摘要：完成絮凝過程的絮凝池(一般常稱反應池)，在凈水處理中占有重要的地位。天然水中的懸浮物質(zhì)及肢體物質(zhì)的粒徑非常細小。為去除這些物質(zhì)通常借助于混凝的手段，也就是說在原水中加入適當?shù)幕炷齽�，�?jīng)過充分混和，使膠體穩(wěn)定性被壞(脫穩(wěn))并與混凝劑水介后的聚合物相吸附，使顆粒具有絮凝性能。而絮凝池的目的就是創(chuàng)造合適的水力條件使這種具有絮凝性能的顆粒在相互接觸中聚集，以形成較大的絮凝體(絮粒)。因此，絮凝池設計是否確當，關(guān)系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接 影響 后續(xù)處理的沉淀效果。 。

關(guān)鍵詞：絮凝池 混凝劑 沉淀效果 絮凝性能

前 言

完成絮凝過程的絮凝池(一般常稱反應池)，在凈水處理中占有重要的地位。天然水中的懸浮物質(zhì)及肢體物質(zhì)的粒徑非常細小。為去除這些物質(zhì)通常借助于混凝的手段，也就是說在原水中加入適當?shù)幕炷齽�，�?jīng)過充分混和，使膠體穩(wěn)定性被壞(脫穩(wěn))并與混凝劑水介后的聚合物相吸附，使顆粒具有絮凝性能。而絮凝池的目的就是創(chuàng)造合適的水力條件使這種具有絮凝性能的顆粒在相互接觸中聚集，以形成較大的絮凝體(絮粒)。因此，絮凝池設計是否確當，關(guān)系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影響后續(xù)處理的沉淀效果。

當然，為了獲得良好的絮凝效果，混凝劑的合理選擇是重要的，但是也不能忽視絮凝池設計的重要性。在生產(chǎn)實踐中，不少水廠由于改進了絮凝池的布置，從而提高了出水水質(zhì)，降低了藥耗，或者增加了制水能力。在混凝沉淀的設計中，也出現(xiàn)了寧可延長一些反應時間以縮短沉淀時間的看法。這些都說明絮凝反應在凈水處理中的重要作用。

近年來，由于高效能沉淀以及過濾裝置的出現(xiàn)，使水廠的平面布置(包括構(gòu)筑物尺寸及占地面積)大為縮小。相對來說絮凝池所占比例就有所增加。例如，在原平流式沉淀池中，絮凝只占較小的體積。然而在斜管沉淀池中，絮凝部分的體積幾乎與沉淀部分的體積相仿。為此，國內(nèi)不少同志在這方面進行著如何改進絮凝構(gòu)筑物的 研究 ，并提出了不少設想。對設計工作者來說，亦迫切要求有一個 科學 的評價 方法 ，以解決如何合理選擇絮凝形式的 問題 。

絮凝反應是一個很復雜的過程，它不僅受絮凝池水力條件的控制，而且還與原水性質(zhì)、混凝劑品種和加藥量以及混和過程都有密切關(guān)系。從 目前 國內(nèi)外的研究情況來看，尚沒有一個能定量地反映絮凝過程的完整數(shù)學模式，甚至作為定性 分析 ，也還存在不少問題。這些情況就給具體設計工作者帶來很多困難。嚴格地說，目前不少絮凝池的設計，僅是水力的驗算，并沒有對絮凝過程作完整的分析。因此，往往出現(xiàn)即使原水的絮凝性質(zhì)很不相同，而其絮凝池的布置卻完全相同的情況。

根據(jù)規(guī)范或設計手冊規(guī)定的設計數(shù)據(jù)，進行水力 計算 ，是目前絮凝池設計中 應用 最廣泛的方法。應該說它在大多數(shù)場合下是可行的，但并不一定是最優(yōu)的，況且，這些規(guī)定也只規(guī)定一些主要指標，至于具體的布置還需由設計者確定。例如，一般規(guī)定隔板絮凝池的流速由0.6米/秒漸減至0.2米/秒。至于流速如何遞減，以及隔板轉(zhuǎn)折的布置和道數(shù)等等，都未作明確規(guī)定。因而盡管所用主要指標完全相同，卻可設計成很不相同的布置形式，至于它們的效果差異則更難以鑒別。

為了探討絮凝池設計的合理方法，福建省凈水工藝試驗組曾提出了應用“模型絮凝池”的概念。其基本出發(fā)點就是認為：合理的反應速度應符合流速漸變的原則，即反應速度由大到小呈直線變化，且反應池進口流速應蚊祝耄隹諏魎儻?.1米/秒。凡符合這二個條件的所謂“模型絮凝池”則被認為是理想的絮凝池布置。

“模型絮凝池”作為探討整個絮凝過程變化 規(guī)律 的設想，是有其積極意義的。但是，要把“模型絮凝池”作為理想的絮凝形式，則尚缺乏足夠的依據(jù)。作為問題之一，它脫離了原水性質(zhì)的考慮。速度漸變原則應對不同水質(zhì)條件有不同的要求，而不宜取作常量。譬如，對于原水顆粒濃度不足以及絮凝體不易破碎的情況，將較高流速區(qū)的反應時間增加些，顯然是有好處的。反之，則應增加較低流速區(qū)的比例。另外，隔板絮凝的轉(zhuǎn)折，從“模型絮凝池”的要求考慮，顯然是不符合要求的。但是實際上在絮凝的最初階段，它往往起到了促進絮凝的效果。“模型絮凝池”用流速作為比較的相似關(guān)系，與絮凝 理論 所采用的以速度梯度作為相似關(guān)系有所區(qū)別。隨著絮凝形式的不同，同樣的流速，其速度梯度可相差達數(shù)倍。因此關(guān)于“模型絮凝池”的設想尚有不少問題需要進一步深入研究。

