混凝控制指標(biāo)下渦漩運(yùn)動(dòng)對(duì)混凝影響的研究

詹 詠, 何玉武, 曾小磊

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

混凝控制指標(biāo)下渦漩運(yùn)動(dòng)對(duì)混凝影響的研究

詹 詠, 何玉武, 曾小磊

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

以往復(fù)隔板絮凝池的改造為例,對(duì)最佳水力條件下混凝控制指標(biāo)的合理選用進(jìn)行了討論,在此基礎(chǔ)上對(duì)池中水流渦漩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,得出了適宜的速度梯度G值,有利于形成更多更小的微渦漩,可使顆粒有效碰撞次數(shù)增加,有效地提高了混凝效果.

往復(fù)隔板絮凝池;混凝控制指標(biāo);渦漩運(yùn)動(dòng);最佳水力條件

混凝控制指標(biāo)的確定和渦漩理論的作用是混凝動(dòng)力學(xué)中最為關(guān)注的問題.在混凝設(shè)計(jì)與運(yùn)行中,通常以混凝時(shí)間t、速度梯度G及其組合指標(biāo)值Gt作為混凝效果的控制指標(biāo).速度梯度G值綜合地表征了水流紊動(dòng)程度,即反映了顆粒的碰撞頻率.Gt值相當(dāng)于單位體積水體中顆粒碰撞的總次數(shù).只要相應(yīng)地保持G值大致相同,則混凝沉淀實(shí)驗(yàn)在一定程度上能起到模擬生產(chǎn)過程的作用[1-3].為此,水處理工藝中常采用不同的構(gòu)筑物型式來提高速度梯度G值,使水流在此形成強(qiáng)烈的渦漩運(yùn)動(dòng),從而在單位時(shí)間、單位體積水體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)個(gè)不同大小的渦漩.由于渦漩所固有的擴(kuò)散性,大小渦漩之間相互滲透,使顆粒能產(chǎn)生有效的碰撞,藥劑能迅速均勻地溶解于水體,使混凝劑得到充分水解,水解后的產(chǎn)物與膠體顆粒作用,使其脫穩(wěn)凝聚,為生成沉淀性能良好的絮體顆粒打下基礎(chǔ).傳統(tǒng)的往復(fù)隔板絮凝池的隔板,在廊道拐彎處一端的形狀為矩形,廊道拐彎角為直角形.特別是水流流經(jīng)拐彎角時(shí),速度急劇變小,這樣改為消耗的能量大,也不利于絮凝體的成長(zhǎng).雖然在180°的急劇轉(zhuǎn)彎下,會(huì)增加顆粒之間的碰撞幾率,但是,不合理的速度梯度G值易造成絮凝池前部由于速度梯度G值過小,達(dá)不到最高效率的顆粒碰撞,而后部轉(zhuǎn)角處又由于速度梯度G值過高,撞擊過大,易使聚集好的絮體破碎,結(jié)果導(dǎo)致絮體顆粒密實(shí)程度不一.這樣在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi),被打碎的絮體隨水流進(jìn)入沉淀池,影響出水效果,而密實(shí)的絮體在未進(jìn)入沉淀池時(shí),已過早地在絮凝池后部下沉,易在絮凝池末端的廊道內(nèi)形成沙丘狀的沉積物,阻礙水流通道,降低了混凝沉淀效果.如將絮凝池末端的廊道封閉,以此縮短混凝時(shí)間,疏松的絮體易過早進(jìn)入沉淀池,更容易使出水效果惡化.為了解決這些問題,又要降低改造成本,保持原有絮凝池流程簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn),將絮凝池第二段以后的拐彎角及隔板拐彎一端設(shè)計(jì)成圓弧形,使得水流處于均勻分布的微渦漩紊流狀態(tài),降低不必要的水頭損失,以此達(dá)到縮短反應(yīng)時(shí)間、提高絮凝池容積有效利用率及高效混凝的目的.

1 混凝控制指標(biāo)的討論

混凝沉淀實(shí)驗(yàn)所用攪拌設(shè)備如圖1所示.槳板繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)克服水的阻力所耗功率為

式中,CD為由槳板長(zhǎng)寬比(L/b)所決定的系數(shù);γ為水的重度;ω為相對(duì)于水的槳板旋轉(zhuǎn)角速度,一般采用0.75倍的軸轉(zhuǎn)速,即ω=2πn/60×0.75=0.078 5n;n為轉(zhuǎn)速;r2為槳板外緣旋轉(zhuǎn)半徑;r1為槳板內(nèi)緣旋轉(zhuǎn)半徑;PD為反應(yīng)設(shè)備中水流所耗功率;g為重力加速度.

圖1 攪拌設(shè)備Fig.1 Agitator mill

式中,p1為單位體積水流所耗的功率,p1=PD/V;V為反應(yīng)設(shè)備中水的體積;μ為水的動(dòng)力黏度;G為速度梯度.

