高濃度含砂廢水旋流器分離效果試驗(yàn)研究

張俊鵬，黃 衛(wèi)，董亞康，朱亞鵬，陳 雯

(1.中國三峽建設(shè)管理有限公司，成都 610041； 2.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010；3.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 研究背景

水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、無傳動(dòng)部件、生產(chǎn)能力大、分離效率高、占地面積小、操作方便和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，因而在固液分離中應(yīng)用廣泛[1]。由于環(huán)保要求砂石加工廢水零排放，水力旋流器在大型水利水電工程建設(shè)和市政工程建設(shè)等行業(yè)的砂石料加工廢水處理中有較多應(yīng)用，主要作為廢水處理工藝的預(yù)處理環(huán)節(jié)[2-6]。針對(duì)砂石廢水，水力旋流器主要是通過離心力和密度差來實(shí)現(xiàn)砂石廢水中的砂和水進(jìn)行分離。現(xiàn)有水力旋流器研究主要關(guān)注旋流器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)分離效果的影響[7-11]，且分離對(duì)象主要是煤炭、礦物、黃河水[12]、市政污水[13]、疏浚水[14]等。砂石加工廢水中的泥砂顆粒特征與其他行業(yè)有較大差異，主要表現(xiàn)為泥砂粒徑小，中值粒徑多在10 μm左右，>45 μm的含量低。然而，現(xiàn)有旋流器運(yùn)行參數(shù)多為借鑒于其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)值，其合理性還有待研究，尚需開展分離效果影響試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，以提高其經(jīng)濟(jì)性。此外，砂石資源全球性短缺日益加劇，采取有效措施分離回收砂石廢水中的可利用粒徑的泥砂顆粒是“變廢為寶”的有效途徑，因此，研究操作參數(shù)對(duì)底流石粉質(zhì)量的影響有重要意義。

本文以直徑250 mm和150 mm 2種原型規(guī)格水力旋流器為對(duì)象，開展操作參數(shù)和旋流器規(guī)格對(duì)分離效果影響的試驗(yàn)研究。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)原水樣取自白鶴灘3個(gè)砂石加工系統(tǒng)之一的荒田砂石加工廢水處理系統(tǒng)中旋流器進(jìn)水池，通過濃縮后將樣品密封快遞到實(shí)驗(yàn)室，最大限度地保證試驗(yàn)原料的基本特征不發(fā)生變化?；奶锷笆癁樾鋷r，中值粒徑為10.05 μm，其級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 原水樣顆粒粒徑級(jí)配特征Fig.1 Particle size distribution of sandstone

2.2 試驗(yàn)裝置與流程

目前，國內(nèi)砂石廢水處理系統(tǒng)采用的旋流器主要有直徑250 mm和150 mm兩種規(guī)格，因此本文研究選取克萊布斯(Krebs)直徑為250 mm和150 mm 2種規(guī)格的水力旋流器為研究對(duì)象。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)具有專門的旋流器試驗(yàn)平臺(tái)開展試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)安裝有離心泵、試驗(yàn)水池及攪拌器、壓力表等儀器設(shè)備，可以方便更換不同規(guī)格的旋流器開展試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將旋流器安裝到試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)流濃度需要將原料樣稀釋后即可開展試驗(yàn)。

試驗(yàn)流程(見圖2)如下：

(1)配液。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的物料濃度，將所需的原料和清水一起倒入試驗(yàn)水池進(jìn)行攪拌稀釋。

(2)取樣。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定之后分別于進(jìn)口、溢流管出口和底流管出口處進(jìn)行取樣。分別收集 30 s的流出物，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)進(jìn)行3次取樣。

(3)測量與分析。采用濾紙稱重—過濾—烘干—整體稱重的方式進(jìn)行顆粒濃度分析，采用激光粒度儀對(duì)粒徑級(jí)配進(jìn)行測量分析。

(4)更換水力旋流器。清洗實(shí)驗(yàn)裝置，并重復(fù)步驟1—步驟3，直至所有試驗(yàn)完成。

圖2 水力旋流器分離效果試驗(yàn)流程Fig.2 Procedures of separation efficiency experiment of hydrocyclones

