馬躍華，盛 飛，陳 峰，文 興

（國能朗新明環(huán)保科技有限公司，北京100039）

固液分離流化床設(shè)備處理低溫低濁水時(shí)，絮凝反應(yīng)區(qū)內(nèi)顆粒物生長緩慢，結(jié)團(tuán)絮凝體穩(wěn)定性差，出現(xiàn)低濁水懸浮物供應(yīng)不足、絮凝反應(yīng)區(qū)結(jié)團(tuán)絮凝體失穩(wěn)易被破壞的問題?，F(xiàn)有技術(shù)的流化床設(shè)備需要投加微砂或粉末灰作為晶種。

投加的微砂或粉末碳為絮凝區(qū)內(nèi)的結(jié)團(tuán)體提供高密度的凝聚核，從而提高絮凝區(qū)結(jié)團(tuán)體的密度。在高分子助凝劑吸附架橋和高密度結(jié)團(tuán)體致密作用下，水中脫穩(wěn)膠體在微砂晶核上附著，進(jìn)而達(dá)到截留水體中懸浮物的效果。該技術(shù)以結(jié)團(tuán)絮凝技術(shù)為核心，通過投加微砂作為載體，提高結(jié)團(tuán)體密度，強(qiáng)化結(jié)團(tuán)絮凝對低濁水的凈化效果。于泮池等[1]認(rèn)為結(jié)團(tuán)絮凝是在克服傳統(tǒng)絮凝過程的隨機(jī)絮凝，該技術(shù)可有效提高絮體密度，提高水處理效率。

由于微砂或粉末灰最終會(huì)通過排泥管排出，從而微砂或粉末灰存在消耗問題，因此需要定時(shí)補(bǔ)充。微砂或粉末灰最后進(jìn)入污泥系統(tǒng)，經(jīng)過污泥處理系統(tǒng)（如板框壓濾機(jī)），最后存在于泥餅中。在這個(gè)過程中，一是微砂或粉末灰的存在加劇了板框壓濾機(jī)濾布的磨損，二是泥餅在后續(xù)處理時(shí)，若進(jìn)行外運(yùn)填埋則存在對生態(tài)環(huán)境的破壞；若進(jìn)行干化處理，則微砂或粉末灰的存在使得干化成本增加。

因此，本文提出了自結(jié)晶固液分離循環(huán)造粒流化床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 結(jié)構(gòu)研究

1.1 原理介紹

沉淀物的形成需要經(jīng)歷晶核成核和晶核生長兩個(gè)過程[2-3]。晶核是過飽和溶液中初始生成的微小晶粒。在晶體生長過程中，晶核是核心。晶核成核包括初級成核和二次成核。初級成核是溶液達(dá)到過飽和后在無晶體存在的條件下自發(fā)成核，二次成核是在已有晶體存在的條件下形成晶核[4]。初級成核分為初級均相成核和初級異相成核。構(gòu)晶離子在過飽和溶液中聚集、自發(fā)析出形成晶核稱均相成核；當(dāng)溶液中存在外來固體物質(zhì)時(shí)，誘導(dǎo)構(gòu)晶離子在固體表面沉積形成晶核稱為異相成核[5]。在沉淀過程中引入適宜的晶種，降低反應(yīng)的過飽和度，抑制初級均相成核，并提供較大的接觸面積，有利于異相成核的發(fā)生，促進(jìn)細(xì)顆粒沉淀的結(jié)晶長大，這種在沉淀過程中添加晶種誘導(dǎo)細(xì)顆粒沉淀長大的方法稱為誘導(dǎo)結(jié)晶法。

