（环境工程专业论文）高密度网状絮凝澄清器的净水机理及试验研究.pdf

a b s t r a c t c l a r i f i c a t i o n ，a st h em e t h o do fw a t e rt r e a t m e n tw h i c hc a nm e e tp e o p l e sw a t e rq u a l i t y r e q u i r e m e n t s ，i sm o r ea n dm o r ec o n c e r n e db yp e o p l e i no r d e rt om i n i s ht h ed i f f e r e n c ef r o m t h ed e v e l o p e dc o u n t r y , e f f l u e n tq u a l i t yo ft h ec l a f i e rm u s tb ei m p r o v e d t h ep r o g r a m m i n g g o a lw a sc o m eo u ti n “d e v e l o p m e n tp r o g r a mo f2 0 1 0 ：p r e s e n tp r o c e s sm u s tb ea l t e r e d r e a s o n a b l ya n dt h ee f f e c to ft r a d i t i o n a ld i s p o s a ls h o u l db ef u l le x e r t e d i ti se v i d e n tt h a t o v e r h a u l i n gp r e s e n tw a t e rp l a n ta n dt e c h n i q u ei m p r o v i n gi naf u t u r et i m ew i l lb ea ni m p o r t a n t c o n t e n ta n dr e s e a r c ht a s ko fw a t e rs u p p l yf i e l di no u rc o u n t r y t h ec l a r i f i e ro fh i 【g hd e n s i t yr e t i c u l a rf l o c c u l a t i o nw a sd e s i g n e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h e r e s e a r c h h o t s p o to fh i g l ld e n s i t yc l a r i f y i n gt e c h n o l o g ya n d i nc o m b i n ew i t hv o r t e x d i f f u s i o n ，s l u d g es u s p e n s i o nl a y e r , w i n gs h e e tt y p ei n c l i n e dp l a t e st h e o r ya n dm a t e r i a lb a l a n c e c a l c u l a t i o ne q u a t i o n t h i sc l a r i f i e r sm e c h a n i s ma n de f f e c t i v e n e s so fw a t e rp u r i f i c a t i o nw a s i d e n t i f i e db yt h er a ww a t e rw i t ht h eb e dm u do fc h a nr i v e r , y e l l o wf i v e ra n dw e ir i v e r a n d t h r e ec o a g u l a n t s ( p a c ，p a f ca n dp a m ) w e r ea l s os e l e c t e dt of i n i s ht h ee x p e r i m e n t t h e c o n c l u s i o n sw e r eb e l o w ： ( 1 ) t h i sc l a r i f i e rc o m p l e t e l yd e p e n d e do nt h ee f f e c to fw a t e rf l o wt oe n s u r et h ef l o c s s t a b i l i z a t i o no f s u s p e n s i o n ，t u r b u l e n c e a n dt e n d e n c i e s i t sc h a r a c t e rw a ss i m i l a rt o p l u g - f l o w r e a c t o r t h eb a c k m i x i n