第四章混凝动力学
水质工程学 第四章凝聚与絮凝
水质工程学1 XX大学 环境工程学院XX教研室水质工程学1第四章 凝聚与絮凝混凝机理02混凝剂的配置与投加06混凝动力学04胶体结构01影响因素05混凝剂与助凝剂03教学内容及要求1)理解胶体的结构及稳定性；2)掌握混凝机理以及混凝效果影响因素；3)掌握混凝剂种类及其选用原则；4)掌握混凝动力学原理；5)掌握混凝过程的特征及要求；6)理解混凝设施的类型及特点，掌握其设计计算方法。
7)了解混凝设施的运行与管理。
对象：水和废水中常常不能用自然沉降法除去的悬浮微粒和胶体污染物。
办法：1、首先投加化学药剂来破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体；2、再用重力沉降法予以分离。
混凝的定义：包括凝聚和絮凝两个步骤，凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程，而絮凝则指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。
混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。
水处理中主要杂质：◆粘土（50nm-4 μm）◆细菌（0.2μm-80μm）◆病毒（10nm-300nm）◆蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸4.1胶体的稳定性和胶体结构A:胶体的稳定性B:胶体的双电层结构C:DLVO理论4.1胶体的稳定性和胶体结构 A:胶体的稳定性（1）胶体在水中作布朗运动在水分子热运动的撞击下作不规则运动，即布朗运动。
这是胶体在水中保持稳定的因素之一。
（2）运动中的胶体带电荷电泳现象可以说明胶体微粒是带电的。
带正电的微粒：氢氧化铁、氢氧化铝等；带负电的微粒：碱性条件下的氢氧化铝和蛋白质等。
同种胶体微粒带同号电荷，静电斥力相互作用，不易凝聚。
4.1胶体的稳定性和胶体结构胶体稳定性分：“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。
1）动力学稳定性：是指胶体粒子的布朗运动对抗重力影响的能力。
胶体粒子的布朗运动足以抵抗重力影响，故而长悬，称动力学稳定。
为什么不聚集下沉呢？2）聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性。
第四节、混凝动力学
第四节、混凝动力学影响混凝效果的因素中，水力条件是个重要因素，要达到最佳的混凝效果，应该创造良好的水力条件，即设计合理的混合池和絮凝池，而混凝动力学正是其设计的基础。
一、基本概念1、异向絮凝（perikinetic flocculation ）异向絮凝指脱稳胶体由于布朗运动相碰撞而凝聚的现象。
异向絮凝主要对微小颗粒d ＜1m μ起作用。
2、同向絮凝（orthokinetic flocculation ）同向絮凝指借助于水力或机械搅拌使胶体颗粒相碰撞而凝聚的现象。
同向絮凝主要对大颗粒d ＞1m μ起作用。
说明：（1）在混合和絮凝初期，主要表现为异向絮凝，形成微絮凝体；（2）在絮凝初期以后，则主要表现为同向絮凝，形成粗大絮凝体；（3）两者在时间上没有严格区分，在任何阶段都可能同时存在，只是程度不同。
3、碰撞速率碰撞速率指单位时间、单位体积内颗粒的碰撞次数。
4、絮凝速率絮凝速率指单位时间、单位体积内颗粒总数量浓度的减少速率。
[絮凝速率]＝－1/2[碰撞速率]因为：（1）在计算颗粒i 和颗粒j 碰撞次数时，是将两个颗粒相互碰撞数计算了两次，即i 向j 碰撞一次，j 又向i 碰撞一次。
而实际上两个颗粒一次相碰就相互凝聚成一个大的颗粒，故絮凝速率为总计算碰撞数的1/2。
（2）负号表示颗粒总数量随絮凝时间而减少，这是小颗粒相互结成大颗粒的结果。
二、异向絮凝布朗运动为一种无规则的热运动，将导致水中颗粒相互碰撞。
假设：①水中胶体颗粒已完全脱稳；②颗粒每次碰撞都是有效碰撞，都会导致颗粒相互聚集，使小颗粒变成大颗粒；③颗粒为均匀球体。
根据费克扩散定律，可导出颗粒碰撞速率为：28n dD N B P π= （2－7） 式中，N P —— 单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率（1/cm 3·s ）； D B —— 布朗运动扩散系数（cm 2/s ）；d —— 颗粒直径（cm ）；n —— 颗粒数量浓度（个/cm 3）。
混凝动力学对混凝工艺实践的指导意义
混凝动力学对混凝工艺实践的指导意义余承烈（山西铝厂山西河津043300）Guide meaning of coagulation dynamics to coagulatingtechnology practicalityYu chenglie(Shanxi aluminium plant Hejin Shanxi 043300) 内容摘要：分析了混凝动力学几个公式，就公式中的每个因子展开讨论，认为：混凝动力学公式对混凝工艺实践有定性的指导意义，举例说明了目前几种经实践证明了的高效混凝技术与混凝动力学的相关性。
