（环境工程专业论文）净水厂混凝试验及投加量数学模型的研究.pdf

摘要 随着生活水平的提高、社会经济的迅速增长、国际化进程的推进，人们对城市供水 水质与人体健康的关注也在不断加深。 本文针对水厂面临的问题，优化了烧杯搅拌试验的条件，对影响混凝剂投加量的因 素浊度、碱度、水温进行了分析，通过多元线形回归分析，建立了混凝剂p a c 、p a f c 投 加量数学模型，达到节约生产成本和提高供水水质。 本文通过烧杯搅拌试验，采用方形烧杯对试验条件进行了优化，得出以下结论：1 ) 烧杯试验的搅拌时间控制在1 5 一- - 2 0 m i n ；2 ) 对影响烧杯试验效果的因素进行分析，得出： 快搅转速 慢搅转速 快搅时间 慢搅时间 中搅转速 中搅时间；3 ) 烧杯搅拌 试验的最优试验条件为：快搅为5 0 0 r m i n ，l m i n ，对应的g 值为3 2 0 s ；中搅为1 5 0 r m i n ， 2 m i n ，对应的g 值为6 5 s ；慢搅为3 0 r m i n ，1 2 m i n ，对应的g 值为8s 一。对影响混凝 效果的浊度、碱度、水温进行了方差分析，得出原水浊度对混凝效果影响最大，其次是 水温，碱度对混凝效果也有影响。 通过采用多元线形回归分析的方法，得出p a c 投加量的数学模型为 y = 3 8 2 6 5 + 0 0 8 9 1 9 x 。+ 0 7 8 3 x 。+ 1 8 0 9 0 x 3 + o 1 4 8 1 l - 0 0 7 0 2 1 5 1 0 3 5 ，相关系数为 0 9 8 1 1 ；p a f c 投加量的数学模型为m = 1 2 6 4 1 + 0 0 4 8x , + 1 6 5 8 1l n ( x 。2 ) x 。 一 0 0 5 6x 。一4 4 2 ) ( 4 一o 2 7x 。1 8 9 7 ，相关系数为0 7 6 9 8 ；混凝剂投加量数学模型推测 值与生产实际投加量拟合较好。 2 0 0 6 年与2 0 0 4 年在原水水质条件相近的情况下，全年药剂节约资金2 1 0 0 2 万元， 取得了良好的社会效益和经济效益。 关键词：混凝剂，聚合氯化铝，聚合氯化铝铁，数学模型，烧杯试验 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i f e ，t h eg r o w t ho ft h es o c i a le c o n o m y , a n dt h e c a r r y i n gf o r w a r do ft h ei n t e r n a t i o n a lp r o c e s s ，t h ec o m p r e h e n s i o n o ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n ， t h eh e a l t ha n dt h ew a t e rq u a l i t yi sd e e p e n e dc o n t i n u o u s l y t h i sp a p e ro p t i m i z a t i o nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n st h r o u g hj a rt e s t ，a n a l y s i so f v a r i a n c ef o rt h ea f f e c t i n gc o a g u l a t i o ne f f e c t sa st u r b i d i t y , a l k a l i n i t y , t e m p e r a t u r e ；a n d t h r o u g hm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i se s t a b l i s h e d p a c 、p a f cc o a g u l a n t d o s a g e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t oa c h i e v ear e a s o n a b l ea m o u n to fc o n t r o lc o a g u l a n td o s a g ea n dr a i s i n g t h eq u a l i t yo ft h ew a t e r t h i sp a p e ro p t i m i z e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sf o rs q u a r eb e a k e r , c o m et ot h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ：1 ) t h em i x i n gt i m ei n1 5 2 0 m i n ；2 ) a n a l y z et