新型微旋流混凝反應器的設計及應用

夏婷婷

(吉林建筑大學城建學院，吉林長春 130111)

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新型微旋流混凝反應器的設計及應用

夏婷婷

(吉林建筑大學城建學院，吉林長春 130111)

混凝沉淀技術是控制水質的重要方法，它能有效地去除水中的粗分散體系和膠體雜質。本文根據微旋流混凝的動力學原理，設計一套新型微旋流混凝反應裝置，利用該裝置對污水廠二級出水進行實驗室模擬試驗。實驗結果表明：混凝劑投加量40mg/L是高嶺土去除率的變化點；絮凝時間大于10min時，高嶺土去除率隨混凝劑投加量的增加先增大后減小，絮凝時間小于等于10min時，去除率隨混凝劑投加量的增加而增大。

微旋流；混凝；設計；去除率

1 微旋流混凝反應器設計原理

1.1 高密度微分場理論的提出

楊少華、黃繼國、劉壯等人在《絮凝過程中的高密度微分場理論及其應用研究》一文中首次提出強化絮凝過程的高密度微分場理論[1]。該理論是在混凝動力學的基礎上發展起來的，其主要理論依據是水力學及混凝動力學。由于水流在運動的過程中會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。高密度微分場就是通過控制水力條件使水流中的渦旋與顆粒尺寸相近，同時，增加渦旋數量，從而促進顆粒碰撞，提高混凝效率。

1.2 微旋流絮凝的基本原理

根據高密度微分場理論提出的微旋流絮凝技術，速度梯度和慣性力以場的形式分布于流體空間，梯度場與慣性力場同時存在于漩渦中，梯度場也存在于繞流擋板表面附近的空間內[1]。若在絮凝池的空間內形成大量的小尺度速度梯度和慣性力場，通過對場的微分化與高密度化，可提高整個流體空間場的平均強度以及場強度的均勻度，從而改善絮凝過程的效率和效果[2-6]。因此，在設計中于反應器內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，在流經繞流擋板時遇到阻礙產生微小的旋流，通過速度梯度和慣性力作用使水中微粒最大限度地發生有效碰撞，從而達到理想的絮凝效果[7]。

2 混凝反應器的設計

反應器采用有機玻璃板制成，尺寸為長×寬×高=460mm×505mm×360mm(包括外壁及底厚)，反應器四周及內部隔板厚5mm，底厚10mm。反應器分配水區、廊道反應區、出水區三個部分。廊道反應區為4個廊道，4個廊道為對比實驗(過水斷面寬度不同)，反應器尺寸詳見表1。反應器進水口為直徑30mm的圓孔，設置孔心高度為距反應器內底200mm。配水區與廊道間有直徑為10mm的圓孔進行均勻配水。出水口設置高度為距反應器內底300mm，出水口為直徑10mm的圓孔，每個廊道設置一個。在反應器各側面的底部設置放空孔口，直徑為10mm。設計圖見圖1(a為反應器平面圖，b、c、d分別為反應器1-1、2-2、3-3剖面圖)。

表1 反應器尺寸 mm

圖1 反應器設計圖

3 實驗方案

本文利用自主設計的微旋流混凝反應器研究混凝劑投加量、絮凝時間對高嶺土去除效果的影響。通過調節進水流量控制混凝反應時間，在絮凝時間分別為30min、15min、10min、8min條件下進行混凝劑投加量為30mg/L、35mg/L、40mg/L、43mg/L、48mg/L、55mg/L的正交實驗。沉淀時間為20min，為防止已沉淀的絮體發生擾動，用10ml的去針頭注射器采取沉淀容器中的上清液進行測定分析。

4 實驗結果及討論

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

圖2 高嶺土去除率隨PAC濃度變化圖

(a)絮凝時間為30min時，反應器4個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PAC濃度為30mg/L時，2#廊道和3#廊道的去除率可以達到70%，遠高于1#廊道和4#廊道的去除率；當PAC濃度為40mg/L時，1#和4#廊道去除率達到最大，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PAC濃度為43mg/L時，2#和3#廊道去除率達到最大，分別為91.5%和92.2%。出現以上現象的原因是：當PAC濃度小于40mg/L時，隨著投藥量的增加，PAC使高嶺土膠體脫穩，發生絮凝反應，形成絮體，形成的大顆粒絮體又對新進入反應器的細小絮體顆粒進行捕捉沉降，使高嶺土去除率不斷增加。隨著投藥量的進一步增加，PAC不但沒有提高混凝效果，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，受到高分子的阻礙而不能聚集，導致膠體重新穩定。

(b)絮凝時間為15min時，4個廊道的高嶺土去除率都是隨PAC濃度的增加先增加后減小，而去除效率達最大值時的混凝劑投加量相比絮凝時間為30min時卻增大了。當PAC濃度為40mg/L時，1#和2#廊道除率達最大，分別為74%和82%；當PAC濃度為48mg/L時，3#和4#去除率達到最大，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個廊道的最大去除率相比絮凝時間為30min時均降低；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時就遠高于其他三個廊道，并呈逐漸升高趨勢。出現上述變化趨勢的原因同(a)。

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

(d)絮凝時間為8min時，4個廊道的去除率都是隨PAC濃度的增加而增加，4個廊道的去除率變化趨勢一致。當PAC濃度大于43mg/L時，去除率增加緩慢并趨于平穩。當混凝劑投加量為55mg/L時，4個廊道去除率均達到最大值，1#、2#、3#、4#廊道最大去除率依次為80%、84%、87%、76%。出現上述變化趨勢的原因同(c)。

5 結論

在反應器穩定運行階段研究反應器運行與混凝劑投加量和絮凝時間的關系，得出以下結論：

(1)混凝劑投加量40mg/L是高嶺土去除率的變化點。

(2)絮凝時間大于10min時，高嶺土去除率隨混凝劑投加量的增加而先增大后減小；絮凝時間小于等于10min時，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、絮凝時間為8min、沉淀時間為20min的模擬試驗條件下，該混凝反應器出水高嶺土去除率可達到80%以上，完全滿足回用水標準。

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

[2]楊開明.折板絮凝池流場試驗研究與數值模擬[D].成都：西南交通大學,2009.

[3]戈軍,荊肇乾,呂錫武,等.微分旋流絮凝技術在小城鎮水廠擴建改造中的應用[J].中國給水排水,2006(22):29-31.

[4]許保玖,龍騰銳.當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.反應池中顆粒慣性作用的影響分析[J].中國給水排水,2002(3):44-47.

[6]王紹文.慣性效應在絮凝中的動力學作用[J].中國給水排水,1998(2):13-16.

[7]劉壯.微分旋流絮凝池[P].中國專利,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，從事環境監測、環境影響評價、環境污染防治等研究。

X524

A

2095-7602(2016)10-0026-04