內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器分離性能研究

劉培坤，趙金禹，楊興華，張悅刊，戚威盛

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590）

0 引言

采用常規(guī)混凝沉淀法處理污水時(shí)，污水中懸浮物含量高、粒級(jí)細(xì)、比重輕的顆粒難以除去，而且設(shè)備占地面積大，能耗高，處理工藝成本高［1-4］。為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。李春玉等［5］改進(jìn)的異型六邊形斜管，通過(guò)增大沉淀面積來(lái)提高沉淀性能。郭大林等［6］對(duì)圓錐型斜板沉淀池進(jìn)行改進(jìn)，改善設(shè)備排泥性能，提高設(shè)備穩(wěn)定性。王文鑫等［7］對(duì)現(xiàn)有的雙層平流沉淀池進(jìn)行改進(jìn)，下向流雙層平流沉淀池沉淀效果更優(yōu)異。ABU-KHADER等［8］將明礬添加到旋流分離設(shè)備來(lái)提高對(duì)礦井水的處理性能，結(jié)果表明，加入明礬后，大粒徑顆粒去除率提高4%，小粒徑顆粒去除率提高15%。HAYASHI等［9］運(yùn)用超聲波照射與光催化協(xié)同處理技術(shù)，污水中污泥體積減少約50%。JUNG等［10］通過(guò)雙頻超聲波技術(shù)溶解污水中的污泥。MADAN等［11］采用上升流厭氧污泥床（UASB）和下流懸掛海綿預(yù)處理組合工藝進(jìn)行城市污水處理，對(duì)懸浮物具有較高的去除效率，但存在工藝較為復(fù)雜的問(wèn)題。CANO等［12］通過(guò)熱處理法降解污水中污泥顆粒，并實(shí)現(xiàn)能量的回收，但回收工藝較為復(fù)雜，且回收率并不高。YUAN等［13］采用輻射工藝處理污水，通過(guò)對(duì)污水中污泥進(jìn)行降解處理，固含量明顯降低，污水中的污泥顆粒得到了充分降解，但這種工藝成本較高，且技術(shù)尚不成熟。任勇翔等［14］設(shè)計(jì)了一種漏斗形渦流澄清器，并通過(guò)FLUENT模擬選定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)旋渦流作用使得污水與藥劑充分接觸反應(yīng)，經(jīng)過(guò)多次回流加速混凝以達(dá)到處理效果，但其混凝強(qiáng)度并不高。朱瑞林等［15］介紹了一種振蕩流澄清器，通過(guò)在澄清器底部加設(shè)振蕩結(jié)構(gòu)部件，測(cè)量不同振蕩條件下混凝沉降曲線，從而考察各條件的變化對(duì)混凝效果的影響。CARISSIMI等［16］開(kāi)發(fā)了一種在線混合螺旋反應(yīng)器，通過(guò)液壓流動(dòng)使得絮體顆粒在線混凝，具有較短的混凝時(shí)間和較高的抗剪切性。

綜上所述，眾多學(xué)者研發(fā)設(shè)計(jì)了形式多樣的污水澄清設(shè)備，取得了一系列成果。但是，上述方法仍存在設(shè)備復(fù)雜、能耗大，成本高的問(wèn)題。鑒于此，本文提出了用內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器處理污水，結(jié)合了磁絮凝、旋流分離和導(dǎo)流筒的延長(zhǎng)絮凝共同作用強(qiáng)化分離效果。污水經(jīng)過(guò)管道混合器與磁種子和絮凝劑充分混合后以一定壓力由切向入口進(jìn)入澄清器，形成離心場(chǎng)，加快磁絮體混合與沉降［17］；內(nèi)置導(dǎo)流筒可以增加微砂絮體的碰撞頻率，延長(zhǎng)絮凝時(shí)間，絮體運(yùn)動(dòng)距離更長(zhǎng)，從而增加絮體的絮凝效果。通過(guò)試驗(yàn)研究導(dǎo)流筒外徑、傾斜角、插入深度、進(jìn)口速度等結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)變化對(duì)澄清器出水水質(zhì)的影響規(guī)律，并通過(guò)正交試驗(yàn)得出最有參數(shù)組合。

1 內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器原理與結(jié)構(gòu)

內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器的工作原理與結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器由進(jìn)料口、溢流管、內(nèi)置導(dǎo)流筒、外筒圓柱段、外筒圓錐段和底流口組成。進(jìn)料口用于污水進(jìn)入澄清器內(nèi)部，外筒圓柱段和外筒圓錐段用于絮體的形成和沉降，內(nèi)置導(dǎo)流筒用于增加顆粒碰撞幾率，延長(zhǎng)絮凝時(shí)間，溢流管用于清液和小絮體的流出，底流口用于大絮體的匯集和排出。污水先經(jīng)過(guò)管道混合器與磁種子和絮凝劑充分混合后由進(jìn)料口進(jìn)入澄清器，大小絮體在絮凝區(qū)受旋流與微旋渦作用下發(fā)生碰撞絮凝，絮體自上向下運(yùn)動(dòng)，大絮體沿外筒圓柱段經(jīng)過(guò)絮凝區(qū)沉降到外筒圓錐段，繼續(xù)沿外筒圓錐段滑落到底流由底流口外排，不能沉降的較小絮體隨水流由溢流管流出。

