旋流分離器在控制城市雨水徑流污染中的可行性研究

潘振學 易利芳(.安徽理工大學地球與環(huán)境學院 安徽 淮南 300；.湖州環(huán)科環(huán)?？萍加邢薰?浙江 湖州 33000)

0 前言

面源污染已成為我國城市水環(huán)境破壞的重要原因[1]。雨水徑流所攜帶沉積物中的養(yǎng)分進入水體成為水體富營養(yǎng)化的重要因素[2]。一些研究結果表明，雨水主要污染物是COD和懸浮固體(SS)，道路初期徑流中也含有鉛、酚、石油類及合成洗滌劑等成分。[3]

旋流分離技術在雨水徑流污染控制中的應用是新興的污染控制技術。在發(fā)達國家，旋流分離是常用的技術，占地少，可以安裝在雨水排放口或雨污合流下水道溢流口，取代現有的檢查井，因而不需要額外的土地，特別適合于人口密集的市區(qū)[4-6]。

1 旋流分離器的工作原理

旋流分離器的工作原理是基于離心沉降作用。當需要分離的兩相混合液以一定的速度從旋流器上部周邊切向進入旋流分離器內后，產生旋轉運動，由于固液兩相存在密度差，所受的離心力、向心浮力和流體拽力的大小不同，大部分固相沉淀于旋流器底液相則由溢流口排出從而達到分離的目的[7]。當離心沉降過程中的顆粒粒度很小的時候，可以采用層流狀態(tài)下的Stokes公式，可得如下離心沉降末速度[8]。

式中d為球形固體顆粒直徑；ρ分別為顆粒及介質的密度；μ為介質的動力粘度；r為旋轉半徑；ω為角速度?？梢钥闯觯诟咚俚碾x心力場中，由于ω的值可以很大，因此可以用旋流分離器去除一些重力沉降難以處理的細顆粒。

2 旋流分離器的試驗模擬研究

根據旋流分離的工作原理結合示范區(qū)域雨水徑流中固態(tài)污染物特征，利用傳統(tǒng)的旋流分離技術和復合流場旋流分離技術來實現雨水徑流中固體顆粒物的去除是可行的技術方案。在計算機數值模擬輔助下[9]，設計了一套實驗室用的水力旋流器，旋流器直徑為300mm，進、出口直徑分別為50 mm，材料為有機玻璃。以及曲率半徑為343.0mm，332.5mm，315.0mm的三塊擋板，試驗裝置圖見圖1。

圖1 水力旋流器裝置圖

通過本試驗分析旋流分離器入口直徑d與旋流分離器直徑D之比與分離效率的關系、流速與分離效率的關系、擋板長度及半徑尺寸與分離效率的關系。為設計現場所需旋流分離器的設計指標（含旋流分離器入口直徑d與旋流分離器直徑D，擋板尺寸）提供依據。

試驗所需的材料主要包括：旋流分離器、三個加工好的弧形擋板、PVC外接管、50米消防水帶、金屬水管、計算機、流量計、壓力傳感器、泵產品參數測量儀、直徑為80cm的水泵檢測管路、3kW潛水泵、泥沙、水桶、加沙工具、漏斗、支撐裝置、臺秤及相關安裝工具。試驗平臺的搭建見圖2。

圖2 多功能綜合實驗平臺示意圖

試驗時，利用水泵抽出水池中的清水，通過閥改變泵的出口工況以調整流速，采用螺旋射流加沙裝置加沙，應注意泵出口至流量計需留有足夠距離，同樣液位計與加沙裝置之間也要保證足夠的距離。對排出污水取樣測定SS，進口處SS通過計算求得算術平均值。試驗時對三塊不同擋板、不同插入深度、不同入口流速分別測定其去除效率。

3 結果與分析

表1 實驗數據記錄與處理

通過對三塊不同的弧形擋板、取兩種不同的插入水中深度、在兩種不同的流速下分別進行試驗，共得出12組數據，由于流速是通過泵參數測試儀計時，利用流量和面積來計算，在此直接給出流速數值。實驗結果見表1。

從表1中可知，不同曲率半徑的擋板對于水力旋流器的分離效率較為顯著，隨著曲率半徑的減少，擋板的弧度增大，水流旋轉加劇，根據力學原理，沉降性能好，去除率好。隨著擋板插入深度的增加，在筒體內形成旋流的距離增加，并且擋住了更多的懸浮固體，減少顆粒物短流的形成，有利于顆粒物的去除，去除率增加。當進口流速增加時，在筒體內的形成旋流的角速度增加，旋流沉降末速度增加，可以去除更細顆粒，去除效果增加。根據試驗可知，旋流分離器最佳去除率可達80%以上。

4 結論

通過研究表明，旋流分離器在去除固體顆粒物中有很強的去除作用，最佳去除率可達80%以上，對城市雨水徑流污染物控制起到較好的效果，將旋流分離器應用于控制城市雨水徑流污染物是可行的。相對其他傳統(tǒng)工藝，旋流分離器具有結構簡單、操作容易、處理量大，占地面積小、對于較細顆粒有較好的分離效率等優(yōu)點，對雨水徑流這種具有流量大、SS濃度高、含有大量固態(tài)氮磷污染物的污染源有很強的適用性。這種新型旋流分離器在各城市推廣應用具有很好的前景。

［1］楊柳,馬克明,郭青海,等.城市化對水體非點源污染的影響[J].環(huán)境科學,2006,25(6):32-39.

［2］王宏,李廣賀,張旭,等.暴雨徑流固態(tài)污染物旋流分離研究[J].重慶環(huán)境科學,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,李廣賀,張旭,等.暴雨徑流固態(tài)污染物旋流分離研究[J].重慶環(huán)境科學,2003,25(1):13-16.

［7］楊柳,馬克明,郭青海,等.城市化對水體非點源污染的影響[J].環(huán)境科學,2006,25(6):32-39.

［8］龐學詩.水力旋流器理論與應用[M].長沙:中南大學出版社,2005.

［9］吳春篤,張偉,黃勇強,等.新型旋流分離器內固液兩相流的數值模擬[J].農業(yè)工程學報,2006,22(2):98-102.