垂向異重流式分離鰓在靜水中的集成試驗(yàn)

張 翔，邱秀云，李 琳，趙 濤，羅 菲

(1.新疆水利水電勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源研究中心，新疆 烏魯木齊 830052)

對高渾濁且含大量極細(xì)沙的水，目前生產(chǎn)上采取加化學(xué)藥劑絮凝后用斜板或斜管沉淀池進(jìn)行水沙分離，從而得到標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)用水和生活用水.這種靜態(tài)分離清水的方法處理周期長，分離裝置的造價高，并且經(jīng)添加化學(xué)藥劑得到的清水對人體健康和周邊環(huán)境都有害.有資料表明，加絮凝劑的均化混凝過程需要消耗大量電力，而且自來水中殘留的聚丙烯酰胺遇鐵就分解成有毒的丙烯酰胺單體，對人體非常有害;水廠淤泥排放至河道可致魚類死亡，導(dǎo)致環(huán)境污染［1］.

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院的邱秀云、楊力行教授［2］發(fā)明的一種新型水沙分離裝置——垂向異重流式混合物分離鰓(以下簡稱“分離鰓”)對渾水進(jìn)行分離，不添加任何化學(xué)藥劑，將渾水中泥沙(包括黏土)分離并取出“清水”，其分離速度是泥沙在靜態(tài)下沉降速度的1.9～3.7倍，與添加化學(xué)藥劑進(jìn)行水沙分離的速度相近.因此用該裝置對水沙進(jìn)行分離得到的清水，極大地改善了水質(zhì)，對人體健康和周邊環(huán)境都非常有利，是一種綠色環(huán)保的分離裝置，同時也將降低分離清水的投資成本.該裝置已申請國家實(shí)用新型專利.

朱超等［3］對分離鰓分離水沙機(jī)理進(jìn)行了初步研究，然后又對分離鰓的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)［4－6］;而這些試驗(yàn)只是針對單個分離鰓進(jìn)行的，將分離鰓集成后的水沙分離效果如何，還需要進(jìn)一步研究.本文主要討論分離鰓的集成試驗(yàn)研究，即對分離鰓應(yīng)用于實(shí)際工程中的集成型式以及不同濃度下分離鰓與沉淀池的不同面積比時水沙分離效果進(jìn)行試驗(yàn)研究.

1 分離鰓的集成型式

考慮到分離鰓用于實(shí)際工程中的制作及施工，經(jīng)分析比較，決定采用懸掛式集成型式，即把分離鰓懸掛在沉淀池中.由于分離鰓與沉淀池是2個獨(dú)立體，這樣的集成型式優(yōu)點(diǎn)是制作簡單、施工方便，同時也便于原有沉淀池安裝分離鰓的工程改造.懸掛式集成型式的最大優(yōu)點(diǎn)是方便沉淀池的清淤和維修.在對沉淀池進(jìn)行清淤和維修時，只需將懸掛在沉淀池中分離鰓取出即可.

2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)材料

圖1(a)為用于沉淀池的分離鰓示意圖.該分離鰓是在原分離鰓的側(cè)壁上打一些小孔，小孔的布置要保證分離鰓內(nèi)泥沙流下降、清水上升的環(huán)流不被破壞.分離鰓的結(jié)構(gòu)形式采用文獻(xiàn)［3－5］優(yōu)化出的結(jié)果.圖1(b)為分離鰓用于沉淀池的集成示意圖.試驗(yàn)裝置主要包括沉淀池 (用水箱代替)和分離鰓.為了比較水沙分離效果，裝置中安裝了分離鰓沉淀池與普通沉淀池2個沉淀池(見圖1(b)).分離鰓沉淀池是將分離鰓均勻地懸掛于沉淀池中而形成.

本試驗(yàn)選用新疆烏魯木齊鯉魚山的天然黃土作為模型沙，其顆粒級配見圖2.顆粒粒徑大于0.075mm的占0.3%，小于0.050mm的占90%以上，小于0.010mm的占37%，其中值粒徑d50為0.015mm.試驗(yàn)所用的儀器主要有:電子天平、玻璃燒杯、量筒、秒表、刻度尺、數(shù)碼照相機(jī)和6個分離鰓.

