微涡流澄清工艺应用现状与研究进展.pdf

2012 No 6 Nov Vol 30 在水处理工艺中 混凝是常规水处理的核心技术 是水处理最重要的过程也是最难管理的一个环节 混 凝包括凝聚和絮凝两个过程 而絮凝设备的形式对混 凝效果起着决定性的作用 通常的混凝工艺分为水力 搅拌和机械搅拌两大类 由于机械搅拌能量难以均匀 分配 能量利用效率低 加之机械设备维护工作量大 因此 我国使用水力搅拌混凝工艺居多 水力搅拌形式多种多样 常用的有隔板 折板 网 格等 在混凝反应区布置网格 其目的是为了形成微 小的涡旋流动 微涡流有利于水中微粒的扩散 充分 利用流体能量 增加脱稳胶粒的碰撞机率 提高凝聚 效率 然而 工程实践中也发现网格反应工艺存在网 格的制作和安装都比较困难 网孔易被漂浮物堵塞 网 格材料使用寿命较短等一些不足 微涡流澄清工艺是 在网格混凝工艺基础上为进一步提高絮凝效果并克 服网格混凝的缺陷而研发出来的 1微涡流澄清工艺 1 1涡流反应器与涡流网格反应器 涡流澄清工艺的核心是涡流反应器和涡流网格反 应器 1 最初设计涡流反应器的目的是替代网格 克服 其安装不便 易堵塞 寿命短等缺点 它们是以ABS塑 料为主材制成的多孔空心球体 球体内外表面制成糙 面 表面开有小孔 涡流反应器开有圆形孔 涡流网格 反应器开有网格状孔 孔的大小和开孔率根据处理水 水质情况确定 涡流反应器和涡流网格反应器有以下特性 2 1 过 孔水流流速及流向变化 加之内外壁面的磨擦阻力 使 水流产生微涡旋流动 2 工程施工简单 安装时无需 固定 无方向性要求 直接投入池中即可 3 材料强度 好 无毒性 耐腐蚀 抗老化 使用寿命数十年 4 结构 简单 管理方便 运行维护简单 在上向流水流中会浮 动和旋转 不易被漂浮物堵塞 1 2微涡流澄清工艺机理 方永忠等 1 对涡流澄清工艺进行了机理研究 提 出凝聚和絮凝是混凝工艺的两个基本过程 前者指水中 胶体脱稳后在水力作用下相互碰撞形成絮体的过程 后 者指水流中已经形成的絮体吸附脱稳胶体而成长的过 程 涡流澄清工艺能显著地提高凝聚和絮凝的效率 1 2 1微涡流凝聚 凝聚的效率取决于水中胶体脱稳的程度和碰撞的 机率 涡流反应器形成的微涡旋流动能有效地促进水 中微粒的扩散与碰撞 一方面 混凝剂水解形成胶体在 微涡流作用下快速扩散并与水中胶体充分碰撞 使水 中胶体快速脱稳 另一方面 水中脱稳胶体在微涡流作 用下具有更多碰撞机会 因而具有更高的凝聚效率 微涡流之所以能有效地促进水中微粒的扩散与 碰撞 其原因有两个方面 其一 涡流形成流层之间较 大的流速差 造成了流层中携带微粒的相对运动 从而 增加了微粒的碰撞机率 其二 涡流的旋转作用形成 离心惯性力 造成微粒沿旋涡的径向运动 从而增加 微涡流澄清工艺应用现状与研究进展 熊伟 1 胡锋平1 朱纮文2 1 华东交通大学 土木建筑学院 江西 南昌330013 2 信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司 四川 成都610021 摘要 介绍了微涡流澄清工艺的机理并分析其工艺特点 列举了工艺的发展应用现状 总结了工艺的研究进展并展望 该工艺的发展前景 关键词 混凝 微涡流 涡流反应器 涡流澄清池 中图分类号 X 703 1文献标志码 B文章编号 1009 7767 2012 06 0070 04 The Application Status and Research Progress of the Micro vortex Flocculation Technology Xiong Wei Hu Fengping Zhu Hongwen 给水排水工程 Water Supply Drainage Engineering 70 2012 年第 6 期 11月 第30 卷 了微粒的碰撞机率 