王曉雷，仝勝錄，劉承博

（1.北京低碳清潔能源研究院，北京102211；2.國家能源投資集團有限責(zé)任公司，北京100011；3.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京100011；4.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

混凝-沉淀組合處理法是目前常用的煤泥水處理方式，但該處理方式對于粒徑小于50μm的懸浮物去除能力較差，并且處理設(shè)備環(huán)保效益較低〔1-3〕。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。張廣遠(yuǎn)〔4〕利用預(yù)處理+HERO（高效反滲透）工藝處理某煤化工廠廢水，通過嚴(yán)格控制系統(tǒng)各個單元的pH和加藥量，使HERO系統(tǒng)穩(wěn)定運行，出水水質(zhì)穩(wěn)定，其出水可滿足工業(yè)循環(huán)冷卻水補水水質(zhì)的要求。朱丫盼〔5〕對某煤礦井下礦井水進行了超磁分離井下處理工藝的改造實踐研究，水中懸浮物的去除率平均可達97.5%。C.Desjardins等〔6〕在污水處理的絮凝過程中加入少量微砂，探究微砂對絮凝效果的影響，得出微砂的加入可以提高絮凝效果，增大沉降速度，改善出水水質(zhì)。但上述方法仍然存在投資成本高、運行成本高、工藝復(fù)雜等問題〔7-8〕。針對上述問題，劉培坤等〔9-10〕提出了一種錐盤旋流澄清器，并加入磁種子輔助絮凝，增加了沉降面積，減小了設(shè)備占地面積，但處理密度小、粒度細(xì)的煤泥水時仍存在沉降速度慢、溢流濁度高的問題。

為進一步優(yōu)化錐盤旋流澄清器的分離性能，筆者提出溢流擋板型錐盤旋流澄清器，該澄清器以錐盤旋流器為基礎(chǔ)，在溢流管底部設(shè)置擋板以防止小絮體在內(nèi)旋流的作用下進入溢流管，同時加入微砂強化絮凝。設(shè)計單因素試驗研究方案，旨在探究錐盤個數(shù)、錐盤插入深度對旋流器澄清性能的影響。

1 工作原理

1.1 絮體運動分析

圖1為錐盤旋流澄清器原理圖。

圖1 錐盤旋流澄清器

如圖1（a）所示，擋板型錐盤旋流澄清器主要由進料口、溢流管、筒體、底流口、錐盤以及溢流管底部擋板構(gòu)成。物料進入管道混合器，在管道混合器內(nèi)與通過蠕動泵打入的絮凝劑混合后形成絮體，混合的物料沿澄清器的切向進料口以一定速度進入澄清器內(nèi)。由圖1（b）可知，形成的大絮體在外旋流的作用下沿澄清器壁進入沉降區(qū)域，最終從底流口排出；形成的小絮體會在內(nèi)旋流的作用下上升，但擋板的存在使其無法進入溢流管，轉(zhuǎn)而伴隨流體進入錐盤，并在錐盤間不斷碰撞成新的大絮體，之后進入沉降區(qū)從底流口排出。

1.2 微砂絮體沉降分析

微砂絮體沉降速度如式（1）所示。

式中：ν——微砂絮體沉降速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

δ——絮體顆粒密度，kg/m3；

μ——絮體顆粒黏度，mPa·s；

ρ——液體密度，kg/m3；

d——絮體顆粒直徑，m。

由式（1）可知，絮體沉降速度ν與絮體顆粒密度δ和絮體顆粒直徑d正相關(guān)，即隨著絮體顆粒密度和體積的增大，沉降速度變快，故加入微砂可強化絮凝效果，有效提升沉降效率。

根據(jù)DLVO理論〔10〕，微砂絮體顆粒之間總能量Vt=Va+Ve+Vb+Vs1+Vs2，其中Va、Ve、Vb、Vs1、Vs2分別代表范德華作用、雙電層作用、架橋作用、膠體吸附作用、微砂吸附作用。

圖2所示為微砂絮體形成原理，可知與常規(guī)絮體受力對比，加入微砂后，形成的絮體更加密實，在運動過程中，該種絮體不容易被剪切破碎；而常規(guī)絮體由于密度較小，致密性差，在運動過程中容易被剪壞，絮體形成與剪切過程如圖2（b）所示。