2.3 評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)

本文主要以底流濃度、底流產(chǎn)率和濃縮比3個(gè)指標(biāo)對(duì)水力旋流器分離效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中底流產(chǎn)率計(jì)算公式為[15]

(1)

式中：x為底流產(chǎn)率(%)；C入為進(jìn)料濃度質(zhì)量濃度(%)，C入=m固/m混(固體質(zhì)量與固液混合物質(zhì)量之比)；C底為底流質(zhì)量濃度(%)；C溢為溢流質(zhì)量濃度(%)。

濃縮比為底流濃度與進(jìn)料濃度比值，用以判斷水力旋流器的濃縮效果，比值越大表明濃縮效果越好。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 進(jìn)料口壓力對(duì)預(yù)處理效果的影響

圖3為直徑250 mm旋流器不同位置的水樣中泥砂粒徑特征分布曲線。從圖3可以看出，旋流器底流中值粒徑大于進(jìn)料中值粒徑，而溢流中值粒徑小于進(jìn)料中值粒徑，這表明旋流器對(duì)泥砂顆粒進(jìn)行了有效的分離。其分離機(jī)理為：泥砂顆粒在廢水中處于懸浮狀態(tài)，隨著水流沿切線方向進(jìn)入水力旋流器中并隨流動(dòng)水體做回旋運(yùn)動(dòng)，其中密度大、體積大的顆粒在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中受到較大的離心力，在旋流器內(nèi)逐漸靠近器壁，而體積較小的顆粒則相反地逐漸向水力旋流器軸線附近靠近；與此同時(shí)，在強(qiáng)大的離心力作用下，在水力旋流器軸線附近會(huì)形成負(fù)壓，外部氣體將從底流口和溢流口進(jìn)入，從而形成空氣柱，在空氣柱作用下，細(xì)小顆粒與較大顆粒有一個(gè)粗分，細(xì)小顆粒被溢流裹挾自溢流口流出；較大顆粒則從底流口流出。

圖3 旋流器不同位置水樣特征粒徑分布Fig.3 Sand gradations at different parts of hydrocyclones

通過調(diào)節(jié)不同進(jìn)口壓力，以揭示進(jìn)口壓力對(duì)分離效果的影響規(guī)律。根據(jù)旋流器操作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)口壓力一般在0.10～0.20 MPa，故試驗(yàn)中采用了0.10、0.15、0.20 MPa 3個(gè)壓力工況。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同進(jìn)料濃度條件下，壓力對(duì)分離效果的影響規(guī)律一致。因此，本文選取直徑250 mm旋流器高進(jìn)料濃度(18.04%)工況進(jìn)行分析(見圖4)。

圖4 進(jìn)料壓強(qiáng)對(duì)分離效果的影響Fig.4 Impact of inlet pressure on separation efficiency of hydrocyclones

從圖4可以看出，直徑250 mm的旋流器底流產(chǎn)率在30.50%～33.85%之間，底流濃度在58.06%～63.17%之間。直徑150 mm的旋流器底流產(chǎn)率在76.84%～83.08%之間，底流濃度在22.75%～26.41%之間?？梢钥闯鲞M(jìn)口壓力越大，底流產(chǎn)率越高，底流濃度也越大。以直徑250 mm為例，壓力增加1倍，底流濃度從58.06%增加到63.17%，底流產(chǎn)率從30.50%增加到33.85%，壓力增加帶來的底流濃度和產(chǎn)率增加值并不明顯。從表1可以看出進(jìn)口壓力越大，進(jìn)料處理量越大。

對(duì)直徑250 mm旋流器而言，壓力從0.10 MPa增加到0.20 MPa，進(jìn)口流量從75.2 m3/h增加到108.4 m3/h，增加了33.2 m3/h。相應(yīng)地，底流流量從4.93 m3/h 增加到6.61 m3/h，增加了1.68 m3/h；溢流從70.27 m3/h增加到101.79 m3/h，增加了31.52 m3/h。對(duì)直徑150 mm旋流器而言，壓力從0.10 MPa增加到0.20 MPa，進(jìn)口流量從31.2 m3/h增加到42.9 m3/h，增加了11.7 m3/h。相應(yīng)地，底流流量從18.06 m3/h 增加到22.52 m3/h，增加了4.46 m3/h；溢流從13.14 m3/h增加到20.38 m3/h，增加了7.24 m3/h，詳見表1。