gp h e n o m e n o nd i d n o te x i s ts ot h ec l a r i f i e rc o u l db e a c h i e v e dt of i xt h ea g e n t si n t e n s i v e l y b e s i d e s ，t h ec o n t a c tf l o c c u l a t i o n f u n c t i o nw a s e n h a n c e da f t e ra d d i n gt h ec o a g u l a n ta i d a n dt h eo r i g i n a lw a t e rc o u l dg e tb e t t e rc l a r i f i c a t i o n ( 2 ) t h i sc l a r i f i e r sh i g h - e f f i c i e n tc i r c u l a t i o nw a so nt h ep r e m i s eo fa d d i n gt h eo r g a n i c p o l y m e rc o a g u l a n ta i d f u r t h e r m o r e ，t h ee x p e r i m e n to fm o t i o nw a t e ra p p r o v e dt h a tt h ee f f e c t o fa d d i n gp a f ca n dp a mw a sb e t t e rt h a nt h a to fa d d i n gp a ca n dp a mi nt h i se q u i p m e n t ( 3 ) t h i sc l a r i f i e rw a sc i r c u l a t e di ns t a b i l i t yo p e r a t i o n u n d e rt h en o r m a lc o n d i t i o n ，t h e g e n e r a lt u r b i d i t yo fe f f l u e n tw a t e rc o u l dr e a c hl e s s t h a n3n t u a n d c o d u a m m o n i a n i t r o g e na n dn o ；一n a l lr e a c h e dt h ed r i n k i n gw a t e rc r i t e r i aw i t h o u tf i l t r a t i o n t h er e m o v a l r a t eo fu v 2 5 4c o u l db es t a b i l i z e dw i t hm o r et h a n6 0 ，a n di tw a su pt o9 5 6 ( 4 ) b a s e do nt h ee f f e c to fe f f l u e n tw a t e ra n da g e n t s c o s to ft h i st w oc o m b i n a t i o n i t c o u l db ec o n c l u d e dt h a tt h eb e s te c o n o m i cc o a g u l a n t s c o m b i n a t i o nw a sp a f c + p a m k e yw o r d s ：h i 曲d e n s i t y ；p l u g f l o w r e a c t o r ：o r g a n i ch i g hm o l e c u l ec o a g u l a n ta i d 1 1 1 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 格角君 z d f 7 7 年朋学日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 杯角声 2 0 口7 年箩月孑日 铷一旅莉彳哆年n 长安大学硕士学位论文 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 水是人类生存和发展不可替代的自然资源，同时也是维系地球上生态平衡、决定环 境质量状况最积极、最活跃的自然要素之一。然而我国水资源紧张，多年平均水资源总 量为2 8 1 2 4 亿立方米。按1 9 9 8 年人口计算，人均水资源占有量为2 2 2 1 立方米，仅为世 界人均的1 4 。全国3 0 0 多个城市缺水，其中近百个城市严重缺水。引起我国水资源紧 缺的原因主要有：资源匮乏型缺水，污染型缺水，缺乏合格供水水质型缺水，工程设施 型缺水以及浪费型缺水。其中污染型缺水成为现在缺水问题的关键所在1 1 j 。 此外，为了适应我国社会发展的要求，缩小供水行业与国际先进水平的差距，新的 城市供水水质标准于2 0 0 5 年6 月1 日在全国正式执行。