目前絮凝池設計中一個普遍問題就是沒有考慮進入絮凝池的處理水水質(zhì)。眾所周知，良好的絮凝反應必須具備二個條件，即具有充分絮凝能力的顆粒以及合適的反應水力條件。實際上，它們就是絮凝過程中的“內(nèi)因”和“外因”。水力條件只有適合欲絮凝顆粒的絮凝要求時，才能促進絮凝的進行。反之則不僅不能促進絮凝的進行，甚至使已經(jīng)絮凝的顆粒破壞。因此作為具體的絮凝池設計，就必須考慮到處理水的水質(zhì)條件。但是這卻是目前絮凝池設計中最薄弱的環(huán)節(jié)。

本文的目的就是想探索一種能夠根據(jù)原水條件來確定絮凝池合適指標的方法。應該說本文所述 內(nèi)容 僅僅是一個設想，尚缺乏實驗的驗證。本文的目的是為引起有關(guān)同志對這一課題的重視，共同對此加以探討。由于作者水平有限，時間倉足，所述內(nèi)容可能存在不少錯誤，請大家批評指正。

為了敘述方便起見，本文首先對這一設想的基本假設作探討和闡明，然后就建議的方法作一概要介紹。最后就其可能獲得的應用作一分析。

絮凝的相似關(guān)系

所謂合理設計，無非是從許多可供選擇的方案中，選定一種最能符合要求的方案。同樣，絮凝池的合理設計，就是要從諸多的絮凝形式，以及不同的指標中，選擇一種最能適合具體絮凝條件而又切實可行的形式和指標。鑒于目前的研究水平，僅用理論的方法還無法解答上述課題，因此還需借助于實驗手段。實驗的目的就是可以在較小規(guī)模下模擬實際的效果，以便對可供選擇的方案加以比較。和其它許多實驗一樣，絮凝的實驗也需要解決一個模擬的相似問題。也就是說需要解決怎樣在較小規(guī)模的試驗中，獲得與真實絮凝池同樣的絮凝結(jié)果。

對于絮凝反應來說，需待解決的相似關(guān)系主要有二個，即處理水的水質(zhì)條件和絮凝池的水力條件。關(guān)于水質(zhì)條件，一般采用真實水樣還是容易辦到的。例如選擇若干具有代表性處理對象的原水，加注適量混凝劑，并經(jīng)充分混和，即可供作絮凝的實驗。至于水力條件，則不能依靠實際絮凝池來作試驗。因設計的目的是要對多種方案進行對比，而這在實際絮凝池中是難以完全實現(xiàn)的。為此，需要尋找合適的水力條件作模擬相似。對于水力條件，一般可以采用雷諾數(shù)或弗魯特數(shù)相似，也可采用其它相似準則。至于采用何種相似方法則應視研究對象而定。為此有必要就絮凝過程中水力條件的作用作一分析，以確定相似關(guān)系。

絮凝的目的是使細小顆粒彼此聚集。除了顆粒具有絮凝能力外，還必須創(chuàng)造顆粒彼此接觸，或者接近(達到顆粒吸附的作用范圍以內(nèi))的機會。否則，若保持顆粒間的相對位置不變，即使顆粒的絮凝性能極為良好，也無法聚集�？梢酝ㄟ^三個途徑，使顆粒達到彼此的接觸：水分子的熱力運動、顆粒的沉速差異和水體的流動。

所謂熱力運動產(chǎn)生的顆粒碰撞，是由于水分子進行的雜亂而沒有規(guī)則的運動(布朗運動)，不斷撞擊附近的膠體顆粒，使顆粒也進行著雜亂而沒有規(guī)則的運動，從而獲得了顆粒彼此碰撞的機會。這種接觸機會與溫度有關(guān)，而與液體的流動無關(guān)。因而只要保持溫度和時間的因素相同，熱力運動造成的碰撞也是相同的。

至于沉速差異產(chǎn)生的顆粒碰撞，往往在沉淀池中有明顯的作用。然而在絮凝池中，由于其顆粒一般尚屬細小，沉速不大，可以說差異所產(chǎn)生的碰撞作用在絮凝池中，不占統(tǒng)治地位可予忽略。

一般認為在絮凝池中，對顆粒碰撞起主導作用的主要是水體的流動，也就是由于水體流動所產(chǎn)生的能量損耗而造成的。

一般關(guān)于水體流動所產(chǎn)生的碰撞公式可表示為：

J=2Gd3N2/3　　　　　(1)

式中：J為單位時間單位體積內(nèi)顆粒接觸的機會;

d為顆粒的有效粒徑;

N為單位體積內(nèi)的顆粒數(shù);

G為計算范圍內(nèi)的絕對平均速度梯度。

平均速度梯度值可用下式計算：

G=(W/μ)0.5　　　　　　　　　(2)

式中：W為單位體積單位時間所消耗的功;

μ為液體的動力粘滯系數(shù)。

一般認為式(1)只適用于層流，而大多數(shù)絮凝池的水源均屬紊流。對于紊流條件下顆粒的碰撞頻率，Levich提出了如下公式:

J=12πβd3n3(ε0/μ)0.5　　　　　(3)

式中：β為系數(shù);

ε0為有效能量消耗率。

比較式(1)與式(3)，除了系數(shù)差別外，主要是式(3)所用的功為有效能量，而式(1)則采用計算的能量，兩者相差一個效率系數(shù)。而在實用上有效能量是難以確定的，仍需用計算的能量來表示。

因此，無論是式(1)或式(3)，作為單位時間單位體積內(nèi)顆粒碰撞的因素都是顆粒的粒徑、濃度以及水流的速度梯度。實際上，這里包含了二個方面的內(nèi)容，即以顆粒的粒徑及濃度為代表的參與絮凝的水質(zhì)條件和以G為代表的絮凝池水力條件。由于粒徑和濃度已由真實水樣來模擬，因而只要保持G值相似，理論上即可得到同樣的顆粒碰撞條件。

