现G值越高，增长越快。但实际情况在在有所出入。在开始阶段无凝应该是G值越高絮凝效果增长越快。因为此时颗粒尚属细小。碰撞产生的絮凝作用应是主要的。但是当颗粒增长到某一程度后，颗粒聚集受到一定限制，还将受到破碎的影响，也就是逐步趋向于某一极限沉速。由于G值高的，极限沉速小，而G值低的，极限沉速大，因而它们的试验曲线必然相交(如图2中的A点及B点)；也就是说，当用C的G值反应tA时，与用b的G值反应tA时，将获得同样的颗粒沉速。同样，对用c的G值反应tB时，与用a的G值反应tB时应具同等效果。然而当絮凝时间超过交点时，低的G值将可获得较快的颗粒沉速增长，高的G值沉速增长反而减慢，这也就是絮凝池设计中采用改变流速的原因。由图3可知，如果不考虑絮凝时间的长短，采用低的G值可以获得较好的絮凝效果。但是这样的设计显然也是不合理的。因为絮凝池合理设计的目的就是要求以最短的时间获得最好的效果。

　　图3所示的试验结果，对进行絮凝池的合理设计很为有用，后面将作进一步讨论。
　　此外，如前所述，絮凝效果不仅与水流条件(G值)有关，而且也与处理水的性质有很大关系。那么在这样的试验中，水质的差异能否得到反映，这是需要考虑的。
　　从絮凝角度考虑的水质特征，主要应包括原水的颗粒浓度，颗粒的絮凝能力以及颗粒的抗剪强度。
　　颗粒浓度高，粒间的接触机会多，因而就具有较迅速增大颗粒的可能。如果单体颗粒的絮凝能力和抗剪强度都一样，那么浓度的高低基本上对其极限沉速值不会产生很大影响。但如果考虑除水流切应力外，颗粒碰撞时尚有其衡量的作用，则可能出现高浓度的极限沉速略小于低浓度的现象。当然，对于浓度高到某一程度(例如污泥循环等类型)，是否尚有其它絮凝作用机理，尚有待进一步探讨。因此图4a所示的二条曲线大致上反映了其它条件相同时浓度高低的影响。由图可见。一般情况下，达到同一沉速所需的絮凝时间随浓度增加而减少。

　　颗粒的絮凝能力在絮凝过程中起着重要作用。例如由于混凝剂选择不当或加注量不足，均可使颗粒缺乏必要的絮凝能力，此时，即使接触机会很多，然而其聚集效果却很差。对这些絮凝能力差的水质，其絮凝进展必然非常缓慢，相应的极限沉速也很低。而要达到极限沉速所需的时间也很长，实际生产中，往往采用不断调整混凝剂加注量的办法，来调节絮凝效果，其实质也就是不断改变颗粒凝絮能力，以满足絮凝的要求。图4b的曲线代表了絮凝能力的影响。由图可知，对絮凝能力弱的处理水，其无效碰撞占有重要比例。
　　颗粒的抗剪强度取决于原水颗粒性质以及絮凝体的组成结构。例如对于主要由色度组成的原水，由于胶体所带负电荷较强，聚集颗粒组成的结构就与一般浊度组成的原水不同。相应的抗剪强度也有所区别。颗粒抗剪强度的大小直接影响着絮凝颗粒的极限沉速，抗剪强度大，允许的极限沉速也大。图4c曲线代表了抗剪强度的影响。由图可知，如颗粒的絮凝能力相同，则在其开始反应阶段，抗剪强度的影响不显著。只有接近其极限沉速时，将产生明显的区别。
　　以上只是根据某些理论以及概念所作的分析。事实上水质条件还要复杂得多，除了上述这些影响因素外，还可能存在其它影响絮凝的因素。但是作为絮凝过程的实际试验，基本上能综合反映这些因素的影响，因而较接近真实絮凝池的絮凝过程。