之前全国实施的生活饮 用水卫生标准是1 9 8 5 年发布的，已经执行了长达2 0 年。新标准在原有标准 3 5 条的基础上，增, h n n1 0 1 项，其中制定了常规项目4 2 项，非常规项目5 9 项。新标 准最大变化之一是水厂出水浊度由原来的3 n t u 降为1n t u 。然而，目前我国水司中 除少部分新建的或规模较大的水司目前出水浊度已接近或达到了新的水质标准要求外， 相当一部分早期建设的中小型水司都不同程度地存在供水水质不达标的问题。 因此，水源水的污染和饮用水标准的提高对给水处理技术提出严峻的挑战。全面提 高供水水质，使出水浊度尽快达到饮用水新标准的要求成为供水行业的当务之急。对此 有两种解决的办法，一种通过降低现有水厂的处理规模来达到提高出水水质的目的，但 这样势必要新建水厂，以满足城市对供水规模的要求；另一种方法是通过对现有水处理 系统运行管理的优化，实施挖潜改造，在基本维持现有供水规模或降幅不大的前提下， 提高供水水质，以达到新的水质标准。( ( 2 0 1 0 年发展规划也提出了“加强科学管理充 分发挥每一工艺构筑物的作用【2 】，对现有工艺进行“必要的合理的技术改造，充分发 挥常规处理效果的规划目标【3 】。可以预见，在今后一段时期内，现有工艺挖潜与技术 改造将是我国供水行业的重要工作内容和研究课题。如今国家提倡发展循环经济，建立 节约型社会，并把节水、节地和节能作为发展的主题，而澄清池作为典型的给水处理工 艺，集混合、絮凝和沉淀为体，在节地和节能方面有较大的优势。因此，本课题以澄 清池为研究对象，以出水质量高，节约滤池反冲洗水，节约占地面积以及降低能耗为目 的，在现有澄清工艺技术改造的基础上提出新型的澄清池。本课题的研究适应供水行业 第一章绪论 发展的要求，符合节约型社会的主题，具有深远的研究意义。 1 2 国内外澄清工艺的发展和研究现状 严格地说，澄清是混凝沉淀工艺过程的通称，但自5 0 年代前苏联人发明澄清池并 传入我国后，澄清工艺特指澄清器【4 1 。该工艺主要依靠活性泥渣层达到澄清目的，从改 善絮凝条件方面，充分利用池中的成熟絮凝体，使杂质颗粒与其发生接触絮凝而从水中 分离，从而提高处理效果，并使沉淀污泥具有较高的含固犁引。 自从美国i n f i l c o 公司1 9 2 0 年发现已沉淀的絮粒混入原水有较好的净水效果，于 1 9 2 5 1 9 3 2 年进行了长期试验，到1 9 3 5 年才正式建造第一座机械搅拌澄清池；苏联 a s e p b e a l 9 3 1 年间发现泥渣悬浮层可以大大提高净水效果，至1 9 3 7 年切切尔金创设了 第一支扩散式澄清池；法国d e g e r m o n t 公司于1 9 5 6 年建造了脉冲澄清池以来，澄清池 的应用已经有8 0 多年的历史【6 j 。八十多年来，国内外在典型澄清池的基础上开展了多 方面的研究工作，主要集中在典型澄清工艺的改造和新型澄清工艺的设计方面。 1 2 1 典型澄清工艺的改造 典型澄清工艺的改造包括加装斜板( 管) 、改进进水方式等措施，其中加装斜板( 管) 是改造的重点。 刘荣光等人对澄清池中增设斜板( 管) 的相关问题进行了探讨，提出在机械加速澄 清池中增设斜板( 管) 为克服因为流量增加而导致反应时间减少的问题以及应适当加强 搅拌，以适当增大速度梯度。此外，在水力循环澄清池内增设斜板( 管) ，建议取消喷 嘴、喉管和喇叭管。在脉冲( 悬浮) 澄清池内增设斜板( 管) 的同时还可在浓缩室上半 部增设斜板( 管) 以提高浓缩室的浓缩作用【刀。 杨福才等人对加速澄清池加设倾斜装置对澄清效果的影响进行探讨，研究发现，加 速澄清池安装倾斜装置，效果至少可提高1 倍，倾斜装置在悬浮层界面上效果较好，并 有面积效果和整流效果【8 1 。 准能公司净水厂处理净化黄河地表水，在机械加速澄清池的清水分离区加装斜管， 其絮凝效果和处理能力发生明显变化。四座澄清池处于最佳运行状态下，其单池运行处 理能力比原设计处理能力有所增加，提高同供水能力，出水水质也比较稳定。既满足电 厂工业用水需要，又解决了生产系统的难题，保证了供水系统的安全、稳定和经济运行 【9 1 。 2 长安人学硕- j ：学位论文 顾勇强研究指出水力循环澄清池在加装斜管的局部改造外，还需针对提高水力循环 澄清池泥渣浓缩能力的问题进行改造，并提出了在澄清池底部增设止回板的改造措施 1 1 0 1 o 1 2 2 新型澄清工艺的设计和研究 美国以节省化学药剂，产生低浊度的出水以及操作维护简单为目标设计了旋流 ( h f r ) 澄清池，该装置采用水力驱动的系统，用以形成和保持一个旋流的锥体型污泥 层，水流以不断扩展的旋流方式上升流过污泥层，试验结果证明了该装置出水质量高， 混凝剂用量省，易于运行，污泥易于处理，能量费用节省，基建投资省和维护费用低以 及适应性强的优点【1 1 】。 法i n d e g e r m o n t 水与废水处理公司研究设计了超脉冲澄清池，这种澄清池是综合了 泥渣过滤型和泥渣循环型两种澄清池于一体的高速澄清池，主要是在脉冲澄清池的污泥 悬浮层中设置了带有导流片的斜板并扩大污泥浓缩室的面积而成，其上升流速可达到 2 2 3 3 m m s 甚至4 2 5 5 m m s1 6 】。 