此两方面的作用都随涡流的尺寸 减小而增大 微涡流是有利于凝聚的水力条件 其混凝 作用原理见图1 1 2 2立体接触絮凝 当混凝反应区放置了大量的涡流反应器后 由于 反应器内流速相对较小 在上向水流区的涡流反应器 内部形成絮体悬浮区 悬浮絮体对水流中的脱稳胶体 产生絮凝作用 其与传统工艺接触絮凝澄清池相比具 有更高效率 其一 传统澄清池内的悬浮絮体只有1层 而新工艺上向流区每个涡流反应器内都有悬浮絮体 总体积大 形成立体接触絮凝 其二 涡流反应器内絮 体成长质量更高 成长过大的絮体在微涡流的作用下 会破碎成较小絮体从而保持絮凝能力 絮体过大会使 总表面积减小 吸附能力下降 密实度较低的絮体在 微涡流的作用下会破碎并重新絮凝成密实度较高的 絮体 这有利于沉淀分离 1 3微涡流澄清工艺设计要求 涡流澄清工艺的核心是涡流反应器 其工艺形式 多种多样 可以根据水质 构筑物形状及前后序工艺 配套要求灵活设计 有如下具体要求 1 尽量将水流组织成竖向流 即垂直于水平而向 上或向下的水流 涡流反应器必须置于竖向水流中 否 则会在反应器内产生絮体沉积 向上水流中置入涡流反 应器形成的混凝区称为上向流混凝区 向下水流中置 入涡流反应器形成的混凝区称为下向流混凝区 2 上向流混凝区和下向流混凝区可以根据具体 情况组合 如 下 上 上 下 下 上 下 上 下 上 下 上 下 上 上 下 上 下 等 各段的水流速度应逐步降低或基本保持不变 水流 通过各段总停留时间不少于5 8 min 3 选用不同表面开孔直径与开孔率的涡流反应器 控制水流过孔流速 从理论上讲 前区过孔流速应略 大于后区过孔流速 同时 前区反应器直径应略小于 后区反应器直径 但一般情况下 为了便于施工和维 护 可以选用相同的涡流反应器 4 合理地设置排泥区 原则是在可能产生泥渣沉 积的区域底部设置排泥装置 由于涡流反应器内含有 悬浮泥渣 因此可以将涡流反应器之外的泥渣排尽 2微涡流澄清工艺应用现状 刘汝鹏 翟华丽等 3 等利用基于水力旋流器和微 涡旋理论研制开发的旋流扰流组合涡混合反应器在大 庆水库水厂进行了半年的中试 结果证明其在处理低 温低浊及低温高浊水时 具有明显的处理效果 能够提 高能耗的有效利用率 增大粒子的碰撞 凝聚速率 降 低药剂耗量 实现高效混凝 庞焕岩 于水利等 4 在穿孔旋流反应器的基础上 研制开发新型旋流扰流反应器 通过在絮凝反应器中 加入扰流装置 改变水流的流态 形成尺寸大小适度的 涡旋 为絮凝提供良好的水力条件 充分发挥絮凝反应 器的效能 获得密实易沉降的絮凝体 从而提高絮凝 效果 王礼敬 5 将涡流反应器用于处理某有色金属冶炼 废水 试验研究表明涡流反应器较好地解决了有色金 属冶炼废水中高质量浓度氯离子对金属的强腐蚀问 题 同时提高了水处理效率 胡义纯 6 将微涡流絮凝反应器与V型滤池工艺结 合应用于某钢铁企业综合废水处理 研究结果表明经 处理后的钢铁生产废水可以回用 同时节约水量20 节约费用328万元 a 且管理方便 运行成本低 具有 很好的经济效益和环境效益 童祯恭 方永忠 胡锋平 2 应用涡流反应器对十堰 某水厂机械澄清池进行改造 通过选用不同表面开孔直 径与开孔率的涡流反应器来控制过孔流速 从而达到 较好的紊流效果 同时进行不同开孔直径安装组合 采 用微涡流混凝工艺后 大大提高了混凝反应效率 经过 改造 澄清池单池产水量从1280m3 h提高到2500m3 h 澄清池的出水浊度 3 NTU 出厂水浊度 1 NTU 改造 投资 30元 m3 达到了预期目的 嘉兴某净水厂 7 在扩容新建澄清池过程中使用涡 流絮凝澄清技术并对涡流澄清池内部构造做适当改 造 缩短喉管长度 改变第一及第二反应室构造并在 沉淀区加设斜管 原水加入混凝剂 PAC 经管道混合 给水排水工程 Water Supply Drainage Engineering 71 