试验和设计

　　通过以上这些分析，我们可以得到这样的初步概念：
　　(1)用G值相似可以大体模拟絮凝他的水流条件；
　　(2)采用真实的水样，基本代表了处理水的絮凝特性；
　　(3)处理水的絮凝特性，能在搅拌试验结果中得到综合反映；
　　(4)因此，搅拌试验的结果基本上反映了真实絮凝池的絮凝情况。

　　作为搅拌试验可在图5所示的搅拌容器内进行。采用机械搅拌对于获得不同G值最为方便。为获得G值的迅速变化，搅拌的动力应创造无级变速的条件。为测定絮凝效果可在容器的不同高度设置二个取样口。设置二个取样口便于分析在沉淀过程中是否有补充絮凝的情况，必要时可对于试验结果予以调整。容器应有足够体积，以使取样后水面下降不影响测定精度。试验的G值可根据转速推算，而用改变转速的方法来变更G值，为了加速试验进行，必要时可将若干搅拌容器组成一组同时试验。
　　试验所用的原水因具有真实性和代表性，必要时也可取用几种代表性的水样(例如高浊度、低浊度及一般情况等)分别进行试验，试验前应先用目前常用的方法，确定混凝剂品种和最佳加注量。
　　试验时，按规定容积将水样注入容器，并按确定的加注量加入混凝剂。然后迅速以G约500～1000秒-1左右的相应转速搅拌5～10秒，以作为混和。以后即可按需要的絮凝G值进行试验。试验可先固定一个G值，分别作不同时间的搅拌，相应可得到某一G值的试验曲线，然后改变G值再作另一G值的试验曲线。作为试验来说。取用G值的范围一般应宽于设计可以选用的范围，以便于设计时进行分析探讨。
　　由于直接测定沉速在目前条件下较难办到，作为替代的方法可以采用测定沉淀后浊度的去除率。也就是选定某一截流速度Vo作为标准。经静止沉淀t₁＝h₁／Vo及t₂=h₂／Vo，分别自二个取样口取样，测定其沉淀后的浊度，然后计算出相应的去除率。截流速度Vo的取值应接近实际沉淀池的值，一般可取0．5～1．0毫米／秒。
　　通过以上试验，就可将成果整理成图6所示的曲线。图6与图3相比，仅仅是纵座标取用的不同而已，有了图6所示曲线，我们就可选择合适的设计指标。
　　图中G1、G2、G3、G4分别代表四种不同速度梯度的试验结果，而以G1为最大，G4为最小。实际试验时可以采用更多的G值数据，这里为叙述清楚和方便起见，先用四种G值加以分析。

　　由图可知，不同的G值在絮凝的不同阶段各有不同的效果。例如当浊度去除率达到20％时，显然G1所需反应时间最短(t1)，G2、G3次之，G4则最长(t2)。而当达到40％时，G1已超过允许的极限范围。而以G2为最短，G3次之，G4仍为较长。当浊度去除率需要达到90％时，唯一的办法只有采用G4。
　　那么，是否为了获得90％那样的去除率，就只能采用G4反应时间tD呢?显然这是不合理的。例如，我们假设先用G1反应t1时间，然后再用G4反应(tD—t2)时间，根据前面提到的不同方式获得的絮凝效果在进一步絮凝时应具有等同结果的假设，同样可以获得90％的去除率。而这二个方法相比，后者絮凝时间缩短了(t2—t1)。这也说明选用同一G值反应是不合理的。
　　那么，如果我们在絮凝池设计中采取改变G值的方法，先用G1反应tA(对于用G1反应时间超过tA显而易见是不合理的)。再用G2反应(tB—tA)。然后用G3反应(tc—tB)。最后用G4反应(tD—tC)。看来似乎G值在絮凝过程中不断改变，其实这也是一个不合理的方案，不难分析，该方案的总絮凝时间仍然和采用单一的G4方案相同。因此，只注意到G值的改变，而不注意G值的合理分配，同样难以获得最佳的方案。在对比实际絮凝池效果时，往往发现两者的平均G值相差很大，然而总效果却出入不大，很可能就是这类原因。
　　为了使絮凝总时间最短，使每一G值在最确当的絮凝阶段中发挥作用，一个合理的设计方案应该采用图6中0—E—F—G—H—L—J—D的过程。也就是用G1的反应时间为tE，用G2的反应时间为(tG-tF)。用G3的反应时间为(tI——tH)。而用G4的反应时间为(tD—tJ)。其中E——F、G—H、I—J分别表示G1与G2曲线；G3与G2曲线及G4与G3曲线间水平距离最大的位置。也就是说为了获得同一效果可缩短的最多反应时间。如按上述过程进行反应，则同样达到D点的浊度去除率，可缩短的反应时间为(tF——tE)+(tH—tG)+(tJ——tI)。这就是我们要寻求的絮凝池台理设计的指标。
　　图7就是按这一方法，根据试验的絮凝曲线确定的絮凝过程中G值的变化规律，虚线是假定由试验获得的不同G值的絮凝曲线，实线表示絮凝过程中G的变化，由求相邻G值曲线间最大水平距离的方法得出。总反应时间为T1根据絮凝曲线和絮凝的G值变化，不难找出反应过程的效果曲线。如图中粗线所示。通过G值的调整，使总絮凝时间由T2缩小到了T1，因此是一个较合理的选择方案。