关键词: 混凝动力学公式探讨混凝工艺高效混凝技术指导意义1．混凝动力学公式的探讨一般认为，混凝包括絮凝和凝聚两个过程，凝聚和絮凝都是使胶体或悬浮物中微细粒固体聚集而使颗粒尺寸变大的过程[8]。
混凝动力学也应该包括絮凝动力学和凝聚动力学，目前就笔者掌握的资料，提法不统一，有的只提到凝聚动力学，如文献（8）。
文献(5)就只提出絮凝动力学，还明确指出：研究水中胶体在絮凝过程中的颗粒浓度随时间的减少过程称为絮凝动力学。
按照这个定义，絮凝动力学的研究范围虽然可以包括许多不同的絮凝过程，但一般絮凝动力学研究的只是憎水胶体经电解质脱稳后的容积絮凝过程。
笔者认为，絮凝动力学比较符合规律，但是在没有统一以前，目前还是提混凝动力学为宜。
混凝动力学的研究自1943年Camp和Stein提出动力学的公式后至今，许多学者提出了很多类似的公式，本文列出目前常见的几个公式，并就公式所包含的意义展开讨论。
1．1混凝动力学公式的认可文献[9]介绍的列维奇（Levich）利用扩散方程计算通过球形控制面单位时间的颗粒的时平均总数，即颗粒的碰撞数：Nt==12Πβ(ε/γ)½R³n²（1）式中ε——球形控制体周围单位体积水的能耗；γ——水的动力粘滞系数；R——球形控制体半径；n——控制体周围的颗粒时平均浓度（单位体积颗粒时平均总数）β——实验系数。
混凝的原理
混凝的原理什么是混凝混凝，也称凝聚剂，是一种常见的建筑材料，被广泛用于混凝土、砂浆和其他建筑材料中。
混凝的主要作用是使液体混合物在适当条件下发生凝结，形成坚固的结构。
混凝的应用领域非常广泛，在建筑、道路、桥梁等工程中起到至关重要的作用。
混凝的原理混凝的原理主要涉及凝聚剂与液体材料之间的相互作用。
凝聚剂一般由粘合剂和添加剂组成，它们与液体材料中的颗粒发生化学反应或物理吸附，从而促进材料颗粒之间的结合。
物理作用物理作用是混凝的主要原理之一。
在液体材料中，颗粒会靠着分子间的引力相互靠拢。
凝聚剂中的添加剂会通过在颗粒表面形成吸附层的方式，使颗粒之间的距离进一步缩小，从而形成较为紧密的结构。
此外，物理作用还包括颗粒之间的电荷作用力、表面张力等。
化学作用化学作用是混凝的另一个重要原理。
凝聚剂中的粘合剂会与液体材料中的颗粒发生化学反应，形成新的物质，从而使颗粒之间的结合更加牢固。
例如，在混凝土中，粘合剂水泥与骨料中的矿物质发生水化反应，生成水化硬固体，从而使混凝土具有一定的强度和耐久性。
混凝的施工过程混凝的施工过程包括准备工作、配合比设计、材料拌和、浇注成型和养护等环节。
准备工作在进行混凝材料的施工之前，需要进行一系列的准备工作。
这包括确定混凝材料的种类和性能要求、施工场地的布置和清理、检查施工设备和工具的完好性等。
配合比设计配合比设计是混凝材料施工的关键环节之一。
通过根据材料的种类及其比例来确定混凝材料的配合比，以确保混凝材料具有所需的强度、可塑性等性能。
材料拌和在混凝材料施工过程中，不同的材料需要按照一定的比例进行拌和。
一般来说，先将颗粒状材料与粘结剂充分混合，再根据需要逐步加入水或其他添加剂进行搅拌。
搅拌的时间和速度也需要根据具体的材料类型和施工要求进行调整。
浇注成型材料拌和后，需要将其迅速浇注到预定的模具或施工区域中。
浇注的过程需要保证材料的均匀性和密实性，避免产生空洞或裂缝等缺陷。
养护材料浇注后，需要进行一定的养护，以确保混凝材料能够发生正常的凝固和硬化过程。
环境工程学-第04章 混凝
第一
概
述
三、天然水中的胶体杂质 通常是负电荷胶体，如粘土、细菌、病毒、 藻类、腐殖质等。
四、混凝的应用
给水处理： 废水处理：
五、混凝的特点
优点：设备简单，操作方便； 便于间歇运行，效果好。 缺点：运行费用高；沉渣量大，处置困难。
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第二
胶体的特性
第四 混凝剂与助凝剂
有机高分子混凝剂使用时须注意的问题： 与其他混凝剂共同使用时的投加顺序： 当废水低浊度时，宜先投其他混凝剂；当废水 浊度高时，应先投加PAM。 高分子混凝剂最佳投加量的确定。 在高分子混凝剂使用时，应尽量采用较低的浓 度。
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第四 混凝剂与助凝剂
三、研究发展
(三) 吸附架桥机理
(四) 沉淀物网捕机理
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第三
混凝原理
一、双电层压缩
1、憎水性胶体 向溶液中投加电解质，溶液中离子浓度增加， 扩散层的厚度将从图上的oa减小到ob。
反 离 子 浓 度
溶液中离子浓度高