匈牙利学者以高分子聚合物活化了的粉砂作絮凝的悬浮接触介质，进行了强化絮凝 的试验研究，提出了循环絮凝澄清池( c f 澄清池) 和快速絮凝澄清池( f l u o r a p i dc l a r i f i e r ) 。 据报导，此类池型与传统澄清池相比，前者所需停留时间仅需3 m i n ，澄清速度可提高3 剧1 2 1 。 甘肃金桥水处理公司研发了一种新型澄清池即双流澄清池，将预沉、混合、澄清集 一个池体中，减少了处理高浊度水的预沉池等构筑物；底部采用4 5 。锥体结构，重力排 泥；在池体内部导流筒采用5 5 。角，保证原水与混凝剂有足够的反应时间和反应强度要 求；延长导流板，增大导流区，使导流板与伞形板配合作用，从而保证了原水在高低浊 度下的出水质量。经过多年的运行实践证明，该工艺比常规工艺降低造价4 5 ，节约动 力3 5 ，降低运行成本4 7 2 2 【1 3 1 。 法 d e g e r m o n t 水与废水处理公司也开发研制了高密度澄清池并获得该项专利，这 种澄清池在欧洲己经应用多年，比如法国的m o u t 水厂、德国的来格朗等诸多欧洲水厂 均采用该工艺，具有处理效率高、产水率高、适应性强、处理效果稳定等优点【1 4 , 1 5 1 。目 前国内已有工程采用该处理工艺，如乌鲁木齐石墩子山水厂扩建工程等【1 6 l 。 西安建筑科技大学围绕上述高密度澄清工艺处理西宁市低温低浊水开展了系统的 试验研究。研究显示泥渣回流高密度澄清池由于采用了泥渣回流技术，同时利用了高分 3 第一章绪论 子助凝剂的吸附架桥作用，大大提高了低温低浊水的混凝反应效率，克服了低温低浊的 不利影响，能够降低混凝剂用量，适宜作为西宁市低温低浊水处理工艺【1 7 1 。 1 3 几种典型澄清池的水动力学分析 1 3 1 机械搅拌澄清池 该澄清池是用叶轮桨板的机械作用来完成絮体的悬浮、紊动和动态稳定要求【6 1 ，然 而，机械搅拌澄清池工作极为接近完全混合连续式反应器，水流具有返混的特点，由于 存在短路水流和可能产生水体随搅拌器做整体同心圆运动现象，达不到药剂混合均匀的 目的。特别是药剂直接进入反应室时，缺少药剂充分水解并与进水快速混合阶段，所以 存在缺陷【1 8 1 。因此，本次课题以水力澄清池为研究对象。 1 3 2 悬浮澄清池 悬浮澄清池是一种悬浮泥渣型澄清池，它的工作接近于推流式反应器，靠水流的搅 拌作用来保证接触絮凝区的工作要求，絮体的悬浮、紊动和动态稳定性都由水流条件来 完成的【6 1 。停留时间一般为2 0 3 0 m i n ，水流通过悬浮层的水头损失为5 - 8 c m m ( 高值 适用于浑浊度较高的原水) 【1 9 】。但是对进水量、水温等因素较敏感，处理效果不太稳定， 产水率较低。 1 3 3 水力循环澄清池 水力循环澄清池是一种泥渣循环型澄清池，它的工作也接近于推流式反应器，利用 水流在水射器的作用下进行混合和达到泥渣循环回流。当带有一定压力的原水( 投加混 凝剂后) 以高速通过水射器喷嘴时，在水射器喉管周围形成负压，从而将数倍于原水的 回流泥渣吸入喉管，并与之充分混合。由于回流泥渣和原水的充分接触、反应，大大加 强了颗粒间的吸附作用，加速了絮凝，以获得较好的澄清效果。但是它对水质、水温变 化适应性较差，水头损失较大，总停留时间为1 - 1 5 h a 9 】。 1 3 4 高密度澄清池 高密度澄清池在混合反应区内靠搅拌器的提升作用完成泥渣、药剂和原水的快速凝 聚反应，然后经叶轮提升至推流反应区进行慢速絮凝反应，以结成较大的絮凝体，再进 入斜管沉淀区进行分离。澄清水通过集水槽收集进入后续处理构筑物，沉淀物通过刮泥 机刮到泥斗中，经容积式循环泵提升将部分污泥送至反应池进水管，剩余污泥排放。该 工艺具有以下几个特点： 4 长安人学硕士学位论文 ( 1 ) 设有外部污泥循环系统把污泥从污泥浓缩区提升到反应池进水管，与原水混 合。 ( 2 ) 凝聚和絮凝在两个反应区中进行，首先通过搅拌的混合反应区，接着进入推流 式反应区。混合反应区的停留时间一般在6 1 0 m i n ，推流反应区的停留时间一般在 3 - 5m i n 。 ( 3 ) 采用合成有机助凝剂p a m 。 ( 4 ) 从低速反应区到斜管沉淀区矾花能保持完整，并且产生的矾花质均、密度高。 ( 5 ) 采用高效的斜管沉淀，沉淀区上升速度可达2 0 4 0 m h ，高密度矾花在此得 到很好的沉淀【2 0 1 。 1 4 课题的提出及研究内容 1 4 1 课题的提出 本次课题的研究以水力澄清池为对象，目前常用的悬浮澄清池和水力循环澄清池都 是靠水流作用完成工作的，但是都存在停留时间长，水头损失大以及不适应水量水质、 水温变化的缺点。高密度澄清池在反应阶段工作也接近于推流式反应器，具有停留时间 短，出水效果好和产水率高的优点，但由于其在混合阶段靠搅拌器的提升，所以存在整 体运行费用较高和耗能的缺点。基于高密度澄清池的优点，本次课题以出水质量高，节 约滤池反冲洗水，节约占地面积以及降低能耗为目标，在高密度澄清池的基础上提出高 密度网状絮凝澄清器。