反應(yīng)設(shè)備的參數(shù)r2=28 mm,r1=37 mm,r1=6 mm,b=31 mm,L/b=0.9,CD=1.10,γ=9 810 N/m3,μ=1 N·m/s,V=0.001 m3,通過計(jì)算可得G=0.084n3/2.

圖2為最佳投藥量與原水濁度的關(guān)系[1-3],從圖2中可知,當(dāng)原水濁度小于50 NTU時(shí),其最佳投藥量較高,一般在24～27 mg/L之間.隨著原水濁度的不斷增大,其最佳投藥量逐漸減小.當(dāng)原水濁度增大到約160 NTU時(shí),最佳投藥量達(dá)到最小值.之后,最佳投藥量又隨著原水濁度的升高而不斷變大,整個(gè)變化過程形成一個(gè)V形特征的曲線圖.故本實(shí)驗(yàn)中混凝劑投加量為15 mg/L,將測(cè)試結(jié)果列于表1.通過正交試驗(yàn),對(duì)各水平效應(yīng)值Kmf、K-mf及極差值進(jìn)行計(jì)算,可得R=15.8,可以得出快速攪拌速度是影響混凝沉淀效果的最主要因素.

圖2 最佳投藥量與原水濁度的關(guān)系Fig.2 Relation between the optimum coagulant dose and raw water turbidity

表1 最佳水力條件確定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Experimental data of the optimum hydraulic conditions

通過表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以算出混凝過程最佳水力條件下的G值和Gt值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.根據(jù)有關(guān)資料以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知[1-3],凝聚階段的值應(yīng)大于300～500 s-1,Gt值比較適宜的范圍為104～105;而絮凝階段的適宜的速度梯度為G=10～75 s-1,Gt值宜取104～105.這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合.

表2 最佳水力條件下的G值和Gt值Tab.2 G and Gt on the optimum hydraulic conditions

2 渦漩運(yùn)動(dòng)對(duì)混凝的影響

水力絮凝池的新構(gòu)型是水流紊動(dòng)作用與混凝過程優(yōu)化結(jié)合的結(jié)果[1-3].但目前的混凝理論對(duì)于新型絮凝池的開發(fā)只是起定性的指導(dǎo)作用,對(duì)于新型絮凝池所取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析,也基本上處于經(jīng)驗(yàn)階段,利用流體力學(xué)中的小渦漩運(yùn)動(dòng)理論,對(duì)混凝效果的改善具有重要的指導(dǎo)作用,對(duì)混凝過程的解釋也更加合理.因此,在進(jìn)行池型改造的同時(shí),應(yīng)明確在混凝設(shè)備中應(yīng)該怎樣在最佳水力條件下形成合理的速度梯度G值,特別是混凝開始時(shí),需提高G值,造成有利顆粒碰撞的小渦漩.為此,作者就往復(fù)隔板絮凝池邊壁形狀對(duì)絮凝反應(yīng)的影響進(jìn)行了系列研究[4].

2.1 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3所示,渦漩水流測(cè)試系統(tǒng)是由絮凝池循環(huán)系統(tǒng)及粒子圖像測(cè)速(PIV)系統(tǒng)構(gòu)成,其中,粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)由光路系統(tǒng)(圖4)、CCD攝像機(jī)、多幀存(8 MB)圖像接口板、多媒體實(shí)時(shí)壓縮存貯板、PⅣ計(jì)算機(jī)等硬件和一套圖像處理流場(chǎng)數(shù)據(jù)分析及圖形顯示軟件組成.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

對(duì)流量為521.7 L/h,進(jìn)口水深為6.3 cm不同形狀往復(fù)隔板絮凝池水流拐角的速度分布進(jìn)行了研究,從水流渦漩照片圖5(見下頁(yè))中可以看出,方案二圖5(b)廊道拐彎處水流結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,水流流經(jīng)圓弧端隔板及廊道拐角時(shí),能量損失明顯減少,速度梯度G值變化合理[4],呈逐漸遞減趨勢(shì);而在方案一圖5(a)中,水流經(jīng)過矩形斷面的隔板及直角形的拐彎廊道時(shí),能量損失過大,速度梯度G值變化突然,使得在廊道中后部拐彎處出現(xiàn)了“死水區(qū)”現(xiàn)象.從水深為5.8 cm層面觀測(cè)絮凝池不同方案流場(chǎng)粒子圖像如圖6所示(見下頁(yè)).

