夏婷婷

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130111)

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新型微旋流混凝反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

夏婷婷

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130111)

混凝沉淀技術(shù)是控制水質(zhì)的重要方法，它能有效地去除水中的粗分散體系和膠體雜質(zhì)。本文根據(jù)微旋流混凝的動(dòng)力學(xué)原理，設(shè)計(jì)一套新型微旋流混凝反應(yīng)裝置，利用該裝置對(duì)污水廠二級(jí)出水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：混凝劑投加量40mg/L是高嶺土去除率的變化點(diǎn)；絮凝時(shí)間大于10min時(shí)，高嶺土去除率隨混凝劑投加量的增加先增大后減小，絮凝時(shí)間小于等于10min時(shí)，去除率隨混凝劑投加量的增加而增大。

微旋流；混凝；設(shè)計(jì)；去除率

1 微旋流混凝反應(yīng)器設(shè)計(jì)原理

1.1 高密度微分場(chǎng)理論的提出

楊少華、黃繼國(guó)、劉壯等人在《絮凝過(guò)程中的高密度微分場(chǎng)理論及其應(yīng)用研究》一文中首次提出強(qiáng)化絮凝過(guò)程的高密度微分場(chǎng)理論[1]。該理論是在混凝動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其主要理論依據(jù)是水力學(xué)及混凝動(dòng)力學(xué)。由于水流在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)形成一定尺度的渦旋，而這些渦旋只有在與水中顆粒尺寸相近的情況下才能引起顆粒的碰撞。高密度微分場(chǎng)就是通過(guò)控制水力條件使水流中的渦旋與顆粒尺寸相近，同時(shí)，增加渦旋數(shù)量，從而促進(jìn)顆粒碰撞，提高混凝效率。

1.2 微旋流絮凝的基本原理

根據(jù)高密度微分場(chǎng)理論提出的微旋流絮凝技術(shù)，速度梯度和慣性力以場(chǎng)的形式分布于流體空間，梯度場(chǎng)與慣性力場(chǎng)同時(shí)存在于漩渦中，梯度場(chǎng)也存在于繞流擋板表面附近的空間內(nèi)[1]。若在絮凝池的空間內(nèi)形成大量的小尺度速度梯度和慣性力場(chǎng)，通過(guò)對(duì)場(chǎng)的微分化與高密度化，可提高整個(gè)流體空間場(chǎng)的平均強(qiáng)度以及場(chǎng)強(qiáng)度的均勻度，從而改善絮凝過(guò)程的效率和效果[2-6]。因此，在設(shè)計(jì)中于反應(yīng)器內(nèi)安裝了與水流方向垂直的繞流擋板以形成速度梯度和增加漩渦，在流經(jīng)繞流擋板時(shí)遇到阻礙產(chǎn)生微小的旋流，通過(guò)速度梯度和慣性力作用使水中微粒最大限度地發(fā)生有效碰撞，從而達(dá)到理想的絮凝效果[7]。

2 混凝反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃板制成，尺寸為長(zhǎng)×寬×高=460mm×505mm×360mm(包括外壁及底厚)，反應(yīng)器四周及內(nèi)部隔板厚5mm，底厚10mm。反應(yīng)器分配水區(qū)、廊道反應(yīng)區(qū)、出水區(qū)三個(gè)部分。廊道反應(yīng)區(qū)為4個(gè)廊道，4個(gè)廊道為對(duì)比實(shí)驗(yàn)(過(guò)水?dāng)嗝鎸挾炔煌?，反應(yīng)器尺寸詳見(jiàn)表1。反應(yīng)器進(jìn)水口為直徑30mm的圓孔，設(shè)置孔心高度為距反應(yīng)器內(nèi)底200mm。配水區(qū)與廊道間有直徑為10mm的圓孔進(jìn)行均勻配水。出水口設(shè)置高度為距反應(yīng)器內(nèi)底300mm，出水口為直徑10mm的圓孔，每個(gè)廊道設(shè)置一個(gè)。在反應(yīng)器各側(cè)面的底部設(shè)置放空孔口，直徑為10mm。設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1(a為反應(yīng)器平面圖，b、c、d分別為反應(yīng)器1-1、2-2、3-3剖面圖)。