高密度网状絮凝澄清器将具有以下几个特点： ( 1 ) 水力学特点：完全靠水流的作用来保证絮体的悬浮、紊动和动态稳定性，它 的工作接近于推流式反应器，不存在返混现象，可以实现药剂的充分混合。此外悬浮层 中成熟絮体和微絮体发生接触絮凝，投加助凝剂p a m 后形成高密度网状絮凝体，可以 加强絮体间的接触絮凝作用，使原水得到更好的澄清。 ( 2 ) 利用增设挡板的涡流混合器完成快速均匀的混合。 ( 3 ) 斜板下面的白水较均匀，水流进入斜板时转折小，矾花不易被打碎。 ( 4 ) 构造较简单紧凑，占地面积小。 ( 5 ) 不需机械设备和真空泵，完全靠水流的作用，能耗低。 本课题将围绕该澄清器的特点进行模型的设计制作，并通过动态模型试验，研究高 密度网状絮凝体的形成机理，解决药剂优选和不同原水水质条件下的最佳投加方式以及 5 第一章绪论 投加量问题，并考察该澄清器抗击冲击负荷的能力，并以实际净水效果验证该澄清器的 效能。 1 4 2 课题研究的主要内容 ( 1 ) 模型的设计 总结现有澄清工艺的工作原理以及优缺点，在水力学理论的指导下进行模型的设 计。 ( 2 ) 静态试验研究 根据目前水厂应用的混凝剂种类，初步选定一种助凝剂和两种混凝剂。 通过混凝烧杯搅拌试验对初选的药剂处理原水的效果进行分析、比较，通过搅拌 试验优选出最佳的投加方式和药剂组合。 对优选出的投加方式和药剂组合，确定药剂的投加量范围，为动态试验提供基础 数据。 ( 3 ) 动态试验研究 设计加工动态试验模型系统。 参考静态试验优选的混凝剂、投加方式以及投加量，通过高密度网状澄清池动态 模型试验，研究悬浮层的形成过程，以验证投加助凝剂的作用。 考察澄清器稳定运行下的控制参数，包括水质控制参数( 出水浊度、c o d m , 、 氨氮、n o ；一和研么。) 和水力控制参数( 表面负荷、5 m i n 沉降比、排泥浓度、停留 时间和水头损失) 。 长安火学硕r j ：学位论文 第二章高密度网状絮凝澄清器的设计原理 高密度网状絮凝澄清器是集混合、絮凝和沉淀的水处理工艺，该澄清器由六个部分 构成：混合区、涡流反应区、长方体反应区、斜板翼片澄清区、清水区以及出水区。整 个澄清器的工作是以有机高分子助凝剂的投加为前提的，在长方体反应区中投加有机高 分子助凝剂，可产生强烈的吸附架桥作用，加速絮凝体的成长，提高絮凝体的结构强度， 形成高密度网状絮凝体。澄清器的快速混合区、涡流反应区、长方体反应区以及斜板翼 片澄清区是提高混凝沉淀效率的基本保证，整套装置是基于涡流扩散、泥渣悬浮层、翼 片斜板的水力学原理以及物料衡算原理设计而成的。 2 1 高密度网状絮凝澄清器的水力学原理 2 1 - 1 涡流扩散理论 在水质混凝处理过程中，混凝效果与混凝剂在水中迅速扩散有密切关系，原水中加 入混凝剂后，产生两种效应：混凝剂在水中进行扩散与混合；混凝剂水解，水解产物与 胶体颗粒作用使其脱稳。由于水解脱稳速率远远大于混凝剂在水中的扩散速率，故水中 胶体颗粒能否迅速脱稳，混凝剂的扩散作用就成为决定因素。因此，混凝剂迅速混合对 于提高絮凝效果是至关重要的，如果混凝剂不能迅速而均匀混合，则在混凝剂较多的部 位，胶体颗粒迅速脱稳结大，而混凝剂不足的地方胶体颗粒就缺少结大的条件【2 1 1 。 对混合现象的认识，d a n c h w e r t s 以及k r e v l e r 、z w i e t e r i n g 等提出2 种混合：宏观混 合与微观混合。当两种或两种以上的物料间达到分子级的混合程度时，称为微观混合， 否则称为宏观混合【2 2 , 2 3 】。 ( 1 ) 宏观混合 混合过程是在强制对流作用下通过主体扩散、涡流扩散和分子扩散，最终达到分子 级均匀混合【2 4 1 。刚加入的药剂首先形成大尺度的涡旋微团，混合则首先将从大尺度对流 运动开始，继之以小尺度，即涡流扩散把较大的液滴微团进一步变形分割成更小的微团， 通过小微团界面之间的涡流扩散，把不均匀程度降低到涡流本身的大小，直到 k o l m o g o r o f f 尺度即宏观混合的最大限度。 加药混合是在湍流条件下进行的，固壁装置内的水流，沿垂直水流方向可分为3 层： 粘性底层、过渡区和湍流区。其中粘性底层紧贴固体壁面，粘性切应力占主导，湍流切 应力极小可忽略，所以流动近似层流状态，流速呈线性分布且极小，因此该层对混合的 7 第二章高密度网状絮凝澄清器的设计原理 影响可忽略不计。湍流区是主流区，占据绝大部分断面，区域内湍流切应力是主要特征 因素，粘性切应力很小，只能产生尺度大而强度低的涡流，以涡流扩散为主。过渡区居 于这两层之间，速度梯度相当大，涡能量是最大的，该区中流体受粘性切应力和湍流切 应力的影响接近于相同的量级，可认为满足局部平衡条件，涡旋尺度等于k o l m o g o r o f f 微尺度。同时由于强烈的涡流扩散作用，使过渡区和湍流区之间产生连续的质量交换， 从而使药液达到宏观混合。达到宏观混合均匀所需的时间为【2 5 l t 。a r 2 e ( 2 1 ) 其中：r 为宏观混合时间；r 为断面特征尺度；e 为湍流扩散系数；口为系数，与药 剂投加位置有关。 ( 2 ) 微观混合 微观混合是指分子尺度上的混合，它的最终实现只能靠最小尺度微团内的分子扩 散。