圖3 流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.3 Test system of flow field

圖4 光路系統(tǒng)Fig.4 Ray path system

對(duì)不同方案水流渦漩運(yùn)動(dòng)狀況的研究表明,方案二絮凝池水流拐彎處有眾多的渦漩,由于渦漩所固有的擴(kuò)散性,無數(shù)大小不一的渦漩相互滲透,進(jìn)行能量交換,使該處液體壓強(qiáng)迅速降低,速度梯度值則急劇增大,這對(duì)顆粒之間的碰撞極端有利.與傳統(tǒng)往復(fù)隔板絮凝池拐彎處對(duì)比,水流經(jīng)過圓弧界面繞流前后的壓強(qiáng)差,即壓強(qiáng)阻力(因與物體的形狀有關(guān),也稱形狀阻力)比摩擦阻力大得多,尤其是在絮凝池的后部,水流速度比較低,摩擦阻力可以忽略,由渦漩運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散作用,基本消除了拐彎處的“死水區(qū)”,產(chǎn)生了更多大小相套的復(fù)雜渦漩,與池壁的多次碰撞促進(jìn)了水流中微小渦漩的形成,與大尺度渦漩相比,小尺度渦漩半徑越小,旋轉(zhuǎn)半徑也小,而離心作用越強(qiáng),運(yùn)動(dòng)加快,速度梯度值增大,這樣的邊界條件使得水力狀況大為改善.

文獻(xiàn)[4]對(duì)兩種方案絮凝效果進(jìn)行了比較,從中可以看出,與方案一相比,方案二的速度梯度值變化平緩、能量損失小、水質(zhì)濁度低.因此,在紊流中若能有效地消除大尺度渦漩,增加微小渦漩的比例,就可以大幅度地增加顆粒碰撞次數(shù),有效地提高混凝效果.由此可見,將往復(fù)隔板絮凝池拐彎及隔板斷面設(shè)計(jì)成圓弧形的方案比傳統(tǒng)往復(fù)隔板絮凝池的混凝沉淀效果要好.

圖5 不同方案水流渦漩照片F(xiàn)ig.5 Eddy motion of different plans

圖6 不同方案流場(chǎng)粒子圖像Fig.6 Particle image velocimetry of different plans

3 結(jié) 論

a.對(duì)混凝沉淀過程最佳水力條件下的G值和Gt值進(jìn)行了計(jì)算,得出了凝聚階段的G值應(yīng)大于300～500 s-1,而絮凝階段的適宜速度梯度應(yīng)控制在G=10～75 s-1內(nèi).

b.為了最大限度地提高顆粒碰撞的速度梯度值,在廊道第二格開始設(shè)置圓弧,改進(jìn)后的絮凝池流速分布合理,反應(yīng)時(shí)間相應(yīng)縮短,水流經(jīng)過圓弧拐角時(shí)能量損失明顯減少,速度梯度值變化平緩,呈逐漸遞減趨勢(shì).

c.具有圓弧形邊壁形狀的往復(fù)隔板絮凝池充分體現(xiàn)了水流紊動(dòng)在混凝沉淀過程中的作用.這種低流速的運(yùn)動(dòng)便于節(jié)約能量、降低水頭損失、縮短反應(yīng)時(shí)間.

d.微小渦漩的隨機(jī)卷動(dòng),易使得聚集顆粒以圓周形式運(yùn)動(dòng)接觸結(jié)合,所形成的絮體更為密實(shí)而近似于球體般的光滑,在后續(xù)的沉淀分離過程中易于下沉.

[1] 武吉道,譚鳳訓(xùn).高濁度水管式混凝動(dòng)力學(xué)機(jī)理及設(shè)計(jì)研究[J].給水排水,2000,26(6):4-6.

[2] 王紹文.亞微觀傳質(zhì)在水處理反應(yīng)工藝中的作用[J].中國(guó)給水排水,2000,16(1):30-32.

[3] 武道吉,譚鳳訓(xùn),修春海,等.混合動(dòng)力學(xué)機(jī)理及控制指標(biāo)研究[J].中國(guó)給水排水,2000,16(1):54-56.

[4] 詹詠,王惠民.往復(fù)隔板絮凝池邊壁形狀對(duì)絮凝反應(yīng)的影響研究[J].給水排水,2001,27(1):5-7.

Study on the effect of eddy motion of flow on coagulation under rational coagulative control index

ZHANYong, HEYu-wu, ZENGXiao-lei
(School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Ascertaining the coagulative control index and clarifying the effect of eddy motion of flow theory are worth to pay attention in coagulation dynamics.How to select rationalGandGtwas discussed under the optimum hydraulic condition,and on this basis,the eddy motion of flow at the corner of reciprocating baffled flocculation tank was studied.It can be seen that the rational coagulative control index is favorable to form even more and smaller infinitesimal eddy,and the effective collision is enhanced,as a result coagulative effect is improved apparently.

reciprocating baffled flocculation tank;coagulative control index;eddy motion;optimum hydraulic condition

TU 528

A

1007-6735(2011)04-0401-04

2010-06-22

上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目(J50502)

詹 詠(1971-),女,副教授.研究方向:環(huán)境流體力學(xué).E-mail:jannet6@163.com