　　以上只是根据某一水质条件所作分析，如果水源的水质变化很大就需要对不同时期的代表性水样，分别进行类似的试验，并分别用上述方法进行分析。由于，絮凝池提供的水力条件只能是一种(除个别采用特殊措施外)，因此只能用判断的方法，选择一种相对较理想的方案。
　　得到了絮凝池要求的G值与t的关系，就可以选择合适的絮凝池形式和进行具体的设计。

设计中的几个具体问题

　　1、关于絮凝池的G值范围：
　　理论上絮凝池的G值应该与混和池和沉淀池相衔接。也就是从混和出口的G值逐步降到沉淀进口的G值。这样就可在絮凝池内接近完成相当于沉淀池G值的极限沉速的絮凝过程。此外，由上述分析也可知G值在絮凝过程中应不断变化，以得到最短的反应时间。如果在图7中我们作了更多的G值絮凝曲线，必然可以找到比T1更短的絮凝时间。
　　但是，这二个要求在絮凝池的具体设计中往往难以达到：因为：
　　(1)各种絮凝形式由于构造以及其它原因，一般只能适应一定的G值范围；
　　(2)如按G值的变化规律布置出来的絮凝池，其形式在实用上往往难以接受。
　　这也就是说理论的要求往往在实用上遇到困难，因为实际絮凝池设计还会受到许多其它条件的制约和限止。因此，往往可发现不少平流沉淀池在沉淀进口很短距离内，絮凝体要比絮凝池出口好得多。这显然是由于沉淀池具有较小G值(沉淀池的G值仅10^-1～10^-3秒^-1数量级范围内)造成的。应该说在沉淀池内进行继续絮凝是客观存在。也是有好处的。但是如果能在絮凝池内进行更充分的絮凝，看来要比在沉淀池内进行有利。因为絮凝池所需的停留时间可以较小。然而由于排泥问题无法解决，往往只得把这部分絮凝由沉淀池来承担。图8列出了常用絮凝形式可提供的G值范围。图中的范围只是就形式本身在一般指标下可能出现的数值。至于在各别条件下(例如某一设计流量)，可以选用的G值范围只能是上述范围中的一部分。

　　隔板反应槽内的G值主要受二个因素的约束，一是断面构造的限制，另一是流速的限制。断面尺寸过小对清洗和施工都较困难；流速过大势必造成转折处过高的G值，流速过小又将在反应槽内产生沉淀。
　　看来机械反应可以适应的G值范围较广，这是由于浆板的转速可得到较大幅度的调整。同时由于浆板靠近池底因而对积泥的影响也可减少。但是机械反应的布置也还会遇到种种条件的限制，致使实际上也可能选用其中一部分范围，这在下面还将讨论。但采用机械反应必须注意的是防止短流。
　　絮凝池的形式尚有很多，这里只是例举了一部分，目的只是便于根据试验要求的G值选用相应的絮凝形式。
　　(2)隔板反应的布置问题：
　　隔板反应槽结合来回转折或回流转折是反应池布置最常用的形式。从上面分析来看，它所提供的G值范围还是较广的，但是它有一个明显的特点，就是G值变化的突变性。在反应过程中，槽内的G值是较低的，而在转折处却产生较高的G值，然后又回到原来的G值。对于来回隔板的布置，二者G值的相差约7～10倍；对于回流隔板的布置，其相差约5～8倍。因此转折的布置究竟在絮凝过程中起怎样的作用，是大家关心的问题。我们认为，结合搅拌试验的分析，这个问题也是可以得到解决的。

