混凝控制指標下渦漩運動對混凝影響的研究

詹 詠, 何玉武, 曾小磊

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

混凝控制指標下渦漩運動對混凝影響的研究

詹 詠, 何玉武, 曾小磊

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

以往復隔板絮凝池的改造為例,對最佳水力條件下混凝控制指標的合理選用進行了討論,在此基礎上對池中水流渦漩運動進行研究,得出了適宜的速度梯度G值,有利于形成更多更小的微渦漩,可使顆粒有效碰撞次數增加,有效地提高了混凝效果.

往復隔板絮凝池;混凝控制指標;渦漩運動;最佳水力條件

混凝控制指標的確定和渦漩理論的作用是混凝動力學中最為關注的問題.在混凝設計與運行中,通常以混凝時間t、速度梯度G及其組合指標值Gt作為混凝效果的控制指標.速度梯度G值綜合地表征了水流紊動程度,即反映了顆粒的碰撞頻率.Gt值相當于單位體積水體中顆粒碰撞的總次數.只要相應地保持G值大致相同,則混凝沉淀實驗在一定程度上能起到模擬生產過程的作用[1-3].為此,水處理工藝中常采用不同的構筑物型式來提高速度梯度G值,使水流在此形成強烈的渦漩運動,從而在單位時間、單位體積水體內產生無數個不同大小的渦漩.由于渦漩所固有的擴散性,大小渦漩之間相互滲透,使顆粒能產生有效的碰撞,藥劑能迅速均勻地溶解于水體,使混凝劑得到充分水解,水解后的產物與膠體顆粒作用,使其脫穩凝聚,為生成沉淀性能良好的絮體顆粒打下基礎.傳統的往復隔板絮凝池的隔板,在廊道拐彎處一端的形狀為矩形,廊道拐彎角為直角形.特別是水流流經拐彎角時,速度急劇變小,這樣改為消耗的能量大,也不利于絮凝體的成長.雖然在180°的急劇轉彎下,會增加顆粒之間的碰撞幾率,但是,不合理的速度梯度G值易造成絮凝池前部由于速度梯度G值過小,達不到最高效率的顆粒碰撞,而后部轉角處又由于速度梯度G值過高,撞擊過大,易使聚集好的絮體破碎,結果導致絮體顆粒密實程度不一.這樣在設計時間內,被打碎的絮體隨水流進入沉淀池,影響出水效果,而密實的絮體在未進入沉淀池時,已過早地在絮凝池后部下沉,易在絮凝池末端的廊道內形成沙丘狀的沉積物,阻礙水流通道,降低了混凝沉淀效果.如將絮凝池末端的廊道封閉,以此縮短混凝時間,疏松的絮體易過早進入沉淀池,更容易使出水效果惡化.為了解決這些問題,又要降低改造成本,保持原有絮凝池流程簡單實用的優點,將絮凝池第二段以后的拐彎角及隔板拐彎一端設計成圓弧形,使得水流處于均勻分布的微渦漩紊流狀態,降低不必要的水頭損失,以此達到縮短反應時間、提高絮凝池容積有效利用率及高效混凝的目的.

1 混凝控制指標的討論

混凝沉淀實驗所用攪拌設備如圖1所示.槳板繞軸旋轉時克服水的阻力所耗功率為

式中,CD為由槳板長寬比(L/b)所決定的系數;γ為水的重度;ω為相對于水的槳板旋轉角速度,一般采用0.75倍的軸轉速,即ω=2πn/60×0.75=0.078 5n;n為轉速;r2為槳板外緣旋轉半徑;r1為槳板內緣旋轉半徑;PD為反應設備中水流所耗功率;g為重力加速度.

圖1 攪拌設備Fig.1 Agitator mill

式中,p1為單位體積水流所耗的功率,p1=PD/V;V為反應設備中水的體積;μ為水的動力黏度;G為速度梯度.