h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h eb e a k e rt e s t ： f a s t e rs p e e d s l o ws p e e d f a s t e rt i m e s l o wt i m e m e d i u m s p e e d m e d i u m s p e e dt i m e ；3 ) t h eo p t i m a le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sf o rj 盯t e s t s ：f a s t e r5 0 0 r m i n ，l m i n ，g 3 2 0 s 。1 ； m e d i u m s p e e d1 5 0 r m i n ，2 m i n ，g6 5 s 。1 ；s l o w l ys t i r r e d3 0 r m i n ，1 2 m i n ，g8 s 1 t h r o u g ht h e f a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o a g u l a t i o ne f f e c t ，t h eg r e a t e s ti m p a c ti st h et u r b i d i t y , f o l l o w e db y t e m p e r a t u r e ，a l k a l i n i t ya l s oa f f e c tt h ec o a g u l a t i o no u t c o m e e s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lf o rp a c ，t h r o u g hm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s ： y = 3 8 2 6 5 + 0 0 8 9 1 9 x l + o 7 8 3 x i + 1 8 0 9 0 ) ( 3 + 0 1 4 8 1 ) 【4 0 0 7 0 2 x 5 1 0 3 5 ，t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t0 9 8 1 1 ；p a f cm a t h e m a t i c a lm o d e l ：m = 1 2 6 4 1 + 0 0 4 8x l + 1 6 5 8 1i n ( x i - 2 ) x 1 一0 0 5 6x 3 4 4 2 ) 【4 一o 2 7x 5 1 8 9 7 ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t0 7 6 9 8 ；f i t t i n gt h e e x p e r i m e n t a ld a t aw i t ht h em o d e lp r e d i c t i o ni sg o o d t h ew a t e ro f2 0 0 6c o m p a r e dw i t h2 0 0 4 ，w a t e rc o n d i t i o n ss i m i l a r , t h ec o s to fc o a g u l a n t a n n u a ls a v i n g s2 1 0m i l l i o n ，h a v eag o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：c o a g u l a n t ，p a c ，p a f c ， m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ej a rt e s t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乃苓之灵弦呵年玉月。e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：彬姐 导师签名：为碰j 爿年皇月今。日 7 1 年，月乡汨 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 改革开放二十多年来，随着经济的发展，中国水环境不断恶化，全国7 4 5 个地表水 中，水质多数达不到三类标准，流经城市的河段9 0 以上受到严重污染。与此同时，饮 用水水质较差却依然符合国标成为普遍现象。上世纪8 0 年代出现的水污染主要是微生 物和重金属污染，随着工业水平的发展，大量的有机物、人工化合物、农药成分等新的 污染物质进入人们的生活环境，如硝基苯这个在松花江污染中的主要化学物质，并不是 国家强制性水质检测标准。专家分析，我国饮用水的污染主要来自无机物亚硝酸盐及农 药、腐植酸、藻毒素、氯化消毒副产物等四类有机物。由于目前的饮用水标准中缺少对 这些有害物质的具体检验方法和限量指标，很多地方的饮用水潜藏对人体健康的危害却 未被发现。