表1 反應(yīng)器尺寸 mm

圖1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)圖

3 實(shí)驗(yàn)方案

本文利用自主設(shè)計(jì)的微旋流混凝反應(yīng)器研究混凝劑投加量、絮凝時(shí)間對(duì)高嶺土去除效果的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量控制混凝反應(yīng)時(shí)間，在絮凝時(shí)間分別為30min、15min、10min、8min條件下進(jìn)行混凝劑投加量為30mg/L、35mg/L、40mg/L、43mg/L、48mg/L、55mg/L的正交實(shí)驗(yàn)。沉淀時(shí)間為20min，為防止已沉淀的絮體發(fā)生擾動(dòng)，用10ml的去針頭注射器采取沉淀容器中的上清液進(jìn)行測(cè)定分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

新型混凝設(shè)備對(duì)高嶺土去除率(即SS去除率)隨PAC濃度的變化見(jiàn)圖2。有如下分析：

圖2 高嶺土去除率隨PAC濃度變化圖

(a)絮凝時(shí)間為30min時(shí)，反應(yīng)器4個(gè)廊道出水的高嶺土去除率都是隨PAC濃度的增加先增大后減小并逐漸趨于平緩，去除率從高到低依次為3#、2#、1#、4#。當(dāng)PAC濃度為30mg/L時(shí)，2#廊道和3#廊道的去除率可以達(dá)到70%，遠(yuǎn)高于1#廊道和4#廊道的去除率；當(dāng)PAC濃度為40mg/L時(shí)，1#和4#廊道去除率達(dá)到最大，分別為90.8%和73.9%，2#和3#廊道的去除率分別為90.8%和91.4%；當(dāng)PAC濃度為43mg/L時(shí)，2#和3#廊道去除率達(dá)到最大，分別為91.5%和92.2%。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：當(dāng)PAC濃度小于40mg/L時(shí)，隨著投藥量的增加，PAC使高嶺土膠體脫穩(wěn)，發(fā)生絮凝反應(yīng)，形成絮體，形成的大顆粒絮體又對(duì)新進(jìn)入反應(yīng)器的細(xì)小絮體顆粒進(jìn)行捕捉沉降，使高嶺土去除率不斷增加。隨著投藥量的進(jìn)一步增加，PAC不但沒(méi)有提高混凝效果，反而去除率降低的原因是隨著混凝劑投加量的增多，膠體表面均被高分子覆蓋，兩膠粒接近時(shí)，受到高分子的阻礙而不能聚集，導(dǎo)致膠體重新穩(wěn)定。

(b)絮凝時(shí)間為15min時(shí)，4個(gè)廊道的高嶺土去除率都是隨PAC濃度的增加先增加后減小，而去除效率達(dá)最大值時(shí)的混凝劑投加量相比絮凝時(shí)間為30min時(shí)卻增大了。當(dāng)PAC濃度為40mg/L時(shí)，1#和2#廊道除率達(dá)最大，分別為74%和82%；當(dāng)PAC濃度為48mg/L時(shí)，3#和4#去除率達(dá)到最大，分別為90%和78.9%。從總體上看，3#廊道去除率一直保持最高；2#去除率變化幅度最大，可以得出結(jié)論為2#廊道所形成的絮體受PAC濃度影響最大，4#次之；除4#廊道外，其余3個(gè)廊道的最大去除率相比絮凝時(shí)間為30min時(shí)均降低；3#去除率雖然隨PAC濃度增加提高較小，但3#去除率在PAC濃度為30mg/L時(shí)就遠(yuǎn)高于其他三個(gè)廊道，并呈逐漸升高趨勢(shì)。出現(xiàn)上述變化趨勢(shì)的原因同(a)。