表1 直徑250 mm和150 mm旋流器不同壓力下流量分配

這表明，無論是直徑250 mm旋流器還是直徑150 mm旋流器，增加進(jìn)口壓力，底流的流量增加并不明顯，壓力增加主要增加溢流的流量。因此，從流量分配結(jié)果可以看出增加壓力對(duì)于提高底流產(chǎn)量效果不明顯。同時(shí)，從表2還可以看出，壓力越大底流中較粗粒徑(<45 μm)顆粒含量越高。

現(xiàn)有水力旋流器預(yù)處理能力設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中主要關(guān)注進(jìn)料流量(即處理量)，從本文試驗(yàn)結(jié)果來看意義不大，實(shí)際操作時(shí)更應(yīng)關(guān)注底流的產(chǎn)量。從分離特征粒徑上看，進(jìn)料中<45 μm的泥砂顆粒含量約為87%，這意味著進(jìn)料中旋流器可分離的粒徑(>45 μm)的含量很少，導(dǎo)致了底流產(chǎn)率較低，達(dá)不到設(shè)計(jì)的40%～50%，增加了后續(xù)處理工藝的負(fù)荷，造成整套工藝流程處理能力不足，這是部分實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行效果較差的主要原因之一。同時(shí)底流中的細(xì)顆粒(<45 μm)含量仍然很高，超過了50%，其中極細(xì)顆粒(<20 μm)含量在20%左右，對(duì)于有粒徑控制要求的石粉回收工藝而言，將嚴(yán)重影響石粉質(zhì)量。壓力越大，底流中極細(xì)顆粒含量越高，石粉質(zhì)量越差。此外，增加壓力還會(huì)帶來旋流器配件磨損加快、運(yùn)行能耗加大等不利后果，從而導(dǎo)致運(yùn)行成本的上升。因此，從現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果來看，對(duì)于直徑250 mm旋流器，在進(jìn)一步增加壓力對(duì)提高底流產(chǎn)率已無明顯作用的情況下，采用0.10～0.15 MPa的進(jìn)口壓力既能滿足運(yùn)行要求，又具有較好的經(jīng)濟(jì)合理性。對(duì)于直徑150 mm的旋流器，雖然底流產(chǎn)率高，但由于底流濃度(最大約26%)小于高頻篩入篩濃度30%～40%，難以單獨(dú)作為預(yù)處理環(huán)節(jié)設(shè)備進(jìn)行泥砂分離。

表2 不同壓力條件下分離粒徑特征(直徑250 mm)

3.2 進(jìn)料濃度對(duì)預(yù)處理效果的影響

在進(jìn)料壓力相同的條件下(0.10 MPa)，選取了不同濃度的進(jìn)料進(jìn)行分離效果影響試驗(yàn)。其中低濃度工況進(jìn)料濃度為10%左右，高濃度工況進(jìn)料濃度約為18%。由于進(jìn)料濃度對(duì)直徑150 mm旋流器的影響規(guī)律與直徑250 mm旋流器類似。因此選用直徑250 mm旋流器的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。從表3可以看出，在相同進(jìn)料壓力條件下，低濃度工況底流濃度為44.25%，產(chǎn)率為35.33%，高濃度工況底流濃度為58.06%，產(chǎn)率為30.50%，可以看到進(jìn)料濃度增加7.49%左右，底流的濃度增加13.81%，產(chǎn)率減小4.83%。同時(shí)，進(jìn)料濃度增加后，溢流的濃度也增加，從7.45%增加到13.85%，產(chǎn)率從64.67%增加到69.50%。從濃縮效果上看，隨著進(jìn)料濃度的增加，旋流器的濃縮效果下降，低濃度時(shí)濃縮比為4.19，高濃度濃縮比為3.21。因此，進(jìn)料濃度并不是越大越好。從流量上看(表4)，進(jìn)料濃度增加后，底流的流量只有小幅度增加，從4.93 m3/h增加到5.12 m3/h，這表明進(jìn)料流量基本相同的條件下，進(jìn)料濃度對(duì)底流流量影響很小。

