自結晶固液分離循環(huán)造粒流化床結構設計研究

馬躍華，盛 飛，陳 峰，文 興

（國能朗新明環(huán)?？萍加邢薰?，北京100039）

固液分離流化床設備處理低溫低濁水時，絮凝反應區(qū)內顆粒物生長緩慢，結團絮凝體穩(wěn)定性差，出現(xiàn)低濁水懸浮物供應不足、絮凝反應區(qū)結團絮凝體失穩(wěn)易被破壞的問題。現(xiàn)有技術的流化床設備需要投加微砂或粉末灰作為晶種。

投加的微砂或粉末碳為絮凝區(qū)內的結團體提供高密度的凝聚核，從而提高絮凝區(qū)結團體的密度。在高分子助凝劑吸附架橋和高密度結團體致密作用下，水中脫穩(wěn)膠體在微砂晶核上附著，進而達到截留水體中懸浮物的效果。該技術以結團絮凝技術為核心，通過投加微砂作為載體，提高結團體密度，強化結團絮凝對低濁水的凈化效果。于泮池等[1]認為結團絮凝是在克服傳統(tǒng)絮凝過程的隨機絮凝，該技術可有效提高絮體密度，提高水處理效率。

由于微砂或粉末灰最終會通過排泥管排出，從而微砂或粉末灰存在消耗問題，因此需要定時補充。微砂或粉末灰最后進入污泥系統(tǒng)，經(jīng)過污泥處理系統(tǒng)（如板框壓濾機），最后存在于泥餅中。在這個過程中，一是微砂或粉末灰的存在加劇了板框壓濾機濾布的磨損，二是泥餅在后續(xù)處理時，若進行外運填埋則存在對生態(tài)環(huán)境的破壞；若進行干化處理，則微砂或粉末灰的存在使得干化成本增加。

因此，本文提出了自結晶固液分離循環(huán)造粒流化床的結構優(yōu)化設計方案。

1 結構研究

1.1 原理介紹

沉淀物的形成需要經(jīng)歷晶核成核和晶核生長兩個過程[2-3]。晶核是過飽和溶液中初始生成的微小晶粒。在晶體生長過程中，晶核是核心。晶核成核包括初級成核和二次成核。初級成核是溶液達到過飽和后在無晶體存在的條件下自發(fā)成核，二次成核是在已有晶體存在的條件下形成晶核[4]。初級成核分為初級均相成核和初級異相成核。構晶離子在過飽和溶液中聚集、自發(fā)析出形成晶核稱均相成核；當溶液中存在外來固體物質時，誘導構晶離子在固體表面沉積形成晶核稱為異相成核[5]。在沉淀過程中引入適宜的晶種，降低反應的過飽和度，抑制初級均相成核，并提供較大的接觸面積，有利于異相成核的發(fā)生，促進細顆粒沉淀的結晶長大，這種在沉淀過程中添加晶種誘導細顆粒沉淀長大的方法稱為誘導結晶法。

本文提出的自結晶固液分離循環(huán)造粒流化床，通過特殊的結構設計，無需投加微砂或粉末灰，利用污泥回吸回流進入循環(huán)結晶區(qū)，污泥區(qū)的細小顆粒進入循環(huán)結晶區(qū)后，在絮凝區(qū)內攪拌器的攪拌混合及內循環(huán)流的雙重作用下，為污泥顆粒的生成提供結晶晶核，利用誘導結晶的原理，形成結晶顆粒，實現(xiàn)了流化床內部的自結晶，回流進入絮凝區(qū)的污泥加速進水的絮凝反應過程。在自下而上水流的作用下，絮凝區(qū)的絮體利用結團絮凝原理，形成懸浮污泥層。懸浮污泥層中的絮體顆粒在形成與成長過程中，粒徑和密度也在發(fā)生著不斷的變化。較小的微絮體不斷進入懸浮污泥層，隨水流上升的過程中被致密的懸浮污泥層所攔截，使已成結團體與微絮體發(fā)生碰撞吸附，結團體粒徑不斷增大，當其生長成熟，開始下沉。這樣懸浮污泥層在特定的條件下會周而復始地進行更替，并保持一定的動態(tài)平衡。