借助式( 2 1 ) 的推导方法，则微涡内达到分子混合均匀所需的时间可表示为 l = 以2 d ( 2 2 ) 其中l 为微观混合时间；d 为分子扩散系数；a 为k o l m o g o r o f f 微涡尺度。 a - ( 孚) 其中 ，为水的运动粘度；p 为水的密度；为单位体积水体所消耗的功率。 实际混合装置的尺度一般为分米级以上，而涡旋微尺度的量级为1 0 。5 胁，即 ( 2 3 ) 尺1 0 4 a ；另外湍流扩散系数e 一般比分子扩散系数d 大1 0 6 1 0 7 倍【2 6 】。 上述分析结果代入式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 得 t 1 0 t 卜2 l ( 2 4 ) 在分析微观混合过程中，仅考虑了涡旋内的分子扩散，实际上由于微涡内粘性切应 力占主导地位，剪切速度梯度大，离散作用不可忽略，微观扩散速度将大大提高，其混 合时间也会进一步减小。由此可以断定，在整个药剂混合过程中，混合时间由宏观混合 即涡流扩散主导。 混合池的设计就是利用涡流扩散的原理，即采用涡流混合器。水以较高的流速从底 锥处流入形成涡流扩散后，逐渐上升，以其能量的消耗形成激烈的混合条件，使混凝剂 8 长安人学硕1 ：学位论文 快速、均匀的和水混合。混合池的上半部分是圆柱体形状，为避免产生共同回流，在柱 体池壁上增设挡板，另外水流通过挡板，产生涡流，增加颗粒间的碰撞几率，从而提高 混合的效率。 2 1 2 泥渣悬浮层理论 2 1 2 1 泥渣悬浮层中絮体的拥挤沉降速度方程 本澄清器的设计没有考虑泥渣回流，可认为是泥渣悬浮型的。原水通过悬浮层获得 澄清，由于悬浮层拦截了进水中的杂质，悬浮泥渣颗粒变大，沉速提高。处于上升水流 中的悬浮层亦似泥渣颗粒拥挤沉淀。上升水流颗粒处于动态平衡状态，所受到的阻力恰 好与其在水中的重力相等。上升流速等于悬浮泥渣的拥挤沉速，拥挤沉降速度u 。即上 升流速计算式如下： u = u ( 1 一c ，) “ ( 2 5 ) 其中“：拥挤沉速，等于澄清器的上升流速，m m s ； u ：絮体颗粒自由沉速，m m s ； c 。：絮体体积浓度； 万：指数。 在1 r e 1 0 0 0 范围内，属于过渡区，此时自由沉速可表示成a l i e n 公式： 吲c 去，掣南 汜6 ， 其中p p ：絮体颗粒的密度； 肛：水的密度； ：水的动力粘度系数； d ：絮体颗粒的直径。 得絮体颗粒的拥挤沉淀速度即上升流速为 比。【毫) 掣南”c 7 ) 从公式( 2 7 ) 可知： 9 第二章高密度网状絮凝澄清器的设计原理 ( 1 ) 当上升流速变动时，悬浮层的体积浓度以及厚度会相应变动。即上升流度越 大，体积浓度越小，悬浮层厚度越大，当上升流速接近颗粒自由沉速时，体积浓度接近 零，悬浮层消失，当上升流速一定时，悬浮层浓度和厚度一定，悬浮层表面位置不变。 为保持在一定上升流速下悬浮层浓度和厚度不变，必须采取排泥措施以保持悬浮层的动 态平衡，泥渣悬浮层在动态平衡下可以发挥其接触絮凝和水动力的阻截作用【2 7 1 。 ( 2 ) 泥渣悬浮层处于动态平衡状态时，通过排泥维持絮体的体积浓度( 沉降比一 般控制在1 5 2 0 之间) ，絮体的粒径和密度越大，其上升流速越高。而当维持一定的 上升流速时，澄清池的净水能力可以得到提高。因此，可以通过投加有机高分子助凝剂 提高絮体的粒径和密度，从而达到提高澄清池净水能力的目的。 2 1 2 2 悬浮层中颗粒的碰撞方程式 在澄清器中，大粒径的成熟絮体处于和上升水流成平衡的静止悬浮状态，构成悬浮 泥渣层。投加混凝剂后的原水通过搅拌或配水方式生成微絮体，然后随着上升水流自下 而上地通过悬浮泥渣层而吸附、结合，迅速生成成熟絮体，从而悬浮泥渣层中成熟絮体 与微絮体之间发生接触絮凝。 进入的微絮体在通过悬浮层时，因发生接触絮凝，颗粒数目逐渐减少。假设粒径为 d ；的成熟絮体静止悬浮于具有速度y 。的上升水流中，而粒径d ，的微絮体以与水流上升 速度相等的上升速度接近粒子d ，并进行碰撞。两种絮体在相对行进速度v 。发生碰撞， 碰撞半径为去c ，+ d f ) ，对絮凝而言，忽略微絮体之间以及成熟絮体之间的碰撞，只 考虑微絮体和成熟絮体之间的碰撞，则得如下方程： 去- 刀孑q v s ( d , + d n n 一三州r 2 m ( 2 8 ) 其中a n ：单位时间、单位体积液体内所发生碰撞次数； 口f n ：上向流中单位体积内微絮体的数目； q ：有效碰撞率( 泥渣过滤效率) ，决定于无限远处对碰撞有效的流水断 面积与垂直水流的直径为( d 。+ d ) 的断面面积之比； c 。：无限远处对碰撞有效的流水断面积与垂直水流的直径为( d j + d ) 的断面面 积之比： 长安大学硕j ：学位论文 n ：平均单位体积内的d i 粒子个数； d 。：成熟絮体的粒径； d ：微絮体的粒径。 流入的微絮粒从悬浮层底部向上流动，数量流经距离而下降，则方程式( 2 8 ) 可o a 改 写为： 一d n ；一三曰旦n ( 2 9 ) 一= 一一口二 l z y ， d z2 1 d ： 其中z ：从悬浮层底部向上的距离，d z = y ，d t ； e ：悬浮层中成熟絮凝体的体积浓度e 一詈d ? 