旋流分离器在控制城市雨水径流污染中的可行性研究

潘振学 易利芳(.安徽理工大学地球与环境学院 安徽 淮南 300；.湖州环科环保科技有限公司 浙江 湖州 33000)

0 前言

面源污染已成为我国城市水环境破坏的重要原因[1]。雨水径流所携带沉积物中的养分进入水体成为水体富营养化的重要因素[2]。一些研究结果表明，雨水主要污染物是COD和悬浮固体(SS)，道路初期径流中也含有铅、酚、石油类及合成洗涤剂等成分。[3]

旋流分离技术在雨水径流污染控制中的应用是新兴的污染控制技术。在发达国家，旋流分离是常用的技术，占地少，可以安装在雨水排放口或雨污合流下水道溢流口，取代现有的检查井，因而不需要额外的土地，特别适合于人口密集的市区[4-6]。

1 旋流分离器的工作原理

旋流分离器的工作原理是基于离心沉降作用。当需要分离的两相混合液以一定的速度从旋流器上部周边切向进入旋流分离器内后，产生旋转运动，由于固液两相存在密度差，所受的离心力、向心浮力和流体拽力的大小不同，大部分固相沉淀于旋流器底液相则由溢流口排出从而达到分离的目的[7]。当离心沉降过程中的颗粒粒度很小的时候，可以采用层流状态下的Stokes公式，可得如下离心沉降末速度[8]。

式中d为球形固体颗粒直径；ρ分别为颗粒及介质的密度；μ为介质的动力粘度；r为旋转半径；ω为角速度。可以看出，在高速的离心力场中，由于ω的值可以很大，因此可以用旋流分离器去除一些重力沉降难以处理的细颗粒。

2 旋流分离器的试验模拟研究

根据旋流分离的工作原理结合示范区域雨水径流中固态污染物特征，利用传统的旋流分离技术和复合流场旋流分离技术来实现雨水径流中固体颗粒物的去除是可行的技术方案。在计算机数值模拟辅助下[9]，设计了一套实验室用的水力旋流器，旋流器直径为300mm，进、出口直径分别为50 mm，材料为有机玻璃。以及曲率半径为343.0mm，332.5mm，315.0mm的三块挡板，试验装置图见图1。

图1 水力旋流器装置图

通过本试验分析旋流分离器入口直径d与旋流分离器直径D之比与分离效率的关系、流速与分离效率的关系、挡板长度及半径尺寸与分离效率的关系。为设计现场所需旋流分离器的设计指标（含旋流分离器入口直径d与旋流分离器直径D，挡板尺寸）提供依据。

试验所需的材料主要包括：旋流分离器、三个加工好的弧形挡板、PVC外接管、50米消防水带、金属水管、计算机、流量计、压力传感器、泵产品参数测量仪、直径为80cm的水泵检测管路、3kW潜水泵、泥沙、水桶、加沙工具、漏斗、支撑装置、台秤及相关安装工具。试验平台的搭建见图2。

图2 多功能综合实验平台示意图

试验时，利用水泵抽出水池中的清水，通过阀改变泵的出口工况以调整流速，采用螺旋射流加沙装置加沙，应注意泵出口至流量计需留有足够距离，同样液位计与加沙装置之间也要保证足够的距离。对排出污水取样测定SS，进口处SS通过计算求得算术平均值。试验时对三块不同挡板、不同插入深度、不同入口流速分别测定其去除效率。

3 结果与分析

表1 实验数据记录与处理

通过对三块不同的弧形挡板、取两种不同的插入水中深度、在两种不同的流速下分别进行试验，共得出12组数据，由于流速是通过泵参数测试仪计时，利用流量和面积来计算，在此直接给出流速数值。实验结果见表1。

从表1中可知，不同曲率半径的挡板对于水力旋流器的分离效率较为显著，随着曲率半径的减少，挡板的弧度增大，水流旋转加剧，根据力学原理，沉降性能好，去除率好。随着挡板插入深度的增加，在筒体内形成旋流的距离增加，并且挡住了更多的悬浮固体，减少颗粒物短流的形成，有利于颗粒物的去除，去除率增加。当进口流速增加时，在筒体内的形成旋流的角速度增加，旋流沉降末速度增加，可以去除更细颗粒，去除效果增加。根据试验可知，旋流分离器最佳去除率可达80%以上。

4 结论

通过研究表明，旋流分离器在去除固体颗粒物中有很强的去除作用，最佳去除率可达80%以上，对城市雨水径流污染物控制起到较好的效果，将旋流分离器应用于控制城市雨水径流污染物是可行的。相对其他传统工艺，旋流分离器具有结构简单、操作容易、处理量大，占地面积小、对于较细颗粒有较好的分离效率等优点，对雨水径流这种具有流量大、SS浓度高、含有大量固态氮磷污染物的污染源有很强的适用性。这种新型旋流分离器在各城市推广应用具有很好的前景。

［1］杨柳,马克明,郭青海,等.城市化对水体非点源污染的影响[J].环境科学,2006,25(6):32-39.

［2］王宏,李广贺,张旭,等.暴雨径流固态污染物旋流分离研究[J].重庆环境科学,2003,25(1):13-16.

［3］Zdenik Kon1eek,Karel Pryl,Milan Suchanek.Practical applications of vortex flow separators in the czech republic[J].Water Science and Technology,1996,33(9):253-260.

［4］R.M.Alkhaddar,P.R.Higgins,D.A.Phipps,etal.Phipps Residence time distribution of a model hydrodynamic vortex separator[J].Urban Water,2001(3):17-24.

［5］R.Sripriya,A.Dutta,P.K.Dhall,etal.An analysis of medium losses in coal washing plants[J].International Journal of Mineral Processing,2006(80):177-188.

［6］王宏,李广贺,张旭,等.暴雨径流固态污染物旋流分离研究[J].重庆环境科学,2003,25(1):13-16.

［7］杨柳,马克明,郭青海,等.城市化对水体非点源污染的影响[J].环境科学,2006,25(6):32-39.

［8］庞学诗.水力旋流器理论与应用[M].长沙:中南大学出版社,2005.

［9］吴春笃,张伟,黄勇强,等.新型旋流分离器内固液两相流的数值模拟[J].农业工程学报,2006,22(2):98-102.