有限区域聚集模型用于沉淀模拟的可行性分析

刘克达 刘明超

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)



有限区域聚集模型用于沉淀模拟的可行性分析

刘克达 刘明超

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

通过实验，分析了水处理过程中的沉淀效果，利用实验中得到的结论，研究了有限区域聚集模型用于沉淀模拟的可行性，指出沉淀作用只能去除已形成良好絮体的粒子，而游离于水中的小尺寸絮体在一定作用下会发生破损带来小尺寸絮体含量上升。

沉淀池，模型，絮体，反应器

0 引言

在实际处理水的过程中，在水中总的颗粒经过不断的聚集过程[1]，可以发现大部分颗粒经过不断的碰撞，已经聚集成为团簇很可观的絮体[2]，这些絮体在经过絮凝池之后，需要经过沉淀池来完成对这些粒子的去除[3]，进而达到絮凝沉淀的全过程，在实验的模拟中也需要设置沉淀池来进行全过程的研究[4]。

1 研究背景

在实验室的处理过程中，需要考虑的是在保证絮体的沉淀效果的同时，需要对沉淀池的运行过程、运行机制等基本理论有非常成熟的理解，因此，选择斜板沉淀池成为了势在必行，在实验处理的过程中，选择下部进水，上部出水的逆向流的斜板沉淀池，在沉淀过程中，检测沉淀的进水浊度和出水浊度，同时，检测沉淀的进水颗粒总数和出水颗粒总数，通过一系列的数据对比进行分析。

2 研究方法及结果

2.1 实验运行结果

对模型的絮凝效果进行分析。首先，需要对实验过程中的沉淀效果进行分析，然后，利用实验中得到的结论运用到模型中的数据进行分析，这样就可以对絮凝后得到的絮体进行定量的分析。

当搅拌桨转速从150 r/min变化至400 r/min的过程中，浊度在转速不同之间略微有差异，但总变化趋势呈现一个稳定的态势，即在颗粒的絮凝过程中，反应器中的浊度都呈现一个微小的下降过程，产生这个过程的原因是反应器中的小颗粒不断产生絮凝作用而生成更大的絮体，这种更大的絮体，在浊度检测过程中，使得浊度发生微小的下降，可以看到在转速较小的情况下，反应器前部浊度下降较为明显，而随着转速的增大，其絮凝阶段的浊度下降不是很明显，这就说明，在转速较小的情况下，反应器中占主要作用的是絮体的絮凝作用，而在转速较大的情况下，絮体发生破碎的状况更多，在反应器中的浊度检测变化中，浊度呈现了一个小的下降或者是保持不变。而在转速改变的条件下，浊度都发生一个突变，这个过程就是沉淀过程，这就说明，沉淀过程是去除水中的浊度的重要环节，因此，需要在水中团簇都聚集完成后统一分析沉淀情况,然后进行机制的分析。

在运行不同阶段，同时设置在线粒径检测仪来观测水中不同尺寸的粒径的变化情况，其中，能探测到水中颗粒尺寸大于5 μm和小于5 μm两种颗粒的变化情况，可以看到，当在絮凝阶段，水中小尺寸颗粒呈现不断上升的态势，而大尺寸颗粒显现一个下降的态势，这就说明在絮凝阶段，水中的大尺寸颗粒主要以破碎过程为主，小尺寸颗粒得以不断增加，然而在沉淀过程，大尺寸颗粒呈现一个明显的下降过程，反倒是小尺寸颗粒基本保持不变，这就说明，在沉淀过程中，主要去除的絮凝效果良好，形成大团簇的絮体，而小尺寸的絮体无法在此过程中得到去除，因此，可以明确在絮凝沉淀过程中，主要的目的就是尽量增加大尺寸絮体所占的比例，尽量减小小尺寸絮体的存在，因此，在絮凝过程中，除了需要让颗粒不断碰撞聚集，也需要进行破碎过程，使得絮体能够增加更多的碰撞机会，尽量包裹住游离的小尺寸颗粒，这才是破碎过程的主要目的。

2.2 模型运行结果

在模型运行反应器的过程当中，需要将模型的运行过程改善至连续运行的情况，然后尽量让模型分步运行以记录模型在运行过程中，不同的时间节点的不同运行状况，这就需要将反应过程分成絮凝过程、破碎再絮凝过程和沉淀过程，在絮凝过程中分析反应器中模型中的絮体的絮凝性状，最后在沉淀阶段，分析模型中生成团簇的团簇特征颗粒主要进行着碰撞聚集的任务，然后，经过搅拌桨的搅拌过程，破碎再絮凝，进行分析后可以知道系统中生成的各种团簇的沉降性能以判断系统的运行效果。

在团簇的聚集过程中，系统中颗粒通过不断聚集实现了颗粒的絮凝，可以看到在随着絮凝过程的进行，系统中微小团簇不断的减小，在剩余颗粒还在2 000的情况下，团簇中的微小团簇达到700之多，当系统的粒子达到500时，系统中的微小颗粒已经减小到了80，出现了明显的减小，而在中等团簇的变化中，可以看到在系统的剩余粒子数不断减小的过程中，系统中的中等团簇的数量发生了明显增多的情况，这就说明系统的沉降性能不断的变好，而在大团簇的变化过程中，更是遵循了这一规律，可以看到在大尺寸的变化过程中，在剩余粒子数为2 000的情况下，系统中几乎不存在颗粒聚集特别密集的团簇，而在剩余粒子数为500的情况下，系统中存在的最大团簇的颗粒数已经达到了38，大尺寸团簇的明显增多也表明了系统中的团簇生长越来越成熟，其沉降性能越来越好。

3 结语

1)在沉淀过程中，沉淀对大型絮体去除效果良好，但对单个粒子的去除效率几乎为零，即沉淀无法去除游离的单个粒子。2)模型沉淀的讨论中，中等团簇(5个～20个粒子)和大团簇(20个粒子以上)的即可认为去除，但小团簇(小于5个粒子)在沉淀过程中无法去除，破碎重组过程的主要目的即是增加这一部分粒子的去除。3)颗粒的释放密度增大，颗粒的总去除率增大，剩余颗粒中的小团簇较少，应对此种情况需要给予充分的运行时间，使得单个粒子能够获得更多碰撞凝聚的机会。

[1] 谭万春,廖晓希,李杰华,等.水中泥沙颗粒聚集的二维数值模拟——单体凝聚模型[J].长沙理工大学学报(自然科学版),2010,7(4):49-54.

[2] 秦朝燕,邱祖民,陈文有.絮凝体的三维DLA模型分形模拟[J].南昌大学学报(工科版),2010,32(2):122-126.

[3] 李浩宇.给水处理工艺微絮凝阶段表征及强化控制机制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学博士论文，2013.

[4] 张 峰,刘文亚,张福先,等.计算异向流斜板沉淀池特定颗粒沉速的新方法[J].天津建设科技,2013，6(23):33-34.

The feasibility analysis on limited area aggregation model applied in sedimentation simulation

Liu Keda Liu Mingchao

(Tianjin Municipal Engineering Design Institute, Tianjin 300051, China)

Through the experiment, analyzed the sedimentation effect in water treatment process, using the conclusions obtained from the experiment, researched the feasibility of limited area aggregation model applied in precipitation simulation, pointed out the sedimentation role only removing formed good floc particles, while the small size floc drifting on water under certain role would breakage and the small size flocs content increased.

sedimentation tank, model, floc, reactor

1009-6825(2016)12-0115-02

2016-02-17

刘克达(1991- )，男； 刘明超(1987- )，男

X703

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