溢流擋板型旋流澄清器分離性能試驗(yàn)研究

王曉雷，仝勝錄，劉承博

（1.北京低碳清潔能源研究院，北京102211；2.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100011；3.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100011；4.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

混凝-沉淀組合處理法是目前常用的煤泥水處理方式，但該處理方式對于粒徑小于50μm的懸浮物去除能力較差，并且處理設(shè)備環(huán)保效益較低〔1-3〕。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。張廣遠(yuǎn)〔4〕利用預(yù)處理+HERO（高效反滲透）工藝處理某煤化工廠廢水，通過嚴(yán)格控制系統(tǒng)各個(gè)單元的pH和加藥量，使HERO系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定，其出水可滿足工業(yè)循環(huán)冷卻水補(bǔ)水水質(zhì)的要求。朱丫盼〔5〕對某煤礦井下礦井水進(jìn)行了超磁分離井下處理工藝的改造實(shí)踐研究，水中懸浮物的去除率平均可達(dá)97.5%。C.Desjardins等〔6〕在污水處理的絮凝過程中加入少量微砂，探究微砂對絮凝效果的影響，得出微砂的加入可以提高絮凝效果，增大沉降速度，改善出水水質(zhì)。但上述方法仍然存在投資成本高、運(yùn)行成本高、工藝復(fù)雜等問題〔7-8〕。針對上述問題，劉培坤等〔9-10〕提出了一種錐盤旋流澄清器，并加入磁種子輔助絮凝，增加了沉降面積，減小了設(shè)備占地面積，但處理密度小、粒度細(xì)的煤泥水時(shí)仍存在沉降速度慢、溢流濁度高的問題。

為進(jìn)一步優(yōu)化錐盤旋流澄清器的分離性能，筆者提出溢流擋板型錐盤旋流澄清器，該澄清器以錐盤旋流器為基礎(chǔ)，在溢流管底部設(shè)置擋板以防止小絮體在內(nèi)旋流的作用下進(jìn)入溢流管，同時(shí)加入微砂強(qiáng)化絮凝。設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)研究方案，旨在探究錐盤個(gè)數(shù)、錐盤插入深度對旋流器澄清性能的影響。

1 工作原理

1.1 絮體運(yùn)動(dòng)分析

圖1為錐盤旋流澄清器原理圖。

圖1 錐盤旋流澄清器

如圖1（a）所示，擋板型錐盤旋流澄清器主要由進(jìn)料口、溢流管、筒體、底流口、錐盤以及溢流管底部擋板構(gòu)成。物料進(jìn)入管道混合器，在管道混合器內(nèi)與通過蠕動(dòng)泵打入的絮凝劑混合后形成絮體，混合的物料沿澄清器的切向進(jìn)料口以一定速度進(jìn)入澄清器內(nèi)。由圖1（b）可知，形成的大絮體在外旋流的作用下沿澄清器壁進(jìn)入沉降區(qū)域，最終從底流口排出；形成的小絮體會(huì)在內(nèi)旋流的作用下上升，但擋板的存在使其無法進(jìn)入溢流管，轉(zhuǎn)而伴隨流體進(jìn)入錐盤，并在錐盤間不斷碰撞成新的大絮體，之后進(jìn)入沉降區(qū)從底流口排出。

1.2 微砂絮體沉降分析

微砂絮體沉降速度如式（1）所示。

式中：ν——微砂絮體沉降速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

δ——絮體顆粒密度，kg/m3；

μ——絮體顆粒黏度，mPa·s；

ρ——液體密度，kg/m3；

d——絮體顆粒直徑，m。

由式（1）可知，絮體沉降速度ν與絮體顆粒密度δ和絮體顆粒直徑d正相關(guān)，即隨著絮體顆粒密度和體積的增大，沉降速度變快，故加入微砂可強(qiáng)化絮凝效果，有效提升沉降效率。

根據(jù)DLVO理論〔10〕，微砂絮體顆粒之間總能量Vt=Va+Ve+Vb+Vs1+Vs2，其中Va、Ve、Vb、Vs1、Vs2分別代表范德華作用、雙電層作用、架橋作用、膠體吸附作用、微砂吸附作用。

圖2所示為微砂絮體形成原理，可知與常規(guī)絮體受力對比，加入微砂后，形成的絮體更加密實(shí)，在運(yùn)動(dòng)過程中，該種絮體不容易被剪切破碎；而常規(guī)絮體由于密度較小，致密性差，在運(yùn)動(dòng)過程中容易被剪壞，絮體形成與剪切過程如圖2（b）所示。