因此旧的饮用水卫生标准已经无法适应工业急速发展、城市迅速扩张的现实。 目前我国j 下在实施的生活饮用水卫生标准g b 5 7 4 9 - - 8 5 颁发于1 9 8 5 年，检测指 标仅3 5 项。2 0 0 1 年7 月卫生部颁布了生活饮用水卫生规范，将水质检测项目增加到 近1 0 0 项标准；2 0 0 5 年2 月建设部发布了推荐性标准城市供水水质标准咖0 6 2 0 0 5 ， 进一步将水质检测项目增加到1 0 1 项，后两项标准在一定程度上与世界卫生组织标准及 国际标准靠拢，但由于不是国家强制性标准，并且在实际操作中存在差异，造成使用上 的不统一。为此经国家卫生部、标准化管理委员会批准，生活饮用水卫生标准及检 测方法国家标准将于2 0 0 7 年7 月1 日起颁布实施。这是我国2 1 年来首次修订饮用水国 家标准，新国标的检测项目将增至1 0 6 项，主要是针对工业化带来的有机污染物等有害 物质。 对于水厂而言，不可能每日检测这些新增的有机项目，在日常生产的水质控制方面， 可以通过控制出厂水浊度来保证其他指标不超标。浑浊度是衡量水质污染程度的重要指 标。天然水的浑浊度是由于水中含有泥沙、粘土、细微的有机物和无机物、可溶性带色 有机物以及浮游生物和其它微生物等细微的悬浮物所造成。这些悬浮物质能吸附细菌和 病毒，所以浑浊度低有利于水的消毒以及杀灭细菌和病毒，对确保给水的安全是必要的； 出厂水的浑浊度低，有利于加氯消毒后的水减少臭和味；有助于防止细菌和其它微生物 的重新繁殖；在整个配水系统中保持低的浑浊度，有利于适量余氯的存在。浑浊度在1 0 度时，使人普遍感到混浊，超过5 度，引起人们的注意。旧标准生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 8 5 ) 要求居民生活饮用水浊度不超过3 n t u ，特殊情况时为5 n t u 。国家卫 第一章绪论 生部颁布的生活饮用水卫生标准和建设部发布的城市供水水质标准则要求居民 生活饮用水浊度标准不得超过1 n t u ，特殊情况时为3 n t u 。 目前，我国的城市供水厂多采用的常规处理工艺为：混凝沉淀过滤消 毒，根据目前的原水水质状况，要想持续、稳定的降低出厂水浊度，可以通过优选混凝 剂、合理控制净水剂的投加、加强运行管理等措施实现。 本次研究的水厂采用黑河水作为水源，原水经格栅沉砂池、混合反应池、平流沉淀 池、v 型滤池等常规处理后，进入清水库，最后以重力流向市区供水。水厂配置了国内 外先进的水处理设备与技术。净水厂引进了显示式絮凝控制仪( f c d ) 。f c d 是一种反馈 控制的方式，它通过水下摄像头拍摄絮体形态，将信号传至计算机，对絮体的形成直径、 ： 数量进行数据分析处理，通过与设定的参数进行比较，自动调节混凝剂投加量。生产运 行一段时间发现，f c d 系统还存在技术水平不成熟，硬件设施不完善，不能真正发挥自 动控制的作用。水厂目前主要通过烧杯搅拌试验以及以往生产经验来确定混凝聚投加范 围，再根据絮体情况、沉后水浊度反馈值进行人工微调。通过烧杯搅拌试验，和生产经 验投加混凝剂，人为的影响较大，不同的操作人员有不同的判断标准，这就会导致出厂 水浊度变化不稳定，净水成本差别较大。为此需要有合适的投加模型来指导生产，通过 自动化设备合理控制净水剂的投加，以保证出厂水水质的稳定。 1 2 混凝工艺国内外研究现状 1 2 1 混凝机理的研究现状 混凝处理是向水中投加混凝剂，使水中的胶体颗粒和细小的悬浮物相互凝聚，形成 沉淀性能良好的絮状颗粒( 矾花) ，使之在后续的沉淀工艺中能够有效地从水中因重力 而沉淀下来。混凝沉淀的原理一般解释为( 1 ) 压缩双电层；( 2 ) 电荷中和作用；( 3 ) 吸附桥联及吸附架桥作用：( 4 ) 絮体的卷扫或网捕；( 5 ) 颗粒碰撞作用。 混凝处理的效果主要取决于两个因素位1 ：( 1 ) 混凝剂水解后产生的压缩双电层机理、 吸附电中和作用机理及高分子络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂的性质决 定的。( 2 ) 微小颗粒碰撞几率和如何控制它们进行合理有效的碰撞，这是由构筑物的流 体动力学作用所决定的。 提高颗粒碰撞几率的首要条件是接触碰撞，而颗粒在水中的接触碰撞主要有五种途 2 长安人学硕： 学位论文 径1 ：( 1 ) 颗粒的布朗运动：( 2 ) 颗粒间的沉速差异：( 3 ) 层流剪切：( 4 ) 紊流剪切：( 5 ) 紊流 惯性碰撞。后3 种归结为流动水体的水力作用，而流动水体的紊流动力作用对加速颗粒 混凝起主导作用，国内外许多学者提出了有关计算公式。 1 9 1 6 - 1 9 1 8 年s m o l u c h o w s k i 首先提出了层流条件下，单位体积水中，单位时间内， 颗粒碰撞频率n g h l 为 ，： 峙詈d 3 n 2 而d v ( 1 1 ) 式中：d 为颗粒直径； n 为颗粒浓度； 万d v 为速度梯度。 1 9 4 3 年c a m p 和s t e i n 提出了紊流条件下，速度梯度公式“1 g 厨 = 1 百 ( 1 2 ) 式中：g 为速度梯度； e t 为单位体积水中总能量耗散率的空间平均值； p 为水的动力粘度。 