。 求解公式( 2 9 ) 得： n = h o e 也 ( 2 1 0 ) 七= 三3 9 蓄c lge(211) 式中k 称为泥渣过滤速度系数，( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式即为絮凝体悬浮层接触絮凝方程式 1 2 8 】 o 从( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 可以知道： 悬浮泥渣层中的泥渣过滤是按流入微絮粒浓度以的一级反应来考虑。 悬浮层处于动态平衡时，流入微絮粒的减少即泥渣过滤中絮粒形成的速度取决于 悬浮层原有成熟絮粒的体积浓度c v 及其粒径d ；，悬浮层的厚度z 以及泥渣过滤效率q 。 2 1 3 翼片斜板理论 斜板沉淀池是基于“浅池理论发展而成，它以沉淀效率高的优点在水处理中被广 泛应用，近年来还研究了在斜板的沿水流垂直方向上，添加翼片的所起的作用，这种沉 淀池成为翼片斜板或迷宫斜板沉淀池。如图2 1 所示。 图2 1 ( a ) 表示翼片斜板的工作情况，( b ) 则表示翼片斜板中沉淀单元的流型。由 图( b ) 中看出，由相邻的两块斜板和翼片间构成了一个翼片槽沉淀单元。这个单元的 上部为主渠，下部为翼片槽。水流过沉淀单元时形成了特殊的水流构型，在主渠内为主 流区，在翼片槽内为环流区，在两者之间为翼片尾流涡旋街区。主流区及环流区均为层 第二章高密度网状絮凝澄清器的设计原理 流。主要的流量系通过主流区，絮体在主流区内沿主流流速与沉降速度合成方向下沉， 但在涡旋区中的絮体则被带入翼片槽内的环流区，因此主流每经过一个翼片单元则被截 留一部分絮体。 翼片斜板的独特之处是，创造了一个有利于分离悬浮颗粒的水力条件，并使之与颗 粒的重力沉降相结合，以加速分离过程1 2 9 1 。鉴于翼片斜板的优越性，本次模型设计在澄 清区采用翼片与斜板相结合。此外，对于翼片斜板在澄清池中的作用，目前还有以下几 种说法： ( 1 ) 在悬浮区加设斜板后，虽然上升速度增加，悬浮层上升膨胀，但由于加设了 斜板降低了雷诺数，增加了沉淀面积，使得通过悬浮层接触絮凝后的大絮粒易于沉降， 从而稳定了悬浮层的上升。 ( 2 ) 斜板中沉淀滑下的浓度大、粒径粗的泥渣与上升的微小絮粒之间不断相互接 触，增加了接触碰撞和吸附结合的机会，促进了絮凝【6 , 3 0 】。 r ， ( 、 环：流区 置片尾流区 _ 主流区 图2 1 翼片斜板沉淀池局部大样图 2 2 高密度网状絮凝澄清器的物料衡算方程 ( b ) 物料衡算方程是从质量守恒原理直接得出来的一个关系，在反应器有关的问题中得 到了广泛的应用。高密度网状絮凝澄清器工作也接近于推流式反应器。在推流式反应器 的起端，物料是在高浓度下进行反应，反应速度很快，沿着液流方向，随着流程增加( 或 反应时问的延续) ，物料浓度逐渐减低，反应速度随之逐渐减小【2 7 1 。此外，该澄清器的 长安大学硕士学位论文 运行应符合物料平衡原理，下面将得出澄清器在非稳态和稳态运行时的物料平衡方程 式： ( 1 ) 非稳态时的物料衡算方程 高密度网状絮凝澄清器刚开始运行时悬浮层还没达到动态平衡状态，悬浮层中的颗 粒浓度尚未均匀，设澄清器进水的悬浮固体含量为c 。，进水流量的负荷为q 。在时间班 内，入池的悬浮固体增量为q o c 。d t ；又设动水悬浮层颗粒的沉速为u 。，则此时动水悬 浮层去除泥渣的量为“。c 。d t ；由于没有排泥，去除的泥渣在底部积累，澄清器底部泥渣 积累，淤积层的高度增大，设该层的平均浓度为c ，高度增量为d h ，则淤积层的泥 渣增加量为c ，d h ，；此时悬浮层还没达到平衡状态，悬浮层膨胀，部分颗粒随水流出， 记膨胀的高度为d h 。 因此可得非稳态下澄清器的物料平衡方程【3 1 l ： c o q o d t = u h c o d t + c o d h i ( 2 1 4 ) “ c o d t = c ，d h ， ( 2 1 5 ) ( 2 ) 稳态时的物料衡算方程 设稳定状态时澄清器进水、排泥水、出水的流量分别为q 。、见、q ，密度分别为 p 。、p 。、p ，进水和排泥水中的悬浮物浓度分别为c 。、c 。澄清器出水中的悬浮物 浓度近似认为是零。 根据物料衡算方程得： 泥量平衡： q 。c o q c 。 ( 2 1 6 ) 水量平衡： q 。( 风一c o ) = q 。( 色- c 。) + q ，p ， ( 2 1 7 ) 一般p o 、p 。、p ，近似认为是1 ，并结合( 2 1 4 ) 、 ( 2 1 5 ) 可得： q 厂= q o c o ( 去一专) 等式左右两边同除于沉降面积得彳： 第二章高密度网状絮凝澄清器的设计原理 鲁= 牟c 去一专 彳彳、c 。c 。7 其中等式左边的丝是澄清器的表面负荷率【3 2 1 。 a 1 4 ( 2 1 9 ) 长安大学硕士学位论文 3 1 工艺流程 第三章高密度网状絮凝澄清器的设计 高密度网状絮凝澄清器的工艺流程如3 1 所示： 图3 1 澄清器工作原理图 高密度网状絮凝澄清器是靠水流的搅拌作用来保证接触絮凝区的工作要求，絮体的 悬浮、紊动和动态稳定性都是靠水流条件完成的。