圖2 微砂絮體形成原理

2 試驗物料及試驗裝置

為探究擋板型錐盤旋流澄清器的分離性能，設(shè)計了如圖3所示的試驗系統(tǒng)，并搭建實驗臺，試驗所用澄清器柱段直徑200 mm、柱段高度600 mm、溢流口直徑40 mm、底流口直徑30 mm、進料口直徑20 mm、錐段錐角60°。以煤泥水為試驗物料，SS 800~900 mg/L、濁度120~130 NTU、Zeta電位10~15 mV、pH 8~9，其粒度分布見表1。

圖3 試驗系統(tǒng)

表1 煤泥水粒度分布

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 擋板對絮凝效果的影響

溢流管底部擋板的加入改變了澄清器內(nèi)部的流場，進而影響了澄清器的分離性能，因此設(shè)計了有擋板和無擋板結(jié)構(gòu)的對比試驗，旨在探究擋板結(jié)構(gòu)對澄清器分離性能的影響。

表2所示為在錐盤個數(shù)為9，錐盤插入深度為200 mm，處理量為0.6 m3/h的情況下，有擋板型澄清器與無擋板型澄清器溢流出水水質(zhì)對比。相較于無擋板型澄清器，有擋板型澄清器SS去除率相對提高10.57%，濁度去除率相對提高15.99%，進入溢流管的絮體顆粒數(shù)相對降低12.33%。結(jié)果表明，底部擋板的加入阻止了小絮體顆粒進入溢流管，進而使其進入錐盤進行二次沉降，提高了分離性能，繼而提升出水水質(zhì)。

表2 相同處理量下?lián)醢鍖Τ鏊笜?biāo)的影響

3.2 微砂對絮凝效果的影響

表3所示為相同處理量下，常規(guī)絮凝、磁種絮凝和微砂絮凝溢流出水水質(zhì)對比。

表3 相同處理量下不同絮凝方式出水指標(biāo)對比

由表3可知，加入適當(dāng)配比濃度的磁種后，相比于常規(guī)絮凝，SS去除率和濁度去除率分別提升51.12%和73.5%，溢流絮體顆粒數(shù)降低39.7%。這是因為磁種能夠吸附水中的不溶性污染物以及小粒徑懸浮顆粒并與之結(jié)合形成絮體；同時磁種本身具有較大的密度，能夠加速絮體的沉降。加入適當(dāng)配比濃度的微砂后，相比于常規(guī)絮凝，SS去除率和濁度去除率分別提升40.9%和61.4%，溢流絮體顆粒數(shù)降低31.5%。這是由于微砂也同樣具有粒徑小、密度大的特點，并且能夠增加形成的絮體的抗剪強度，減少分離過程中絮體的破碎。從試驗數(shù)據(jù)來看，加入磁種子后，相較于加入微砂，SS去除率和濁度去除率分別提升10.22%和12.1%，溢流顆粒數(shù)降低8.2%，總體提升效果不大，但考慮到磁種的高成本以及對環(huán)境的污染，本試驗采用成本更低并且更加環(huán)保的微砂來強化絮凝。

3.3 錐盤個數(shù)對分離性能的影響

澄清器中的錐盤能夠增加沉降面積，改善絮凝效果，故改變錐盤個數(shù)會對澄清器分離性能產(chǎn)生較大影響。本次試驗設(shè)定錐盤間距為20 mm，并保證溢流管插入深度以及溢流管底部到底流口的距離不變，探究了錐盤個數(shù)對澄清器分離性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 不同錐盤個數(shù)下澄清器的分離效果

由圖4可知，隨著錐盤個數(shù)從5增加到9，SS去除率從71.3%增大到85.3%，濁度去除率從33.5%增加到43.5%，溢流顆粒數(shù)由5 532個/mL減小到4 835個/mL；但是當(dāng)錐盤個數(shù)繼續(xù)增加到11時，SS和濁度去除率以及溢流顆粒數(shù)都逐漸穩(wěn)定，無明顯變化。

這是因為錐盤個數(shù)的增加使得澄清器內(nèi)的總體沉降面積增大，上浮的小絮體能夠有更多的機會接觸錐盤并在其表面絮凝成大絮體；但錐盤個數(shù)過多會導(dǎo)致溢流管上部錐盤離進料口較近，此處流速較大，絮體所受剪切力也較大，上浮的小絮體無法在此絮凝。綜上，在一定范圍內(nèi)增加錐盤個數(shù)可提高分離性能，而當(dāng)錐盤個數(shù)達到9以后，繼續(xù)增加錐盤個數(shù)無法進一步提升旋流器性能。