溶液中离子浓度低
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第三
混凝原理
扩散层厚度的减小，ξ电位相应降低，胶粒间的相互 排斥力也减少。 扩散层减薄，颗粒相撞时的距离减少，相互间的吸引 力变大。 相互碰撞时，颗粒间排斥力与吸引力的合力由斥力为 主变为以引力为主，颗粒就能相互凝聚。
Al3+在水中的存在状态和pH有关 pH较低，高电荷低聚合度的络合物占多数；
pH较高，低电荷高聚合度的络合物占多数。
不同产物的作用 对于高电荷低聚合度的水解聚合物，主要起到 压缩双电层和吸附架桥作用； 对于低电荷高聚合度的水解聚合物，主要起 到吸附架桥作用和沉淀网捕作用； 对于高聚合度的水解沉淀物，以吸附、网捕、 卷带作用为主。
混凝的基本原理和应用
混凝的基本原理和应用1. 混凝的定义和概述混凝作为一种常见的处理污水和废水的方法，采用化学凝结剂将悬浮物和溶解物转变为固体，从而达到净化水质的目的。
该方法广泛应用于各种工业和生活污水处理系统中。
2. 混凝的基本原理混凝的基本原理是利用化学凝结剂与水中的悬浮物和溶解物产生反应，形成较大的固体颗粒。
这些固体颗粒能够沉降到底部或被过滤器拦截，从而实现水中杂质的去除。
混凝过程中，化学凝结剂与水中的污染物发生四个关键步骤的反应：•聚合：凝结剂与水中的微粒接触并吸附在其表面。
•中和：凝结剂中的化学物质和水中的离子产生反应，中和电荷。
•凝胶形成：吸附在微粒表面的凝结剂形成胶状或溶胶，使微粒聚集。
•凝胶聚集：凝胶不断聚集使其变得足够大而能够沉降或过滤。
3. 混凝的化学凝结剂混凝过程中使用的化学凝结剂可以分为无机凝结剂和有机凝结剂两大类。
3.1 无机凝结剂•氯化铁：常用于工业废水和污水处理中，具有良好的凝胶形成能力和脱色能力。
•氯化铝：被广泛应用于城市污水处理系统，能够高效凝固和去除水中的悬浮物和溶解物。
•硫酸铝：适用于处理含有高浓度悬浮物的废水，其凝胶能力强，可以有效去除重金属。
3.2 有机凝结剂•聚合氯化铝：是一种高效的有机凝结剂，对低浊度的水处理效果特别好。
•聚丙烯酰胺：常用于富含胶体物质的废水处理，具有良好的凝胶性能和沉淀效果。
•聚合氯化铁：具有较好的脱色能力和凝固效果，广泛应用于工业废水处理中。
4. 混凝的应用领域混凝作为一种常见的水处理技术应用广泛，主要包括以下几个领域：4.1 生活污水处理生活污水中含有大量的有机物和悬浮物，通过混凝可以有效地去除这些杂质并提高水质。
混凝后的水可以进一步经过沉淀、过滤等处理步骤，使其符合排放标准。
4.2 工业废水处理工业废水中通常含有大量的重金属、有机物和悬浮物，经过混凝处理可以将这些污染物凝固成固体物质，便于后续处理或排放。
4.3 水源处理在一些地区，水源中存在着浑浊物质和悬浮物，混凝技术可以有效去除这些杂质，提高水源的可用性。
第四节混凝动力学
第四节、混凝动力学影响混凝效果的因素中，水力条件是个重要因素，要达到最佳的混凝效果，应该创造良好的水力条件，即设计合理的混合池和絮凝池，而混凝动力学正是其设计的基础。
一、基本概念1、异向絮凝（perikinetic flocculation ）异向絮凝指脱稳胶体由于布朗运动相碰撞而凝聚的现象。
异向絮凝主要对微小颗粒d ＜1m μ起作用。
2、同向絮凝（orthokinetic flocculation ）同向絮凝指借助于水力或机械搅拌使胶体颗粒相碰撞而凝聚的现象。
同向絮凝主要对大颗粒d ＞1m μ起作用。
说明：（1）在混合和絮凝初期，主要表现为异向絮凝，形成微絮凝体；（2）在絮凝初期以后，则主要表现为同向絮凝，形成粗大絮凝体；（3）两者在时间上没有严格区分，在任何阶段都可能同时存在，只是程度不同。
3、碰撞速率碰撞速率指单位时间、单位体积内颗粒的碰撞次数。
4、絮凝速率絮凝速率指单位时间、单位体积内颗粒总数量浓度的减少速率。
[絮凝速率]＝－1/2[碰撞速率]因为：（1）在计算颗粒i 和颗粒j 碰撞次数时，是将两个颗粒相互碰撞数计算了两次，即i 向j 碰撞一次，j 又向i 碰撞一次。
而实际上两个颗粒一次相碰就相互凝聚成一个大的颗粒，故絮凝速率为总计算碰撞数的1/2。
（2）负号表示颗粒总数量随絮凝时间而减少，这是小颗粒相互结成大颗粒的结果。
二、异向絮凝布朗运动为一种无规则的热运动，将导致水中颗粒相互碰撞。
假设：①水中胶体颗粒已完全脱稳；②颗粒每次碰撞都是有效碰撞，都会导致颗粒相互聚集，使小颗粒变成大颗粒；③颗粒为均匀球体。
根据费克扩散定律，可导出颗粒碰撞速率为：28n dD N B P π= （2－7） 式中，N P —— 单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率（1/cm 3·s ）； D B —— 布朗运动扩散系数（cm 2/s ）；d —— 颗粒直径（cm ）；n —— 颗粒数量浓度（个/cm 3）。
混凝动力学PPT
