隔板絮凝池的简介及工艺改进.doc

往复式隔板絮凝池的简介及工艺改进 施亮亮 （徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221008）摘 要：混凝是常规处理工艺的关键，目前大、中型水厂应用最广泛的混凝反应设备是隔板絮凝池。往复式隔板絮凝池是隔板絮凝池的一种，虽然它构造简单，施工和管理方便，但其水头损失大，絮凝效果不稳定。为了更合理地设计和优化凝工艺，可以使絮凝颗粒与水流产生相对运动；改变水流的速度和水流方向，产生大大小小的涡旋，增加了颗粒的有效碰撞；而且可以将絮凝池直角拐角和隔板矩形端面设计成圆弧形，减少水头损失，这些改进在工程改造中具有实际意义。关键词：往复式隔板絮凝池；相对运动；涡旋；圆弧形絮凝是通过流体流动的能量消耗，促使水中胶体颗粒在混合阶段脱稳，经初步聚集的微絮粒相互接触碰撞，使水或液体中悬浮微粒集聚变大，形成絮团，逐步形成能满足沉降分离要求的较大絮体的过程1。在给水净化和废水物化处理工艺中，混凝是不可缺少的前置关键技术环节，是沉淀、过滤处理的基础2。实践证明，设计时混凝工艺选定的合理，不仅可以提高出水水质，还能达到节能降低运行费用的目的。1 混凝反应设备的介绍及存在的优缺点混凝反应设备即絮凝池，分为推流型（简称PF型）和完全混合连续流型（简称CSTR型）。接近推流型的絮凝池有隔板絮凝池、折板絮凝池等；接近完全混合连续型的絮凝池有机械搅拌絮凝池。比较这两类絮凝池的特性可知，在理想情况下，从絮凝速度考虑，采用PF型絮凝池比采用CSTR型絮凝池效果好。虽然，按反应器原理，串联数越多絮凝池效果越好，但考虑到造价及机械设备的增加会使操作复杂化并给维修带来不便等因素，在实际工程中串联数一般不超过4个。相比较，还是PF型絮凝池更经济实用。而PF型絮凝池可分为隔板絮凝池和折板絮凝池，隔板絮凝池的构造比较简单，进水流量大，能承受突然的水量变化，施工管理方便，目前用于大、中型水厂3。隔板絮凝池（spacer flocculating tank）指的是水流以一定流速在隔板之间通过而完成絮凝过程的构筑物。隔板絮凝池常有往复式和回转式两种，后者是在前者的基础上加以改进而成。在往复式隔板絮凝池内，水流作180转弯，局部水头损失较大，而这部分能量消耗往往对絮凝效果作用不大。因为180的急剧转弯可能会使絮体破碎，特别是在絮凝后期。回转式隔板絮凝池内水流作90转弯，局部水头损失相比大为减小，絮凝效果也有所提高。本文着重介绍往复式隔板絮凝池，就其优缺点以及如何改进加以论述。往复式隔板絮凝池的优点:构造简单、施工和管理方便、效果有保证，所以成为大型水厂经常采用的工艺形式，被广泛应用。往复式隔板絮凝池的缺点：如果水量过小时，隔板间距过狭不便施工和维修。流量变化大者，絮凝效果不稳定，与折板及网格式絮凝池相比，水头损失较大，因水流条件不理想而使能量中的大部分成为无效消耗，从而延长了絮凝时间，增大了絮凝池容积，特别是在水流流经拐角时，速度以离散数值方式变小，而不是由大到小平稳地过渡，这样消耗的能量大但对絮凝提的成长并不有利，虽然在急剧转弯下会增加颗粒之间的碰撞几率，但不合理的速度梯度分布易造成絮凝池前部由于速度梯度过小，达不到最高效率的颗粒碰撞，而后部拐角处由于速度梯度过高，撞击过大，而易使聚集好的絮体破碎，结果导致絮体颗粒密实程度不一。 这样在设计时间内，被打碎的絮体随水流进入沉淀池，影响出水效果，而密实的絮体在未进入沉淀池时，已过早地在絮凝池后部下沉，时间一长，在絮凝池末端的廊道内易形成“沙丘”状的沉积物，阻碍水流通道，降低了絮凝效果， 如将絮凝池末端的廊道封闭，以此缩短絮凝时间，疏松的絮体易过早地进入沉淀池，更易使出水效果恶化4。2 往复式隔板絮凝池的改进工艺2.1 颗粒与水流产生相对运动，增加颗粒碰撞 在往复式隔板絮凝池中，水流在廊道间往复运动，带动颗粒碰撞聚集，池子起端廊道间距较窄，水流速度较大，增加了絮凝颗粒相互间的相互接触碰撞机会，有利于反应初期絮凝颗粒较小时，通过絮凝剂的电中性和吸附架桥作用，使胶体颗粒脱稳再结合形成矾花。矾花在流动过程中不断吸附胶体颗粒逐长大，在絮凝反应后期凝聚形成大颗粒絮凝体，但其密实性和抗剪切能力却较低，较大的速度冲击作用会使形成的矾花重新被打碎5。这一过程中，水流的流态以及水流的结构等水力特性对絮凝效果起着决定性作用6。为了使絮凝效果进一步改善，必须了解水流的内部形态和结构。为使水流中的颗粒相互碰撞，就必须使其与水流产生相对运动。水中的颗粒与水流产生相对运动最好的办法是改变水流的速度。改变速度的方法有两种:改变水流速度时而造成的惯性效应来进行凝聚改变水流方向。在湍流中充满着大大小小的涡旋7。涡旋的加速度（单位质量的惯性力）随涡旋尺度的减小而增大，即涡旋越小其惯性力越强。