本文提出的自結(jié)晶固液分離循環(huán)造粒流化床，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無需投加微砂或粉末灰，利用污泥回吸回流進(jìn)入循環(huán)結(jié)晶區(qū)，污泥區(qū)的細(xì)小顆粒進(jìn)入循環(huán)結(jié)晶區(qū)后，在絮凝區(qū)內(nèi)攪拌器的攪拌混合及內(nèi)循環(huán)流的雙重作用下，為污泥顆粒的生成提供結(jié)晶晶核，利用誘導(dǎo)結(jié)晶的原理，形成結(jié)晶顆粒，實(shí)現(xiàn)了流化床內(nèi)部的自結(jié)晶，回流進(jìn)入絮凝區(qū)的污泥加速進(jìn)水的絮凝反應(yīng)過程。在自下而上水流的作用下，絮凝區(qū)的絮體利用結(jié)團(tuán)絮凝原理，形成懸浮污泥層。懸浮污泥層中的絮體顆粒在形成與成長過程中，粒徑和密度也在發(fā)生著不斷的變化。較小的微絮體不斷進(jìn)入懸浮污泥層，隨水流上升的過程中被致密的懸浮污泥層所攔截，使已成結(jié)團(tuán)體與微絮體發(fā)生碰撞吸附，結(jié)團(tuán)體粒徑不斷增大，當(dāng)其生長成熟，開始下沉。這樣懸浮污泥層在特定的條件下會(huì)周而復(fù)始地進(jìn)行更替，并保持一定的動(dòng)態(tài)平衡。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

自結(jié)晶固液分離循環(huán)造粒流化床，主要包括由下至上依次設(shè)置的支腿、第一動(dòng)力設(shè)施、污泥區(qū)、循環(huán)結(jié)晶區(qū)、固液分離區(qū)、封頭、第二動(dòng)力設(shè)施等部件。如圖1所示。

圖1 自結(jié)晶固液分離循環(huán)造粒流化床三維剖面前視圖

1.3 結(jié)構(gòu)描述

自結(jié)晶固液分離循環(huán)造粒流化床的污泥區(qū)、循環(huán)結(jié)晶區(qū)、固液分離區(qū)和封頭構(gòu)成密閉結(jié)構(gòu)。第一動(dòng)力設(shè)施與污泥區(qū)相連，第二動(dòng)力設(shè)施與固液分離區(qū)相連。

循環(huán)結(jié)晶區(qū)包括外筒體、中筒體和內(nèi)筒體，與污泥區(qū)的負(fù)壓部件一起形成內(nèi)循環(huán)通道和外循環(huán)通道，第一動(dòng)力設(shè)施連接有可順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的第一攪拌部件，固液分離區(qū)包含若干分離管。

污泥區(qū)包括進(jìn)水管、負(fù)壓部件和排泥管等。負(fù)壓部件連接在進(jìn)水管里側(cè)末端，污泥區(qū)底部為錐形，排泥管位于污泥區(qū)一側(cè)。

循環(huán)結(jié)晶區(qū)與污泥區(qū)、固液分離區(qū)連通。循環(huán)結(jié)晶區(qū)包括由外到內(nèi)依次設(shè)置的外筒體、中筒體、內(nèi)筒體，以及外循環(huán)導(dǎo)流圈、導(dǎo)流部件、內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流圈、負(fù)壓部件。外循環(huán)導(dǎo)流圈設(shè)置在中筒體上方，導(dǎo)流部件設(shè)置在中筒體底部且與中筒體密封連接，內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流圈設(shè)置在內(nèi)筒體上方，負(fù)壓部件的出口設(shè)置在中筒體的底部中央。

在內(nèi)筒體、內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流圈、中筒體的內(nèi)壁和導(dǎo)流部件之間形成內(nèi)循環(huán)通道；在外循環(huán)導(dǎo)流圈、中筒體外壁、外筒體的內(nèi)壁和負(fù)壓部件之間形成外循環(huán)通道。在內(nèi)筒體內(nèi)部形成絮凝區(qū)。中筒體支撐在負(fù)壓部件上，外循環(huán)導(dǎo)流圈為上小下大的頂部敞口結(jié)構(gòu)且底部與筒體頂部密封連接，導(dǎo)流部件是縱向剖面為圓滑的W形軸對稱結(jié)構(gòu)，負(fù)壓部件穿過導(dǎo)流部件。內(nèi)筒體通過支撐筋懸空連接在中筒體內(nèi)部且無筒底，內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流圈有空隙覆蓋在內(nèi)筒體上部并向下延伸。