3.4 混凝动力学研究水中胶体在絮凝过程中的颗粒之间相互碰撞，浓度随时间减少的过程。
颗粒之间相互碰撞的动力颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。
由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。
由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称为同向絮凝3.4.1 异向絮凝动力学由布朗运动造成的颗粒碰撞聚集。
由于布朗运动方向的不规律性，对某一个胶体来说，它可能受到来自各个方向的颗粒的碰撞，故称为“异向”。
其碰撞速率与水温成正比，与颗粒数量的平方成正比，而与颗粒尺寸无关。
但当颗粒的粒径大于1 µm时布朗运动消失。
3.4.2 同向絮凝动力学由外加能量或消耗自身势能产生流体运动而造成的颗粒碰撞聚集的过程当在同一方向上运动的两个颗粒间存在速度差，两个颗粒在垂直运动方向上的球心距离小于它们的半径之和时，速度快的将赶上速度慢的颗粒，从而相碰接触产生絮凝现象3.4.4 混凝控制指标自混凝剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。
由混合和絮凝过程构成。
GT 值：速度梯度与水流在混凝设备中的停留时间T 的乘积。
反映在T 时间内颗粒碰撞的总次数。
GTC V 值: 考虑到浓度的影响后的混凝控制指标G 值：速度梯度混合设备和絮凝设备的水力条件1)混合阶段：对水流进行剧烈搅拌，使药剂快速均匀分散于水中以利于混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳。
平均G＝700~1000s-1，时间通常在10～30s，一般<2min。
此阶段，絮体颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。
2)絮凝阶段：主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。
同向絮凝效果不仅与G 有关，还与时间有关。
通常以G值和GT值作为控制指标。
平均G＝20－70s-1，GT＝104-105随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。
3.4.5 影响混凝效果的主要因素水温：水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。
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• 一、水温
• 水温低时 • 1. 混凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，
强度小，不易沉淀。
• 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间
碰撞机会减少，影响了混凝效果。
• 克服水温低效果差的措施：
• 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重 量和强度，提高沉速。
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• 扩散系数DB可用斯笃克斯—曼因斯坦公式表示： •
KT ………………………………. DB 8d
• K——波兹曼常数,(1.3810-16g.cm2/s2.k) • T——水的绝对温度,(K) • ——水的运动黏度, (cm2/s) • ——水的密度,(g/cm3) • 将式代入式
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• 三、混凝控制指标
• 在混合阶段，水中杂质颗粒微小，异向凝聚占主导地位，混合速度 快速剧烈，通常在1030 S，最多不超过2分钟既告完成。搅拌强度按速 度梯度计，一般G=7001000 S-1之内。在此阶段形成的颗粒较小。 在絮拧阶段，属同向絮凝，不仅与G值有关，还与絮凝时间T有关。 通常以G值和GT作为控制指标。G=2070 S-1 范围内，GT=1×104 1×105 范围内。
•第四章 混凝动力学
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• 4.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： • 一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗 粒碰撞聚集称“异向絮凝”。 • 另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流 体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