表3 直徑250 mm旋流器不同濃度分離效果比較

表4 不同進(jìn)料濃度條件下流量對(duì)比表(進(jìn)料壓力0.10 MPa)

3.3 提高預(yù)處理分離效果的方案探索

試驗(yàn)結(jié)果表明不同濃度條件下，2種規(guī)格旋流器分離效果對(duì)比結(jié)果一致，因此選取高濃度條件進(jìn)行分析闡述。從表5可以看出直徑250 mm旋流器的底流濃度在40%以上，濃縮比>3.0，濃縮效果較好。但存在著產(chǎn)率較低的缺點(diǎn)，產(chǎn)率較低意味著不能將泥砂顆粒從廢水中有效分離，加重了后續(xù)輻流沉淀處理負(fù)荷。直徑150 mm旋流器濃縮效果較差，濃縮比為1.28，即使在高濃度進(jìn)料情況下，底流濃度仍然很低，為22%左右，無法滿足底流高頻振動(dòng)篩對(duì)濃度的要求，難以形成石粉層，加大了后續(xù)脫水處理的難度，亦不能有效進(jìn)行泥水分離。

表5 不同直徑旋流器分離效果比較

根據(jù)2個(gè)規(guī)格旋流器成果，在直徑250 mm基礎(chǔ)上適當(dāng)減小旋流器直徑可以增加產(chǎn)率；在直徑150 mm旋流器基礎(chǔ)上增加直徑可以提高底流濃度。綜合來看，直徑200 mm旋流器可能既滿足底流濃度要求又能提高底流產(chǎn)率，但需要進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究確定其分離效果是否滿足要求。同時(shí)，如果不考慮底流的泥砂粒徑控制要求，可以將直徑250 mm和150 mm并聯(lián)使用，一支直徑250 mm旋流器搭配一支直徑150 mm旋流器，混合后其底流濃度為30.4%，底流濃度能滿足需求高頻篩入篩濃度要求的30%～40%。在實(shí)際運(yùn)行中，先開直徑250 mm的旋流器，待高頻振動(dòng)篩上形成了石粉層后，再開啟直徑150 mm的旋流器，能夠充分發(fā)揮不同規(guī)格旋流器的優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

(1)水力旋流器進(jìn)口壓力增加，底流濃度和產(chǎn)率增加。當(dāng)壓強(qiáng)增加到一定程度后，底流濃度和產(chǎn)量增幅變小，繼續(xù)增加進(jìn)口壓力主要增加溢流流量。進(jìn)料濃度越大，產(chǎn)率越低，濃縮比越小。

(2)針對(duì)砂石加工系統(tǒng)廢水而言，采用直徑250 mm旋流器，濃縮效果好，底流產(chǎn)率在30.50%～35.33%之間，達(dá)不到常用設(shè)計(jì)值40%～50%。直徑150 mm旋流器因?yàn)闈饪s效果差，導(dǎo)致底流濃度太低，不利于后續(xù)處理，因此不推薦單獨(dú)使用。

(3)對(duì)于底流石粉回收有粒徑控制需求的工藝而言，加大壓力會(huì)增加底流極細(xì)顆粒的含量，造成石粉品質(zhì)惡化。同時(shí)，壓力增加還會(huì)增加能耗，加大旋流器配件耗損。因此，從經(jīng)濟(jì)合理性角度出發(fā)，直徑250 mm 旋流器推薦采用0.10～0.15 MPa進(jìn)口壓力運(yùn)行。

(4)如果底流石粉回收沒有粒徑控制的要求，采用直徑200 mm的旋流器能提高底流產(chǎn)率，同時(shí)底流濃度能夠滿足高頻篩入篩濃度要求；或者采用直接250 mm和150 mm成對(duì)搭配并聯(lián)方式運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)同樣目的。