菱形翼片隔板絮凝反應器的研發及應用

更新時間：2011-05-13 14:43 來源：中國給水排水作者: 閱讀：4156

隨著水資源的日益污染與匱乏以及國家節能減排政策的實施，鋼鐵企業作為用水及排水大戶，面臨著巨大的達標減排的壓力。鋼廠廢水的處理、回用及零排放對企業的發展具有重要意義，同時具有巨大的經濟效益及社會效益。

目前，絮凝工藝形式多樣，常見的絮凝反應器主要有：水平或垂直流動絮凝池、旋流絮凝池、導流機構池。這些工藝的主流控制理論為Camp&Stein提出的速度梯度理論，即要求增加粒子碰撞時的相對運動速度差。流體中，對顆粒運動影響最大的是與顆粒尺度量級相近的渦旋，因此，為了提高顆粒的碰撞效率，必須對流體的微觀渦旋尺度進行有效控制。另外，宏觀上較為均一的顆粒尺度分布也會提高顆粒的碰撞效率，所以，為進一步提高絮凝反應效率，還要兼顧渦旋的微觀強化控制與宏觀均布[1~3]。

筆者基于后臺階流理論，開發了一種可同時有效控制流體微觀渦旋尺度及宏觀渦旋均布的新型絮凝反應器——菱形翼片隔板絮凝反應器，并將其成功應用于鋼廠廢水回用工程，實現了該廠廢水的零排放。

1 翼片隔板的結構設計

在后臺階流理論的基礎上，根據后臺階流的流場特點，結合絮凝反應中對渦旋微觀強度、尺度以及宏觀均布的控制要求，研發了翼片隔板絮凝反應裝置，對絮凝反應進行強化控制，其基本思路為在流道中設置翼片隔板控制渦流。菱形翼片隔板的結構見圖1，平行于流體流動方向的隔板與垂直于流體流動方向的翼片呈十字形結構，翼片與隔板間設置斜板構成菱形翼片隔板渦流控制單元，翼片與隔板之間形成前、后臺階紊流區。翼片、隔板的交角處角落渦流區的存在不利于流體渦旋的控制及顆粒有效碰撞，斜板的設置，不僅可以消除角落渦旋的影響，同時對再循環區可起到強化、導流的作用，提高了能量的消耗利用效率，有利于對渦旋的有效控制[4、5]。

根據前臺階流理論，同時考慮到前臺階流為非控制因素，為研究方便，采用翼片前、后等長度隔板的設計。另外，研究中忽略了菱形斜板的尺度影響。由此，菱形翼片隔板設備的特征尺寸主要包括：①隔板與翼片長度之比為Ls／h；②水流方向上翼片間距與翼片長度之比為Lt／h；③垂直水流方向上隔板間距與翼片長度之比為Lo／h。

根據對后臺階流流場的數值模擬計算結果，隔板長度(Ls)小于5倍臺階高度的區域為流體渦旋控制區，因此，采用小于5倍翼片長度(h)的隔板可有效影響后臺階流的渦旋循環區，達到控制渦旋強度及尺度的目的，據此可確定Ls／h值。同時，基于空間均布控制的要求，采用較短的隔板后，隔板兩側流線對稱的流體由于慣性作用發生碰撞，更有利于顆粒的空間均布。與完全分割流道的長隔板設置相比，流體中渦旋的能量消散不是通過與隔板的碰撞及邊界層作用完成的，因此其能量消耗更加高效，設備總體的水頭損失也將減小。

根據模擬計算結果，對于翼片在流體流動方向上的間距的設置，應使兩翼片間的區域為后臺階流流體充分發展的區域，即10～20倍翼片長度。考慮到前臺階流會造成流體紊流，可以適當增加翼片隔板單元在流體流動方向上的間距，據此可確定Lt／h值。同樣根據模擬計算結果可知，相鄰隔板距離應為6h以上，由此可以確定翼片在垂直水流方向上的間距，進而確定Lo／h值。