第一動(dòng)力設(shè)施包括設(shè)置污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、第一攪拌部件等。污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在污泥區(qū)底部外側(cè)，第一攪拌部件與污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸相連，第一攪拌部件可順時(shí)針和逆時(shí)針雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。

第二動(dòng)力設(shè)施包括設(shè)置絮凝驅(qū)動(dòng)電機(jī)、第二攪拌部件等。絮凝驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在封頭上部外側(cè)，第二攪拌部件與絮凝驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸相連。

第一攪拌部件包括第一攪拌軸、第一槳葉、刮泥板等。第一攪拌軸與污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸連接，若干個(gè)第一槳葉均勻交錯(cuò)對稱分布在第一攪拌軸上部，刮泥板設(shè)置在第一攪拌軸下部。第一攪拌軸位于污泥區(qū)內(nèi)，刮泥板位于污泥區(qū)內(nèi)部筒底，第一槳葉的長度從下到上逐漸增加，負(fù)壓部件固定設(shè)置在第一攪拌軸上部末端。第二攪拌部件包括第二攪拌軸、第二槳葉等。第二攪拌軸與絮凝驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸連接，若干個(gè)第二槳葉均勻分布在第二攪拌軸上，第二攪拌軸穿過固液分離區(qū)插入循環(huán)結(jié)晶區(qū)內(nèi)。第一槳葉與第一攪拌軸之間通過逆時(shí)針超越離合器連接，刮泥板與第一攪拌軸之間通過順時(shí)針超越離合器連接。

負(fù)壓部件包括外罩、本體和漸擴(kuò)部件；外罩密封連接在漸擴(kuò)部件下部且設(shè)置有供進(jìn)水管穿過的開口，外罩側(cè)面設(shè)置有分布均勻的豎向柵格條形孔，外罩底面設(shè)置有沿中心均勻分布的橫向柵格條形孔；本體位于外罩內(nèi)側(cè)且與外罩之間具有液體流動(dòng)的通道，本體與漸擴(kuò)部件下部具有空隙；本體包括一端與進(jìn)水管連通的進(jìn)水腔和設(shè)置在進(jìn)水腔另一端的噴射喉管，噴射喉管為下大上小的錐形管狀結(jié)構(gòu)，漸擴(kuò)部件內(nèi)徑為下小上大的錐形且底部內(nèi)徑大于噴射喉管的上部內(nèi)徑。如圖2所示。

圖2 負(fù)壓部件及進(jìn)水管剖面結(jié)構(gòu)圖

固液分離區(qū)包括從下至上設(shè)置的懸浮污泥區(qū)、高效分離區(qū)和產(chǎn)水區(qū)，產(chǎn)水區(qū)包括位于產(chǎn)水區(qū)一側(cè)的產(chǎn)水口，高效分離區(qū)包括緊密排列的若干分離管，分離管包括管體、第一球頭、第二球頭、第一球桿和第二球桿，第一球頭的直徑大于第二球頭的直徑，第一球桿的長度小于第二球桿的長度，第一球頭通過第一球桿以90°間隔分組固定在管體的內(nèi)壁上，第二球頭通過第二球桿以90°間隔分組固定在管體的內(nèi)壁上，在管體中間形成供液體流動(dòng)的通道，第一球頭和相鄰層的第二球頭呈交錯(cuò)45°分布，第一球頭和第二球頭從上至下間隔分布。