1.2 結構組成

自結晶固液分離循環(huán)造粒流化床，主要包括由下至上依次設置的支腿、第一動力設施、污泥區(qū)、循環(huán)結晶區(qū)、固液分離區(qū)、封頭、第二動力設施等部件。如圖1所示。

圖1 自結晶固液分離循環(huán)造粒流化床三維剖面前視圖

1.3 結構描述

自結晶固液分離循環(huán)造粒流化床的污泥區(qū)、循環(huán)結晶區(qū)、固液分離區(qū)和封頭構成密閉結構。第一動力設施與污泥區(qū)相連，第二動力設施與固液分離區(qū)相連。

循環(huán)結晶區(qū)包括外筒體、中筒體和內筒體，與污泥區(qū)的負壓部件一起形成內循環(huán)通道和外循環(huán)通道，第一動力設施連接有可順時針和逆時針旋轉的第一攪拌部件，固液分離區(qū)包含若干分離管。

污泥區(qū)包括進水管、負壓部件和排泥管等。負壓部件連接在進水管里側末端，污泥區(qū)底部為錐形，排泥管位于污泥區(qū)一側。

循環(huán)結晶區(qū)與污泥區(qū)、固液分離區(qū)連通。循環(huán)結晶區(qū)包括由外到內依次設置的外筒體、中筒體、內筒體，以及外循環(huán)導流圈、導流部件、內循環(huán)導流圈、負壓部件。外循環(huán)導流圈設置在中筒體上方，導流部件設置在中筒體底部且與中筒體密封連接，內循環(huán)導流圈設置在內筒體上方，負壓部件的出口設置在中筒體的底部中央。

在內筒體、內循環(huán)導流圈、中筒體的內壁和導流部件之間形成內循環(huán)通道；在外循環(huán)導流圈、中筒體外壁、外筒體的內壁和負壓部件之間形成外循環(huán)通道。在內筒體內部形成絮凝區(qū)。中筒體支撐在負壓部件上，外循環(huán)導流圈為上小下大的頂部敞口結構且底部與筒體頂部密封連接，導流部件是縱向剖面為圓滑的W形軸對稱結構，負壓部件穿過導流部件。內筒體通過支撐筋懸空連接在中筒體內部且無筒底，內循環(huán)導流圈有空隙覆蓋在內筒體上部并向下延伸。

第一動力設施包括設置污泥驅動電機、第一攪拌部件等。污泥驅動電機設置在污泥區(qū)底部外側，第一攪拌部件與污泥驅動電機輸出軸相連，第一攪拌部件可順時針和逆時針雙向轉動。

第二動力設施包括設置絮凝驅動電機、第二攪拌部件等。絮凝驅動電機設置在封頭上部外側，第二攪拌部件與絮凝驅動電機輸出軸相連。

第一攪拌部件包括第一攪拌軸、第一槳葉、刮泥板等。第一攪拌軸與污泥驅動電機輸出軸連接，若干個第一槳葉均勻交錯對稱分布在第一攪拌軸上部，刮泥板設置在第一攪拌軸下部。第一攪拌軸位于污泥區(qū)內，刮泥板位于污泥區(qū)內部筒底，第一槳葉的長度從下到上逐漸增加，負壓部件固定設置在第一攪拌軸上部末端。第二攪拌部件包括第二攪拌軸、第二槳葉等。第二攪拌軸與絮凝驅動電機輸出軸連接，若干個第二槳葉均勻分布在第二攪拌軸上，第二攪拌軸穿過固液分離區(qū)插入循環(huán)結晶區(qū)內。第一槳葉與第一攪拌軸之間通過逆時針超越離合器連接，刮泥板與第一攪拌軸之間通過順時針超越離合器連接。

