最佳混凝条件下混凝剂投量数学模型

Posted 2023-01-13 数学模型

篇首语：不傲才以骄人，不以宠而作威。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了最佳混凝条件下混凝剂投量数学模型相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

仪征化纤给排水厂是一个大中型老水厂，为了达到高效、优质、低耗的生产目标，优化水处理系统，提高水厂技术及管理水平，从国外引进了包括混凝投药控制系统在内的一系列先进的自动化设备。由于水质参数、混凝条件与混凝剂诸因素之间的定量关系难以掌握，同时各因素之间的关系随原水浊度、进水流量的变化而变化，故很难将该控制系统运用到生产运行中。为此，需结合该厂的水质特点及生产能力，建立适应这种动态变化的数学模型，以便最大限度地节省混凝剂用量。
1 最佳混凝剂投量的确定
1.1 原水水质及试验方法混凝搅拌试验在该厂的化验室进行，主要设备为DBJ-621定时变速六联搅拌机，辅助设备有HACH2100N型光电式浊度仪、FA-2004型天平以及酸度计、温度计、移液管、秒表、烧杯等器具。原水为长江水，其水质见表1。

将混凝剂种类[Al2(SO4)3、AlCl3、Fe2(SO4)3、FeSO4、FeCl3]、混凝剂投量(5、10、15、20、25mg/L)、助凝剂PAM投量(0、0.05、0.1、0.5、1.0mg/L)、PAM投加时间(0、15、30、45、60s)、搅拌速度(30、40、50、60、70r/min)、搅拌时间(10、15、20、25、30min)六个因素设定为五个水平制作成L25(56)正交表，对不同浊度(858、224、77 2、61、48、32 4NTU)的原水进行混凝沉淀试验，并以静沉30～35min后的上清液浊度作为混凝沉淀效果评价指标(称为剩余浊度)，找出各影响因素的较佳值以及各因素的主次关系，从而确定混凝剂最佳投量与原水浊度的关系。
1 2 试验结果达到预期剩余浊度的最小投药量即为所求的最佳投药量。通过试验可得原水浊度与混凝剂(以硫酸铝为例)最佳投量之间的关系如图1所示。由图1可知，当原水浊度<50NTU时其最佳投药量较高；随着原水浊度的增大则最佳投药量逐渐减小；当原水浊度增大到约160NTU时最佳投药量达到最小值。之后，最佳投药量又随着原水浊度的升高而不断变大，整个变化过程形成一个V形特征的曲线图。此外还发现，单独使用无机铝盐或铁盐作混凝剂时易发生胶体再稳现象，这是由于加药量过大造成了胶体电荷反号，此时的出水呈乳浊色，并含有超量的铝或铁，水质开始恶化。所以，在单独使用无机混凝剂时特别要注意控制其用量，避免胶体再稳现象的发生。如果在原水中先投加无机混凝剂再投加少量PAM作助凝剂，就不会出现上述现象。
2 最佳水力条件的确定
2.1 试验方法以Al2(SO4)3.18H2O为混凝剂，将快速搅拌速度、快速搅拌时间、慢速搅拌速度、慢速搅拌时间等四个因素设计为高、中、低三个水平制作成L9(34)正交表，对浊度为224NTU的原水进行试验，取静沉30min后的上清液浊度作为混凝沉淀效果的评价指标，来确定最佳水力条件。
2.2 最佳水力条件的确定从图1可知，原水浊度为224NTU时硫酸铝的最佳投量约16 3mg/L，故试验中取混凝剂投量为15mg/L，测试结果列于表2。淀效果的最主要因素，慢速搅拌时间对混凝沉淀的影响也较显著。因此，在提高快搅速度的同时还要注重原水在混凝设备中的停留时间(可适当延长絮凝阶段的时间，采用往复式隔板絮凝池可达到此目的)。但絮凝时间过长会造成絮凝体在絮凝池中过早地沉淀而不利于污染物的去除。通过试验可知，投加助凝剂能够节省混凝剂用量并缩短混凝时间而不影响混凝的效果。此外，也可通过研究絮凝池在改造前后水流流态的变化来选择一种既经济又高效的池型，以达到提高快搅速度与合理延长混凝时间的目的。
2.3 最佳水力条件下的G值和GT值采用下式来计算速度梯度。G=CDγLω34μgV(r42-r41)
(1)式中 CD———由桨板长宽比(b/L)所决定的系数，取0.22～0.25γ———水的密度L———桨板长度ω———相对于水的桨板旋转角速度r2———桨板外缘旋转半径r1———桨板内缘旋转半径g———重力加速度V———反应设备中水的体积根据试验所用反应设备的有关数据可得 G=0.084n3/2
(2)式中 n———转速由表2中的数据结合式
(2)计算出的G值和GT值见表3。根据国内外的大量研究，混合(快搅)阶段的G值应为500～1000/s，T值为10～60s，而絮凝(慢搅)阶段的适宜G值为20～75/s，T值为10～30min，这与笔者的试验结果比较吻合。
3 混凝剂投量数学模型的建立采用由小试确定的最佳混凝条件及最佳水力条件对改进后的絮凝池进行试验，根据所研究源水的特性及试验场地条件，选用了正态絮凝池与沉淀池模型(见图2)，往复式隔板絮凝池的设计参数见表4。
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，可建立进水流量Q、原水浊度N0、出水浊度N1(采样口距沉淀池出口1/3池长处)、助凝剂用量m与混凝剂用量M的数学模型：　 M=kQaNb0Nc1md
(3)式中 k、a、b、c、d———待定系数通过对所测数据进行多元回归分析可得到混凝剂投量的数学表达式为：　 M=13.46Q-0.14N0.990N-0.611m-0.29
(4)由式
(4)可知，原水水质对投药量的影响较大，即原水浊度越大则所需的混凝剂量就越多；进水流量对混凝剂投量的影响不大，说明改进后的往复式隔板絮凝池对进水流量的适应性比较强。此外，投加适量的(2～5mg/L)助凝剂PAM可节省混凝剂约20%～60%(与小试的结果相同)，不但大幅度地降低了制水成本，而且使矾花性状得以改善(絮粒均匀、大且密实)，出水水质也较稳定。试验也发现，絮凝池转弯处的过水断面面积与廊道过水断面面积的比值A(共采用四种值：1、1.2、1.5、2)对混凝效果有影响：在投药量、进水流量、原水水质等相近的情况下，A=1.2和1.5时的混凝沉淀效果最好。由此可见，在往复式隔板絮凝池的设计中A值也是一个值得考虑的因素。
4 结论① 对于混凝性能很差的原水，采用常规的混凝方法处理时效果很差，如选用适宜的高分子助凝剂，则既能提高混凝沉淀效果，又可使混凝剂用量减少20%～60%。② 快速搅拌速度是凝聚阶段最主要的影响因素，而慢速搅拌时间对絮凝效果的影响最为显著。③ 采用先加无机混凝剂再投加高分子助凝剂的复配方式可避免胶体再稳现象的发生。④ 混合阶段的G值应控制在500～1000/s，而絮凝阶段的适宜速度梯度值为20～75/s。