这就是著名的c a m p 公式，一直被公认为描述混凝过程的一个基本公式。由此得出下 列关系4 1 ： n g _ 詈d 3 n 2 挎 ( 1 3 ) 1 9 6 2 年l c v i c h 在紊流条件下，根据局部各向同性理论提出了下式： n g - 1 2 万f l d 3 n 2 仨 ( 1 4 ) 式中：1 3 为常数。 e t 为单位体积水中有效平均能耗。 总的来看，至今仍缺少能完满地描述符合水处理领域实际情况的混凝动力学模型。 s m o l u c h o w s k i 公式描述水流为层流条件下的颗粒碰撞频率模型，但对于混凝装置内，紊 流占优势的情况就不符合瞄1 。c a m p 和s t e i n 公式引入能量因素来计算速度梯度，这推动 了水处理技术的发展，但该公式仍存在缺点。按照该公式推算，速度梯度越大，混凝效果 越好。在网格混凝反应设备中，格网后一定距离处，湍流可以近似地看成是均匀各向同性 3 第一章绪论 湍流，即空间点的运动参数的统计特征值沿各个方向均相同；故此时均速度梯度为零，但 其混凝效果却远优于目前所有其它混凝设备。这一工程实例充分说明了c a m p 和s t e i n 公式的局限性。l g v i c h 公式源于其它技术领域，且仅局限于紊流粘性区。 国内研究方面，武道吉砸1 对混合动力学机理及混合控制指标进行了推导，并通过试 验研究得出在混合工艺过程中主体对流扩散、涡流扩散、分子扩散三种机理同时存在， 而沿垂直水流方向以涡流扩散和分子扩散为主，涡流扩散仅能使混凝剂达到亚微观级混 合，最后需通过分子扩散达到微观混合。涡流扩散对混合时间起主导作用，g t e _ o j 值可代 表混合综合控制指标，试验值在8 0 - - 9 0 之间，并建议在实际应用时设定在9 0 以上。 湛含辉订在总结国内外研究工作的基础上，从亚微观的角度提出了混凝机理的物理 模型。该模型中定义混凝沉降过程为混合、凝聚、絮凝3 个阶段。并通过试验证明，有 机混凝剂要求较强的混合剪切强度；而无机混凝剂则要求较弱的混合剪切强度；为了保 证较大的絮体形成，需一定时间的弱剪切。该模型从理论上强调了混凝剪切中颗粒碰撞 的有效性，避免了单纯从分形维数评价混凝效果的盲目性和单纯从静止的角度研究混凝 剂与颗粒作用的纯理论性；并指出只有胶体颗粒与分散的混凝剂充分地混合剪切，才有 高质量的凝聚，才可能有高效的絮凝。 1 2 2 混凝剂投加方式研究状况 混凝剂投加方式和自动控制对于水厂来说有重大意义，不仅可以节约生产成本，还 可以产生巨大的社会效应。混凝剂投加量的影响因素众多，原水水质、水量、净水构筑 物的规模和工艺以及不同的混凝剂成份等因素都会对混凝剂投加量产生影响。为了实现 生产自动化，国内外学者对该系统进行了大量的研究工作，并建立了众多的数学模型。 按照水力状态，可分为静态水质模型和动态水质模型；按照影响参数，可分为多变量参 数模型和特性参数模型；另外还有通过运用模糊逻辑、神经网络等智能控制方法建立的 模糊逻辑模型哺1 。由于各地净水构筑物不同，原水水质、药剂使用情况也有很大差异， 所以还没有个较好的通用的数学模型，只能针对具体情况进行数学建模。 8 0 年代国外在混凝剂自动投加方面研究与应用，取得了很大的进展。尤其是传感器 与投加设备研制，新的集中与分布计算机控制技术大大提高了水厂的自动化程度，从而 可以采用多种控制方式实现优化控制、自动投加的目的。 国内常用的控制投加量的方式有：1 根据烧杯搅拌试验确定投加率；2 采用小型生 4 长安大学硕七学位论文 产模拟装置指导投加量；3 根据原水水质建立前馈数学模型，实现计算机自动控制；4 单因子流动电流自动控制；5 绒体测定器自动控制；6 前馈开环自动控制方式和反馈数 学模型相结合的优化自动控制。 前馈调节的正确性，取决于对象特性的变化程度、控制模型、测量仪表的精度。前 馈数学模型，属于开环控制。前馈控制方式，能根据原水水质与水量变化，控制混凝剂 投加量。它比前两种控制方式，能提高水质合格率，降低制水成本。为了保证水质，前 馈模型确定投加量相对偏高，因此它属自动投加数学模型，而不属最优投加数学模型。 1 9 8 8 年，王大志阳1 在分析给水净化工艺中混凝剂投加量规律的基础上，提出了混凝 剂最优投加量的理论，并用数理统计方法，从理论上推导出混凝剂最优投加量的前馈与 后馈数学模型公式，即混凝剂最优投加量数学模型。数学模型设计按原水浊度、水温、 p h 值、耗氧量、氨氮、流量、沉淀池出水浊度七个参数编制，并进行了生产验证，生 产试验表明，整个控制系统满足了生产的需要，取得了明显的经济效益和社会效益。 钟淳昌等n 町在上海石化水厂采用微机数学模式自动加矾。数学模式采用前馈( 预报) 数学模型结合反馈和修正模式。经过两年多的加矾自动化生产性试运行，成本下降率为 2 4 7 5 0 o ，取得了较好的效果。 无锡自来水公司中桥水厂1 ，自动加矾系统采用以数学模型为前馈控制，而被控量 反馈到输入端，两者相加后产生总控制作用，组成复合环加矾控制系统。并根据前馈控 制模型投加后的沉淀水浊度，进行有限的后馈校正控制。 