旋流分離器在控制城市雨水徑流污染中的可行性研究

潘振學(xué) 易利芳(.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院 安徽 淮南 300；.湖州環(huán)科環(huán)保科技有限公司 浙江 湖州 33000)

0 前言

面源污染已成為我國城市水環(huán)境破壞的重要原因[1]。雨水徑流所攜帶沉積物中的養(yǎng)分進(jìn)入水體成為水體富營養(yǎng)化的重要因素[2]。一些研究結(jié)果表明，雨水主要污染物是COD和懸浮固體(SS)，道路初期徑流中也含有鉛、酚、石油類及合成洗滌劑等成分。[3]

旋流分離技術(shù)在雨水徑流污染控制中的應(yīng)用是新興的污染控制技術(shù)。在發(fā)達(dá)國家，旋流分離是常用的技術(shù)，占地少，可以安裝在雨水排放口或雨污合流下水道溢流口，取代現(xiàn)有的檢查井，因而不需要額外的土地，特別適合于人口密集的市區(qū)[4-6]。

1 旋流分離器的工作原理

旋流分離器的工作原理是基于離心沉降作用。當(dāng)需要分離的兩相混合液以一定的速度從旋流器上部周邊切向進(jìn)入旋流分離器內(nèi)后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于固液兩相存在密度差，所受的離心力、向心浮力和流體拽力的大小不同，大部分固相沉淀于旋流器底液相則由溢流口排出從而達(dá)到分離的目的[7]。當(dāng)離心沉降過程中的顆粒粒度很小的時候，可以采用層流狀態(tài)下的Stokes公式，可得如下離心沉降末速度[8]。

式中d為球形固體顆粒直徑；ρ分別為顆粒及介質(zhì)的密度；μ為介質(zhì)的動力粘度；r為旋轉(zhuǎn)半徑；ω為角速度。可以看出，在高速的離心力場中，由于ω的值可以很大，因此可以用旋流分離器去除一些重力沉降難以處理的細(xì)顆粒。

2 旋流分離器的試驗?zāi)M研究

根據(jù)旋流分離的工作原理結(jié)合示范區(qū)域雨水徑流中固態(tài)污染物特征，利用傳統(tǒng)的旋流分離技術(shù)和復(fù)合流場旋流分離技術(shù)來實現(xiàn)雨水徑流中固體顆粒物的去除是可行的技術(shù)方案。在計算機(jī)數(shù)值模擬輔助下[9]，設(shè)計了一套實驗室用的水力旋流器，旋流器直徑為300mm，進(jìn)、出口直徑分別為50 mm，材料為有機(jī)玻璃。以及曲率半徑為343.0mm，332.5mm，315.0mm的三塊擋板，試驗裝置圖見圖1。

圖1 水力旋流器裝置圖

通過本試驗分析旋流分離器入口直徑d與旋流分離器直徑D之比與分離效率的關(guān)系、流速與分離效率的關(guān)系、擋板長度及半徑尺寸與分離效率的關(guān)系。為設(shè)計現(xiàn)場所需旋流分離器的設(shè)計指標(biāo)（含旋流分離器入口直徑d與旋流分離器直徑D，擋板尺寸）提供依據(jù)。

試驗所需的材料主要包括：旋流分離器、三個加工好的弧形擋板、PVC外接管、50米消防水帶、金屬水管、計算機(jī)、流量計、壓力傳感器、泵產(chǎn)品參數(shù)測量儀、直徑為80cm的水泵檢測管路、3kW潛水泵、泥沙、水桶、加沙工具、漏斗、支撐裝置、臺秤及相關(guān)安裝工具。試驗平臺的搭建見圖2。

圖2 多功能綜合實驗平臺示意圖

試驗時，利用水泵抽出水池中的清水，通過閥改變泵的出口工況以調(diào)整流速，采用螺旋射流加沙裝置加沙，應(yīng)注意泵出口至流量計需留有足夠距離，同樣液位計與加沙裝置之間也要保證足夠的距離。對排出污水取樣測定SS，進(jìn)口處SS通過計算求得算術(shù)平均值。試驗時對三塊不同擋板、不同插入深度、不同入口流速分別測定其去除效率。

3 結(jié)果與分析

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

通過對三塊不同的弧形擋板、取兩種不同的插入水中深度、在兩種不同的流速下分別進(jìn)行試驗，共得出12組數(shù)據(jù)，由于流速是通過泵參數(shù)測試儀計時，利用流量和面積來計算，在此直接給出流速數(shù)值。實驗結(jié)果見表1。

從表1中可知，不同曲率半徑的擋板對于水力旋流器的分離效率較為顯著，隨著曲率半徑的減少，擋板的弧度增大，水流旋轉(zhuǎn)加劇，根據(jù)力學(xué)原理，沉降性能好，去除率好。隨著擋板插入深度的增加，在筒體內(nèi)形成旋流的距離增加，并且擋住了更多的懸浮固體，減少顆粒物短流的形成，有利于顆粒物的去除，去除率增加。當(dāng)進(jìn)口流速增加時，在筒體內(nèi)的形成旋流的角速度增加，旋流沉降末速度增加，可以去除更細(xì)顆粒，去除效果增加。根據(jù)試驗可知，旋流分離器最佳去除率可達(dá)80%以上。

4 結(jié)論

通過研究表明，旋流分離器在去除固體顆粒物中有很強(qiáng)的去除作用，最佳去除率可達(dá)80%以上，對城市雨水徑流污染物控制起到較好的效果，將旋流分離器應(yīng)用于控制城市雨水徑流污染物是可行的。相對其他傳統(tǒng)工藝，旋流分離器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、處理量大，占地面積小、對于較細(xì)顆粒有較好的分離效率等優(yōu)點，對雨水徑流這種具有流量大、SS濃度高、含有大量固態(tài)氮磷污染物的污染源有很強(qiáng)的適用性。這種新型旋流分離器在各城市推廣應(yīng)用具有很好的前景。

［1］楊柳,馬克明,郭青海,等.城市化對水體非點源污染的影響[J].環(huán)境科學(xué),2006,25(6):32-39.

［2］王宏,李廣賀,張旭,等.暴雨徑流固態(tài)污染物旋流分離研究[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003,25(1):13-16.

［3］Zdenik Kon1eek,Karel Pryl,Milan Suchanek.Practical applications of vortex flow separators in the czech republic[J].Water Science and Technology,1996,33(9):253-260.

［4］R.M.Alkhaddar,P.R.Higgins,D.A.Phipps,etal.Phipps Residence time distribution of a model hydrodynamic vortex separator[J].Urban Water,2001(3):17-24.

［5］R.Sripriya,A.Dutta,P.K.Dhall,etal.An analysis of medium losses in coal washing plants[J].International Journal of Mineral Processing,2006(80):177-188.

［6］王宏,李廣賀,張旭,等.暴雨徑流固態(tài)污染物旋流分離研究[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003,25(1):13-16.

［7］楊柳,馬克明,郭青海,等.城市化對水體非點源污染的影響[J].環(huán)境科學(xué),2006,25(6):32-39.

［8］龐學(xué)詩.水力旋流器理論與應(yīng)用[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2005.

［9］吳春篤,張偉,黃勇強(qiáng),等.新型旋流分離器內(nèi)固液兩相流的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(2):98-102.