但是應該指出，顆粒的碰撞并不就是顆粒的聚集。對于不同絮凝能力的顆粒，在同樣碰撞次數(shù)時，應該得到程度不同的聚集。也就是說它們的有效聚集比例是各不相同的。但是，如采用真實水樣作為絮凝的模擬，則這一因素同樣可在實驗中獲得反映。

另外，在模擬絮凝水力條件時還需考慮一個重要的現(xiàn)象，即絮凝體的破碎，或絮凝體大小的限制條件。絮凝體所能承受的水流剪力是有限度的。隨著絮凝體的增大，相應的抗剪能力會減弱。與水流共同運動的絮凝體，受到液體切應力的作用。因此，當液體的切應力大于絮凝體的抗剪能力時，絮凝體將被破碎。因此在模擬絮凝反應時，除了模擬顆粒碰撞而產(chǎn)生的聚集外，還需要模擬因液體的切應力而產(chǎn)生的破碎。

眾所周知，液體的切應力可由二部分組成，即粘滯阻力及混摻阻力。對于層流條件，切應力純由粘滯阻力產(chǎn)生。對于紊流條件，則主要由混摻阻力產(chǎn)生(除邊界層附近外)。這二種切應力的大小都決定于液體的速度梯度。

在速度梯度G中，所謂消耗的功，也就是指切應力所做的功。因為只有切應力所做的功是不可逆的，也就是由機械能轉(zhuǎn)化為熱能。

丹保憲仁教授在分析絮凝過程中，考慮到水流切應力對絮粒的破碎影響，引入了顆粒最大成長度Sm的概念，也就是說Sm代表在一定的水流條件下，能形成最大粒徑的原始顆粒數(shù)。丹保教授通過試驗得出，在原水水質(zhì)條件不變時，Sm是有效能量消耗率ε0(或速度梯度G)的函數(shù)。

通過對絮凝過程中一些主要現(xiàn)象的分析，包括顆粒的碰撞，因碰撞產(chǎn)生的聚集、絮凝體尺寸的限制以及水流對絮凝體的剪切，我們得到了可用真實水樣模擬水質(zhì)特征以及用G值模擬水流特征這樣兩個關(guān)系。

采用G值來模擬絮凝池的水流絮凝特征，至少在二方面是有用處的，一是可以把真實絮凝池的研究縮小到在實驗室內(nèi)進行，也就是只要維持實驗條件的G值與真實池相同。其結(jié)果也應相同。另一是可以用作不同絮凝形式的比較，也就是即使絮凝池的水流形態(tài)相差甚大，只要其過程的G值相同，(當然還應考慮不同絮凝池形式有效能量利用的差別)效果也應相同。

假設和設想

作為 研究 的 方法 可以是微觀的，也可以是宏觀的。大多 理論 研究都以微粒作為對象。由于實際的原水是由不同顆粒所組成，不僅粒徑呈一定分布，而且其性質(zhì)也各不相同。對于水流條件來說，同樣存在一個斷面內(nèi)的速度梯度各不相同�？赡茉谕粫r刻同一斷面上，既有顆粒的絮凝，又有顆粒的破碎。因此，采用微粒的 分析 方法， 問題 要復雜的多。甚至在很多情況下難以辦到。微觀現(xiàn)象的分析，可以幫助我們對問題的考慮(如前節(jié)所作的那樣)，但試驗還應以整個懸濁液在絮凝過程中的平均效果作代表。這樣，我們就不必去分析諸如顆粒大小的組成分布，斷面各點的速度梯度分布以及絮凝顆粒的沉速分布等等。而分別用平均粒徑、平均速度梯度以及平均沉速來表示。。

對于絮凝效果的評價，一般可以采用顆粒粒徑、顆粒沉速以及沉淀后濁度去除率等來表示。無論是顆粒粗徑的加大，沉速的加快以及沉淀后濁度去除率的增加都能反映絮凝效果的提高。在理論研究方面，一般以粒徑為指標的居多。許多理論公式都與粒徑有關(guān)。對于后續(xù)處理的沉淀 計算 來說，采用沉速的概念較為有利。因為沉淀池設計希望提供反應后的沉速數(shù)據(jù)。然而對于測定來說，采用濁度指標最為方便。實際上這三個指標都是相互關(guān)聯(lián)的。沉淀后濁度去除率可以間接地表達懸濁液的平均沉速。

為了探討方便起見，我們在研究設想方案時，仍以平均沉速作為指標;而作為實驗的手段，則以沉淀后濁度去除率為指標。

此外，我們還作了一個假設，就是由不同方式獲得相同絮凝效果的懸濁液，在其進一步作絮凝反應時，應獲得同樣的結(jié)果，例如采用G1值的速度梯度反應T1時間后，得到了懸濁液的平均沉速為V，而用另一G2值反應T2時間后也可得到平均沉速為V，我們就認為這二者效果相同，同時，盡管它們形成的條件各不相同，但在進一步絮凝時，二者應該獲得同等的絮凝條件。

根據(jù)以上對絮凝過程以及基本假設的分析，我們就可以進而討論絮凝池合理設計的設想方案。

如果把單位體積中顆粒所占的比例用φ來表示，即：

φ=N(π/6)d3　　　　(4)

則參照式(1)及式(3)，并假定顆粒的每一次碰撞均產(chǎn)生聚集，那么顆粒濃度的時間變化率就應為：

dN/dt=-KsN　　　　　　　(5)

式中：Ks取決于G和φ，即Ks=kGφ。

將式(5)積分，可得：

N=N0e-Kst　　　　　　(6)

式中：N為絮凝時間為t時的顆�？倽舛�;

No為絮凝開始時(t=0)的顆�？倽舛�。

假如絮凝過程中密度保持不變，即φ固定，則上式可換算成粒徑的變化關(guān)系。即：

d=d0e(Kst/3)