負壓部件包括外罩、本體和漸擴部件；外罩密封連接在漸擴部件下部且設置有供進水管穿過的開口，外罩側面設置有分布均勻的豎向柵格條形孔，外罩底面設置有沿中心均勻分布的橫向柵格條形孔；本體位于外罩內側且與外罩之間具有液體流動的通道，本體與漸擴部件下部具有空隙；本體包括一端與進水管連通的進水腔和設置在進水腔另一端的噴射喉管，噴射喉管為下大上小的錐形管狀結構，漸擴部件內徑為下小上大的錐形且底部內徑大于噴射喉管的上部內徑。如圖2所示。

圖2 負壓部件及進水管剖面結構圖

固液分離區(qū)包括從下至上設置的懸浮污泥區(qū)、高效分離區(qū)和產(chǎn)水區(qū)，產(chǎn)水區(qū)包括位于產(chǎn)水區(qū)一側的產(chǎn)水口，高效分離區(qū)包括緊密排列的若干分離管，分離管包括管體、第一球頭、第二球頭、第一球桿和第二球桿，第一球頭的直徑大于第二球頭的直徑，第一球桿的長度小于第二球桿的長度，第一球頭通過第一球桿以90°間隔分組固定在管體的內壁上，第二球頭通過第二球桿以90°間隔分組固定在管體的內壁上，在管體中間形成供液體流動的通道，第一球頭和相鄰層的第二球頭呈交錯45°分布，第一球頭和第二球頭從上至下間隔分布。

在分離管內部底側設置有兩塊交錯的呈X型分布的交叉板。

2 運行研究

自結晶固液分離循環(huán)造粒流化床在使用過程中，來水通過進水管進入負壓部件，在噴射喉管的作用下，水流以高速進入漸擴部件，隨后進入內筒體的內腔。高速水流在漸擴部件的起始根部產(chǎn)生負壓，從而使得負壓部件產(chǎn)生抽吸力，在負壓抽吸力的作用下，污泥區(qū)的泥水以及細微顆粒被抽吸進入內腔，從而在循環(huán)結晶區(qū)進行循環(huán)。在循環(huán)結晶區(qū)內，設有第二攪拌部件，依據(jù)不同的進水介質及進水懸浮物含量，絮凝驅動電機采用變頻設計，第二槳葉按照設定的轉速進行攪拌，初級懸浮物在絮凝區(qū)進行團結形成輕質懸浮污泥。通過負壓部件抽吸進入的細小污泥顆粒對絮凝區(qū)的來水起到誘導結晶作用，污泥顆粒起到晶種作用，大大加速絮凝區(qū)細小顆粒之間的相互團聚長大，促進細小顆粒在晶種表面的吸附，以及晶種之間的相互吸附聚集，在強制內循環(huán)的作用下，水流在內循環(huán)通道循環(huán)，不斷結團絮凝，最終形成懸浮污泥，進入懸浮污泥區(qū)。如圖3所示。

圖3 內循環(huán)及外循環(huán)流向示意圖

懸浮污泥區(qū)的懸浮污泥不斷地攔截來自循環(huán)腔的細小顆粒，細小顆粒在懸浮污泥層攔截下不斷繼續(xù)吸附聚集長大，從而使得懸浮污泥層的密度不斷加大。當懸浮污泥層的密度大于進水密度時，懸浮污泥層將要下落，在外循環(huán)導流圈的導流下，以及外循環(huán)的水流流向運動下，懸浮污泥層通過外循環(huán)通道下落至污泥區(qū)進行沉淀濃縮，污泥驅動電機逆時針轉動帶動逆時針超越離合器驅動第一槳葉進行污泥的均質，第一槳葉依據(jù)污泥區(qū)的坡形結構設計為從上到下槳葉交錯變短的結構設計，在第一槳葉作用下，污泥區(qū)的污泥避免了上下層泥水密度不均的問題，同時均質后，隨同懸浮污泥進入污泥區(qū)的細小污泥顆粒得以進行流動并利于進入負壓部件，從而為絮凝區(qū)的反應提供誘導結晶晶種。

