錐盤旋流澄清器分離性能試驗研究

劉承博，楊興華，劉培坤，張悅刊，牛志勇

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

采用常規的混凝沉淀法處理污水時，污水中比重輕、粒徑小的顆粒難以除去，處理后的污水仍不能循環利用，而且設備占地面積大、能耗高、處理成本高[1-4]。為解決上述問題，國內外學者進行了大量研究。孟玉將連續砂過濾工藝應用于污水預處理，通過砂介質過濾法，使出水水質較為穩定[5]；沈宏提出OCO工藝處理污水，經過好氧與缺氧區之間的污水交換，進行污水循環處理[6]。Hayashi N等運用超聲波照射與光催化協同處理技術，污水中污泥體積減少約50%[7]；Yoojin J等通過雙頻超聲波技術溶解污水中的污泥[8]；Cano R等通過熱處理法降解污水中污泥顆粒，并實現能量的回收[9]。但上述方法仍普遍存在設備復雜、能耗及處理成本高，分離性能差等問題。

針對上述問題，提出用錐盤旋流澄清器處理污水，結合了磁絮凝、旋流分離和錐盤沉降共同作用強化分離效果。污水經過管道混合器與磁種子和絮凝劑充分混合后以一定壓力由切向入口進入澄清器，形成離心力場，加快磁絮體混合與沉降；澄清器筒體柱段設置錐盤，增大沉降面積并減小沉降距離，利于小絮體結合成大絮體。為了深入探究錐盤旋流澄清器的分離性能，通過試驗研究筒體高度、錐盤插入深度、錐盤盤間距及溢流口直徑等結構參數變化對澄清器出水水質的影響規律；優化澄清器結構和操作參數后以煤泥水為對象驗證其處理效果。

1 錐盤旋流澄清器原理與結構

錐盤旋流澄清器的工作原理與結構如圖1所示。

圖1 錐盤旋流澄清器工作原理與結構圖

錐盤旋流澄清器由進料口、溢流管、錐盤、筒體和底流口組成。進料口主要用于物料進入澄清器內部，筒體主要用于絮體的形成和沉降，錐盤主要起增大沉降面積、減小沉降距離以及阻擋上浮小絮體的作用，溢流管主要用于清液和小絮體的流出，底流口主要用于大絮體的匯集和排出。與以往澄清器不同的是加入了錐盤結構，其目的是為了增大沉降面積，加速絮體的沉降。污水先經過管道混合器，與磁種子和絮凝劑充分混合后再沿澄清器的切向進料口進入其內部，旋流狀態下的渦流作用加速磁種子與絮體的碰撞，進行再次混合；形成的磁絮體在離心場與重力場作用下加速沉降，并逐漸長大，進入底流；部分小絮體雖然會被水流夾帶隨內旋流進入溢流，但由于錐盤的阻擋作用，小絮體在盤間不斷碰撞、積聚并長大，達到一定程度后形成大絮體，如圖1所示，在重力作用下沿盤體下滑進入底流，從而減少進入溢流的顆粒數，提高溢流出水水質。

2 試驗

2.1 試驗原料

試驗選用煤灰配制的污水為原料，利用BT-9300S激光粒度分布儀對配制的污水進行粒徑分析，得到其粒度分布(表1)。由表1可見，污水中<20 μm粒級含量為78.31%，粒徑較小，難以用混凝沉淀法除去。

表1 污水粒度分布

試驗采用懸浮物測定儀ss-1Z、便攜式濁度儀WGZ-1B、JS94H型微電泳儀和pH計等儀器，測出污水性質如下：

懸浮物含量/(mg·L-1)

200～300

濁度/NTU

20～30

Zeta電位/mV

10～15

pH值

9～10

2.2 試驗系統

為了研究錐盤旋流澄清器對污水處理的性能，設計了如圖2所示的試驗系統，主要由錐盤旋流澄清器、管道混合器、潛水泵、蠕動泵等設備組成，試驗裝置如圖3所示。工作流程為：污水由潛水泵送入管路系統，同時與藥劑在靜態混合器中進行混合，PAC(助凝劑)與磁種子先進入一級管道混合器中混合，并與PAM(絮凝劑)在二級管道混合器中混合，藥劑由兩臺蠕動泵分別送入管道混合器中，通過管道混合器高效混合作用形成磁絮體，進入澄清器中高速沉降，用取樣器在溢流口處連續取樣，測定出水水質指標。

圖2 試驗系統圖

圖3 試驗現場圖

3 試驗結果及討論

3.1 對比試驗

采用溢流管加錐盤和溢流管不加錐盤兩種結構，在處理量相同的情況下對污水進行處理，測得溢流出水水質指標見表2?？梢钥闯?，加入錐盤后懸浮物去除率相對提高50.68%，水質的濁度去除率相對不加錐盤提高42.95%，溢流顆粒數減少49.51%，電位絕對值相對降低0.75，pH值降低0.22，表明加入錐盤后，澄清器的分離性能得到了明顯改善。這是由于加入錐盤縮短了絮體顆粒沉降距離，絮體可以更快地沉降到錐盤，提高了分離性能。