2012 No 6 Nov Vol 30 器及第一涡流絮凝室后 即可生成清晰的矾花 颗粒 明显 沉降性能好 说明微涡流絮凝效率很高 在进水 量为500 m3 h左右时 合理控制投矾量 回流比及适 时排泥后 澄清池出水浊度可以稳定地保持在3 NTU 以下 经改造后的滤池出水浊度基本控制在1 NTU以 下 涡流投资控制在35元 m3以下 吴玉华 谢立祥 方永忠 8 应用曝气氧化 微涡流 絮凝 立式斜板沉淀组合工艺对某钢管厂综合废水进 行处理 实际运行结果表明 微涡流絮凝与立式斜板沉 淀技术相结合处理工业废水具有处理效果好 水力负 荷大 占地面积小和施工安装方便等优点 最终出水 水质可同时满足厂区回用水标准和GB T 18920 2002 城市污水再生利用 城市杂用水水质 要求 此外 微涡流澄清工艺在其他工程项目上也取得 了全面的应用 西桥某水厂将沉砂池和絮凝池改造为 微涡流絮凝池 并针对水厂设计规模计算涡流反应器 开孔率和开孔比 张鹏天等 9 将涡流澄清工艺应用在 即墨市某水厂 运行情况良好 出水水质满足要求 王 齐全 10 等将涡流澄清工艺应用于金川集团废水处理二 期工程反应池工艺中 以提高污水处理系统的抗冲击 负荷能力 减少混凝剂的用量 且较好地解决石化废 水处理工程中高质量浓度氯离子对反应池中金属反 应设备的强腐蚀问题 童祯恭等 11 在上海宝钢某污水 回用处理工程中应用涡流澄清工艺 并通过调整澄清 池进水装置及部分内部结构 增大反应室体积 在沉 淀区加设斜管等措施 取得了良好的效果 微涡旋澄清工艺具有工艺简单 出水水质好 产水 能力大 节约能耗药耗等优点 已在国家 千吨万人 饮水计划中得到较好地应用推广 同时 微涡旋澄清 池具有占地小 结构紧凑的特点 便于制作成一体化 设备 在城镇供水中有着广阔的应用前景 微涡旋澄清 工艺的开发应用 对于提高产水量 改善出水水质 提 高供水的安全可靠性 促进社会和经济的和谐发展 具 有重大的现实意义及深远的社会意义 3涡流澄清工艺研究进展 3 1处理含砷原水 饮用水中砷污染问题被认为是一个灾难性的问题 砷的毒理学及对人体的健康危害使得除砷工艺日益 受到重视 为了能够提供一种处理成本低 工艺运行 稳定 操作简单的除砷工艺 胡锋平 陈雪梅等 12 13 通 过模拟高效涡流澄清池的水力条件 研究了氧化剂次 氯酸钠的投加量 预氧化时间及混凝剂氯化铁和聚合 氯化铝 PAC 不同的投加量等对除砷效果的影响 从 而为高效涡流澄清池除砷的可行性提供试验依据 结 果表明 在模拟高效涡流澄清池水力条件下 投加次氯 酸钠10 mg L预氧化10 min后 投加氯化铁15 mg L 可 以使原水砷质量浓度从100 g L降低至10 g L以下 3 2涡流反应器开孔率 微涡流澄清技术的关键在于涡流反应器 杨竞 刘 玉哲 14 15 通过在反应室内投加涡流反应器进行试验对 比 反映出涡流反应器在絮凝中起到的良好作用 该 技术的关键在于投加涡流反应器前后处理效果的研 究 测量保证出水水质下的投药量 研究确定最佳处 理效果下不同开孔率涡流反应器之间的组合 最终 确定涡流反应器的最佳组合 第一反应室投放开孔直 径为25 mm的涡流反应器 第二反应室投放开孔直径 为35 mm的涡流反应器 3 3排泥控制优化 随着当前国家对环境保护力度的加强 水厂在考 虑设备处理效率的同时愈来愈多地开始关注澄清池 排泥水对水体环境的污染问题 采用间歇排泥方式时 排泥周期的选择尤为关键 它不仅关系到澄清池出水 水质 也与排放污泥的后续处理密切相关 当排泥周期 过长时 澄清池下部的泥水分离区将不断上升 最终影 响澄清池出水水质 若排泥周期过短 则容易破坏悬 浮泥渣层的稳定 导致排泥的质量浓度过低 浪费水 资源 增加运行成本 谌贻胜 16 通过对微涡流澄清池在不同水质条件下 运行参数及排泥方案的试验研究 检测澄清池污泥区 