式中：d及do分別為時間t及t=0時的顆粒粒徑。

也就是說。如果顆粒的每次碰撞均屬有效，則其粒徑的增長(或相應沉速的增長)理論上應如圖1所示的形式。粒徑(或沉速)隨時間呈指數(shù)關(guān)系增加。其增長的速率取決于ks值。即Ks越大增長速率越快。ks與水流的速度梯度及原水顆粒體積比成正比。因此當G值增加�；蛘哳w粒濃度增加時，粒徑(或沉速)的增長就迅速。

圖1所示為理論曲線，然而，根據(jù)一般攪拌試驗的結(jié)果，所得圖形與圖1有很大出入，大致得到象圖2實線所示的曲線。也就是說，在維持G值不變情況下，沉速增長的速率不一定是隨時間增加而加速。在開始時或開始以后較短時間，沉速增長形式與理論曲線大致相似。但以后其增長率不僅不是逐步增加，相反出現(xiàn)逐步減小，最后趨向于某一極值Vmax。我們不妨稱Vmax為某一G值時的極限沉速。例如，在作一般反應的攪拌試驗時，最初5～10分鐘效果增長較明顯。然而超過10分鐘以后其反應效果一般很少有明顯增加。如果不改變攪拌速度，那么即使攪拌20分鐘或30分鐘，其結(jié)果往往不會有什么變化。

產(chǎn)生理論曲線與試驗曲線不一致的原因，很容易得到介釋。理論曲線假定顆粒的每一次碰撞都產(chǎn)生聚集，實際上顆粒碰撞時不僅不一定聚集，而且還可能被破碎。圖2中陰影部分實際上代表了碰撞中的無效和破碎部分。由于V與絮凝結(jié)果的沉速相比是微小的，故一般可略而不計。

但是圖2的試驗曲線是用同一水質(zhì)、同一G值試驗的結(jié)果。如果改變G值，情況就會不同。實際上在進行攪拌試驗時，用肉眼也可發(fā)現(xiàn)。在經(jīng)一定時間攪拌后，停止?jié){板的轉(zhuǎn)動，由于水流的慣性，液體仍在旋轉(zhuǎn)。但G值顯然逐漸減小，此時所看到的絮凝體往往明顯地優(yōu)于攪拌時的絮凝體。其原因也較清楚，由于G值減小，其極限沉速就相應增大，雖然此時的絮凝時間尚達不到相應的極限沉速，但顆粒還是向加大的方向 發(fā)展 。

因此，為了探索合理的絮凝水流條件，就應該對不同G值情況下的絮凝分別進行試驗。圖3所示為可能獲得的一組試驗結(jié)果。a、b、c分別代表低、中、高三種不同的G值，按照理論曲線(虛線)應該出現(xiàn)G值越高，增長越快。但實際情況在在有所出入。在開始階段無凝應該是G值越高絮凝效果增長越快。因為此時顆粒尚屬細小。碰撞產(chǎn)生的絮凝作用應是主要的。但是當顆粒增長到某一程度后，顆粒聚集受到一定限制，還將受到破碎的 影響 ，也就是逐步趨向于某一極限沉速。由于G值高的，極限沉速小，而G值低的，極限沉速大，因而它們的試驗曲線必然相交(如圖2中的A點及B點);也就是說，當用C的G值反應tA時，與用b的G值反應tA時，將獲得同樣的顆粒沉速。同樣，對用c的G值反應tB時，與用a的G值反應tB時應具同等效果。然而當絮凝時間超過交點時，低的G值將可獲得較快的顆粒沉速增長，高的G值沉速增長反而減慢，這也就是絮凝池設計中采用改變流速的原因。由圖3可知，如果不考慮絮凝時間的長短，采用低的G值可以獲得較好的絮凝效果。但是這樣的設計顯然也是不合理的。因為絮凝池合理設計的目的就是要求以最短的時間獲得最好的效果。

圖3所示的試驗結(jié)果，對進行絮凝池的合理設計很為有用，后面將作進一步討論。

此外，如前所述，絮凝效果不僅與水流條件(G值)有關(guān)，而且也與處理水的性質(zhì)有很大關(guān)系。那么在這樣的試驗中，水質(zhì)的差異能否得到反映，這是需要考慮的。

從絮凝角度考慮的水質(zhì)特征，主要應包括原水的顆粒濃度，顆粒的絮凝能力以及顆粒的抗剪強度。

顆粒濃度高，粒間的接觸機會多，因而就具有較迅速增大顆粒的可能。如果單體顆粒的絮凝能力和抗剪強度都一樣，那么濃度的高低基本上對其極限沉速值不會產(chǎn)生很大影響。但如果考慮除水流切應力外，顆粒碰撞 時尚 有其衡量的作用，則可能出現(xiàn)高濃度的極限沉速略小于低濃度的現(xiàn)象。當然，對于濃度高到某一程度(例如污泥循環(huán)等類型)，是否尚有其它絮凝作用機理，尚有待進一步探討。因此圖4a所示的二條曲線大致上反映了其它條件相同時濃度高低的影響。由圖可見。一般情況下，達到同一沉速所需的絮凝時間隨濃度增加而減少。

顆粒的絮凝能力在絮凝過程中起著重要作用。例如由于混凝劑選擇不當或加注量不足，均可使顆粒缺乏必要的絮凝能力，此時，即使接觸機會很多，然而其聚集效果卻很差。對這些絮凝能力差的水質(zhì)，其絮凝進展必然非常緩慢，相應的極限沉速也很低。而要達到極限沉速所需的時間也很長，實際生產(chǎn)中，往往采用不斷調(diào)整混凝劑加注量的辦法，來調(diào)節(jié)絮凝效果，其實質(zhì)也就是不斷改變顆粒凝絮能力，以滿足絮凝的要求。圖4b的曲線代表了絮凝能力的影響。由圖可知，對絮凝能力弱的處理水，其無效碰撞占有重要比例。