(c)絮凝時(shí)間為10min時(shí)，4個(gè)廊道的去除率都是隨PAC濃度的增加而增加。4個(gè)廊道的初始去除率相近，在PAC濃度小于40mg/L時(shí)，3#去除率增加較其他三個(gè)廊道快；而當(dāng)PAC濃度大于40mg/L后，4#廊道去除率增加速率較快，其余3個(gè)廊道去除率增加速率相近；3#廊道混凝最好，2#廊道次之。當(dāng)混凝劑投加量為55mg/L時(shí)，反應(yīng)器4個(gè)廊道去除率均達(dá)到最大值，1#、2#、3#、4#廊道最大去除率依次為82.8%、87.8%、86%、82.8%。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：絮凝時(shí)間變短，PAC還未來(lái)得及與膠體粒子完全反應(yīng)就被排出反應(yīng)器，隨著混凝劑投加量的增大，單位時(shí)間內(nèi)膠體粒子發(fā)生碰撞并形成的絮體的幾率變大，因此，去除率提高。

(d)絮凝時(shí)間為8min時(shí)，4個(gè)廊道的去除率都是隨PAC濃度的增加而增加，4個(gè)廊道的去除率變化趨勢(shì)一致。當(dāng)PAC濃度大于43mg/L時(shí)，去除率增加緩慢并趨于平穩(wěn)。當(dāng)混凝劑投加量為55mg/L時(shí)，4個(gè)廊道去除率均達(dá)到最大值，1#、2#、3#、4#廊道最大去除率依次為80%、84%、87%、76%。出現(xiàn)上述變化趨勢(shì)的原因同(c)。

5 結(jié)論

在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行階段研究反應(yīng)器運(yùn)行與混凝劑投加量和絮凝時(shí)間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)混凝劑投加量40mg/L是高嶺土去除率的變化點(diǎn)。

(2)絮凝時(shí)間大于10min時(shí)，高嶺土去除率隨混凝劑投加量的增加而先增大后減小；絮凝時(shí)間小于等于10min時(shí)，高嶺土去除率隨混凝劑投加量的增加而增大。

(3)混凝劑投加量為40mg/L、絮凝時(shí)間為8min、沉淀時(shí)間為20min的模擬試驗(yàn)條件下，該混凝反應(yīng)器出水高嶺土去除率可達(dá)到80%以上，完全滿足回用水標(biāo)準(zhǔn)。

[1]楊少華,黃繼國(guó),劉壯,等.絮凝過(guò)程中的高密度微分場(chǎng)理論及其應(yīng)用研究[J].中國(guó)給水排水,2006(19):78-81.

[2]楊開(kāi)明.折板絮凝池流場(chǎng)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].成都：西南交通大學(xué),2009.

[3]戈軍,荊肇乾,呂錫武,等.微分旋流絮凝技術(shù)在小城鎮(zhèn)水廠擴(kuò)建改造中的應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水,2006(22):29-31.

[4]許保玖,龍騰銳.當(dāng)代給水與廢水處理原理[M].北京:高等教育出版社,2000.

[5]徐立群,王芳,何鐘怡.反應(yīng)池中顆粒慣性作用的影響分析[J].中國(guó)給水排水,2002(3):44-47.

[6]王紹文.慣性效應(yīng)在絮凝中的動(dòng)力學(xué)作用[J].中國(guó)給水排水,1998(2):13-16.

[7]劉壯.微分旋流絮凝池[P].中國(guó)專(zhuān)利,00204276.2,2000-12-06.

Design and Application of the New Micro Hydrocyclone Coagulation Process Equipment

XIA Ting-ting

(The City College of Jilin Jianzhu University,Changchun Jilin 130111,China)

Coagulation and sedimentation technology is an important method to control water quality,it can effectively remove the larger particles and the colloidal impurities in water. According to the micro swirl coagulation principle,the author designs a new micro vortex coagulation device,and uses the equipment to do simulated experiment. The results show that coagulant concentration of 40mg/L is the change point of removal rate;when the flocculation time is more than 10min,kaolin removal rate increases first and then decreases with the increased amount of coagulant;when it is less than or equal to 10min,the removal rate increases with the increased amount of coagulant.

micro hydrocyclone；coagulation；design；efficiency

2016-06-30

夏婷婷(1988- )，女，助教，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境污染防治等研究。

X524

A

2095-7602(2016)10-0026-04