圖2 微砂絮體形成原理

2 試驗(yàn)物料及試驗(yàn)裝置

為探究擋板型錐盤旋流澄清器的分離性能，設(shè)計(jì)了如圖3所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，并搭建實(shí)驗(yàn)臺，試驗(yàn)所用澄清器柱段直徑200 mm、柱段高度600 mm、溢流口直徑40 mm、底流口直徑30 mm、進(jìn)料口直徑20 mm、錐段錐角60°。以煤泥水為試驗(yàn)物料，SS 800~900 mg/L、濁度120~130 NTU、Zeta電位10~15 mV、pH 8~9，其粒度分布見表1。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)

表1 煤泥水粒度分布

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 擋板對絮凝效果的影響

溢流管底部擋板的加入改變了澄清器內(nèi)部的流場，進(jìn)而影響了澄清器的分離性能，因此設(shè)計(jì)了有擋板和無擋板結(jié)構(gòu)的對比試驗(yàn)，旨在探究擋板結(jié)構(gòu)對澄清器分離性能的影響。

表2所示為在錐盤個(gè)數(shù)為9，錐盤插入深度為200 mm，處理量為0.6 m3/h的情況下，有擋板型澄清器與無擋板型澄清器溢流出水水質(zhì)對比。相較于無擋板型澄清器，有擋板型澄清器SS去除率相對提高10.57%，濁度去除率相對提高15.99%，進(jìn)入溢流管的絮體顆粒數(shù)相對降低12.33%。結(jié)果表明，底部擋板的加入阻止了小絮體顆粒進(jìn)入溢流管，進(jìn)而使其進(jìn)入錐盤進(jìn)行二次沉降，提高了分離性能，繼而提升出水水質(zhì)。

表2 相同處理量下?lián)醢鍖Τ鏊笜?biāo)的影響

3.2 微砂對絮凝效果的影響

表3所示為相同處理量下，常規(guī)絮凝、磁種絮凝和微砂絮凝溢流出水水質(zhì)對比。

表3 相同處理量下不同絮凝方式出水指標(biāo)對比

由表3可知，加入適當(dāng)配比濃度的磁種后，相比于常規(guī)絮凝，SS去除率和濁度去除率分別提升51.12%和73.5%，溢流絮體顆粒數(shù)降低39.7%。這是因?yàn)榇欧N能夠吸附水中的不溶性污染物以及小粒徑懸浮顆粒并與之結(jié)合形成絮體；同時(shí)磁種本身具有較大的密度，能夠加速絮體的沉降。加入適當(dāng)配比濃度的微砂后，相比于常規(guī)絮凝，SS去除率和濁度去除率分別提升40.9%和61.4%，溢流絮體顆粒數(shù)降低31.5%。這是由于微砂也同樣具有粒徑小、密度大的特點(diǎn)，并且能夠增加形成的絮體的抗剪強(qiáng)度，減少分離過程中絮體的破碎。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，加入磁種子后，相較于加入微砂，SS去除率和濁度去除率分別提升10.22%和12.1%，溢流顆粒數(shù)降低8.2%，總體提升效果不大，但考慮到磁種的高成本以及對環(huán)境的污染，本試驗(yàn)采用成本更低并且更加環(huán)保的微砂來強(qiáng)化絮凝。

3.3 錐盤個(gè)數(shù)對分離性能的影響

澄清器中的錐盤能夠增加沉降面積，改善絮凝效果，故改變錐盤個(gè)數(shù)會(huì)對澄清器分離性能產(chǎn)生較大影響。本次試驗(yàn)設(shè)定錐盤間距為20 mm，并保證溢流管插入深度以及溢流管底部到底流口的距離不變，探究了錐盤個(gè)數(shù)對澄清器分離性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 不同錐盤個(gè)數(shù)下澄清器的分離效果

由圖4可知，隨著錐盤個(gè)數(shù)從5增加到9，SS去除率從71.3%增大到85.3%，濁度去除率從33.5%增加到43.5%，溢流顆粒數(shù)由5 532個(gè)/mL減小到4 835個(gè)/mL；但是當(dāng)錐盤個(gè)數(shù)繼續(xù)增加到11時(shí)，SS和濁度去除率以及溢流顆粒數(shù)都逐漸穩(wěn)定，無明顯變化。

這是因?yàn)殄F盤個(gè)數(shù)的增加使得澄清器內(nèi)的總體沉降面積增大，上浮的小絮體能夠有更多的機(jī)會(huì)接觸錐盤并在其表面絮凝成大絮體；但錐盤個(gè)數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致溢流管上部錐盤離進(jìn)料口較近，此處流速較大，絮體所受剪切力也較大，上浮的小絮體無法在此絮凝。綜上，在一定范圍內(nèi)增加錐盤個(gè)數(shù)可提高分離性能，而當(dāng)錐盤個(gè)數(shù)達(dá)到9以后，繼續(xù)增加錐盤個(gè)數(shù)無法進(jìn)一步提升旋流器性能。