　　为了确定反应槽内的G值以及转折处的G值。可以利用图9和图10的成果。图9是根据粗糙系数n＝0．014采用满宁公式计算水头损失而得的。图10所示为转折处的G值，实线表示来回转折，虚线表示回流转折。它们是按转折的局部能量损失平均作用于转折及转折后一倍槽宽范围内求得的。由于转折处的水流较为复什，假定的作用范围也可能有所出入，故其G值只能作一般的参考。

　　为了说明隔板反应中絮凝效果的变化，我们设想某一絮凝池布置的G值变化如图11点划线所示。即反应槽流速按6次递减，共设来回转折17处，总反应时间为20分钟，整个反应池的平均G值为47秒-1。我们又假设按前面所述方法获得的不同G时的絮凝效果曲线如图中虚线所示。于是我们就可分析隔板反应池中效果的变化(包括转折处的影响)。图中实线即为理论的絮凝池絮凝效果曲线。
　　由图不难看出，絮凝开始阶段，转折处局部能量损失对絮凝效果起很大促进作用。转折处效果曲线的斜率远较直槽段大，例如1～5的转折。随着颗粒的增大，相应转折G值的曲线变成平缓，而反应槽内曲线则相应增陡。于是二者没有大的出入，也就是反应槽的絮凝增长速度大致与转折处增长速度相仿。例如转折9～12。但是，随着絮凝过程的进展，到某一时候，可能会出现已经絮凝的颗粒沉速反而超过了相应转折G值的极限沉速。因而转折处不但没有絮凝效果，反而会降低其效果。例如转折14、15。当然，如果能及时改变转折的流速，其情况也会得到相应改善。因此说，隔板反应池开始阶段的转折往往有助于絮凝反应，而在后阶段则必须注意避免因转折而造成的颗粒破碎。作为其措施，主要应通过对反应槽内(同样包括转折)的流速进行合理分配。此外，目前应用较多的回流转折，对防止转折处的颗粒破碎也是一种较好的办法。

　　(3)关于机械反应问题：
　　机械反应是一种较理想的絮凝形式，不仅它的速度梯度不受水量的影响，而且它的G值适应性也相当大。在国外机械反应被作为主要的絮凝形式，在国内则由于设备以及维修等方面的原因，还应用不多。对于机械反应的布置，同样也还存在着一定问题，需要加以探讨。例如，机械反应如何合理分级，以及如与其它形式结合时，机械反应的设置位置等等。
　　对于全部采用机械反应的反应池，往往其串联的级数设置不多，一般只考虑3～4级。这就造成了在机械反应全过程中，G值的变化次数很少。在一个搅拌浆板范围内，其G值大体上可以认为相同。因此，由于絮凝过程中G的变化只有3～4次，这就要求设计时特别注意G值的选取。目前不少机械反应的布置，最大的G值与最小的G值一般只相差5～6倍。而且为了布置方便，设计时多将每个搅拌机的作用范围布置成一样，也就是每个G值的絮凝时间是相同的。因此，从大范围的絮凝角度考虑，机械反应只能视作集中了某一段G值，而以较长时间进行絮凝的一种形式。这对加速絮凝过程，就不一定很理想，也就是说，实际布置的机械反应，与我们探索方法所得的要求有一定程度的出入。由于同一G值反应时间过长，往往容易接近相应的极限沉速值(如图12所示)。从理论上说，较高的G值时间要短，较低的G值时间宜长，并尽可能增加G值的变化和幅度。应该说机械反应是有这方面条件的，设计布置估计也是可以办到的。问题是需要用较多的搅拌机加以串联。虽然这样的布置可使达到同样效果的反应时间缩短，但从总的经济比较考虑，可能就不一定合理。

