水力旋流器在污水處理中的應用

王森洋 趙琰琪 王毅冉 代佳鑫 張寶玲

摘 要：環境保護關系到人類的生存與發展，污水處理工作的完善是企業生存的重要前提。水力旋流器是污水一級處理的核心設備，其結構簡單、體積小、分離效率高、制造成本低、便于操作，處理效率遠優于其他設備。本文主要根據數學模型，在理論的基礎上，針對水力旋流器結構、工作原理及內部流場情況以及水力旋流器發展前景進行綜述。

關鍵詞：水力旋流器;污水處理;分級效率;應用

一、水力旋流器發展現狀

自20世紀80年代水力旋流器出現以來，越來越多的研究人員致力于水力旋流器的研究和應用。在實際污水處理應用中，由于水土流失嚴重或受洪澇災害，雨季雨污分流系統不完備，錯誤的生活污水處理方式等，都會導致含砂量往往會偏高，對后續工作的進行造成諸多不良影響，如堵塞管道、占用生化池容積、磨損設備、污泥消化罐效率降低等。

20世紀90代以后，國內外技術交流日益頻繁，引進旋流器設備以來，國內外諸多企業不斷研究優化水力旋流器結構。根據水力旋流器工作原理，利用CFD進行參數優化，實際考察，理論與實踐相結合，對旋流分離器結構不斷優化改進，最終可以高效地去除污水中的砂質顆粒，水力旋流器在污水處理廠中的應用更加廣泛。

二、水力旋流器結構

水力旋流器的結構簡單，分離腔從外觀上可看成一個圓柱體連接著一個倒錐體且內部中空;上端切向方向安裝有入口，即進料口;頂部出口為溢流口，底部出口為多為軸向安裝，即沉砂口或底流口。

三、水力旋流器工作原理及內部流場

（一）水力旋流器工作原理

水力旋流器利用離心沉降原理，根據進料比重差異將兩相或多相物料進行分離、分級或分選，可分離出幾微米大小的固液混合物或液液混合物[1]。污水從進料口進入水力旋流器，在分離腔中高速旋轉，形成離心力場，因污水系統中固體砂質顆粒和水有比重差異，故相對質量較大的固體顆粒受到的離心力作用大于其受到的拉力，進而被甩向外圍，而相對質量較小的顆粒由于其受到的離心力低于相應的拉力，故沿中間溢流管道向上溢流最終實現凈化污染物的目的，對于含油廢水的處理過程中，由于油的相對密度較小，因此在分離過程被帶到中間成為溢流，向上運動從溢流管排出，而水則被甩向外周，聚集在靠外側的器壁上，最終由底流口排出，實現其油液分離的目的。

（二）水力旋流器內部流場

固體顆粒在水力旋流器內受到離心力、重力、摩擦力、隨懸浮液濃度而變化的浮力、湍流的上升力、顆粒之間碰撞時產生的力等[2]。這些力間接地構成了極其復雜的內部流場，與其簡單的結構截然相反，其內在流場也成為了近些年的研究重點，在正常工作的水力旋流器中，流體運動的基本形式大致可分為六種[3]，分別為外旋流和內旋流、短路流、循環流、零速包絡面、最大切線速度軌跡面、空氣柱。其內部四種類型的流動，即進料體頂部旋流、外側筒壁旋流、內側中心管旋流和往復流，三維流場對其分離最終效果產生決定性影響，水力旋流器分離效率的提升往往是以耗能為代價，壓力損失是引起該設備能耗損失的關鍵[4]。

四、水力旋流器特點

（一）水力旋流器優點

（1）結構簡單，內部不需要對易損件、運動件和密封件進行定期維護和更換;連接安裝好管道即可操作運行;

（2）制造成本低、體積小重量輕、維護費用低、低能耗、不需要任何分離介質的輔助;

（3）適應性好且安裝方便，安裝角度不受限制，可單臺使用，也可多臺并聯運行進而增大污水處理量，還可以串聯使用來增大處理深度提高處理質量，且運行溫度及壓力不受限制;

（4）工作連續、穩定、操作方便，加工工藝簡單，調試安裝好后，即可自動工作;

（5）污油分離去除率高;

（6）用途廣泛，可運用在不同場合不同領域，如澄清、脫泥、濃縮、分級、顆粒分選、固體回收等。

（二）水力旋流器不足

（1）若參數設計不當，內部流體產生的剪切作用容易使液滴（油滴或水滴）打碎乳化，使分離過程惡化;

（2）通用性較差，不同物性和結構尺寸的物料往往需要不同的旋流分離器處理，污水的產生方式不同，往往具有不同的物性，因此不同種旋流分離器往往不能互換使用;

（3）旋流分離能進行不同密度的液液分離，但不能很好地對污水中的固體懸浮物進行分離[5]。

五、水力旋流器應用前景

水力旋流器多采用金屬材料作為外殼，使用天然橡膠、陶瓷和鑄石等耐磨材料等作為內壁，存在著制造選材和利益最大化相沖突等問題。

國外研究部門為提高其耐磨、耐腐蝕性，提高設備的物理化學性能，擴大其使用范圍，減少維修和人工成本，便引入新型高分子材料、復合材料或生物材料，采用聚氨酯、膠鋼、玻璃纖維、硬鎳合金等材料作襯里。水力旋流器內襯材料的優化，不僅能延長其使用壽命，更重要的是保證其生產穩定、節約資源、提高經濟效益。

總結

目前，水力旋流器的基本結構改進研究已經比較成熟，在我國污水處理工作上起到很大作用，如果對水力旋流器應用范圍進一步擴大，要求其結構的合理性也會隨之增高。然而影響其分離性能的因素還有很多，本文主要是在理論分析的基礎上，基于計算機的數學模型，分析了旋流器流場的特性和分布規律，闡述了水力旋流器技術在污水處理上的應用，以后的發展中，水力旋流器技術會進一步與計算機技術相結合，實現工藝化和程序化，以提高水力旋流器的分級效率。

參考文獻

[1]石小敏，崔裕濤，韋魯濱.水力旋流器主要參數對分離精度的影響[J].黑龍江科技學院學報，2011.

[2]E.G.Kelly and D.T.Spottswood.Introduction to Mineral Processing[M]. 1982：213-214.

[3]齊加剛. 水力旋流器分級性能分析及其改進[D].哈爾濱工業大學，2021.DOI：10.27061/d.cnki.ghgdu.2021.002301.

[4]楊豐，張錦國.旋流分離技術在污水處理中的應用[J].石油化工環境保護，2006（04）：20-23+67-68.

2021年黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（S202113299014）城鎮污水處理用旋流器設備研究

第一作者簡介：王森洋，哈爾濱石油學院

通信作者：代佳鑫，工程師，佳木斯職教集團