顆粒的抗剪強度取決于原水顆粒性質(zhì)以及絮凝體的組成結(jié)構(gòu)。例如對于主要由色度組成的原水，由于膠體所帶負電荷較強，聚集顆粒組成的結(jié)構(gòu)就與一般濁度組成的原水不同。相應的抗剪強度也有所區(qū)別。顆�？辜魪姸鹊拇笮≈苯佑绊懼跄w粒的極限沉速，抗剪強度大，允許的極限沉速也大。圖4c曲線代表了抗剪強度的影響。由圖可知，如顆粒的絮凝能力相同，則在其開始反應階段，抗剪強度的影響不顯著。只有接近其極限沉速時，將產(chǎn)生明顯的區(qū)別。

以上只是根據(jù)某些理論以及概念所作的分析。事實上水質(zhì)條件還要復雜得多，除了上述這些影響因素外，還可能存在其它影響絮凝的因素。但是作為絮凝過程的實際試驗，基本上能綜合反映這些因素的影響，因而較接近真實絮凝池的絮凝過程。

試驗和設計

通過以上這些 分析 ，我們可以得到這樣的初步概念：

(1)用G值相似可以大體模擬絮凝他的水流條件;

(2)采用真實的水樣，基本代表了處理水的絮凝特性;

(3)處理水的絮凝特性，能在攪拌試驗結(jié)果中得到綜合反映;

(4)因此，攪拌試驗的結(jié)果基本上反映了真實絮凝池的絮凝情況。

。

作為攪拌試驗可在圖5所示的攪拌容器內(nèi)進行。采用機械攪拌對于獲得不同G值最為方便。為獲得G值的迅速變化，攪拌的動力應創(chuàng)造無級變速的條件。為測定絮凝效果可在容器的不同高度設置二個取樣口。設置二個取樣口便于分析在沉淀過程中是否有補充絮凝的情況，必要時可對于試驗結(jié)果予以調(diào)整。容器應有足夠體積，以使取樣后水面下降不 影響 測定精度。試驗的G值可根據(jù)轉(zhuǎn)速推算，而用改變轉(zhuǎn)速的 方法 來變更G值，為了加速試驗進行，必要時可將若干攪拌容器組成一組同時試驗。

試驗所用的原水因具有真實性和代表性，必要時也可取用幾種代表性的水樣(例如高濁度、低濁度及一般情況等)分別進行試驗，試驗前應先用 目前 常用的方法，確定混凝劑品種和最佳加注量。

試驗時，按規(guī)定容積將水樣注入容器，并按確定的加注量加入混凝劑。然后迅速以G約500～1000秒-1左右的相應轉(zhuǎn)速攪拌5～10秒，以作為混和。以后即可按需要的絮凝G值進行試驗。試驗可先固定一個G值，分別作不同時間的攪拌，相應可得到某一G值的試驗曲線，然后改變G值再作另一G值的試驗曲線。作為試驗來說。取用G值的范圍一般應寬于設計可以選用的范圍，以便于設計時進行分析探討。

由于直接測定沉速在目前條件下較難辦到，作為替代的方法可以采用測定沉淀后濁度的去除率。也就是選定某一截流速度Vo作為標準。經(jīng)靜止沉淀t1=h1/Vo及t2=h2/Vo，分別自二個取樣口取樣，測定其沉淀后的濁度，然后 計算 出相應的去除率。截流速度Vo的取值應接近實際沉淀池的值，一般可取0.5～1.0毫米/秒。

通過以上試驗，就可將成果整理成圖6所示的曲線。圖6與圖3相比，僅僅是縱座標取用的不同而已，有了圖6所示曲線，我們就可選擇合適的設計指標。

圖中G1、G2、G3、G4分別代表四種不同速度梯度的試驗結(jié)果，而以G1為最大，G4為最小。實際試驗時可以采用更多的G值數(shù)據(jù)，這里為敘述清楚和方便起見，先用四種G值加以分析。

由圖可知，不同的G值在絮凝的不同階段各有不同的效果。例如當濁度去除率達到20%時，顯然G1所需反應時間最短(t1)，G2、G3次之，G4則最長(t2)。而當達到40%時，G1已超過允許的極限范圍。而以G2為最短，G3次之，G4仍為較長。當濁度去除率需要達到90%時，唯一的辦法只有采用G4。

那么，是否為了獲得90%那樣的去除率，就只能采用G4反應時間tD呢?顯然這是不合理的。例如，我們假設先用G1反應t1時間，然后再用G4反應(tD—t2)時間，根據(jù)前面提到的不同方式獲得的絮凝效果在進一步絮凝時應具有等同結(jié)果的假設，同樣可以獲得90%的去除率。而這二個方法相比，后者絮凝時間縮短了(t2—t1)。這也說明選用同一G值反應是不合理的。

那么，如果我們在絮凝池設計中采取改變G值的方法，先用G1反應tA(對于用G1反應時間超過tA顯而易見是不合理的)。再用G2反應(tB—tA)。然后用G3反應(tc—tB)。最后用G4反應(tD—tC)�？磥硭坪鮃值在絮凝過程中不斷改變，其實這也是一個不合理的方案，不難分析，該方案的總絮凝時間仍然和采用單一的G4方案相同。因此，只注意到G值的改變，而不注意G值的合理分配，同樣難以獲得最佳的方案。在對比實際絮凝池效果時，往往發(fā)現(xiàn)兩者的平均G值相差很大，然而總效果卻出入不大，很可能就是這類原因。

為了使絮凝總時間最短，使每一G值在最確當?shù)男跄A段中發(fā)揮作用，一個合理的設計方案應該采用圖6中0—E—F—G—H—L—J—D的過程。也就是用G1的反應時間為tE，用G2的反應時間為(tG-tF)。用G3的反應時間為(tI——tH)。而用G4的反應時間為(tD—tJ)。其中E——F、G—H、I—J分別表示G1與G2曲線;G3與G2曲線及G4與G3曲線間水平距離最大的位置。也就是說為了獲得同一效果可縮短的最多反應時間。如按上述過程進行反應，則同樣達到D點的濁度去除率，可縮短的反應時間為(tF——tE)+(tH—tG)+(tJ——tI)。這就是我們要尋求的絮凝池臺理設計的指標。