圖1 內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器原理與結(jié)構(gòu)Fig.1 Principle and structure of cyclone clarifier with built-in guide tube

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)煤質(zhì)顆粒來(lái)源于濟(jì)寧某高品質(zhì)煤礦，利用礦物粉碎機(jī)將煤質(zhì)顆粒粉碎，使其顆粒粒度最大不超過(guò)65 μm，由表1可見(jiàn)，污水中＜20 μm粒級(jí)含量為72.70%，粒徑較小，難以用混凝沉淀法去除。

表1 高濃礦井水粒度組成Tab.1 Particle size composition of high concentration mine water

試驗(yàn)采用懸浮物測(cè)定儀懸浮物含量－1Z、便攜式濁度儀WGZ－1B、JS94H型微電泳儀和PH計(jì)等儀器，測(cè)出污水物理性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 高濃礦井水物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of high concentration mine water

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了更好地探究?jī)?nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器對(duì)礦井水處理的分離性能，設(shè)計(jì)了如圖2所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由污水池、潛水泵、靜態(tài)混合器、蠕動(dòng)泵、內(nèi)置導(dǎo)流筒型旋流澄清器等組成，工藝流程為：高濃度礦井水儲(chǔ)存在污水桶中，由循環(huán)泵進(jìn)行攪拌，經(jīng)潛水泵泵入澄清系統(tǒng)，藥劑添加順序?yàn)镻AC→微砂→PAM；在靜態(tài)混合器中充分混合形成絮體，沿切線方向進(jìn)入澄清器，在澄清器中繼續(xù)絮凝并快速沉降，實(shí)現(xiàn)泥水分離，達(dá)到良好的澄清效果。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)流程Fig.2 Experimental system flow chart

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 對(duì)比試驗(yàn)

采用有內(nèi)置導(dǎo)流筒和無(wú)內(nèi)置導(dǎo)流筒兩種結(jié)構(gòu)，在處理量相同的情況下對(duì)污水進(jìn)行處理，測(cè)得溢流出水水質(zhì)見(jiàn)表3。由表3可知，在同等處理量條件下，內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器的澄清性能大幅度提高，懸浮物含量由178.6降低到43.8 mg/L，相對(duì)降低了75.48%；濁度由33.6降低到7.9 NTU，相對(duì)降低了76.49%；溢流顆粒數(shù)由32 217降低到13 021個(gè)/mL，相對(duì)降低了59.58%；Zata電位絕對(duì)值降低了0.67，pH值降低了0.15，這是因?yàn)樾躞w首先要在澄清器絮凝區(qū)停留一段時(shí)間，進(jìn)行旋流絮凝，并受流體軸向作用力，快速沉降到澄清器底部。未充分絮凝的小絮體沿內(nèi)置導(dǎo)流筒外壁經(jīng)過(guò)過(guò)渡區(qū)進(jìn)入澄清區(qū)，由周邊向中心聚集，引起小絮體的二次碰撞長(zhǎng)大，二次長(zhǎng)大的絮體在中心區(qū)域沉降到錐段沉降區(qū)。

表3 有無(wú)內(nèi)置導(dǎo)流筒澄清器出水水質(zhì)對(duì)比Tab.3 Comparison of effluent water quality of the clarifier with or without built-in guide tube

內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器與傳統(tǒng)旋流澄清器相比，增加了絮體的碰撞，控制水力沿程為先向下后上升，延長(zhǎng)了絮凝時(shí)間，沉降速度快，澄清效果好。具有占地面積小，能耗低，可連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 內(nèi)置導(dǎo)流筒外徑對(duì)處理性能影響

內(nèi)置導(dǎo)流筒的外徑對(duì)入口處的橫截面積影響較大，進(jìn)而影響絮體旋流澄清器初始速度，并對(duì)分離性能產(chǎn)生影響。本次試驗(yàn)在保證其他參數(shù)不變的情況下，依次調(diào)節(jié)外徑為190，180，170，160 mm。內(nèi)置導(dǎo)流筒外徑對(duì)礦井水處理性能影響如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著內(nèi)置導(dǎo)流筒外徑的增大，懸浮物含量由164.3 mg/L下降到39.8 mg/L，濁度由20.4 NTU下降到7.9 NTU，溢流顆粒數(shù)由13 834個(gè)/mL下降到11 936個(gè)/mL。這是由于隨著內(nèi)置導(dǎo)流筒外徑的增大，絮凝區(qū)軸向橫截面積減小，小絮體之間的碰撞增加，形成大絮體在澄清區(qū)沉降。當(dāng)外徑過(guò)大時(shí)，絮體受到的剪切力更大，由進(jìn)料口進(jìn)入的絮體直接與內(nèi)置導(dǎo)流筒碰撞，破碎形成細(xì)小絮體，小絮體被帶入溢流流出，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。