3.4 錐盤插入深度對澄清器性能的影響

錐盤插入深度是指溢流管底部錐盤到澄清器筒體頂部之間的距離，錐盤的插入深度不同導(dǎo)致流體在錐盤處的流場發(fā)生變化，進而影響流體在錐盤上的沉降時間。本次試驗在保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)（擋板、錐盤間距、個數(shù)）不變的前提下，僅改變溢流管插入深度以達到調(diào)節(jié)錐盤插入深度的目的，并設(shè)置100、150、200、250 mm四個插入深度來探究其對澄清器分離性能的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，當(dāng)錐盤插入深度從100 mm增加到200 mm時，SS去除率由68.4%增大到81.8%，濁度去除率由33.4%提升到42.6%，溢流顆粒數(shù)由6 435個/mL減小到4 936個/mL；當(dāng)錐盤插入深度從200 mm增加到250 mm時，SS和濁度去除率降低，溢流顆粒數(shù)增大。

圖5 不同錐盤插入深度下澄清器的分離效果

這是由于在一定范圍內(nèi)增加錐盤的插入深度會減小錐盤到底部沉降區(qū)的距離，在內(nèi)旋流作用下上浮的小絮體會更容易落在錐盤上進行二次絮凝沉降。若錐盤插入深度太淺，首先會導(dǎo)致錐盤離進料口太近，此處流速較大，絮體所受剪切力也較大，大絮體在剪切力的作用下會被剪碎成小絮體，影響絮凝效果，同時較大的流速會使得絮體在錐盤上的停留時間太短，小絮體無法充分絮凝；其次，由于底部沉降區(qū)距離錐盤較遠(yuǎn)，上浮的小絮體無法到達錐盤進行二次絮凝，直接從溢流管排出，因此導(dǎo)致出水水質(zhì)較差。但當(dāng)錐盤插入深度過大時，底部錐盤距離錐段太近，對沉降區(qū)流場會產(chǎn)生較大擾動，使得原本已經(jīng)沉降完全的絮體重新進入紊亂狀態(tài)，部分大絮體進入溢流管，降低出水水質(zhì)。

3.5 工業(yè)試驗

依據(jù)小試試驗結(jié)果，設(shè)計并制作1臺處理量為10 m3/h的溢流擋板型錐盤旋流澄清器，在某礦進行中試試驗，處理煤礦洗車廢水。中試試驗主要設(shè)備有旋流澄清器、管道混合器、微砂、潛污泵、控制柜、計量泵、攪拌器和PAC、PAM加藥裝置。利用潛污泵將廢水抽出，在管道混合器中與通過計量泵打入的PAC、微砂和PAM充分混合絮凝后，以一定進料速度切向進入旋流澄清器，最后在澄清器旋流作用、錐盤二次絮凝作用以及溢流管底部擋板阻擋作用下沉降，處理后的底流進行間歇排放（現(xiàn)場每隔4 h排1次），而溢流從溢流管流出后可達排放標(biāo)準(zhǔn)，并可滿足洗車、沖洗地面、沖洗廁所等要求。某煤礦現(xiàn)場洗車廢水SS在500 mg/L左右，經(jīng)處理后溢流可降至75 mg/L以下，而底流為80 000 mg/L，SS去除率可達85%。

4 結(jié)論

（1）溢流擋板的加入防止了部分小絮體進入溢流管，較無擋板澄清器，新型澄清器SS去除率相對提高10.57%，濁度去除率相對提高15.99%，溢流絮體顆粒數(shù)相對降低12.33%。

（2）微砂的加入可增加形成絮體的體積，提升沉降速度，加入微砂后，相比于常規(guī)絮凝SS去除率和濁度去除率分別提升40.9%和61.4%，溢流絮體顆粒數(shù)降低31.5%。

（3）錐盤個數(shù)的增加，增大了沉降面積，強化了絮凝效果，但錐盤個數(shù)繼續(xù)增加到11時，頂部錐盤距離進料口太近，錐盤處流速過大，不利于沉降。

（4）錐盤插入深度增加，在內(nèi)旋流作用下上浮的小絮體更易在錐盤上碰撞形成大絮體，促進沉降，進而提升分離性能；繼續(xù)增加插入深度到250 mm時，錐盤進入沉降區(qū)，對沉降區(qū)的絮體產(chǎn)生較大擾動，降低分離性能。

（5）經(jīng)中試試驗，某煤礦現(xiàn)場洗車廢水SS在500 mg/L左右，經(jīng)處理后溢流可降至75 mg/L以下，而底流為80 000 mg/L，SS去除率可達85%。