圖7就是按這一方法，根據(jù)試驗的絮凝曲線確定的絮凝過程中G值的變化 規(guī)律 ，虛線是假定由試驗獲得的不同G值的絮凝曲線，實線表示絮凝過程中G的變化，由求相鄰G值曲線間最大水平距離的方法得出。總反應時間為T1根據(jù)絮凝曲線和絮凝的G值變化，不難找出反應過程的效果曲線。如圖中粗線所示。通過G值的調(diào)整，使總絮凝時間由T2縮小到了T1，因此是一個較合理的選擇方案。

以上只是根據(jù)某一水質(zhì)條件所作分析，如果水源的水質(zhì)變化很大就需要對不同時期的代表性水樣，分別進行類似的試驗，并分別用上述方法進行分析。由于，絮凝池提供的水力條件只能是一種(除個別采用特殊措施外)，因此只能用判斷的方法，選擇一種相對較理想的方案。

得到了絮凝池要求的G值與t的關(guān)系，就可以選擇合適的絮凝池形式和進行具體的設計。

設計中的幾個具體 問題

1、關(guān)于絮凝池的G值范圍：

理論 上絮凝池的G值應該與混和池和沉淀池相銜接。也就是從混和出口的G值逐步降到沉淀進口的G值。這樣就可在絮凝池內(nèi)接近完成相當于沉淀池G值的極限沉速的絮凝過程。此外，由上述分析也可知G值在絮凝過程中應不斷變化，以得到最短的反應時間。如果在圖7中我們作了更多的G值絮凝曲線，必然可以找到比T1更短的絮凝時間。

但是，這二個要求在絮凝池的具體設計中往往難以達到：因為：

(1)各種絮凝形式由于構(gòu)造以及其它原因，一般只能適應一定的G值范圍;

(2)如按G值的變化規(guī)律布置出來的絮凝池，其形式在實用上往往難以接受。

這也就是說理論的要求往往在實用上遇到困難，因為實際絮凝池設計還會受到許多其它條件的制約和限止。因此，往往可發(fā)現(xiàn)不少平流沉淀池在沉淀進口很短距離內(nèi)，絮凝體要比絮凝池出口好得多。這顯然是由于沉淀池具有較小G值(沉淀池的G值僅10-1～10-3秒-1數(shù)量級范圍內(nèi))造成的。應該說在沉淀池內(nèi)進行繼續(xù)絮凝是客觀存在。也是有好處的。但是如果能在絮凝池內(nèi)進行更充分的絮凝，看來要比在沉淀池內(nèi)進行有利。因為絮凝池所需的停留時間可以較小。然而由于排泥問題無法解決，往往只得把這部分絮凝由沉淀池來承擔。圖8列出了常用絮凝形式可提供的G值范圍。圖中的范圍只是就形式本身在一般指標下可能出現(xiàn)的數(shù)值。至于在各別條件下(例如某一設計流量)，可以選用的G值范圍只能是上述范圍中的一部分。

隔板反應槽內(nèi)的G值主要受二個因素的約束，一是斷面構(gòu)造的限制，另一是流速的限制。斷面尺寸過小對清洗和施工都較困難;流速過大勢必造成轉(zhuǎn)折處過高的G值，流速過小又將在反應槽內(nèi)產(chǎn)生沉淀。

看來機械反應可以適應的G值范圍較廣，這是由于漿板的轉(zhuǎn)速可得到較大幅度的調(diào)整。同時由于漿板靠近池底因而對積泥的影響也可減少。但是機械反應的布置也還會遇到種種條件的限制，致使實際上也可能選用其中一部分范圍，這在下面還將討論。但采用機械反應必須注意的是防止短流。

絮凝池的形式尚有很多，這里只是例舉了一部分，目的只是便于根據(jù)試驗要求的G值選用相應的絮凝形式。

(2)隔板反應的布置問題：

隔板反應槽結(jié)合來回轉(zhuǎn)折或回流轉(zhuǎn)折是反應池布置最常用的形式。從上面分析來看，它所提供的G值范圍還是較廣的，但是它有一個明顯的特點，就是G值變化的突變性。在反應過程中，槽內(nèi)的G值是較低的，而在轉(zhuǎn)折處卻產(chǎn)生較高的G值，然后又回到原來的G值。對于來回隔板的布置，二者G值的相差約7～10倍;對于回流隔板的布置，其相差約5～8倍。因此轉(zhuǎn)折的布置究竟在絮凝過程中起怎樣的作用，是大家關(guān)心的問題。我們認為，結(jié)合攪拌試驗的分析，這個問題也是可以得到解決的。

為了確定反應槽內(nèi)的G值以及轉(zhuǎn)折處的G值�？梢岳脠D9和圖10的成果。圖9是根據(jù)粗糙系數(shù)n=0.014采用滿寧公式計算水頭損失而得的。圖10所示為轉(zhuǎn)折處的G值，實線表示來回轉(zhuǎn)折，虛線表示回流轉(zhuǎn)折。它們是按轉(zhuǎn)折的局部能量損失平均作用于轉(zhuǎn)折及轉(zhuǎn)折后一倍槽寬范圍內(nèi)求得的。由于轉(zhuǎn)折處的水流較為復什，假定的作用范圍也可能有所出入，故其G值只能作一般的 參考 。

為了說明隔板反應中絮凝效果的變化，我們設想某一絮凝池布置的G值變化如圖11點劃線所示。即反應槽流速按6次遞減，共設來回轉(zhuǎn)折17處，總反應時間為20分鐘，整個反應池的平均G值為47秒-1。我們又假設按前面所述方法獲得的不同G時的絮凝效果曲線如圖中虛線所示。于是我們就可分析隔板反應池中效果的變化(包括轉(zhuǎn)折處的影響)。圖中實線即為理論的絮凝池絮凝效果曲線。