3.3 內(nèi)置導(dǎo)流筒傾斜角對(duì)處理性能影響

內(nèi)置導(dǎo)流筒傾斜角對(duì)進(jìn)口處到過(guò)渡區(qū)的速度梯度和內(nèi)置導(dǎo)流筒末端絮凝區(qū)與澄清區(qū)的橫截面積之比影響較大，進(jìn)而影響絮體在過(guò)渡區(qū)的沉降性能，對(duì)分離性能產(chǎn)生影響。在保證其他參數(shù)不變的情況下，依次調(diào)節(jié)導(dǎo)流筒傾斜角為 0°，1°，2°，3°，4°。傾斜角對(duì)礦井水處理性能的影響如圖4所示。由圖4可知，懸浮物含量、濁度、溢流顆粒數(shù)隨傾斜角的增大均呈現(xiàn)先降低后上升的變化規(guī)律，在傾斜角為2°時(shí)，懸浮物含量、濁度、溢流顆粒數(shù)達(dá)到最小值。這是因?yàn)殡S著傾斜角增大，內(nèi)置導(dǎo)流筒末端絮凝區(qū)與澄清區(qū)的橫截面積之比也隨之增大，絮體的分離性能也隨之增強(qiáng)，且速度略有降低，大絮體的破碎也隨之降低，溢流水質(zhì)變好；但傾斜角過(guò)大時(shí)，會(huì)壓縮內(nèi)置導(dǎo)流筒末端中心沉降區(qū)面積，導(dǎo)致被流體帶入澄清區(qū)的較大絮體無(wú)法沉降到沉降區(qū)，由溢流流出，導(dǎo)致溢流水質(zhì)變差。

圖4 導(dǎo)流筒傾斜角對(duì)礦井水處理性能影響Fig.4 Influence of inclination angle on mine water treatment performance

3.4 內(nèi)置導(dǎo)流筒插入深度對(duì)處理性能影響

通過(guò)改變內(nèi)置導(dǎo)流筒上部圓柱體高度，進(jìn)而改變內(nèi)置導(dǎo)流筒的插入深度。內(nèi)置導(dǎo)流筒的插入深度對(duì)絮凝時(shí)間有較大影響，并間接改變沉降區(qū)高度，對(duì)沉降性能產(chǎn)生影響。在保證其他參數(shù)不變的情況下，依次調(diào)節(jié)插入深度為0，50，100，150，200 mm，插入深度對(duì)礦井水處理性能影響如圖5所示。

圖5 導(dǎo)流筒插入深度對(duì)礦井水處理性能影響Fig.5 Influence of insertion depth on mine water treatment performance

由圖5可知，懸浮物含量、濁度、溢流顆粒數(shù)隨插入深度的增加均呈現(xiàn)先降低后上升的變化規(guī)律，在插入深度為50 mm時(shí)，懸浮物含量、濁度、溢流顆粒數(shù)達(dá)到最小值。這主要是因?yàn)殡S著插入深度的增加，絮體在絮凝區(qū)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，大、小絮體互相碰撞絮凝成更大絮體進(jìn)入沉降區(qū)，進(jìn)入溢流的小絮體減少。但過(guò)大的插入深度會(huì)對(duì)沉降區(qū)產(chǎn)生較大影響，已經(jīng)沉降的絮體受流場(chǎng)作用在沉降區(qū)形成漩渦，被帶入溢流，導(dǎo)致溢流出水水質(zhì)變差。

3.5 進(jìn)口速度對(duì)處理性能的影響

進(jìn)口速度通過(guò)改變澄清器內(nèi)部流體速度，從而改變內(nèi)部旋流和離心強(qiáng)度，并直接影響澄清器外流場(chǎng)域初始速度，進(jìn)而影響澄清器分離性能。本次試驗(yàn)在處理量為0.6 m3/h和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變進(jìn)口處橫截面積來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)口速度。本次試驗(yàn)的進(jìn)口速度分別為0.46，0.93，1.63，2.41 m/s，不同進(jìn)料速度對(duì)澄清器的出水水質(zhì)影響如圖6所示。由圖6可知，懸浮物含量、濁度、溢流顆粒數(shù)隨進(jìn)口速度增加均呈現(xiàn)先降低后上升的變化規(guī)律，進(jìn)口速度為0.93m/s時(shí)，懸浮物含量、濁度、溢流顆粒數(shù)達(dá)到最小值。這表明適當(dāng)增加進(jìn)口速度有利于絮體的絮凝和沉降。但過(guò)大的進(jìn)口速度會(huì)導(dǎo)致絮體破碎。