透過懸浮污泥區(qū)進入高效分離區(qū)的細小污泥顆粒，隨同向上水流進入分離區(qū)的各個分離管。在每一個分離管上設計有一定傾角的X型交叉板，水流通過交叉板后產(chǎn)生強力漩渦流，隨后在分離管內第一球頭和第二球頭的交錯作用下，對透過懸浮污泥區(qū)的固液進行強制切割剝離，從而使得細小顆粒得以在分離管內剝離，在漩渦流的作用下，細小顆粒加速匯集沉淀并回落至懸浮污泥區(qū)，從而實現(xiàn)高效的固液分離效果。

通過負壓部件的抽吸作用，不僅將污泥區(qū)的細小污泥顆粒抽吸進入絮凝區(qū)為絮凝反應提供誘導結晶晶種，同時減少了污泥區(qū)的含水率，即增大了污泥區(qū)的污泥含固率，同時，通過第二槳葉的轉動實現(xiàn)了污泥區(qū)的污泥均質。

當污泥區(qū)污泥含固率達到設定值，打開排泥管，污泥驅動電機通過順時針超越離合器驅動刮泥板進行運行，加速污泥的外排。

3 結構優(yōu)勢

（1）具有內部自結晶功能。無需投加微砂或粉末灰，利用負壓部件實現(xiàn)污泥回吸回流進入循環(huán)結晶區(qū)，污泥區(qū)的細小顆粒進入循環(huán)結晶區(qū)后，為污泥顆粒的生成提供結晶晶核，形成結晶顆粒，實現(xiàn)流化床內部的自結晶。

（2）具有強制循環(huán)功能。利用流體力學進行結構設計，通過W型底和導流圈的聯(lián)合作用，實現(xiàn)循環(huán)結晶區(qū)水流的高效循環(huán)。

（3）具有污泥均質功能。污泥驅動電機具有逆時針、順時針雙向轉動功能，當污泥驅動電機連接軸逆時針轉動時通過逆時針超越離合器可驅動均質第一槳葉逆時針轉動進行污泥的整體均質。當污泥驅動電機連接軸順時針轉動時，通過順時針超越離合器使得刮泥板順時針轉動進行工作，在打開污泥排出閥后，可加快污泥的外排速度。流化床逆時針超越離合器的作用是利用污泥驅動電機連接軸逆時針轉動通過逆時針超越離合器可驅動均質槳葉進行逆時針轉動，此時刮泥板在順時針超越離合器的作用下，保持靜止狀態(tài)。流化床順時針超越離合器的作用是利用污泥驅動電機連接軸順時針轉動通過順時針超越離合器可驅動刮泥板進行順時針轉動，此時第一槳葉在逆時針超越離合器的作用下，保持靜止狀態(tài)。

（4）具有二次強制循環(huán)的雙循環(huán)功能，即內循環(huán)+外循環(huán)。進入污泥區(qū)的細小顆粒，在負壓部件的負壓抽吸作用下，強制進入絮凝區(qū)進行再次長大，同時外腔存在由上向下的水流流向，該水流能夠帶動懸浮污泥區(qū)沉降下來的污泥借助外循環(huán)導流圈的導向作用，進入污泥區(qū)。

（5）具有強力漩渦流功能。進水水流通過分離區(qū)X型交叉板時產(chǎn)生強力漩渦流，隨后通過固液分離管內球狀觸頭的交錯配置，對固液進行強制切割剝離，從而使得通過懸浮污泥區(qū)進入高效分離區(qū)的細小顆粒得以在分離管內剝離并匯集沉淀進入懸浮污泥。

4 結論

通過對流化床的結構進行不斷優(yōu)化改進，研制自結晶固液分離循環(huán)造粒流化床。

利用回吸回流進入循環(huán)結晶區(qū)的污泥細小顆粒，為污泥結晶顆粒的生成提供結晶晶核，利用誘導結晶原理，形成結晶顆粒，實現(xiàn)了流化床內部的自結晶?；亓鬟M入絮凝區(qū)的污泥加速進水的絮凝反應過程，最后通過懸浮污泥層，達到固液分離的效果。

耦合自結晶、雙循環(huán)、結團絮凝、循環(huán)造粒、污泥均質、固液分離、強力漩渦流技術，研制一體化新型流化床設備，將對我國水處理技術裝備的發(fā)展起到重要的推動和指導作用。