反應設備的參數r2=28 mm,r1=37 mm,r1=6 mm,b=31 mm,L/b=0.9,CD=1.10,γ=9 810 N/m3,μ=1 N·m/s,V=0.001 m3,通過計算可得G=0.084n3/2.

圖2為最佳投藥量與原水濁度的關系[1-3],從圖2中可知,當原水濁度小于50 NTU時,其最佳投藥量較高,一般在24～27 mg/L之間.隨著原水濁度的不斷增大,其最佳投藥量逐漸減小.當原水濁度增大到約160 NTU時,最佳投藥量達到最小值.之后,最佳投藥量又隨著原水濁度的升高而不斷變大,整個變化過程形成一個V形特征的曲線圖.故本實驗中混凝劑投加量為15 mg/L,將測試結果列于表1.通過正交試驗,對各水平效應值Kmf、K-mf及極差值進行計算,可得R=15.8,可以得出快速攪拌速度是影響混凝沉淀效果的最主要因素.

圖2 最佳投藥量與原水濁度的關系Fig.2 Relation between the optimum coagulant dose and raw water turbidity

表1 最佳水力條件確定的實驗數據統計表Tab.1 Experimental data of the optimum hydraulic conditions

通過表1的實驗數據可以算出混凝過程最佳水力條件下的G值和Gt值,實驗結果如表2所示.根據有關資料以及生產經驗可知[1-3],凝聚階段的值應大于300～500 s-1,Gt值比較適宜的范圍為104～105;而絮凝階段的適宜的速度梯度為G=10～75 s-1,Gt值宜取104～105.這與本實驗結果比較吻合.

表2 最佳水力條件下的G值和Gt值Tab.2 G and Gt on the optimum hydraulic conditions

2 渦漩運動對混凝的影響

水力絮凝池的新構型是水流紊動作用與混凝過程優化結合的結果[1-3].但目前的混凝理論對于新型絮凝池的開發只是起定性的指導作用,對于新型絮凝池所取得的實驗數據及其分析,也基本上處于經驗階段,利用流體力學中的小渦漩運動理論,對混凝效果的改善具有重要的指導作用,對混凝過程的解釋也更加合理.因此,在進行池型改造的同時,應明確在混凝設備中應該怎樣在最佳水力條件下形成合理的速度梯度G值,特別是混凝開始時,需提高G值,造成有利顆粒碰撞的小渦漩.為此,作者就往復隔板絮凝池邊壁形狀對絮凝反應的影響進行了系列研究[4].

2.1 測試系統實驗裝置

如圖3所示,渦漩水流測試系統是由絮凝池循環系統及粒子圖像測速(PIV)系統構成,其中,粒子圖像測速系統由光路系統(圖4)、CCD攝像機、多幀存(8 MB)圖像接口板、多媒體實時壓縮存貯板、PⅣ計算機等硬件和一套圖像處理流場數據分析及圖形顯示軟件組成.

2.2 實驗結果分析與討論

對流量為521.7 L/h,進口水深為6.3 cm不同形狀往復隔板絮凝池水流拐角的速度分布進行了研究,從水流渦漩照片圖5(見下頁)中可以看出,方案二圖5(b)廊道拐彎處水流結構比較復雜,水流流經圓弧端隔板及廊道拐角時,能量損失明顯減少,速度梯度G值變化合理[4],呈逐漸遞減趨勢;而在方案一圖5(a)中,水流經過矩形斷面的隔板及直角形的拐彎廊道時,能量損失過大,速度梯度G值變化突然,使得在廊道中后部拐彎處出現了“死水區”現象.從水深為5.8 cm層面觀測絮凝池不同方案流場粒子圖像如圖6所示(見下頁).