表2 相同處理量下出水指標對比

3.2 筒體高度對分離性能的影響

改變筒體高度可以影響絮體顆粒沉降距離，從而影響分離性能。對于混凝過程而言，筒體高度越高，混凝時間越充分。試驗中，通過調整溢流管插入深度，保持底流口與最后一個錐盤距離不變，改變筒體高度依次為400、500、600、700 mm，筒高變化對出水水質的影響如圖4所示。

圖4 筒體高度對分離性能的影響

由圖4可知，筒體高度由400 mm增大到600 mm時，懸浮物去除率由77.6%增大到84.9%，濁度去除率由46%增大到51.2%，絮體顆粒由4 092個/mL減小到3 651個/mL，高度繼續增大到700 mm變化不明顯。這是由于筒體高度的增加，絮體沉降時間變長，當高度為600 mm時，繼續增大筒體高度，沉降作用已不明顯。

3.3 錐盤插入深度對分離性能的影響

錐盤插入深度的變化能夠改變絮體運行軌跡，從而影響絮凝效果。在保持其他參數不變的情況下，調節裝置依次改變錐盤的插入深度，分別為250、300、350、400 mm。插入深度的變化對出水水質的影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著插入深度的增大，懸浮物去除率由80.3%增大到90.2%，濁度去除率由49.1%增大到58.9%；絮體顆粒由3 992個/mL減小到2 951個/mL。這是由于絮體成形主要發生在錐段沉淀區域，隨著水流的上升，插入深度越深，絮體越快接觸錐盤，利于絮體快速成形；當插入深度過淺，因為與進口距離較近，絮體來不及在錐盤上形成就會被帶入溢流，造成水質變差。

圖5 插入深度對分離性能的影響

3.4 錐盤盤間距對分離性能的影響

調整盤間距可以改善絮體碰撞幾率，能夠影響水流上升的波動性，從而影響分離性能。保持底口與最后一個錐盤距離不變，依次增大錐盤間距，分別為20、30、40、50 mm，盤間距的變化對出水水質的影響如圖6所示。

圖6 盤間距對分離性能的影響

由圖6可知，隨著錐盤盤間距的減小，懸浮物去除率由73.3%增大到83.2%，濁度去除率由45.7%增大到53.1%，絮體顆粒由4 051個/mL減小到3 292個/mL。這是由于隨著盤間距的減小，絮體顆粒的沉降距離縮短，絮體與錐盤接觸更快，有利于破碎的小絮體在錐盤上重新積聚，同時錐盤的阻礙作用減緩了流體的上升速度，絮體顆粒可以更充分地沉降。

3.5 溢流口直徑對分離性能的影響

溢流口直徑的變化主要影響溢流流量和速度，對分離性能也會產生一定的影響，試驗通過溢流口中加入內襯的方式改變直徑大小，溢流口直徑分別為30、40、50、60 mm，溢流口直徑的變化對分離性能的影響如圖7所示。

圖7 溢流口直徑對分離性能的影響

由圖7可知，隨著溢流口直徑增大，懸浮物和濁度去除率、溢流顆粒數等出水水質指標變化并不明顯。這主要是由于水流上升速度較為平緩，溢流口直徑變化對水質影響較小。

3.6 煤泥水試驗

通過試驗確定錐盤旋流澄清器的優化結構參數為：筒體高度600 mm，錐盤插入深度400 mm，錐盤盤間距20 mm，溢流口直徑40 mm。采用荷澤趙樓煤礦煤泥水為介質進行試驗，處理后的水與原煤泥水的水質對比如圖8所示，水質指標對比見表3?？梢钥闯觯涘F盤旋流澄清器處理后，水質明顯改善。

圖8 處理前后水質對比

指標處理前處理后懸浮物含量/(mg·L-1)450252835濁度/NTU125323738Zeta電位/mV1200-830pH值951849

4 結論

提出采用帶錐盤的旋流澄清器處理含有粒徑小、比重輕的固體顆粒的污水，通過試驗研究結構參數對其分離性能的影響規律，得到如下結論：

(1)錐盤插入深度和盤間距對澄清器出水水質影響較大。隨著插入深度的增加，懸浮物去除率增加9.9個百分點，濁度去除率提高9.8個百分點；隨著錐盤盤間距的減小，懸浮物去除率增加9.9個百分點，濁度去除率提高7.4個百分點。

(2)筒體高度通過影響絮體顆粒沉降距離影響出水水質，隨著筒體高度的增加，懸浮物和濁度去除率逐漸增大，但是當筒體高度增大到600 mm時，懸浮物和濁度去除率變化不明顯。

(3)在筒體高度為600 mm，錐盤插入深度為400 mm，錐盤盤間距為20 mm，溢流口直徑為40 mm的工況下，處理懸浮物含量約為450 mg/L，濁度約為125 NTU的煤泥水時，懸浮物去除率為93.7%，達到20～30 mg/L，濁度去除率為70.2%，達到30～40 NTU。

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