有限區(qū)域聚集模型用于沉淀模擬的可行性分析

劉克達(dá) 劉明超

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

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有限區(qū)域聚集模型用于沉淀模擬的可行性分析

劉克達(dá) 劉明超

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

通過實(shí)驗(yàn)，分析了水處理過程中的沉淀效果，利用實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論，研究了有限區(qū)域聚集模型用于沉淀模擬的可行性，指出沉淀作用只能去除已形成良好絮體的粒子，而游離于水中的小尺寸絮體在一定作用下會(huì)發(fā)生破損帶來小尺寸絮體含量上升。

沉淀池，模型，絮體，反應(yīng)器

0 引言

在實(shí)際處理水的過程中，在水中總的顆粒經(jīng)過不斷的聚集過程[1]，可以發(fā)現(xiàn)大部分顆粒經(jīng)過不斷的碰撞，已經(jīng)聚集成為團(tuán)簇很可觀的絮體[2]，這些絮體在經(jīng)過絮凝池之后，需要經(jīng)過沉淀池來完成對(duì)這些粒子的去除[3]，進(jìn)而達(dá)到絮凝沉淀的全過程，在實(shí)驗(yàn)的模擬中也需要設(shè)置沉淀池來進(jìn)行全過程的研究[4]。

1 研究背景

在實(shí)驗(yàn)室的處理過程中，需要考慮的是在保證絮體的沉淀效果的同時(shí)，需要對(duì)沉淀池的運(yùn)行過程、運(yùn)行機(jī)制等基本理論有非常成熟的理解，因此，選擇斜板沉淀池成為了勢(shì)在必行，在實(shí)驗(yàn)處理的過程中，選擇下部進(jìn)水，上部出水的逆向流的斜板沉淀池，在沉淀過程中，檢測(cè)沉淀的進(jìn)水濁度和出水濁度，同時(shí)，檢測(cè)沉淀的進(jìn)水顆粒總數(shù)和出水顆粒總數(shù)，通過一系列的數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行分析。

2 研究方法及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

對(duì)模型的絮凝效果進(jìn)行分析。首先，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的沉淀效果進(jìn)行分析，然后，利用實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論運(yùn)用到模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這樣就可以對(duì)絮凝后得到的絮體進(jìn)行定量的分析。

當(dāng)攪拌槳轉(zhuǎn)速?gòu)?50 r/min變化至400 r/min的過程中，濁度在轉(zhuǎn)速不同之間略微有差異，但總變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，即在顆粒的絮凝過程中，反應(yīng)器中的濁度都呈現(xiàn)一個(gè)微小的下降過程，產(chǎn)生這個(gè)過程的原因是反應(yīng)器中的小顆粒不斷產(chǎn)生絮凝作用而生成更大的絮體，這種更大的絮體，在濁度檢測(cè)過程中，使得濁度發(fā)生微小的下降，可以看到在轉(zhuǎn)速較小的情況下，反應(yīng)器前部濁度下降較為明顯，而隨著轉(zhuǎn)速的增大，其絮凝階段的濁度下降不是很明顯，這就說明，在轉(zhuǎn)速較小的情況下，反應(yīng)器中占主要作用的是絮體的絮凝作用，而在轉(zhuǎn)速較大的情況下，絮體發(fā)生破碎的狀況更多，在反應(yīng)器中的濁度檢測(cè)變化中，濁度呈現(xiàn)了一個(gè)小的下降或者是保持不變。而在轉(zhuǎn)速改變的條件下，濁度都發(fā)生一個(gè)突變，這個(gè)過程就是沉淀過程，這就說明，沉淀過程是去除水中的濁度的重要環(huán)節(jié)，因此，需要在水中團(tuán)簇都聚集完成后統(tǒng)一分析沉淀情況,然后進(jìn)行機(jī)制的分析。

在運(yùn)行不同階段，同時(shí)設(shè)置在線粒徑檢測(cè)儀來觀測(cè)水中不同尺寸的粒徑的變化情況，其中，能探測(cè)到水中顆粒尺寸大于5 μm和小于5 μm兩種顆粒的變化情況，可以看到，當(dāng)在絮凝階段，水中小尺寸顆粒呈現(xiàn)不斷上升的態(tài)勢(shì)，而大尺寸顆粒顯現(xiàn)一個(gè)下降的態(tài)勢(shì)，這就說明在絮凝階段，水中的大尺寸顆粒主要以破碎過程為主，小尺寸顆粒得以不斷增加，然而在沉淀過程，大尺寸顆粒呈現(xiàn)一個(gè)明顯的下降過程，反倒是小尺寸顆粒基本保持不變，這就說明，在沉淀過程中，主要去除的絮凝效果良好，形成大團(tuán)簇的絮體，而小尺寸的絮體無(wú)法在此過程中得到去除，因此，可以明確在絮凝沉淀過程中，主要的目的就是盡量增加大尺寸絮體所占的比例，盡量減小小尺寸絮體的存在，因此，在絮凝過程中，除了需要讓顆粒不斷碰撞聚集，也需要進(jìn)行破碎過程，使得絮體能夠增加更多的碰撞機(jī)會(huì)，盡量包裹住游離的小尺寸顆粒，這才是破碎過程的主要目的。