　　由于机械反应设备和造价方面的原因，往往与隔板反应等其它形式组合，我们认为这是一个较好的形式，有助于发挥各种形式的特长。但是机械反应究竟设于何处才能充分利甩其特点，则是值得探讨的。
　　从机械搅拌本身来说，由于它对G值的适应范围很广，因此无论设在那里都是有效的r目前不少设计是把机械搅拌设置在反应的开始阶段。其原因多半是由于开始阶段隔板反应较难布置所致。由于絮凝开始阶段要求流速大，因而断面也就较小。对于处理水量较小的絮凝池往往满足不了最少断面的构造尺寸，为弥补这个缺陷，于是在反应的开始阶段布置了一部机械反应。然而，如从絮凝要求考虑，这样布置不一定是合宜的。结合转折布置的隔板反对于获得较高的G值，一般并不是太困难。至于断面过小，如采取一定措施也有可能解决。然而对于絮凝的后阶段。则往往由于转折处过高的G值而影响絮凝效果。如为减小G值，就需降低流速，结果又将带来槽内的积泥问题。对于机械反应，就不会出现类似转折处那样G值突变。如果浆板的回转半径不是过大，即使维持浆板的转速在0．05米／秒时，由于浆在池底的转动，也不致产生严重的积泥问题。而此时机械反应的G值，一般只有2—5秒-1，这样的G值条件，如采用其它反应方式，往往难以达到。此外，由于机械设备费用的昂贵，一般总想使每一台搅拌机所作用的反应体积能大一些。但是，在反应开始阶段，维持同一G值的反应时间过长，往往是不必要的。相反，在其后阶段，由于絮凝增长缓慢，用同一G值反应较长时间则可能会有好处。所以，对于机械反应与隔板反应相结合的絮凝池设计，其具体布置还应结合絮凝反应试验，进行综合考虑。如有条件，在絮凝后阶段设置一些机械反应，看来还是有好处。
　　4．理想布置的探讨：
　　根据前面介绍，我们通过搅拌试验，得到了图7所示的较理想的絮凝池G值分布方案。如果这样的分析是正确的，那么存下的问题就是用什么方法实施这一要求。
　　通过对隔板反应以及机械反应的分析，二者离开理想方案的要求都有一定距离。例如，隔板反应的初始阶段，转折的G值起了主要作用，而反应槽本身的絮凝作用则不甚明显。那么如果我们在初始阶段就达到转折的G值，而减去反应槽的反应时间，很明显就可使反应时间缩短。同样，隔板反应的后阶段。转折往往对絮凝是一个不利因素。如能避免转折影响，絮凝时间将又可缩短。对于目前采用的机械反应，由于G值的变化幅度和级数太少，同样与理想的要求有所出入。总之，通过理想方案与实际使用絮凝池的对比，看来要缩小絮凝池的体积，潜力还是很大的。
　　但是，要严格按照理论的方案去进行絮凝池的布置，还有不少困难。也还设想不出一个合适的形式。既要满足理论的要求，又要在实际上能办得到，困难是很多的。因此除了进一步对设计理论进行探索外，有必要对高效能的絮凝形式进行大胆的设想。
　　为了弥补理论要求和实际可能之间的差别，目前絮凝池设计中，也有采用一定措施的例子。采用反应形式综合布置就是其中之一。任何一种反应形式总是有其一定的最适用范围。综台布置的设想，就是把各种形式都设置在与其相适应的过程中；综合形式的布置方式越来越多，例如隔板反应结合机械反应、孔室反应结合机械反应，孔室反应结合隔板反应等等。严格说来隔板反应也是由反应槽与转折相组合的综合形式。在斜管沉淀池中，有些地方还设置了斜管助凝。实际上也可视作絮凝的一种形式。为了使絮凝池的综合，真正能起到应有的效果，还需要作详细的分析和研究。如果布置的不确当，不一定能取得予期的效果。
　　此外，理论的分析还要求在絮凝池中具有G值的足够变化范围，最好能与混和、沉淀的G值相衔接，看来似乎与沉淀的衔接更为重要，与温和的衔接虽也可缩短反应时间，但由于絮凝的初始阶段效率曲线上升轻快，因而只要在开始的有一定的G值，时间影响的出入不会在后阶段，看来既使用较小的G值，效果增加也不很快，但是这部分的效果往往对沉淀起很大作用，因此不能予以忽视。目前这部分絮凝往往被放到沉淀池内进行。但是，从总的考虑，若在絮凝池内能够完成，当然比在沉淀池内完成有利。要在絮凝池内完成这部分絮凝，最大的困难是积泥问题。因此，能否设想在絮凝与沉淀之间设一中间区域，以进行絮凝为主，如产生沉淀也能使沉积物排除，也是一个值得深入探讨的课题。
　　斜管沉淀池设计中采用的斜管助凝，作为絮凝的一种补充形式。颇受一定启发。由于斜管的水力半径很小，一般只有6～10毫米，因此在较低流速下也可获得一定的G值，以致创造了一个既在絮凝池又在沉淀池都无法达到的G值条件。而且斜管的布置又不必担心积泥问题的存在，但是，由于其停留时间过短，以致效果也不易被明显察觉，相反仅被视作配水措施。
　　这种改变水力半径而改变G值的方法，对我们进行絮凝形式的考虑会有一定帮助。因为这是在流速不变的条件下获得G值改变的方法诺如斜管、多孔、管式等等都可产生较小的水力半径，因而可以在较低的流速下产生较高的G值。至于这种启发是否能在絮凝池设计中获得应用。尚有待今后的研究和实践。