如果完全通過試驗來確定上述3項特征尺寸參數，則將帶來極大的工作量。對于絮凝反應過程，從渦旋控制角度來講，除了要兼顧微觀渦旋強度、尺度與宏觀渦旋均布的有效控制，還必須考慮剪切力對顆粒破碎作用的影響。在流速一定的情況下，大尺度的翼片將帶來較大的剪切作用，同時也不利于同時加強渦旋的微觀與宏觀控制。為此，筆者采用小尺度單元結構、多布控制點的思路對絮凝反應器進行設計。由于采用小尺度菱形翼片隔板結構，其特征尺寸Ls／h、Lt／h完全可以由理論計算指導確定，這樣只需通過試驗優化得到特征尺寸Lo／h值即可。

2 試驗部分

2．1中試裝置

試驗裝置包括混合器、絮凝反應池、沉淀池。采用菱形翼片隔板絮凝反應池，外形呈矩形，為碳鋼防腐材質，反應區每格內置翼片隔板(不銹鋼材質)，反應池尺寸為L×B×H=1000 mm×500 mm×2250 mm，有效深度為1650 mm。裝置的設計處理量為5 m3／h，混合時間為5 s、反應時間為12 min。絮凝反應池設計為三級反應區，各級設計流速分別為0．09、0．07、0．05 m／s，每級反應區內放置不同結構參數的菱形翼片隔板絮凝設備。圖2為絮凝反應池內流體的流動方向。

通過理論計算確定翼片長度h值及特征尺寸Ls／h、Lt／h值，改變各級反應區內菱形翼片隔板絮凝設備的特征尺寸Lo／h值，通過考察反應區末端出水濁度來優化Lo／h值。試驗中共采用了10組不同Lo／h值的菱形翼片隔板絮凝設備，按Lo／h值的增加順序分別記為Y1～Y10。

2．2分析項目及方法

試驗主要測定絮體顆粒粒徑及出水靜沉20 min后上清液的濁度。其中，絮體粒徑采用FCD水下攝影儀進行水下攝像，采用物理影像法測定；濁度采用哈希便攜式2100P濁度儀測定。

3 結果與討論

分別采用Y1～Y5型、Y4～Y8型和Y7～Y10型翼片隔板反應器作為一級、二級和三級反應區內的絮凝反應設備，在相同操作參數下進行絮凝試驗，以分別確定出三級反應區的最優絮凝設備尺寸，試驗結果見圖3。

由圖3可知，在一級反應區內，隨翼片隔板絮凝反應器Lo／h值的增加，絮體粒徑先上升后下降，并在Y3型反應器下達到最大值；而出水上清液濁度隨Lo／h值的增加呈先明顯下降后緩慢上升的趨勢，在Y3型反應器下達到最小值。這表明，Y3型翼片隔板絮凝反應器具有最大的絮體粒徑及最低的出水上清液濁度，為一級反應區的最優反應器。

二級反應區采用較大Lo／h值的菱形翼片隔板反應器，試驗結果與一級反應器的相似，絮體粒徑隨Lo／h值的增加呈先上升后下降的變化趨勢，并在Y6型反應器下達到最大值；而出水上清液濁度隨Lo／h值的增加呈先下降后上升的趨勢，并在Y6型反應器下達到最低值。這表明，Y6型翼片隔板絮凝反應器具有最大的絮體粒徑和最低的出水上清液濁度，為二級反應區的最優反應器。

三級反應區采用更大Lo／h值的菱形翼片隔板反應器，試驗結果與一、二級反應區的相似，Y9型翼片隔板絮凝反應器具有最低的出水上清液濁度及最大的絮體粒徑，為三級反應區的最優反應器。