由此可见湍流中微小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要动力学致因。2.2 通过湍流造成的湍流剪切力控制颗粒的有效碰撞要达到好的絮凝效果，除有大量颗粒碰撞之外，还需要控制颗粒合理的有效碰撞，使颗粒聚集起来，湍流涡旋在絮凝反应中起重要的动力学作用。湍流作用下，湍流涡旋剪切力和惯性离心力是对加速颗粒接触碰撞的主要动力致因，而湍流涡旋剪切力是主导动力。湍流剪切力是由湍流涡旋造成的，显然涡旋尺度越小，涡旋强度越大，涡旋对矾花的剪切作用越强。涡旋尺度主要取决于流动空间尺度和流动速度两个因素。流动空间越大，涡旋尺度越大；在同一空间尺度下流动速度越大，涡旋尺度越小8。涡旋运动在混凝沉淀过程中起着非常重要的作用，特别对于一些水质较差的水源，如低温、低浊水，由于水温低，水分子热运动较弱，浊度低时水中胶体颗粒少，因此，混凝剂水解产物与胶体颗粒以及胶体颗粒的自身的接触减少，比较难于形成絮体颗粒。此时，水中涡旋运动的存在，特别是大涡旋逐次分解成小涡旋的紊动作用，大大增加了颗粒间的碰撞几率，提高了混凝反应的效率10。涡旋在混凝过程中通过涡旋剪切作用和涡旋惯性离心作用来提高颗粒碰撞的速度梯度和碰撞几率，能为絮凝提供很好的水力絮凝条件。2.3 将絮凝池直角和隔板矩形断面设计成圆弧形 图1 往复式隔板絮凝池 隔板间距（廊道宽度）从进水端至出水端逐渐增大，而使水在廊道内的流速逐渐减小。通过水流在廊道间往返流动，造成颗粒碰撞聚集。水流的能量消耗来自絮凝池内的水位差，即水头损失。廊道内的流速逐渐减小是为了避免逐渐增大的絮凝体在水流剪力下破碎。水流在经过矩形端面的隔板时，在廊道头部形成了一个较大范围的死水区，死水区的存在使得廊道头部及附近区域的絮凝效果受到影响，容易造成矾花在死水区沉降9。为此，在往复隔板絮凝池设计中要考虑，尽可能使絮凝池前部紊流程度大些，增加颗粒碰撞几率；而后部紊流程度小些，避免已形成的大絮凝体破碎，特别在是水流转弯处。为了实现水流平稳过渡，消除廊道头部死水区，将絮凝池直角拐角和隔板矩形端面设计成圆弧形，如图1所示。与传统往复隔板絮凝池拐弯处对比，水流经过圆弧界面绕流前后的压强差，即压强阻力（因与物体的形状有关，也称形状阻力）比摩擦阻力大得多，尤其在絮凝池的后部，水流速度比较低，摩擦阻力可以忽略，所形成的涡旋更能充分利用能量由涡旋运动引起的扩散作用，产生了更多大小相套的复杂涡旋，与池壁的多次碰撞促进了水流中微小涡旋的形成11，这种低流速的运动便于节约能量，降低水头损失、缩短反应时间。同时，微小涡旋的随机卷动，易使得聚集颗粒以圆周形式运动接触结合，所形成的絮体更为密实而近似于球体般的光滑，在后续的分离过程中易于下沉。与大尺度涡旋相比，小尺度涡旋半径越小，而离心作用越强，运动加快，速度梯度越大，这样的边界条件使得水力状况大为改善12。圆弧边壁水流涡旋比较多，改进后的絮凝池流速分布合理，反应时间相应缩短，水流经过圆弧拐角时能量损失明显较少，速度梯度变化平稳，呈逐渐递减趋势。具有圆弧形边壁形状的往复隔板絮凝池充分体现了水流紊动在混凝沉淀过程中的作用，可以大大的减少水头损失。3 小结： （1）往复式隔板絮凝池通过采取以下三种方法：使絮凝颗粒与水流发生相对运动，增加了颗粒间的碰撞几率通过湍流造成的湍流剪切力控制颗粒间的有效碰撞将絮凝池直角和隔板矩形断面设计成圆弧形，减少水头损失。通过这些改进方法使隔板絮凝池的絮凝效果得到进一步改善，非常具有参考价值及实用意义。参考文献：1范瑾初.混凝技术M.北京：中国环境科学出版社，1992.2杨志浪，黄克文，周洋洋.基于计算流体力学的往复式隔板絮凝池流场模拟分析J.给水排水，2009，(z2)：365-368.3祝皎琳，林建国.往复隔板絮凝池流场数值模拟及混凝效果分析J.环境工程，2005，23(2)：72-74.4詹永，王惠民，唐洪武，等.隔板絮凝池水流结构对水质浊度影响的探讨，河海大学学报2001，29(5)：88-91.5Biggs S，Hab900d M，Jameson GAggregate structures via a Bridging Flocculation MechanismJJournal of Chemical Engineering，2000(80)：1322.6吴龙华，唐洪武，严忠民等.DPIV技术在絮凝池流场特性研究中的应用.河海大学学报，2003，31(1)：38-41.7谭风训，武道吉，崔红兰.絮凝动力学机理研究.山东建筑工程学院学报，1998，13(1)：91-93.8叶瑞，张发宇，汪家权.往复式隔板絮凝池内部流场数值模拟分析J.人民长江，2009，4(1)：79-81.9詹永，杨习居，范海燕，等.往复隔板絮凝池