詹咏n 2 1 通过对参数的实测与动态分析以及和水厂运行数据的比较，建立了进水流量 q 、原水浊度n 。、出水浊度n 。、助凝剂用量m 的数学模型：m = k q a n o b n 。州m 并通过对所测数 据进行多元回归分析得到混凝剂投量的数学表达式为：m - - 1 3 4 6 q - - 0 1 4 n o o 9 9 n 。吨6 1 i 一曲。 宋启敏n3 1 、杨凯人n 们分别报道了显示式絮凝控制系统( f c d ) 在生产中的应用，研 究表明，该方法能适应水质和其他因素的变化自动调整加注量，达到稳定沉淀池出水浊 度的目的。高精度绒体测定器使用计算机实时采集和定量分析絮凝池中絮体图像，算出 絮体沉淀“等效直径 作为控制混凝剂加注率的目标值。常颍n 5 1 将分形理论应用于混凝 技术，通过大量试验为分形维数模型控制提供了参考。但该方法属单因子控制前馈控制， 需要有反馈控制调节前馈给定量，才能达到闭环优化控制。 流动电流检测器n 莳是一种单因子控制方式，它通过测定原水中投加混凝剂前后流动 电流的变化控制混凝剂投加量。自1 9 9 4 年起，流动电流技术逐渐在国内水厂大量应用。 国产设备是专门针对我国的水源水质、水处理工艺及应用条件进行研究设计的，因此绝 5 第一章绪论 大多数国产设备获得了良好的使用效果，取得了显著的社会效益和经济效益n7 1 。大量文 献对这一技术的应用进行了研究报道。n 8 。2 1 1 常规的流动电流投药测控系统存在着不完善 之处，原水流量变化会影响控制质量。南军，李圭自胁3 通过分析原水流量对水处理混凝 投药系统质量控制的影响，阐述了单一流动电流混凝投药测控系统的局限性，提出一种 新型的智能复合环控制系统及相应的控制算法。 基于模糊数学模型的混凝控制属于智能控制，通过模仿人的思维方式和人的控制经 验来实现的一种控制，它不要求建立过程的精确数学模型。白桦、李圭自乜3 1 提出了一种 新的混凝投药控制方法：人工神经网络控制方法，论述了该方法有着较传统控制方法更 明显的优势，并讨论了理论上的可行性。王瑞红【冽等人提出了应用模糊控制来实现混 ： 凝剂的最佳投加，该模糊控制器以原水流量和原水浊度作为输入变量，加矾流量作为 输出变量，并用水厂实际数据完成了仿真研究。人工智能、模糊控制技术具有很强的自 学习性、自适应性和容错性，可使预测结果的准确度明显提高，但是各地技术水平差异 较大，还不能达到普及的程度，但这将是混凝控制技术的方向。 1 2 3 影响混凝剂投加量的因素分析 混凝剂的投加量受原水水质情况、水处理工艺、水量等因素的影响。原水水质影响 混凝剂投加量的主要因素有原水浊度、碱度、p h 值、水温，国内学者对浊度的研究比较 多如高浊度水乜蚴3 、低温低浊度水1 等方面做了大量工作，能有效地控制混凝剂投加 量达到国家水质标准。原水水质中碱度、p h 对混凝效果有明显的影响，铝盐与铁盐混凝 剂水解反应过程中不断产生h + ，因此需要加碱去中和h + 浓度，使其水解顺利进行，以 提高混凝效果。大部分地表水厂碱度、p h 值能满足混凝反应的要求，所以对这方面的研 究文章不多口3 阁1 。 水厂的工艺参数、构筑物的形状对混凝剂的投加量也有很大影响。但各个地方水质 不同、地质构造不同，水厂采用的工艺也多种多样，对控制混凝剂的投加量要因地制宜 的来分析。 1 2 4 烧杯搅拌试验的研究现状 烧杯搅拌试验简称搅拌试验，是研究和控制混凝过程的一个应用最广的方法。它始 于1 9 2 1 年，早期的搅拌试验可定义为：利用搅拌时间、搅拌速度的快慢档和转速都可 6 长安大学硕士学位论文 变化的多叶片搅拌装置，对两个以上的水样试验结果进行比较，以确定混凝剂投加量的 试验。 二十世纪四十年代，美国的水厂和水处理试验室已普遍应用搅拌试验进行混凝过程 的研究和生产控制，搅拌器已是一种正式出售的试验设备，搅拌试验的作用和操作方法 也得到了全面的总结。1 9 4 5 年n i c k e l 特别提出汹1 ；( 1 ) 必须注意试验的基本操作，否则 试验结果毫无价值；( 2 ) 试验水样不得少于1 升；( 3 ) 用通常的叶片尺寸( 高2 5 毫米，宽 5 0 或7 5 毫米) 做试验时，按每分钟1 0 0 转，转3 分钟；再以每分钟2 5 - - 一4 0 转，转约2 0 分钟；总时间在1 0 - - - , 4 5 分钟的条件下，通常可得到模拟水厂混凝过程的结果。这可能 是第一次正式提出搅拌试验的模拟作用。所谓模拟，即指在按水厂投加混凝剂量的条件 下，能做到在试验烧杯中产生与水厂反应池中的物理性能完全相同的矾花。 五十年代以后是着重对试验方法和设备的改进嘞3 ，其内容主要反映下列几个方面； ( 1 ) 水样容器的改进，如采用方形烧杯或在圆烧杯周边加档板以防搅拌叶片停止后水样 继续转动；( 2 ) 从烧杯中取水样方法的改进，有真空系统、虹吸管和2 升方形容器设取 样孔几种形式；( 3 ) 按几个沉淀时间取水样测沉淀上清液的浊度；( 4 ) 加药方法的改进， 首先是对每个烧杯同步加药的问题，把六个加药小试管固定在一根横轴上，旋转横轴就 可同时向六个烧杯中加注药液，h u d s o n 的试验装置能够控制六个烧杯的加药流量相同， 并将药液加在叶片的中心部位。 