由圖不難看出，絮凝開始階段，轉(zhuǎn)折處局部能量損失對絮凝效果起很大促進作用。轉(zhuǎn)折處效果曲線的斜率遠較直槽段大，例如1～5的轉(zhuǎn)折。隨著顆粒的增大，相應轉(zhuǎn)折G值的曲線變成平緩，而反應槽內(nèi)曲線則相應增陡。于是二者沒有大的出入，也就是反應槽的絮凝增長速度大致與轉(zhuǎn)折處增長速度相仿。例如轉(zhuǎn)折9～12。但是，隨著絮凝過程的進展，到某一時候，可能會出現(xiàn)已經(jīng)絮凝的顆粒沉速反而超過了相應轉(zhuǎn)折G值的極限沉速。因而轉(zhuǎn)折處不但沒有絮凝效果，反而會降低其效果。例如轉(zhuǎn)折14、15。當然，如果能及時改變轉(zhuǎn)折的流速，其情況也會得到相應改善。因此說，隔板反應池開始階段的轉(zhuǎn)折往往有助于絮凝反應，而在后階段則必須注意避免因轉(zhuǎn)折而造成的顆粒破碎。作為其措施，主要應通過對反應槽內(nèi)(同樣包括轉(zhuǎn)折)的流速進行合理分配。此外，目前 應用 較多的回流轉(zhuǎn)折，對防止轉(zhuǎn)折處的顆粒破碎也是一種較好的辦法。

(3)關(guān)于機械反應問題：

機械反應是一種較理想的絮凝形式，不僅它的速度梯度不受水量的影響，而且它的G值適應性也相當大。在國外機械反應被作為主要的絮凝形式，在國內(nèi)則由于設備以及維修等方面的原因，還應用不多。對于機械反應的布置，同樣也還存在著一定問題，需要加以探討。例如，機械反應如何合理分級，以及如與其它形式結(jié)合時，機械反應的設置位置等等。

對于全部采用機械反應的反應池，往往其串聯(lián)的級數(shù)設置不多，一般只考慮3～4級。這就造成了在機械反應全過程中，G值的變化次數(shù)很少。在一個攪拌漿板范圍內(nèi)，其G值大體上可以認為相同。因此，由于絮凝過程中G的變化只有3～4次，這就要求設計時特別注意G值的選取。目前不少機械反應的布置，最大的G值與最小的G值一般只相差5～6倍。而且為了布置方便，設計時多將每個攪拌機的作用范圍布置成一樣，也就是每個G值的絮凝時間是相同的。因此，從大范圍的絮凝角度考慮，機械反應只能視作集中了某一段G值，而以較長時間進行絮凝的一種形式。這對加速絮凝過程，就不一定很理想，也就是說，實際布置的機械反應，與我們探索方法所得的要求有一定程度的出入。由于同一G值反應時間過長，往往容易接近相應的極限沉速值(如圖12所示)。從理論上說，較高的G值時間要短，較低的G值時間宜長，并盡可能增加G值的變化和幅度。應該說機械反應是有這方面條件的，設計布置估計也是可以辦到的。問題是需要用較多的攪拌機加以串聯(lián)。雖然這樣的布置可使達到同樣效果的反應時間縮短，但從總的 經(jīng)濟 比較考慮，可能就不一定合理。

由于機械反應設備和造價方面的原因，往往與隔板反應等其它形式組合，我們認為這是一個較好的形式，有助于發(fā)揮各種形式的特長。但是機械反應究竟設于何處才能充分利甩其特點，則是值得探討的。

從機械攪拌本身來說，由于它對G值的適應范圍很廣，因此無論設在那里都是有效的r目前不少設計是把機械攪拌設置在反應的開始階段。其原因多半是由于開始階段隔板反應較難布置所致。由于絮凝開始階段要求流速大，因而斷面也就較小。對于處理水量較小的絮凝池往往滿足不了最少斷面的構(gòu)造尺寸，為彌補這個缺陷，于是在反應的開始階段布置了一部機械反應。然而，如從絮凝要求考慮，這樣布置不一定是合宜的。結(jié)合轉(zhuǎn)折布置的隔板反對于獲得較高的G值，一般并不是太困難。至于斷面過小，如采取一定措施也有可能解決。然而對于絮凝的后階段。則往往由于轉(zhuǎn)折處過高的G值而影響絮凝效果。如為減小G值，就需降低流速，結(jié)果又將帶來槽內(nèi)的積泥問題。對于機械反應，就不會出現(xiàn)類似轉(zhuǎn)折處那樣G值突變。如果漿板的回轉(zhuǎn)半徑不是過大，即使維持漿板的轉(zhuǎn)速在0.05米/秒時，由于漿在池底的轉(zhuǎn)動，也不致產(chǎn)生嚴重的積泥問題。而此時機械反應的G值，一般只有2—5秒-1，這樣的G值條件，如采用其它反應方式，往往難以達到。此外，由于機械設備費用的昂貴，一般總想使每一臺攪拌機所作用的反應體積能大一些。但是，在反應開始階段，維持同一G值的反應時間過長，往往是不必要的。相反，在其后階段，由于絮凝增長緩慢，用同一G值反應較長時間則可能會有好處。所以，對于機械反應與隔板反應相結(jié)合的絮凝池設計，其具體布置還應結(jié)合絮凝反應試驗，進行綜合考慮。如有條件，在絮凝后階段設置一些機械反應，看來還是有好處。

4.理想布置的探討：

根據(jù)前面介紹，我們通過攪拌試驗，得到了圖7所示的較理想的絮凝池G值分布方案。如果這樣的 分析 是正確的，那么存下的 問題 就是用什么 方法 實施這一要求。