圖1 試驗(yàn)分離鰓Fig.1 Separation device in the sedimentation tanks

圖2 鯉魚山黃土顆粒級配曲線Fig.2 The loess size distribution curve of Liyushan hill

3 試驗(yàn)現(xiàn)象和分析

首先用蒸餾水與所選用的模型沙調(diào)配成不同濃度的渾水，攪拌均勻后倒入2個沉淀池中.利用刻度尺和秒表記錄渾液面下降的時間和位置，并利用數(shù)碼相機(jī)拍照記錄，即完成1個試驗(yàn)過程.再改變分離鰓的數(shù)量，重復(fù)上述步驟.

本試驗(yàn)配置的渾水含沙質(zhì)量濃度分別是200，150，100和80kg/m3，現(xiàn)對不同質(zhì)量濃度下不同分離鰓數(shù)量的水沙分離效果進(jìn)行分析.

3.1 分離鰓數(shù)量對分離速度的影響

圖3為含沙質(zhì)量濃度分別為100和80kg/m3時，不同數(shù)量分離鰓沉淀池和普通沉淀池在不同時間內(nèi)的泥沙沉降速度.

圖3 不同濃度渾水和不同數(shù)目分離鰓的泥沙沉降速度Fig.3 Sediment settling rate under different densities and different numbers of the separation device

從圖3可見，分離鰓沉淀池中泥沙沉降速度比普通沉淀池中的泥沙沉降速度要快很多;經(jīng)計算，分離鰓沉淀池渾水分離速度是泥沙在靜態(tài)下沉降速度的1.6～3.3倍，與文獻(xiàn)［2－4］得出的結(jié)果相近，這就表明集成分離鰓群對加速水沙分離也有很好的效果.

從圖3亦可見，水沙分離速度與沉淀池中所布置的分離鰓數(shù)目密切相關(guān):安裝6個分離鰓的泥沙沉降速度是分別安裝4個和2個分離鰓的泥沙沉降速度的2.1和2.4倍，本試驗(yàn)沉淀池中最多容納6個分離鰓，其中以安裝6個分離鰓的沉淀池的渾水分離速度為最快.布置分離鰓數(shù)量越多，相應(yīng)的鰓片就越多，即泥沙沉淀表面積越大，顆粒沉淀距離縮短，泥沙沉淀速度就越快.表1為不同數(shù)量分離鰓中的不同泥沙沉降速度.

表1 不同數(shù)量分離鰓中的泥沙沉降速度Tab.1 Sediment settling rate under different numbers of separation device

由表1可見，分離鰓數(shù)量對泥沙沉降分離速度的影響非常明顯，分離鰓數(shù)量越多，沉淀表面積越大，泥沙沉降速度越快，沉降相同距離用時越短.

設(shè)分離鰓水平截面面積為A1，沉淀池水平截面面積為A2，令η=A1/A2.如果沉淀池中布滿了分離鰓，則η=1.由試驗(yàn)得出含沙質(zhì)量濃度為80kg/m3時靜水中集成式分離鰓的數(shù)量與泥沙沉降速度之間的關(guān)系為:

式中:v為泥沙沉降速度(mm/s);η為分離鰓與沉淀池面積比.

3.2 渾水含沙質(zhì)量濃度對分離速度的影響

圖4是渾水含沙質(zhì)量濃度分別為80，100，150和200kg/m3時，6個分離鰓的沉淀池和普通沉淀池在不同時間內(nèi)的泥沙沉降速度.由圖可見:(1)加速下沉階段.在t=0～15min左右時段內(nèi)，沉降速度隨著時間的增加而迅速增大，分離鰓沉淀池沉速增大幅度是普通沉淀池的1.6～3.3倍;(2)減速下沉階段.分離鰓沉淀池的沉降速度達(dá)到峰值后急劇回落，在t=15～25min后的時段內(nèi)下降到與普通沉淀池相同的水平，甚至小于普通沉淀池中的泥沙沉降速度，此階段主要是集成分離鰓下部渾水含沙質(zhì)量濃度太大，從而使泥沙沉降速度減小.

普通沉淀池一般在t=0～5min為加速下沉階段，沒有減速下沉階段，不同含沙質(zhì)量濃度的渾水都在約5min后進(jìn)入勻速下沉階段，泥沙沉降速度變化幅度都很小.