2.2 模型運(yùn)行結(jié)果

在模型運(yùn)行反應(yīng)器的過程當(dāng)中，需要將模型的運(yùn)行過程改善至連續(xù)運(yùn)行的情況，然后盡量讓模型分步運(yùn)行以記錄模型在運(yùn)行過程中，不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)的不同運(yùn)行狀況，這就需要將反應(yīng)過程分成絮凝過程、破碎再絮凝過程和沉淀過程，在絮凝過程中分析反應(yīng)器中模型中的絮體的絮凝性狀，最后在沉淀階段，分析模型中生成團(tuán)簇的團(tuán)簇特征顆粒主要進(jìn)行著碰撞聚集的任務(wù)，然后，經(jīng)過攪拌槳的攪拌過程，破碎再絮凝，進(jìn)行分析后可以知道系統(tǒng)中生成的各種團(tuán)簇的沉降性能以判斷系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

在團(tuán)簇的聚集過程中，系統(tǒng)中顆粒通過不斷聚集實(shí)現(xiàn)了顆粒的絮凝，可以看到在隨著絮凝過程的進(jìn)行，系統(tǒng)中微小團(tuán)簇不斷的減小，在剩余顆粒還在2 000的情況下，團(tuán)簇中的微小團(tuán)簇達(dá)到700之多，當(dāng)系統(tǒng)的粒子達(dá)到500時(shí)，系統(tǒng)中的微小顆粒已經(jīng)減小到了80，出現(xiàn)了明顯的減小，而在中等團(tuán)簇的變化中，可以看到在系統(tǒng)的剩余粒子數(shù)不斷減小的過程中，系統(tǒng)中的中等團(tuán)簇的數(shù)量發(fā)生了明顯增多的情況，這就說明系統(tǒng)的沉降性能不斷的變好，而在大團(tuán)簇的變化過程中，更是遵循了這一規(guī)律，可以看到在大尺寸的變化過程中，在剩余粒子數(shù)為2 000的情況下，系統(tǒng)中幾乎不存在顆粒聚集特別密集的團(tuán)簇，而在剩余粒子數(shù)為500的情況下，系統(tǒng)中存在的最大團(tuán)簇的顆粒數(shù)已經(jīng)達(dá)到了38，大尺寸團(tuán)簇的明顯增多也表明了系統(tǒng)中的團(tuán)簇生長(zhǎng)越來越成熟，其沉降性能越來越好。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在沉淀過程中，沉淀對(duì)大型絮體去除效果良好，但對(duì)單個(gè)粒子的去除效率幾乎為零，即沉淀無(wú)法去除游離的單個(gè)粒子。2)模型沉淀的討論中，中等團(tuán)簇(5個(gè)～20個(gè)粒子)和大團(tuán)簇(20個(gè)粒子以上)的即可認(rèn)為去除，但小團(tuán)簇(小于5個(gè)粒子)在沉淀過程中無(wú)法去除，破碎重組過程的主要目的即是增加這一部分粒子的去除。3)顆粒的釋放密度增大，顆粒的總?cè)コ试龃螅Ｓ囝w粒中的小團(tuán)簇較少，應(yīng)對(duì)此種情況需要給予充分的運(yùn)行時(shí)間，使得單個(gè)粒子能夠獲得更多碰撞凝聚的機(jī)會(huì)。

[1] 譚萬(wàn)春,廖曉希,李杰華,等.水中泥沙顆粒聚集的二維數(shù)值模擬——單體凝聚模型[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,7(4):49-54.

[2] 秦朝燕,邱祖民,陳文有.絮凝體的三維DLA模型分形模擬[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),2010,32(2):122-126.

[3] 李浩宇.給水處理工藝微絮凝階段表征及強(qiáng)化控制機(jī)制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2013.

[4] 張 峰,劉文亞,張福先,等.計(jì)算異向流斜板沉淀池特定顆粒沉速的新方法[J].天津建設(shè)科技,2013，6(23):33-34.

The feasibility analysis on limited area aggregation model applied in sedimentation simulation

Liu Keda Liu Mingchao

(Tianjin Municipal Engineering Design Institute, Tianjin 300051, China)

Through the experiment, analyzed the sedimentation effect in water treatment process, using the conclusions obtained from the experiment, researched the feasibility of limited area aggregation model applied in precipitation simulation, pointed out the sedimentation role only removing formed good floc particles, while the small size floc drifting on water under certain role would breakage and the small size flocs content increased.

sedimentation tank, model, floc, reactor

1009-6825(2016)12-0115-02

2016-02-17

劉克達(dá)(1991- )，男； 劉明超(1987- )，男

X703

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