圖3 流場測試系統圖Fig.3 Test system of flow field

圖4 光路系統Fig.4 Ray path system

對不同方案水流渦漩運動狀況的研究表明,方案二絮凝池水流拐彎處有眾多的渦漩,由于渦漩所固有的擴散性,無數大小不一的渦漩相互滲透,進行能量交換,使該處液體壓強迅速降低,速度梯度值則急劇增大,這對顆粒之間的碰撞極端有利.與傳統往復隔板絮凝池拐彎處對比,水流經過圓弧界面繞流前后的壓強差,即壓強阻力(因與物體的形狀有關,也稱形狀阻力)比摩擦阻力大得多,尤其是在絮凝池的后部,水流速度比較低,摩擦阻力可以忽略,由渦漩運動引起的擴散作用,基本消除了拐彎處的“死水區”,產生了更多大小相套的復雜渦漩,與池壁的多次碰撞促進了水流中微小渦漩的形成,與大尺度渦漩相比,小尺度渦漩半徑越小,旋轉半徑也小,而離心作用越強,運動加快,速度梯度值增大,這樣的邊界條件使得水力狀況大為改善.

文獻[4]對兩種方案絮凝效果進行了比較,從中可以看出,與方案一相比,方案二的速度梯度值變化平緩、能量損失小、水質濁度低.因此,在紊流中若能有效地消除大尺度渦漩,增加微小渦漩的比例,就可以大幅度地增加顆粒碰撞次數,有效地提高混凝效果.由此可見,將往復隔板絮凝池拐彎及隔板斷面設計成圓弧形的方案比傳統往復隔板絮凝池的混凝沉淀效果要好.

圖5 不同方案水流渦漩照片Fig.5 Eddy motion of different plans

圖6 不同方案流場粒子圖像Fig.6 Particle image velocimetry of different plans

3 結 論

a.對混凝沉淀過程最佳水力條件下的G值和Gt值進行了計算,得出了凝聚階段的G值應大于300～500 s-1,而絮凝階段的適宜速度梯度應控制在G=10～75 s-1內.

b.為了最大限度地提高顆粒碰撞的速度梯度值,在廊道第二格開始設置圓弧,改進后的絮凝池流速分布合理,反應時間相應縮短,水流經過圓弧拐角時能量損失明顯減少,速度梯度值變化平緩,呈逐漸遞減趨勢.

c.具有圓弧形邊壁形狀的往復隔板絮凝池充分體現了水流紊動在混凝沉淀過程中的作用.這種低流速的運動便于節約能量、降低水頭損失、縮短反應時間.

d.微小渦漩的隨機卷動,易使得聚集顆粒以圓周形式運動接觸結合,所形成的絮體更為密實而近似于球體般的光滑,在后續的沉淀分離過程中易于下沉.

[1] 武吉道,譚鳳訓.高濁度水管式混凝動力學機理及設計研究[J].給水排水,2000,26(6):4-6.

[2] 王紹文.亞微觀傳質在水處理反應工藝中的作用[J].中國給水排水,2000,16(1):30-32.

[3] 武道吉,譚鳳訓,修春海,等.混合動力學機理及控制指標研究[J].中國給水排水,2000,16(1):54-56.

[4] 詹詠,王惠民.往復隔板絮凝池邊壁形狀對絮凝反應的影響研究[J].給水排水,2001,27(1):5-7.

Study on the effect of eddy motion of flow on coagulation under rational coagulative control index

ZHANYong, HEYu-wu, ZENGXiao-lei
(School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Ascertaining the coagulative control index and clarifying the effect of eddy motion of flow theory are worth to pay attention in coagulation dynamics.How to select rationalGandGtwas discussed under the optimum hydraulic condition,and on this basis,the eddy motion of flow at the corner of reciprocating baffled flocculation tank was studied.It can be seen that the rational coagulative control index is favorable to form even more and smaller infinitesimal eddy,and the effective collision is enhanced,as a result coagulative effect is improved apparently.

reciprocating baffled flocculation tank;coagulative control index;eddy motion;optimum hydraulic condition

TU 528

A

1007-6735(2011)04-0401-04

2010-06-22

上海市教育委員會重點學科建設資助項目(J50502)

詹 詠(1971-),女,副教授.研究方向:環境流體力學.E-mail:jannet6@163.com