圖4 不同時間、不同濃度渾水的泥沙沉降速度Fig.4 Sediment settling rate under different densities and time

表2為分離鰓沉淀池與普通沉淀池的沉淀時間.由表2可見，在相同初始條件和外界條件下，普通沉淀池完成一次沉淀試驗(yàn)的時間為45～60min，而分離鰓沉淀池僅需15～25min.兩者的渾液面下降相同高度，分離鰓沉淀池要比普通沉淀池節(jié)省時間58.3% ～66.7%.

表2 分離鰓沉淀池與普通沉淀池的沉淀時間Tab.2 Sediment settling time with the separation device and the normal sedimentation tanks

整體靜止沉降試驗(yàn)呈現(xiàn)出渾水濃度越大，沉降速度越小，沉降時間越長的趨勢，但總體上來看，無論渾水濃度如何變化，凡分離鰓沉淀池的泥沙沉降速度的峰值都是普通沉淀池的3倍左右.

4 結(jié)語

本文通過對垂向異重流式分離鰓在靜水中的集成試驗(yàn)研究分析，得到分離鰓的數(shù)量對泥沙沉降速度有很大的影響，并遵循分離鰓數(shù)量越多，泥沙沉降速度越快的規(guī)律，極大地減少了泥沙沉降時間;且渾水含沙質(zhì)量濃度越大，沉降速度越小，沉降時間越長.試驗(yàn)不僅僅驗(yàn)證了單個分離鰓在沉淀池中對加速水沙分離有很好的效果，更進(jìn)一步研究出分離鰓的集成對加速水沙分離也有同樣良好的效果.本試驗(yàn)只是基于靜水沉降得出的結(jié)論，如何將分離鰓集成應(yīng)用到實(shí)際中，還需進(jìn)行一系列動態(tài)水條件下的集成試驗(yàn)研究.

［1］上海市政工程設(shè)計研究院.給水排水設(shè)計手冊(第3冊):城鎮(zhèn)給水［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004:477-546.(Municipal Engineering Investigation and Design Institute of Shanghai.Water and wastewater manual(Article 3 copies):Urban water supply［M］.Beijing:China Building Industry Press，2004:477-546.(in Chinese))

［2］邱秀云，龔守遠(yuǎn)，嚴(yán)躍成，等.一種新型水沙分離裝置的研究［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，30(1):68-70.(QIU Xiuyun，GONG Shou-yuan，YAN Yao-cheng.The research on a new separator device for water-sediment［J］.Journal of Xinjiang Agricultural University，2007，30(1):68-70.(in Chinese))

［3］朱超，邱秀云，嚴(yán)躍成，等.垂向異重流式水沙分離鰓水沙分離機(jī)理淺析［J］.水利水電科技進(jìn)展，2007，29(5):20-23.(ZHU Chao，QIU Xiu-yun，YAN Yao-cheng，et al.Analysis on the mechanism of vertical-component density flow watersediment separation device［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2007，29(5):20-23.(in Chinese))

［4］朱超，邱秀云，劉艷.“垂向異重流式水沙分離鰓”鰓片型式對水沙分離的影響研究［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，31(6):72-75.(ZHU Chao，QIU Xiu-yun，LIU Yan.Effects of gill-piece pattern of vertical-component density flow watersediment separation device on water sand separation［J］.Journal of Xinjiang Agricultural University，2008，31(6):72-75.(in Chinese))

［5］朱超，邱秀云，孫鑫.“垂向異重流式分離鰓”鰓片傾角對水沙分離影響的試驗(yàn)研究［J］.人民黃河，2009，31(7):86-87.(ZHU Chao，QIU Xiu-yun，SUN Xin.Effects of dip angle of gill-piece in vertical-component density flow water-sediment separation device on water sand separation［J］.Yellow River，2009，31(7):86-87.(in Chinese))

［6］朱超，龔守華，邱秀云，等.垂向異重流式水沙分離鰓鰓片間距對水沙分離的影響研究［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，32(2):78-81.(ZHU Chao，GONG Shou-hua，QIU Xiu-yun，et al.Effects of spacing of gill-piece in vertical-component density flow water-sediment separation device on water sand separation［J］.Journal of Xinjiang Agricultural University，2009，32(2):78-81.(in Chinese))