在分離管內(nèi)部底側(cè)設(shè)置有兩塊交錯(cuò)的呈X型分布的交叉板。

2 運(yùn)行研究

自結(jié)晶固液分離循環(huán)造粒流化床在使用過程中，來水通過進(jìn)水管進(jìn)入負(fù)壓部件，在噴射喉管的作用下，水流以高速進(jìn)入漸擴(kuò)部件，隨后進(jìn)入內(nèi)筒體的內(nèi)腔。高速水流在漸擴(kuò)部件的起始根部產(chǎn)生負(fù)壓，從而使得負(fù)壓部件產(chǎn)生抽吸力，在負(fù)壓抽吸力的作用下，污泥區(qū)的泥水以及細(xì)微顆粒被抽吸進(jìn)入內(nèi)腔，從而在循環(huán)結(jié)晶區(qū)進(jìn)行循環(huán)。在循環(huán)結(jié)晶區(qū)內(nèi)，設(shè)有第二攪拌部件，依據(jù)不同的進(jìn)水介質(zhì)及進(jìn)水懸浮物含量，絮凝驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻設(shè)計(jì)，第二槳葉按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，初級懸浮物在絮凝區(qū)進(jìn)行團(tuán)結(jié)形成輕質(zhì)懸浮污泥。通過負(fù)壓部件抽吸進(jìn)入的細(xì)小污泥顆粒對絮凝區(qū)的來水起到誘導(dǎo)結(jié)晶作用，污泥顆粒起到晶種作用，大大加速絮凝區(qū)細(xì)小顆粒之間的相互團(tuán)聚長大，促進(jìn)細(xì)小顆粒在晶種表面的吸附，以及晶種之間的相互吸附聚集，在強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)的作用下，水流在內(nèi)循環(huán)通道循環(huán)，不斷結(jié)團(tuán)絮凝，最終形成懸浮污泥，進(jìn)入懸浮污泥區(qū)。如圖3所示。

圖3 內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)流向示意圖

懸浮污泥區(qū)的懸浮污泥不斷地?cái)r截來自循環(huán)腔的細(xì)小顆粒，細(xì)小顆粒在懸浮污泥層攔截下不斷繼續(xù)吸附聚集長大，從而使得懸浮污泥層的密度不斷加大。當(dāng)懸浮污泥層的密度大于進(jìn)水密度時(shí)，懸浮污泥層將要下落，在外循環(huán)導(dǎo)流圈的導(dǎo)流下，以及外循環(huán)的水流流向運(yùn)動(dòng)下，懸浮污泥層通過外循環(huán)通道下落至污泥區(qū)進(jìn)行沉淀濃縮，污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)逆時(shí)針超越離合器驅(qū)動(dòng)第一槳葉進(jìn)行污泥的均質(zhì)，第一槳葉依據(jù)污泥區(qū)的坡形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為從上到下槳葉交錯(cuò)變短的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在第一槳葉作用下，污泥區(qū)的污泥避免了上下層泥水密度不均的問題，同時(shí)均質(zhì)后，隨同懸浮污泥進(jìn)入污泥區(qū)的細(xì)小污泥顆粒得以進(jìn)行流動(dòng)并利于進(jìn)入負(fù)壓部件，從而為絮凝區(qū)的反應(yīng)提供誘導(dǎo)結(jié)晶晶種。

透過懸浮污泥區(qū)進(jìn)入高效分離區(qū)的細(xì)小污泥顆粒，隨同向上水流進(jìn)入分離區(qū)的各個(gè)分離管。在每一個(gè)分離管上設(shè)計(jì)有一定傾角的X型交叉板，水流通過交叉板后產(chǎn)生強(qiáng)力漩渦流，隨后在分離管內(nèi)第一球頭和第二球頭的交錯(cuò)作用下，對透過懸浮污泥區(qū)的固液進(jìn)行強(qiáng)制切割剝離，從而使得細(xì)小顆粒得以在分離管內(nèi)剝離，在漩渦流的作用下，細(xì)小顆粒加速匯集沉淀并回落至懸浮污泥區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)高效的固液分離效果。

通過負(fù)壓部件的抽吸作用，不僅將污泥區(qū)的細(xì)小污泥顆粒抽吸進(jìn)入絮凝區(qū)為絮凝反應(yīng)提供誘導(dǎo)結(jié)晶晶種，同時(shí)減少了污泥區(qū)的含水率，即增大了污泥區(qū)的污泥含固率，同時(shí)，通過第二槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了污泥區(qū)的污泥均質(zhì)。

