新型微旋流混凝反应器的设计及应用

夏婷婷

(吉林建筑大学城建学院，吉林长春 130111)



新型微旋流混凝反应器的设计及应用

夏婷婷

(吉林建筑大学城建学院，吉林长春 130111)

混凝沉淀技术是控制水质的重要方法，它能有效地去除水中的粗分散体系和胶体杂质。本文根据微旋流混凝的动力学原理，设计一套新型微旋流混凝反应装置，利用该装置对污水厂二级出水进行实验室模拟试验。实验结果表明：混凝剂投加量40mg/L是高岭土去除率的变化点；絮凝时间大于10min时，高岭土去除率随混凝剂投加量的增加先增大后减小，絮凝时间小于等于10min时，去除率随混凝剂投加量的增加而增大。

微旋流；混凝；设计；去除率

1 微旋流混凝反应器设计原理

1.1 高密度微分场理论的提出

杨少华、黄继国、刘壮等人在《絮凝过程中的高密度微分场理论及其应用研究》一文中首次提出强化絮凝过程的高密度微分场理论[1]。该理论是在混凝动力学的基础上发展起来的，其主要理论依据是水力学及混凝动力学。由于水流在运动的过程中会形成一定尺度的涡旋，而这些涡旋只有在与水中颗粒尺寸相近的情况下才能引起颗粒的碰撞。高密度微分场就是通过控制水力条件使水流中的涡旋与颗粒尺寸相近，同时，增加涡旋数量，从而促进颗粒碰撞，提高混凝效率。

1.2 微旋流絮凝的基本原理

根据高密度微分场理论提出的微旋流絮凝技术，速度梯度和惯性力以场的形式分布于流体空间，梯度场与惯性力场同时存在于漩涡中，梯度场也存在于绕流挡板表面附近的空间内[1]。若在絮凝池的空间内形成大量的小尺度速度梯度和惯性力场，通过对场的微分化与高密度化，可提高整个流体空间场的平均强度以及场强度的均匀度，从而改善絮凝过程的效率和效果[2-6]。因此，在设计中于反应器内安装了与水流方向垂直的绕流挡板以形成速度梯度和增加漩涡，在流经绕流挡板时遇到阻碍产生微小的旋流，通过速度梯度和惯性力作用使水中微粒最大限度地发生有效碰撞，从而达到理想的絮凝效果[7]。

2 混凝反应器的设计

反应器采用有机玻璃板制成，尺寸为长×宽×高=460mm×505mm×360mm(包括外壁及底厚)，反应器四周及内部隔板厚5mm，底厚10mm。反应器分配水区、廊道反应区、出水区三个部分。廊道反应区为4个廊道，4个廊道为对比实验(过水断面宽度不同)，反应器尺寸详见表1。反应器进水口为直径30mm的圆孔，设置孔心高度为距反应器内底200mm。配水区与廊道间有直径为10mm的圆孔进行均匀配水。出水口设置高度为距反应器内底300mm，出水口为直径10mm的圆孔，每个廊道设置一个。在反应器各侧面的底部设置放空孔口，直径为10mm。设计图见图1(a为反应器平面图，b、c、d分别为反应器1-1、2-2、3-3剖面图)。

表1 反应器尺寸 mm

图1 反应器设计图

3 实验方案

本文利用自主设计的微旋流混凝反应器研究混凝剂投加量、絮凝时间对高岭土去除效果的影响。通过调节进水流量控制混凝反应时间，在絮凝时间分别为30min、15min、10min、8min条件下进行混凝剂投加量为30mg/L、35mg/L、40mg/L、43mg/L、48mg/L、55mg/L的正交实验。沉淀时间为20min，为防止已沉淀的絮体发生扰动，用10ml的去针头注射器采取沉淀容器中的上清液进行测定分析。