烧杯搅拌试验由于设备简单，操作方便，容易实现在理想条件下模拟混合、絮凝和 沉淀等水处理过程，因而广泛应用于净水厂的日常运行管理、技术改造、产品开发和科 学研究。为此1 9 8 3 年，美国材料试验学会将烧杯搅拌列为标准试验，美国自来水协会 ( a w w a ) 手册m - 1 2 也对标准烧杯搅拌试验的方法步骤有详细的阐述，日本工业标准委 员会( j i s ) 也已正式将其列为水处理标准试验方法。1 9 9 7 年建设部中国工程建设标准 化协会正式下达编制混凝沉淀试验标准的任务，并于2 0 0 0 年1 2 月通过对混凝沉淀( 烧 杯) 试验标准的审查，标准号c e c s l 3 0 ：2 0 0 1 口钉。 我国大多数自来水公司在日常生产管理中都采用烧杯搅拌试验，指导混凝剂的投加 量和处理工况的判断。由于搅拌试验重现性差，有时与生产实际情况相差甚远，没有起 到指导生产的作用，而不能得到应有的重视。尽管研究人员每年都要进行大量烧杯搅拌 试验，但由于搅拌设备参数的不同，搅拌条件的差异，评价体系的混乱，导致工作参数 的选取相当混乱，文章的相互借鉴作用减弱。武道吉等人3 们的文章对烧杯搅拌试验进 行了多方面的研究，对规范烧杯搅拌试验，使其真正发挥它的指导作用有很大的意义。 7 第二章本文的研究目的、意义 第二章本文的研究目的、意义 2 1 情况简介 谣安市是陕西省省会，世界闻名的历史文化名城，我国重要的科研、高等教育及高 新技术产业基地。西安市位于我国内陆中心区，地处南北、东西经济带的结合部，是我 国西北地区与东部、西南地区的重要交通枢纽，具有独特的区位优势和显著的辐射作用。 根据国务院1 9 9 5 2 0 1 0 年城市总体规划要求，西安发展的主要方向是：在保护历史文 化名城的同时，优先发展高新技术产业，大力发展第三产业。逐步把西安建成科技发达、 经济繁荣、功能齐全、环境优美、具有自己历史文化特色和现代文明的社会主义外向型 城市，成为世界一流的历史名城和旅游胜地，进而实现建设现代化国际大都市的宏伟目 ， 标。 随着西安城市规模的扩大，经济发展的加快，人民的生活水平随之快速提高。与此 同时西安的城市供水工程建设亦取得了快速发展，西安市目前有三个地表水水厂，五个 地下水配水厂，供水能力达到1 7 0 万m 3 d 。 该净水厂是黑河饮水工程配套工程，生产能力为5 0 万立方米天。原水经格栅沉砂 池、混合反应池、平流沉淀池、v 型滤池等常规处理工艺后，进入清水库，以重力流方 式向市区供水。 该净水厂利用外资引进了国内外先进的水处理设备与技术，进口关键设备选用了德 国爱合德阀门、美国米顿罗公司计量泵、美国w t 公司加氯机等设备；国产设备选用了 国内合资公司或水行业先进设备，如电气设备采用a b b 系列产品，空压机采用无锡阿特 拉斯科普柯公司的产品等。水处理专业设备如格栅清污机、刮泥机和吸砂机均选用技 术领先的产品，可以实现自动、手动双重控制。水厂自动控制系统采用集中监控管理， 分散就地控制的分步控制方案。水厂主要设备都可以实现自动化控制，操作可以通过计 算机控制。生产过程参数，在线水质参数都可以传输到中央控制室，实现2 4 小时实时 监控。 2 2 生产中面临的问题 净水厂通过近几年运行发现： 1 净水厂配置了显示式絮凝控制仪( f c d ) 。f c d 是后馈控制的一种方式，它通过水 下摄像头拍摄絮体形成状态，将信号传至计算机，对絮体的形成直径、数量进 行数据分析处理，通过与设定的参数进行比较，自动调节混凝剂投加量。通过 运行发现，f c d 系统存在以下问题：一是电流信号的传送背景干扰大，传回的信 8 长安大学硕士学位论文 号误差较大。二是f c d 控制模型还不够完善，不论絮体是因为投加量不足形成 的絮体较小还是投加过量造成的电中和过量，它都按照投加量不足处理，这样 就导致水质不稳定。三是因为设备技术不成熟，水下成像系统经常出现故障。 f c d 系统现在基本处于停用状态。 2 水厂目前主要通过烧杯搅拌试验以及以往生产经验来确定混凝聚投加范围，再 根据絮体形成情况、沉后水浊度进行人工微调。烧杯搅拌试验，和生产经验投 加混凝剂人为的影响较大，不同的操作人员有不同的判断标准，这就会导致水 质处理不稳定，净水成本差别较大。为此需要有合适的投加模型来指导生产， 通过自动化设备合理控制净水剂的投加，以保证出厂水水质的稳定。 3 该净水厂水源为黑河水库水，水质常年清澈，低温低浊水持续时间长。水厂采 用聚合氯化铝( p a c ) 作为混凝剂，硅酸钠( p s i ) 作为助凝剂在大部分时间都有 较好的混凝效果，但是在低温低浊时期以及遇到特殊水质时，由于形成的絮体 轻，难于沉降，会加重滤池负荷，造成出水水质不稳定。铁盐由于形成的絮体 密度大，沉降性能好，但单纯使用铁盐会造成出水色度偏高，所以水厂采用聚 合氯化铝铁，结合了铝盐和铁盐的优势，希望在低温低浊水的处理方面起到良 好的作用。 2 3 本文研究的目的 通过本次研究希望对水厂烧杯搅拌试验进行条件优化，使试验结果与生产实际更加 吻合，能起到指导生产的作用。在生产部分，希望对历年生产运行数据进行整理分析， 得出适用于水厂的投加量数学模型，以实现自动化控制药剂投加量，持续稳定的处理水 质。 