當(dāng)污泥區(qū)污泥含固率達(dá)到設(shè)定值，打開排泥管，污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過順時(shí)針超越離合器驅(qū)動(dòng)刮泥板進(jìn)行運(yùn)行，加速污泥的外排。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

（1）具有內(nèi)部自結(jié)晶功能。無需投加微砂或粉末灰，利用負(fù)壓部件實(shí)現(xiàn)污泥回吸回流進(jìn)入循環(huán)結(jié)晶區(qū)，污泥區(qū)的細(xì)小顆粒進(jìn)入循環(huán)結(jié)晶區(qū)后，為污泥顆粒的生成提供結(jié)晶晶核，形成結(jié)晶顆粒，實(shí)現(xiàn)流化床內(nèi)部的自結(jié)晶。

（2）具有強(qiáng)制循環(huán)功能。利用流體力學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過W型底和導(dǎo)流圈的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)晶區(qū)水流的高效循環(huán)。

（3）具有污泥均質(zhì)功能。污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有逆時(shí)針、順時(shí)針雙向轉(zhuǎn)動(dòng)功能，當(dāng)污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過逆時(shí)針超越離合器可驅(qū)動(dòng)均質(zhì)第一槳葉逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行污泥的整體均質(zhì)。當(dāng)污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過順時(shí)針超越離合器使得刮泥板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行工作，在打開污泥排出閥后，可加快污泥的外排速度。流化床逆時(shí)針超越離合器的作用是利用污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)通過逆時(shí)針超越離合器可驅(qū)動(dòng)均質(zhì)槳葉進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)刮泥板在順時(shí)針超越離合器的作用下，保持靜止?fàn)顟B(tài)。流化床順時(shí)針超越離合器的作用是利用污泥驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)通過順時(shí)針超越離合器可驅(qū)動(dòng)刮泥板進(jìn)行順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)第一槳葉在逆時(shí)針超越離合器的作用下，保持靜止?fàn)顟B(tài)。

（4）具有二次強(qiáng)制循環(huán)的雙循環(huán)功能，即內(nèi)循環(huán)+外循環(huán)。進(jìn)入污泥區(qū)的細(xì)小顆粒，在負(fù)壓部件的負(fù)壓抽吸作用下，強(qiáng)制進(jìn)入絮凝區(qū)進(jìn)行再次長大，同時(shí)外腔存在由上向下的水流流向，該水流能夠帶動(dòng)懸浮污泥區(qū)沉降下來的污泥借助外循環(huán)導(dǎo)流圈的導(dǎo)向作用，進(jìn)入污泥區(qū)。

（5）具有強(qiáng)力漩渦流功能。進(jìn)水水流通過分離區(qū)X型交叉板時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)力漩渦流，隨后通過固液分離管內(nèi)球狀觸頭的交錯(cuò)配置，對固液進(jìn)行強(qiáng)制切割剝離，從而使得通過懸浮污泥區(qū)進(jìn)入高效分離區(qū)的細(xì)小顆粒得以在分離管內(nèi)剝離并匯集沉淀進(jìn)入懸浮污泥。

4 結(jié)論

通過對流化床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化改進(jìn)，研制自結(jié)晶固液分離循環(huán)造粒流化床。

利用回吸回流進(jìn)入循環(huán)結(jié)晶區(qū)的污泥細(xì)小顆粒，為污泥結(jié)晶顆粒的生成提供結(jié)晶晶核，利用誘導(dǎo)結(jié)晶原理，形成結(jié)晶顆粒，實(shí)現(xiàn)了流化床內(nèi)部的自結(jié)晶。回流進(jìn)入絮凝區(qū)的污泥加速進(jìn)水的絮凝反應(yīng)過程，最后通過懸浮污泥層，達(dá)到固液分離的效果。

耦合自結(jié)晶、雙循環(huán)、結(jié)團(tuán)絮凝、循環(huán)造粒、污泥均質(zhì)、固液分離、強(qiáng)力漩渦流技術(shù)，研制一體化新型流化床設(shè)備，將對我國水處理技術(shù)裝備的發(fā)展起到重要的推動(dòng)和指導(dǎo)作用。