4 实验结果及讨论

新型混凝设备对高岭土去除率(即SS去除率)随PAC浓度的变化见图2。有如下分析：

图2 高岭土去除率随PAC浓度变化图

(a)絮凝时间为30min时，反应器4个廊道出水的高岭土去除率都是随PAC浓度的增加先增大后减小并逐渐趋于平缓，去除率从高到低依次为3#、2#、1#、4#。当PAC浓度为30mg/L时，2#廊道和3#廊道的去除率可以达到70%，远高于1#廊道和4#廊道的去除率；当PAC浓度为40mg/L时，1#和4#廊道去除率达到最大，分别为90.8%和73.9%，2#和3#廊道的去除率分别为90.8%和91.4%；当PAC浓度为43mg/L时，2#和3#廊道去除率达到最大，分别为91.5%和92.2%。出现以上现象的原因是：当PAC浓度小于40mg/L时，随着投药量的增加，PAC使高岭土胶体脱稳，发生絮凝反应，形成絮体，形成的大颗粒絮体又对新进入反应器的细小絮体颗粒进行捕捉沉降，使高岭土去除率不断增加。随着投药量的进一步增加，PAC不但没有提高混凝效果，反而去除率降低的原因是随着混凝剂投加量的增多，胶体表面均被高分子覆盖，两胶粒接近时，受到高分子的阻碍而不能聚集，导致胶体重新稳定。

(b)絮凝时间为15min时，4个廊道的高岭土去除率都是随PAC浓度的增加先增加后减小，而去除效率达最大值时的混凝剂投加量相比絮凝时间为30min时却增大了。当PAC浓度为40mg/L时，1#和2#廊道除率达最大，分别为74%和82%；当PAC浓度为48mg/L时，3#和4#去除率达到最大，分别为90%和78.9%。从总体上看，3#廊道去除率一直保持最高；2#去除率变化幅度最大，可以得出结论为2#廊道所形成的絮体受PAC浓度影响最大，4#次之；除4#廊道外，其余3个廊道的最大去除率相比絮凝时间为30min时均降低；3#去除率虽然随PAC浓度增加提高较小，但3#去除率在PAC浓度为30mg/L时就远高于其他三个廊道，并呈逐渐升高趋势。出现上述变化趋势的原因同(a)。

(c)絮凝时间为10min时，4个廊道的去除率都是随PAC浓度的增加而增加。4个廊道的初始去除率相近，在PAC浓度小于40mg/L时，3#去除率增加较其他三个廊道快；而当PAC浓度大于40mg/L后，4#廊道去除率增加速率较快，其余3个廊道去除率增加速率相近；3#廊道混凝最好，2#廊道次之。当混凝剂投加量为55mg/L时，反应器4个廊道去除率均达到最大值，1#、2#、3#、4#廊道最大去除率依次为82.8%、87.8%、86%、82.8%。出现以上现象的原因是：絮凝时间变短，PAC还未来得及与胶体粒子完全反应就被排出反应器，随着混凝剂投加量的增大，单位时间内胶体粒子发生碰撞并形成的絮体的几率变大，因此，去除率提高。

(d)絮凝时间为8min时，4个廊道的去除率都是随PAC浓度的增加而增加，4个廊道的去除率变化趋势一致。当PAC浓度大于43mg/L时，去除率增加缓慢并趋于平稳。当混凝剂投加量为55mg/L时，4个廊道去除率均达到最大值，1#、2#、3#、4#廊道最大去除率依次为80%、84%、87%、76%。出现上述变化趋势的原因同(c)。

5 结论

在反应器稳定运行阶段研究反应器运行与混凝剂投加量和絮凝时间的关系，得出以下结论：

(1)混凝剂投加量40mg/L是高岭土去除率的变化点。

(2)絮凝时间大于10min时，高岭土去除率随混凝剂投加量的增加而先增大后减小；絮凝时间小于等于10min时，高岭土去除率随混凝剂投加量的增加而增大。

(3)混凝剂投加量为40mg/L、絮凝时间为8min、沉淀时间为20min的模拟试验条件下，该混凝反应器出水高岭土去除率可达到80%以上，完全满足回用水标准。

[1]杨少华,黄继国,刘壮,等.絮凝过程中的高密度微分场理论及其应用研究[J].中国给水排水,2006(19):78-81.

[2]杨开明.折板絮凝池流场试验研究与数值模拟[D].成都：西南交通大学,2009.

[3]戈军,荆肇乾,吕锡武,等.微分旋流絮凝技术在小城镇水厂扩建改造中的应用[J].中国给水排水,2006(22):29-31.

[4]许保玖,龙腾锐.当代给水与废水处理原理[M].北京:高等教育出版社,2000.

[5]徐立群,王芳,何钟怡.反应池中颗粒惯性作用的影响分析[J].中国给水排水,2002(3):44-47.

[6]王绍文.惯性效应在絮凝中的动力学作用[J].中国给水排水,1998(2):13-16.

[7]刘壮.微分旋流絮凝池[P].中国专利,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，硕士，从事环境监测、环境影响评价、环境污染防治等研究。

X524

A

2095-7602(2016)10-0026-04