结语

　　鉴于目前絮凝理论的研究，尚不能在实际设计中获得应用，而设计又大多依赖于经验数据，对于设计成果也难以判别。因而认为有必要就反应池的合理设计问题进行广泛深入的探讨。
　　由于原水性质及其絮凝性能，对于絮凝反应具有重要的作用，因此作为絮凝池的合理设计就不能不考虑处理水的水质条件。对于水质的絮凝性能，目前还不可能通过测定某些数据而作为设计的控制指标。因此，只能借助于实验的手段。
　　为了能在实验中模拟真实絮凝池的效果，提出了：用真实水样模拟水质条件，用速度梯度模拟絮凝池的水力条件这样二个相似原则，通过分析认为实验所得的资料能够近似反映实际可能出现的情况。
　　作为探索的絮凝池合理设计的方法是以实验结果为依据，通过绘制不同速度梯度时的絮凝曲线，找出相邻曲线间最大水平距离的方法，确定理想絮凝过程中速度梯度的变化规律。
　　为了分析目前常用的絮凝形式及其与理想要求之间的差别，我们例举了隔板反应池及机械反应池作了分析；对于目前设计中遇到的一些问题，也结合进行了一些讨论。最后，对于如何满足理想要求来探索合理絮凝池的布置也作了一些分析。
　　正如本文开始时所述，编写的目的仅仅是为了引起有关同志对絮凝池合理设计问题进行深入的探讨。尽管可能文中的设想被完全否定，但如能引出各种不同看法，从而有助于絮凝池合理设计的探索，我们认为达到了本文的目的。
　　应该指出，文中所述内容都尚待实验验证。所有絮凝曲线及实际絮凝形式的效果曲线等，都是根据分析而作的假设。因此，本文只能被看作是对絮凝池设计方法的一种探索，或者说是一种设想。至于要在实践中加以应用，看来尚有一段过程。关于文中对絮凝形式所作的分析，也仅仅只能作为设计时的参考而已，正确与否还需实践检验。
　　如果本文的设想基本上成立，则拟进行下一步的试验工作。在试验工作中估计会遇到许多新的问题，那正是这一课题逐步得到深化的过程。
　　本文编写过程中，得到钟淳昌工程师等大力支持和指导，并经吴騑工程师审阅，特致谢意。