原水投加混凝剂后在涡流混合区快速 混合搅拌，通过两个方向相对的进水口进入涡流反应区，水流呈螺旋状上升，原水和混 凝剂得到良好的反应。在长方体反应区混凝剂投加间隔1r a i n 的地方投加有机高分子助 凝剂，矾花颗粒进一步充分反应，粒径进一步增大，形成高密度网状絮凝体。同时因上 升水流的托升作用就形成了悬浮泥渣层。原水在通过泥渣层的过程中，和池内原有的活 性泥渣进行接触、絮凝，使细小絮粒粘结在原有的大絮粒上。水力筛分作用使泥渣悬浮 层中大粒径的矾花颗粒沉淀下来，部分矾花在斜板翼片澄清区进一步反应和沉淀分离， 使原水得到澄清，清水由向上汇集于集水系统出流，过剩的泥渣由排泥装置排出。 3 2 高密度网状絮凝澄清器的设计 高密度网状絮凝澄清器由六部分组成：混合区、涡流反应区、长方体反应区、斜板 澄清区、清水区和出水区。其中混合区是单独设置的涡流混合器，剩下的五部分构成一 个整体的絮凝沉淀装置。整套澄清器的初步设计流量q 为1 8 0 l h ( 0 5x l o 。4 m 3 s ) 。 3 2 1 混合区 3 2 1 1 设计依据 混合区的设计是参照涡流混合器设计的，设计参照依据是： 第三章高密度网状絮凝澄清器的设计 ( 1 ) 涡流混合池平面形状一般是正方形或圆形，与此相对应的下部呈倒金字塔形或 圆锥形，中心角为3 0 4 5 。，上口处上升流速为2 5 m m s ，进口处流速为1 - 1 5 m s 。 ( 2 ) 混合要快速剧烈，通常在1 0 3 0 s 至多不超过2 m i n 完成1 1 9 1 。 3 2 1 2 参数选定与相关参数的计算 选定混合器平面形状为圆形，与此相对的下部呈圆锥形，初步选定进口处流速为 1 5 m s ，初步设计上升流速1 ，为2 5 m m s ，在柱体壁上均匀设置四块挡板，宽为1 5 m m ， 挡板高同柱体。考虑到涡流混合器因中心角小而产生的施工困难与池深高的问题，中心 角b 取9 0 。 平面龅卟鹰_ j 器一o 。5 肌 考虑到尺寸偏小，d ，取为0 0 8 m ，柱体的实际上升流速反算得 ，：墨：_ 4 0 5 x 1 0 - 4 1 咖川s 力_ 3 1 4 0 0 8 2 锥体部分高h l = 了d if 9 4 5 。= 半小0 0 锄 为方便加工，根据经验取值，混合器总高h 取为o 1 m 柱体部分高2 = 日一= 0 1 0 0 4 = 0 0 6 m ，挡板高也是0 0 6 锥体容积k = 壶力? h 。= 壶3 1 4 o 0 8 2 o 0 4 ；o 6 7 1 0 册3 柱体容积一曲? 2 一i 1 x 3 1 4 o 0 8 2 o 0 6 = o 3 1 0 一3 肌3 锥体停留时间五：鲁：坐里生要：1 3 4 s 051 0 1 q “ 柱体停留时问疋：堕；些；6 sa 051 0 “ 混合器总的停留时间t = 乙+ 疋= 1 3 4 + 6 = 7 3 4 s 进水管管弛= 腰= 4 x 0 5 x 1 0 - 4 一o 0 0 6 5 朋 1 6 长安大学硕士学位论文 考虑到市场上管材的实际管径，d ：取为o 0 0 6 m 故蛳进口流瓤；署= 舞器乩娜 混合器出水管径d ，为配合絮凝沉淀装置的进水管，计算见3 2 2 2 涡流反应区的计 算。 此外，本部分的水头损失在此不做理论计算，将在后面动水试验中通过膜盒压力表 在实际流量下现场实测。 3 2 1 3 混合器装置构造图 l a j a - u 刊 生 甘 a _ a 剖面图 图3 2 混合器平剖面图( 单位：e r a ) 图中： 1 一进水管2 一放空管 3 一出水口 4 - 挡板 3 2 2 絮凝沉淀装置 3 2 2 1 设计依据 该装置是参照涡流反应器、斜板沉淀池和普通澄清池的参数设计的，参照的依据有： ( 1 ) 涡流反应器的平面形状一般是j 下方形或圆形，与此相对应的下部呈倒金字塔 形或圆锥形。进水管流速采用0 8 1 o m s ，底部锥角采用3 0 4 5 。 1 7 第三章高密度网状絮凝澄清器的设计 ( 2 ) 上向流斜板沉淀池中斜板的倾角一般为6 0 。，清水区的上升流速为 2 5 - 3 0 m m s 。 ( 3 ) 普通澄清池清水区的上升流速一般为0 8 1 1m m s1 1 9 1 。 3 2 2 2 参数选定与相关参数的计算 ( 1 ) 涡流反应区 涡流反应区参照涡流反应器设计的，采用台体形状，上下底面均是正方形。由于考 虑到涡流反应器因为锥角小造成的池深大、施工难的问题，并与上部柱体较好衔接，设 计采用两个台体，每个台体设一个进水口，两进水e l 方向相对，进水流速v ，初定为 0 8 m s 。该反应室的高h ，取为0 1 m ，与之相通的第二反应室上升流速 ，。取为 2 5 m m s 。反应室底部放空管管径d ，取为l o m m 。 艄面娜层= 、羔等一o 拥 由于锥角一般在3 0 4 5 。，下底面宽h ，取为0 0 3 m ，反算得： 锥觚砌c c 喀警勘c c 喀訾_ 3 9 。 每个台体容积y ，为： 吩学