通過對隔板反應以及機械反應的分析，二者離開理想方案的要求都有一定距離。例如，隔板反應的初始階段，轉(zhuǎn)折的G值起了主要作用，而反應槽本身的絮凝作用則不甚明顯。那么如果我們在初始階段就達到轉(zhuǎn)折的G值，而減去反應槽的反應時間，很明顯就可使反應時間縮短。同樣，隔板反應的后階段。轉(zhuǎn)折往往對絮凝是一個不利因素。如能避免轉(zhuǎn)折 影響 ，絮凝時間將又可縮短。對于 目前 采用的機械反應，由于G值的變化幅度和級數(shù)太少，同樣與理想的要求有所出入�？傊ㄟ^理想方案與實際使用絮凝池的對比，看來要縮小絮凝池的體積，潛力還是很大的。。

但是，要嚴格按照 理論 的方案去進行絮凝池的布置，還有不少困難。也還設想不出一個合適的形式。既要滿足理論的要求，又要在實際上能辦得到，困難是很多的。因此除了進一步對設計理論進行探索外，有必要對高效能的絮凝形式進行大膽的設想。

為了彌補理論要求和實際可能之間的差別，目前絮凝池設計中，也有采用一定措施的例子。采用反應形式綜合布置就是其中之一。任何一種反應形式總是有其一定的最適用范圍。綜臺布置的設想，就是把各種形式都設置在與其相適應的過程中;綜合形式的布置方式越來越多，例如隔板反應結(jié)合機械反應、孔室反應結(jié)合機械反應，孔室反應結(jié)合隔板反應等等。嚴格說來隔板反應也是由反應槽與轉(zhuǎn)折相組合的綜合形式。在斜管沉淀池中，有些地方還設置了斜管助凝。實際上也可視作絮凝的一種形式。為了使絮凝池的綜合，真正能起到應有的效果，還需要作詳細的分析和 研究 。如果布置的不確當，不一定能取得予期的效果。

此外，理論的分析還要求在絮凝池中具有G值的足夠變化范圍，最好能與混和、沉淀的G值相銜接，看來似乎與沉淀的銜接更為重要，與溫和的銜接雖也可縮短反應時間，但由于絮凝的初始階段效率曲線上升輕快，因而只要在開始的有一定的G值，時間影響的出入不會在后階段，看來既使用較小的G值，效果增加也不很快，但是這部分的效果往往對沉淀起很大作用，因此不能予以忽視。目前這部分絮凝往往被放到沉淀池內(nèi)進行。但是，從總的考慮，若在絮凝池內(nèi)能夠完成，當然比在沉淀池內(nèi)完成有利。要在絮凝池內(nèi)完成這部分絮凝，最大的困難是積泥問題。因此，能否設想在絮凝與沉淀之間設一中間區(qū)域，以進行絮凝為主，如產(chǎn)生沉淀也能使沉積物排除，也是一個值得深入探討的課題。

斜管沉淀池設計中采用的斜管助凝，作為絮凝的一種補充形式。頗受一定啟發(fā)。由于斜管的水力半徑很小，一般只有6～10毫米，因此在較低流速下也可獲得一定的G值，以致創(chuàng)造了一個既在絮凝池又在沉淀池都無法達到的G值條件。而且斜管的布置又不必擔心積泥問題的存在，但是，由于其停留時間過短，以致效果也不易被明顯察覺，相反僅被視作配水措施。

這種改變水力半徑而改變G值的方法，對我們進行絮凝形式的考慮會有一定幫助。因為這是在流速不變的條件下獲得G值改變的方法諾如斜管、多孔、管式等等都可產(chǎn)生較小的水力半徑，因而可以在較低的流速下產(chǎn)生較高的G值。至于這種啟發(fā)是否能在絮凝池設計中獲得 應用 。尚有待今后的研究和實踐。

結(jié)語

鑒于目前絮凝理論的研究，尚不能在實際設計中獲得應用，而設計又大多依賴于經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對于設計成果也難以判別。因而認為有必要就反應池的合理設計問題進行廣泛深入的探討。

由于原水性質(zhì)及其絮凝性能，對于絮凝反應具有重要的作用，因此作為絮凝池的合理設計就不能不考慮處理水的水質(zhì)條件。對于水質(zhì)的絮凝性能，目前還不可能通過測定某些數(shù)據(jù)而作為設計的控制指標。因此，只能借助于實驗的手段。

為了能在實驗中模擬真實絮凝池的效果，提出了：用真實水樣模擬水質(zhì)條件，用速度梯度模擬絮凝池的水力條件這樣二個相似原則，通過分析認為實驗所得的資料能夠近似反映實際可能出現(xiàn)的情況。

作為探索的絮凝池合理設計的方法是以實驗結(jié)果為依據(jù)，通過繪制不同速度梯度時的絮凝曲線，找出相鄰曲線間最大水平距離的方法，確定理想絮凝過程中速度梯度的變化 規(guī)律 。

為了分析目前常用的絮凝形式及其與理想要求之間的差別，我們例舉了隔板反應池及機械反應池作了分析;對于目前設計中遇到的一些問題，也結(jié)合進行了一些討論。最后，對于如何滿足理想要求來探索合理絮凝池的布置也作了一些分析。

正如本文開始時所述，編寫的目的僅僅是為了引起有關(guān)同志對絮凝池合理設計問題進行深入的探討。盡管可能文中的設想被完全否定，但如能引出各種不同看法，從而有助于絮凝池合理設計的探索，我們認為達到了本文的目的。

應該指出，文中所述 內(nèi)容 都尚待實驗驗證。所有絮凝曲線及實際絮凝形式的效果曲線等，都是根據(jù)分析而作的假設。因此，本文只能被看作是對絮凝池設計方法的一種探索，或者說是一種設想。至于要在實踐中加以應用，看來尚有一段過程。關(guān)于文中對絮凝形式所作的分析，也僅僅只能作為設計時的 參考 而已，正確與否還需實踐檢驗。

如果本文的設想基本上成立，則擬進行下一步的試驗工作。在試驗工作中估計會遇到許多新的問題，那正是這一課題逐步得到深化的過程。