的污泥含固率 SV30 污泥比阻等关键参数 对高效涡 旋澄清池排泥系统展开研究 获取其排泥周期及排泥 历时等运行参数 优化了微涡流澄清池排泥方案 并总 结了控制排泥过程中应注意的问题 3 4对比涡流澄清池与网格澄清池 水力循环澄清池中常见的典型形式是网格絮凝 其利用网格增加微涡旋比例 增大颗粒碰撞频率 从而 提高絮凝效果 但存在制作和安装困难 网孔易堵塞 网格材料使用寿命较短等不足 微涡流混凝工艺是为 了替代网格而研发的 蒋念 17 通过中试试验对涡流澄 清池与网格澄清池的启动时间 除浊效果 产水能力 抗冲击负荷能力进行平行对比试验 研究了涡流澄清 池实际运行效果 确定了涡流澄清池的最佳运行工况 及相关设计参数 下转第 76 页 给水排水工程 Water Supply Drainage Engineering 72 2012 No 6 Nov Vol 30 上接第 72 页 4结语 涡流澄清工艺作为一种水处理工艺 已经越来越 受到人们的瞩目 并被广泛应用 大量工程应用现状表 明 涡流澄清工艺设备具有混凝效率高 反应时间短 出水质量优 适应变化能力强 施工方便 维护管理简 便等优点 具有一定的推广价值及很好的应用前景 随 着对涡流澄清工艺的不断研究 必能取得更大的进展 在现有的涡流澄清工艺基础上研制新一代适合我国 国情且具有自主知识产权的高效涡流澄清技术 可以 为探索适合我国中小城镇的污水处理工艺提供设计 依据 参考文献 1 方永忠 沈顺东 微涡流混凝给水处理新工艺 J 铁道劳动安 全卫生与环保 2004 31 5 210 212 2 童祯恭 方永忠 胡锋平 微涡流混凝技术在十堰水厂的应 用 J 中国给水排水 2008 24 4 66 68 3 刘汝鹏 翟华丽 曲莹 旋流扰流组合涡混合反应器的应用 研究 J 环境科学与技术 2006 29 2 93 94 100 4 庞焕岩 于水利 于志伟 新型旋流扰流反应器试验研究 J 哈尔滨商业大学学报 自然科学版 2007 23 3 303 306 5 王礼敬 涡流反应器在某有色冶炼污水处理中的应用 J 有 色冶金设计与研究 2008 29 6 9 11 6 胡义纯 微涡流絮凝反应器 V型滤池在钢铁废水处理中的 应用 J 工业用水与废水 2009 40 1 89 91 7 童祯恭 胡锋平 方永忠 涡流混凝技术在嘉兴某净水厂中 的运用 J 给水排水 2009 35 10 15 17 8 吴玉华 谢立祥 方永忠 钢管厂综合废水处理与回用工程 设计 J 中国给水排水 2009 25 14 75 78 9 张鹏天 胡锋平 张琪 等 涡流反应器及其在即墨市南水厂 的应用 J 华东交通大学学报 2006 23 5 9 11 10 王齐全 胡锋平 童祯恭 等 涡流反应技术在金川集团废 水处理二期工程中的设计介绍 J 江西化工 2009 12 4 158 161 11 童祯恭 胡锋平 涡流澄清技术在污水处理中的应用 J 水 处理技术 2009 35 10 117 119 12 胡锋平 陈雪梅 童祯恭 模拟高效涡流澄清池除砷效果试 验研究 J 环境科学与技术 2011 34 9 111 113 182 13 陈雪梅 涡流澄清池与水力循环澄清池处理含砷原水对比 试验研究 D 江西 华东交通大学 2010 63 66 14 杨竞 不同进水水质及不同涡流反应器下涡流澄清池试验 研究 D 江西 华东交通大学 2010 55 60 15 刘玉哲 涡流强化混凝澄清技术处理生活污水的试验研究 D 江西 华东交通大学 2010 51 54 16 谌贻胜 微涡旋澄清池在不同工况下运行参数及排泥方案 的试验研究 D 江西 华东交通大学 2011 48 54 17 蒋念 涡流澄清池和网格澄清池除浊效果对比试验研究 D 江西 华东交通大学 2011 50 54 收稿日期 2012 07 25 基金项目