由以上分析可知，在各反應區內絮凝效果與反應器特征尺寸呈非線性變化，每級反應區都存在最優尺寸的反應器。這是由于在絮凝反應中，絮體粒徑及密實度主要受流體的剪切和碰撞作用共同控制。根據后臺階流理論及菱形翼片隔板設計機理，當流體受到翼片阻擋時，將引起翼片附近流體的準均勻各向同性紊流。在紊流中大量強度、尺寸一定的微小渦旋彼此碰撞，增加了流體中絮體顆粒的碰撞幾率，同時絮體在高能量的碰撞下產生強烈變形并受到擠壓，從而提高了絮體的密實度，縮短了絮凝時間。但如果渦旋強度過高，絮體受到的剪切力也大幅度增加，絮體在提高密實度的同時，會因剪切力的作用而發生破碎，使絮體粒徑變小。隨著絮凝反應的進行，需要相應降低二級及三級反應區流體的渦流密度及強度，減小剪切作用對絮體進一步增大的影響，使二級、三級反應區內絮體粒徑逐漸增加，因此宜采用具有較大Lo／h值的反應器及較小的流速。但過低強度的渦旋將影響絮體的碰撞強度及次數，因此過大的Lo／h值會導致絮體碰撞次數過少、強度過低，絮體粒徑難以進一步增大，相應出水濁度升高。

4 用于鋼廠廢水回用工程

將菱形翼片隔板絮凝反應器用于江蘇無錫某特種鋼鐵企業的廢水回用項目，該項目的原水為該廠的護廠河水，主要由該廠生產廢水和廠區生活污水構成。

4．1 工程設計

根據翼片隔板反應器的設計原理及流體力學數學模型和后臺階流數學模型的計算結果，在一定的流體雷諾數(Re)下，翼片隔板渦旋控制區的流體力學性質，如渦旋的強度、尺度及流體剪切力與慣性力等由隔板與翼片長度比Ls／h決定；渦旋宏觀的均布性由翼片隔板結構單元之間的空間距離Lo和Lt控制；平行和垂直水流方向的流體渦旋性質與翼片長度而有關，由Lt／h及Lo／h值控制。流體的Re與流體流速v及翼片長度h成正比。由此說明，在一定的Re及翼片長度h下，菱形翼片隔板絮凝反應器的局部及整體渦旋均由無因次參量決定，即菱形翼片隔板絮凝反應器的流體力學性質與空間幾何尺度無關，只與流體的Re有關。因此，中試設備與生產設備具有流體力學完全相似性。由于實際工程中反應區流體的雷諾數與中試相同，因此在工程上可以對中試結果進行等比例放大。實際工程中采用與中試相同的混合器及斜板沉淀裝置。

4．2藥劑投加量的確定

對原水進行燒杯絮凝沉淀試驗，以確定合適的藥劑投加量，絮凝劑選用PAC，助凝劑選用陰離子型PAM。設定四級攪拌程序：280 r／min下攪拌2min，160 r／min下攪拌2 min，60 r／min下攪拌3min，15 r／min下攪拌3 min，分別模擬混合及各反應區的渦旋碰撞程度，PAM在第二級攪拌末投加。結果表明，在不投加助凝劑的條件下，當PAC投量為25 mg／L時，出水濁度最低，但形成的礬花較小、沉降速度較慢；在PAC投量為25 mg/L的條件下，當助凝劑PAM投量為0．3 mg/L時，礬花較大、沉降速度較快，且出水濁度達到1．5 NTU以下。由此確定最佳投藥量：PAC為25 mg／L、PAM為0．3 mg／L。根據燒杯試驗結果適當調整實際工程中的藥劑投量。

4．3工程運行結果

實際工程運行時，處理水量為1500 m3／h(兩套裝置同時運行，每套的處理量為750 m3／h)，PAC投量調整為21 mg/L，PAM投量仍為0．3 mg/L，PAM投加點為一級反應區末端，排泥時間間隔為3 h。表1為連續平穩運行8 h后原水及出水水質。