3.4 錐盤插入深度對澄清器性能的影響

錐盤插入深度是指溢流管底部錐盤到澄清器筒體頂部之間的距離，錐盤的插入深度不同導(dǎo)致流體在錐盤處的流場發(fā)生變化，進(jìn)而影響流體在錐盤上的沉降時(shí)間。本次試驗(yàn)在保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)（擋板、錐盤間距、個(gè)數(shù)）不變的前提下，僅改變溢流管插入深度以達(dá)到調(diào)節(jié)錐盤插入深度的目的，并設(shè)置100、150、200、250 mm四個(gè)插入深度來探究其對澄清器分離性能的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，當(dāng)錐盤插入深度從100 mm增加到200 mm時(shí)，SS去除率由68.4%增大到81.8%，濁度去除率由33.4%提升到42.6%，溢流顆粒數(shù)由6 435個(gè)/mL減小到4 936個(gè)/mL；當(dāng)錐盤插入深度從200 mm增加到250 mm時(shí)，SS和濁度去除率降低，溢流顆粒數(shù)增大。

圖5 不同錐盤插入深度下澄清器的分離效果

這是由于在一定范圍內(nèi)增加錐盤的插入深度會(huì)減小錐盤到底部沉降區(qū)的距離，在內(nèi)旋流作用下上浮的小絮體會(huì)更容易落在錐盤上進(jìn)行二次絮凝沉降。若錐盤插入深度太淺，首先會(huì)導(dǎo)致錐盤離進(jìn)料口太近，此處流速較大，絮體所受剪切力也較大，大絮體在剪切力的作用下會(huì)被剪碎成小絮體，影響絮凝效果，同時(shí)較大的流速會(huì)使得絮體在錐盤上的停留時(shí)間太短，小絮體無法充分絮凝；其次，由于底部沉降區(qū)距離錐盤較遠(yuǎn)，上浮的小絮體無法到達(dá)錐盤進(jìn)行二次絮凝，直接從溢流管排出，因此導(dǎo)致出水水質(zhì)較差。但當(dāng)錐盤插入深度過大時(shí)，底部錐盤距離錐段太近，對沉降區(qū)流場會(huì)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，使得原本已經(jīng)沉降完全的絮體重新進(jìn)入紊亂狀態(tài)，部分大絮體進(jìn)入溢流管，降低出水水質(zhì)。

3.5 工業(yè)試驗(yàn)

依據(jù)小試試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)并制作1臺處理量為10 m3/h的溢流擋板型錐盤旋流澄清器，在某礦進(jìn)行中試試驗(yàn)，處理煤礦洗車廢水。中試試驗(yàn)主要設(shè)備有旋流澄清器、管道混合器、微砂、潛污泵、控制柜、計(jì)量泵、攪拌器和PAC、PAM加藥裝置。利用潛污泵將廢水抽出，在管道混合器中與通過計(jì)量泵打入的PAC、微砂和PAM充分混合絮凝后，以一定進(jìn)料速度切向進(jìn)入旋流澄清器，最后在澄清器旋流作用、錐盤二次絮凝作用以及溢流管底部擋板阻擋作用下沉降，處理后的底流進(jìn)行間歇排放（現(xiàn)場每隔4 h排1次），而溢流從溢流管流出后可達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)，并可滿足洗車、沖洗地面、沖洗廁所等要求。某煤礦現(xiàn)場洗車廢水SS在500 mg/L左右，經(jīng)處理后溢流可降至75 mg/L以下，而底流為80 000 mg/L，SS去除率可達(dá)85%。

4 結(jié)論

（1）溢流擋板的加入防止了部分小絮體進(jìn)入溢流管，較無擋板澄清器，新型澄清器SS去除率相對提高10.57%，濁度去除率相對提高15.99%，溢流絮體顆粒數(shù)相對降低12.33%。

（2）微砂的加入可增加形成絮體的體積，提升沉降速度，加入微砂后，相比于常規(guī)絮凝SS去除率和濁度去除率分別提升40.9%和61.4%，溢流絮體顆粒數(shù)降低31.5%。

（3）錐盤個(gè)數(shù)的增加，增大了沉降面積，強(qiáng)化了絮凝效果，但錐盤個(gè)數(shù)繼續(xù)增加到11時(shí)，頂部錐盤距離進(jìn)料口太近，錐盤處流速過大，不利于沉降。

（4）錐盤插入深度增加，在內(nèi)旋流作用下上浮的小絮體更易在錐盤上碰撞形成大絮體，促進(jìn)沉降，進(jìn)而提升分離性能；繼續(xù)增加插入深度到250 mm時(shí)，錐盤進(jìn)入沉降區(qū)，對沉降區(qū)的絮體產(chǎn)生較大擾動(dòng)，降低分離性能。

（5）經(jīng)中試試驗(yàn)，某煤礦現(xiàn)場洗車廢水SS在500 mg/L左右，經(jīng)處理后溢流可降至75 mg/L以下，而底流為80 000 mg/L，SS去除率可達(dá)85%。