对于水厂使用的聚合氯化铝铁进行总结，通过与往年生产成本进行分析比对，对使 用聚合氯化铝的经济性进行分析。 2 4 试验方法 1 通过实验室烧杯搅拌试验，确定最佳搅拌条件，并分析碱度、水温、浊度对混 凝剂投加量的影响。烧杯搅拌试验过程采样正交试验设计的方法，正交试验设 计是利用部分实施的方法安排多因素试验计划和分析试验结果的一种析因设 9 第二章本文的研究目的、意义 计。正交试验设计的试验方案具有搭配均衡，整齐可比，试验次数少，分析试 验结果时计算简单的优点。通过正交试验设计可以找出各因素对指标影响的程 度，即找出主要因素和次要因素；另一方面是从每个因素中选出一个水平，组 成最佳状态m 删。 2 汇总整理生产运行数据，对影响混凝剂投加量的因素进行相关性分析，忽略对 混凝剂投加量影响不大的因素。建立各因素与混凝剂投加量的散点图，做各种 线性拟和，选择相关性系数大的相关方式。采用e x c e l 进行多元线性回归，得 出各影响因素与混凝剂投加量的数学模型。 3 选取水质、水量各方面相近的时间段，对聚合氯化铝、聚合氯化铝铁净水剂投 加成本进行经济性分析比较。 1 0 长安大学硕士学位论文 3 1 试验条件 第三章烧杯搅拌试验条件的优化 烧杯搅拌试验由于设备简单，操作方便，容易实现在理想条件下模拟混合、絮凝和 沉淀等水处理过程，因而广泛应用于净水厂的日常运行管理。我国大多数自来水公司在 生产中都采用烧杯搅拌试验指导混凝剂的投加和处理情况的判断。通过近年来大量的烧 杯试验，发现烧搅拌试验重现性差，有时与生产实际情况相差甚远，对于过程控制的指 导作用小，出现这种情况的原因是多方面的，首先烧杯搅拌试验受外部复杂环境因素影 响。烧杯搅拌试验处理水量小，混合强度大且效果好，絮凝和沉淀也都是在无扰动的情 ； 况下完成的，而在生产过程中，混合不均匀，墙壁摩擦、短流、冲击等严重降低处理效 率。在可比条件下，烧杯搅拌试验的预期出水水质要优于实际水样；其次实际生产中存 在烧杯搅拌试验无法模拟的水力或理化微环境。净水构筑物与烧杯的外观规模相差几个 数量级，在烧杯内形成的相对均匀的试验条件根本不能反映构筑物内的复杂微观过程； 第三，生产烧杯搅拌试验的水样水质稳定，而净水构筑物内的水流处于不断混合和交换 状态，水质连续变化；另一方面水厂使用配置浓度为1 0 的净水剂，搅拌试验则常将溶 液配制成较低浓度，相对而言净水剂的水解程度高，也使两种混凝的结果差别较大。 由于烧杯搅拌试验很难拟合与生产实际相当的处理参数，因此将实验室结果类推到 生产实际是存在问题的。然而，在目前情况下，只有通过烧杯搅拌试验才能完成大量基 础研究工作，在应对高浊度水、特殊水质时，烧杯试验相对能反应更迅速一些。烧杯搅 拌试验在生产中有无可替代的作用，必须继续予以重视并从设备和试验设计、试验条件 的优化等方面进一步完善。 3 1 1 原水水质情况 水源经黑河水库自然沉降，原水常年清澈。2 0 0 4 年至2 0 0 6 年三年原水浊度平均值 为1 1 1 3 n t u ，原水浊度最高为2 0 0 0 n t u ，最低为1 7 n t u ；原水碱度三年平均值为 5 8 8 m g l ，水温平均为1 0 9 。 3 1 2 药剂和仪器 试验药剂： 第! 章烧杯搅拌试验条件的优化 聚合氯化铝( 以下简称p a c ) ，有效含量为1 0 士2 ( 以a 1 。0 z 计) ； 聚合氯化铝铁( 以下简称p a f c ，p o l yf e n o a l a m i n i u mc h l o d d e ) ，有效台量为1 0 2 ( 以a l 她计，f e 含量为05 一15 ) 试验装置： 搅拌仪：深圳中润水工业技术发展有限公司，z r 4 6 型智能型六联搅拌机。搅拌机 水样容器是方形塑料烧杯，尺寸为：h - l o5 c m ，d = i o 5 c m ，v1 5 0 0 m l ：桨片尺寸为：高 度b - 4 c m ，宽度d5 c m ； 浊度仪：美国哈希2 1 0 0 n 型台式浊度仪。 32 试验方案 混凝过程分为混合、凝聚、絮凝三个阶段。对应实验室烧杯试验分为快速搅拌、中 速搅拌和慢速搅拌三个阶段。首先对快速搅拌和慢速搅拌采用正交法进行试验分析，再 对中速搅拌和慢速搅拌采用正交法进行试验分析。试验将搅拌转速和搅拌时问分别设定 为影响因素进行试验。搅拌结束后静置沉淀l o m i n ，采用上清液浊度x 作为评价指标。 3 3 混凝条件的确定 资料显示1 ，大部分试验都采用圆形烧杯( 容积为1 l ) ，搅拌转速分为快慢两档。 这些试验快搅g 值从3 0 6s 4 0s 。，转速从5 0 0 r m i n l o o r m i n ，采用最多的是 3 0 0 r m i n ；快搅时间从05 m i n 5 m i n ，太部分的论文采用l m i n 。慢搅g 值从6s 3 0s ， 第三章烧杯搅拌试验条件的优化 转速控制在2 5 8 0 r m i n ，慢搅时间为1 0 到3 0 m i n ；沉淀时间控制在5 ，- - - 3 0 m i n 。 3 3 1 水样体积的确定。 