圖6 進(jìn)口速度對(duì)礦井水處理性能影響Fig.6 Influence of inlet velocity on mine water treatment performance

3.6 正交試驗(yàn)

針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響，選取以下參數(shù)通過(guò)正交試驗(yàn)的方法研究其對(duì)旋流澄清器分離性能的影響：進(jìn)口速度為0.46，0.93 和 1.63 m/s；插入深度為 0，50，100 mm；外徑為 160，170，180 mm；傾斜角為 0°，2°和 4°。試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表4。本次試驗(yàn)為四因素三水平試驗(yàn)，選用L9（43）四因素三水平正交表，進(jìn)行9組試驗(yàn)，見(jiàn)表5。

表4 因素水平表Tab.4 Factor level table

由正交試驗(yàn)表5可知，在試驗(yàn)序號(hào)4，5，6中進(jìn)口速度相同的情況下，隨著內(nèi)置導(dǎo)流筒外徑的增大，懸浮物含量和濁度逐漸降低，并結(jié)合單因素試驗(yàn)由此可以預(yù)測(cè)，3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中，導(dǎo)流筒外徑對(duì)澄清器的處理性能影響最大，即外徑是顯著因素，同時(shí)對(duì)應(yīng)的外徑×傾斜角和外徑×插入深度同樣也是顯著因素，而結(jié)合單因素和正交試驗(yàn)，可以預(yù)測(cè)插入深度屬于不顯著因素，對(duì)澄清器的處理性能影響較小。

表5 正交試驗(yàn)表Tab.5 Orthogonal test table

采用懸浮物含量和濁度作為出水水質(zhì)判定的標(biāo)準(zhǔn)。利用極差法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表6和7。

表6 正交試驗(yàn)分析（懸浮物含量指標(biāo)）Tab.6 Orthogonal test analysis（Index of suspended matter content）

以懸浮物含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 6，其中 K1j，K2j，K3j為各因素試驗(yàn)的指標(biāo)之和，k1j，k2j，k3j為平均值，根據(jù)其值可以確定最優(yōu)組合參數(shù)，R為極差，反應(yīng)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度。由表6分析結(jié)果可知，通過(guò)極差值R的大小對(duì)比，影響旋流澄清器處理性能的主次因素順序?yàn)椋哼M(jìn)口速度＞外徑＞傾斜角＞插入深度。最佳參數(shù)組合為：進(jìn)口速度0.93 m/s、外徑180 mm、插入深度 50 mm、傾斜角 2°。

從表7平均值可以得出，最佳參數(shù)組合為：進(jìn)口速度0.93 m/s、外徑180 mm、插入深度50 mm、傾斜角2°。通過(guò)極差值R的大小對(duì)比，影響旋流澄清器處理性能的主次因素順序?yàn)椋哼M(jìn)口速度＞外徑＞傾斜角＞插入深度。

表7 正交試驗(yàn)分析（濁度指標(biāo)）Tab.7 Orthogonal test analysis（turbidity index）

綜上所述，進(jìn)口速度對(duì)懸浮物含量和濁度影響最大，這是由于進(jìn)口速度的大小直接影響絮體的形成狀態(tài)。確定好最佳參數(shù)組合后，在原水懸浮物含量約為800 mg/L，濁度約為80 NTU下，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得懸浮物含量可降低到36.2 mg/L，濁度可降低為7.7 NTU，溢流顆粒數(shù)為12 010個(gè)/mL。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)比普通旋流澄清器，內(nèi)置導(dǎo)流筒旋流澄清器澄清性能大幅度提高，懸浮物含量相對(duì)降低了75.48%；濁度相對(duì)降低了76.49%；溢流顆粒數(shù)相對(duì)降低了59.58%。

（2）隨著傾斜角、插入深度、外徑、進(jìn)口速度的增加，礦井水處理性能先增加后降低，當(dāng)外徑為180 mm、傾斜角為2°、插入深度50 mm、進(jìn)口速度為0.93 m/s時(shí)，懸浮物含量、濁度、溢流顆粒數(shù)達(dá)到最小值。

（3）通過(guò)正交試驗(yàn)得出：在原水懸浮物含量約為800 mg/L，濁度約為80 NTU下，當(dāng)進(jìn)口速度為0.93 m/s、外徑為180 mm、傾斜角為2°、插入深度50 mm時(shí)，懸浮物含量降低到36.2 mg/L，濁度降低到7.7 NTU，溢流顆粒數(shù)為12 010個(gè)/mL。