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• ：
• 所谓的速度梯度，就是指两相邻水层的水流速度差和它们之 间的距离之比，以G表示。
•
u G Z
单位体积水流所耗功率P为
P G
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• 根据牛顿内摩擦定律：=G代入式 • …………………………….. p
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4.2影响混凝的因素
• 影响混凝效果的因素较多也很复杂，但总体 上可以分为两类，一类是客观因素，主要是指所 处理对象即原水所具有的一些特性因素如水温、 水的pH值、水中各种化学成分的含量及性质等， 另一类是主观因素，即可以通过人为改变的一些 混凝条件如混凝剂的种类及投加方式、水利条件 等。
•
•
• •
有人将颗粒浓度及脱稳程度等因素考虑进去，提出以 CVGT 或 aCVGT 值作为控制指标。
CV——水中颗粒体积浓度。 a——颗粒有效碰撞系数。 如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1 ,而实际 a1 。 从理论上而言，采用 CVGT 或 aCVGT 值控制絮凝体效果自然更合理，但 具体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继 续研究的目标。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
•
• • • •
Np=8dDBn2…………………..
Np_——单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s） n——颗粒数量浓度；（个/ cm3 ） d——颗粒直径；（cm) DB_——布朗运动扩散系数;(cm2/s)
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• 二、水的pH值和碱度
• 水的PH对混凝效果影响很大，对一般的浑 浊水，投硫酸铝的最佳PH范围为6.57.5。 • 我们知道，AL2(SO4)3在水解过程中要产 生H+，它与水中HCO3-(碱度)作用生成CO2 。 • H+ + HCO3- = CO2 + H2O 这使水中碳酸平衡 发生变化,PH相应地降低.三价铁盐水解反应同样 受PH值的控制，(FeCL36H2O) • Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ • Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ • Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3 + H+
•
8 NP KTn 2 3
…………………………….
• 故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大 于1m，布朗运动消失。
• 二、同向絮凝
• 同向絮凝简称须凝,它在整个混凝过程中占有十分重要的地位.
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•
如图所示,当水流处于层流状态下的 流速分布, i和j颗粒均跟随水流前进.由 于 I颗粒当前进速度大于j颗粒，则在某 一 时刻，i与j必将碰撞。设水中颗粒为 均 匀球体，di=dj=d ,则再以j颗粒中心 为 圆心，Rij为半径的范围内的所有i和 j 颗粒均会发生碰撞。 • 碰撞速率N0为： • 4 N 0 n 2 d 3G • ………………………….. 3 • . U G • ……………………………. Z • G——速度梯度(S-1) • u和u——分别为流速和相邻两流层的流速增量(cm/s) • z——垂直与水流方向的两流层之间距离(cm) • n和d为原水杂质特性，而G是控制混凝效果的水力条件。故在混凝设备中， 往往以速度梯度G值作为重要的控制参数之一。 • • • • • • •
——水的动力黏度 （pas) p——单位体积流体所耗功率 （w/m3) G——速度梯度 （S-1） 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池 时，P应为水流本身能量消耗； PV=gQh………………………… V=QT…………………………… (11) 将和(11)代入得： gh G T ……………..（12） g——重力加速度（9.8m/s2) h——混凝设备中的水头损失（m) ——水的运动黏度（m2/s） T——水流在混凝设备中的停留时间（s)