大量资料和实践经验研究表明，体积超过2 l 的方形搅拌杯可以较好地模拟混凝工艺 n 1 7 。武道吉1 将l l 搅拌杯与有效容积为6 4 l 搅拌池进行试验对比，试验以混凝后水样在 l l 方形烧杯静止沉淀l o m i n 后的浊度去除率为评价指标。试验结果表明用1 l 方形烧杯 来模拟混凝工艺是可行的。 。 改进型方烧杯搅拌装置比传统玻璃圆形烧杯搅拌装置具有以下优点：方形烧杯搅拌 停止后，水的旋转很快就能减慢，水流不会随惯性旋转；方形烧杯搅拌器可以按生产工 艺设计进行分阶段运行，搅拌转速能更快接近设定转速；方形烧杯模拟水厂快速混合及 絮凝时相似性较好。 3 3 2 确定搅拌、沉淀时间m 1 采用六联混凝搅拌试验设备，在投加适量混凝剂以后，进入搅拌程序。快速搅拌混 合l m i n ( 转速4 0 0 r m i n ，g = 2 3 9 9 s 。1 ) ；再转入慢速搅拌反应( 转速4 0 r m i n ，g = i o 8 s 1 ) 控制各个烧杯的总搅拌时间分别为：t = 5 、1 0 、1 5 、1 8 、2 0 、2 5 m i n 。当某个烧杯的预 定时间到达后，立即停止搅拌，静置沉淀l o m i n ，再取烧杯表层澄清水样( 自液面下1 5 c m 处) ，测定浊度值，并计算除浊百分率。 不同搅拌时间的除浊率见图3 2 ( 本组试验聚合氯化铝铁混凝剂投加量为1 5m g l ， 原水浊度4 3 n t u ，水温1 2 9 。c ，碱度5 9 m g l ，p h 值8 1 0 ) 。 1 3 第= 牵烧杯搅拌试验条件的优化 圈32 不同搅拌时间的除浊率浊度 通过试验结粜可以看出：搅拌反应时间为1 5 1 8 m i n 时除浊率最高，取除浊百分率 最大的搅拌时问t 为设计絮凝时州。所以适宜的搅拌反应时间为1 5 1 8 m i n 。这也与大 部分混凝试验文献的结论相同= 9 1 。 i 一二一k 。 i 笔6 卜_ 二二一沉训n _ | 3 卜一二：嚆| | | 。l - - 一一一一- - 一 ! 釜墨! 图3 3 不同沉淀时间的沉后水浊度 不同沉淀时间的沉后水浊度见图3 3 。沉淀5 r a i n 时絮体沉降效果不好，沉1 5 m i n 以 上沉后水浊度基本达到稳定。由图可以看出沉淀l o r n i n 时随着投加量的增大，沉后水 长安大学硕士学位论文 浊度有明显的下降趋势，沉后水浊度可以控制在3 n t u 以内。 生产中平流沉淀池总停留时间为8 1 m i n ，沉淀池出水控制在2 n t u 。文献资料汹1 中 烧杯搅拌试验沉淀时间一般为5 一- - 3 0 m i n ，本次试验沉淀时间通过观察沉后水浊度情况， 以及絮体沉降速度，以大部分絮体沉过取水口的时间为宜，确定沉淀时间为1 0 m i n ，与 资料报道的结果相同。 3 3 3 转速与g 值对应关系 武道吉m 1 对采用平直叶单桨式搅拌器的烧杯搅拌装置，l l 方形烧杯( 其中d ：h = i ：1 ， d 为搅拌杯的边长；h 为搅拌杯中的有效水深) 的速度梯度计算公式进行了推导，公式为： g = 厝一 ( 3 1 ) 式中：g 为流体速度梯度( s 。1 ) ； p 为单位体积流体的能量耗损率( k g m s ) ； u 为流体绝对粘度，1 0 。c 时为1 3 3 1 1 0 - 3 ( k g s m 2 ) ； c 。为阻力系数，取0 3 - 0 5 ； b 为搅拌桨叶片高度( m ) ； d 为搅拌桨叶片直径( m ) ； d 为搅拌杯的边长( m ) ； n 为搅拌转速( r m i n ) 。 v 为水样体积( m 3 ) 本试验中六联搅拌机采用的是平直叶、单桨式搅拌器，烧杯是方形烧杯( 其中 d ：h = i ：1 ，d 为搅拌杯的边长1 0 5c m ；h 为搅拌杯中的有效水深) ；c 。取0 5 ， b = 4c m ， d = 5 c m ，水样体积v = ix1 0 门m 3 ，粘度在1 0 。c 时的u 值，把相关数据代入( 3 1 ) 式得： g = 0 0 2 5 n l 5 ( 3 2 ) 在水样为1 0 。c 时的仪器显示g 值与公式计算的g 值相比较，对应关系见表3 1 ，图 3 4 。 表3 1 g 值与转速的对应关系 n ( r m i n ) 4 05 06 0 7 08 0 9 01 0 02 0 0 3 0 0 4 0 05 0 0 g ( s 1 ) 计算值 8 8 46 - 3 21 1 6 2 1 4 61 7 92 1 42 57 0 71 3 02 0 02 8 0 g ( s - 1 ) 仪器显示值 7 71 5 21 9 22 3 22 8 83 3 33 8 99 8 81 7 12 5 13 3 9 第三章烧杯搅拌试验条件的优化 图3 46 值与转速n 的对应关系 另外参考净水厂工艺参数见下表。 表3 2 净水厂混凝沉淀过程工艺参数 机械搅拌池混合反应池 工艺参数管道静态混合器平流沉淀池 一级二级一级二级三级 g ( s 。1 )7 3 56 0 24 8 21 7 95 32 5| t3 7 s1 3 s1 3 s1 4 8 r a i n2 8 2 r a i n4 5 7 m i