V 形 斜 板 强 化 接 触 絮 凝 沉 淀 设 备 的 研 发 与 应 用 刘 希 邈,, 沈 本 贤, 范 志 伟, 徐 峰, 李 楠, 徐 立 群 (. 华 东 理 工 大 学 联 合 化 学 反 应 工 程 国 家 重 点 实 验 室, 上 海 37;. 上 海 立 源 水 处 理 技 术 有 限 责 任 公 司, 上 海 ) 摘 要 :V 形 斜 板 强 化 接 触 絮 凝 沉 淀 技 术 利 用 设 备 的 流 体 上 升 流 道 截 面 差 造 成 水 流 沿 重 力 方 向 的 速 度 差, 使 得 斜 板 沉 淀 单 元 内 部 形 成 一 定 厚 度 的 具 有 自 我 更 新 能 力 的 絮 体 动 态 悬 浮 层, 同 时 通 过 增 设 的 垂 直 板 来 增 加 絮 体 悬 浮 层 厚 度, 实 现 强 化 接 触 絮 凝, 提 高 絮 体 沉 淀 分 离 性 能 的 目 的 中 试 实 验 结 果 表 明, 斜 板 长 85 mm 斜 板 间 距 为 5 mm 直 板 长 5mm 时, 沉 淀 设 备 达 到 最 佳 性 能 ; 在 处 理 水 量 超 过 设 计 负 荷 % 时, 设 备 运 行 效 果 良 好 在 水 厂 改 造 项 目 中,V 形 沉 淀 设 备 的 出 水 浊 度 稳 定 在.4NTU, 低 于 原 设 备 的 出 水 浊 度.6NTU, 同 时 可 以 省 药 剂 投 量 49% 关 键 词 :V 形 斜 板 ; 水 处 理 ; 沉 淀 ; 接 触 絮 凝 沉 淀 是 水 处 理 工 艺 中 泥 水 分 离 的 重 要 环 节, 沉 淀 设 备 的 性 能 和 其 运 行 状 况 直 接 影 响 出 水 水 质 目 前 工 程 实 际 应 用 的 沉 淀 设 备 多 为 普 通 的 斜 板 或 者 斜 管 装 置, 其 主 要 缺 点 是 在 沉 淀 过 程 中 有 较 多 的 细 小 颗 粒 从 设 备 中 泄 漏, 导 致 沉 淀 池 固 液 分 离 效 果 下 降 应 用 较 多 的 斜 管 设 备 还 存 在 排 泥 效 果 较 差, 斜 管 易 积 泥 很 难 排 净 的 问 题 二 十 世 纪 七 十 年 代 以 后, 我 国 各 地 水 厂 普 遍 使 用 了 斜 板 ( 管 ) 沉 淀 池, 沉 淀 效 果 得 到 了 大 幅 度 提 高, 但 经 过 几 十 年 应 用 其 可 靠 性 及 稳 定 性 还 不 如 平 流 沉 淀 池, 特 别 是 高 浊 时 期 低 温 低 浊 等 水 质 异 常 时 期 在 浅 池 理 论 基 础 上 衍 生 出 来 的 小 间 距 斜 板 沉 淀 设 备, 其 主 要 理 论 基 础 是 流 动 的 紊 流 抑 制 和 提 供 更 小 的 沉 淀 距 离, 即 限 制 沉 淀 池 的 脉 动, 使 沉 淀 空 间 中 的 流 态 应 尽 量 接 近 层 流, 为 提 供 良 好 的 沉 淀 条 件 根 据 流 体 动 力 学 原 理, 通 过 减 少 斜 板 间 距, 限 制 流 动 空 间 尺 度, 可 在 限 制 脉 动 的 同 时, 可 取 得 很 好 的 沉 淀 效 果 但 在 实 际 生 产 应 用 中, 由 于 斜 板 沉 淀 池 清 水 区 与 斜 板 区 过 流 断 面 不 同, 造 成 两 区 域 流 速 差 异, 当 斜 板 间 距 过 小 时, 易 在 斜 板 上 表 面 形 成 覆 盖 整 个 斜 板 的 絮 体 层 ; 另 外, 斜 板 下 部 沉 泥 堵 塞 斜 板 也 是 一 个 技 术 难 点 小 间 距 斜 板 的 间 距 一 般 小 于 5mm, 生 产 中 曾 用 过 mm 和 5mm 规 格, 由 于 堵 塞 问 题 目 前 基 本 已 不 再 使 用 目 前 主 流 的 小 间 距 斜 板 间 距 为 5mm, 但 其 沉 淀 效 果 和 负 荷 能 力 较 差 要 达 到 小 间 距 斜 板 所 宣 传 的 效 果, 至 少 需 把 斜 板 间 距 减 少 至 5mm, 才 能 保 证 负 荷 和 达 到 所 要 求 的 水 质 标 准 [,] 为 了 解 决 上 面 所 提 出 的 问 题, 即 满 足 生 产 条 件 的 制 约, 又 能 达 到 良 好 的 效 果, 提 高 固 液 分 离 的 效 率, 就 必 须 引 入 其 他 机 理 针 对 上 诉 问 题, 本 文 开 发 了 接 触 絮 凝 V 型 斜 板 沉 淀 技 术 [3,4], 通 过 改 进 传 统 斜 板 的 结 构, 达 到 提 高 分 离 效 率 的 目 的 V 形 强 化 接 触 絮 凝 斜 板 的 设 计 原 理 强 化 接 触 絮 凝 V 形 斜 板 沉 淀 技 术 将 絮 体 沉 淀 机 理 和 接 触 絮 凝 机 理 有 机 地 结 合 在 一 起, 以 完 成 基 金 项 目 : 上 海 市 闵 行 区 科 委 集 群 创 新 项 目 - 67 -
沉 淀 区 中 絮 体 颗 粒 的 分 离 过 程 接 触 絮 凝 的 概 念 来 源 于 直 接 过 滤, 在 该 过 程 中, 微 小 絮 体 或 脱 稳 颗 粒 在 滤 层 中 发 生 絮 凝 沉 积 [3] 对 于 斜 板 沉 淀, 絮 体 在 斜 板 中 初 步 聚 集 并 沉 淀, 在 斜 板 下 端 流 体 入 口 处, 由 于 垂 直 方 向 上 水 体 流 速 较 大, 絮 体 受 到 流 体 绕 流 阻 力 增 大, 粒 径 较 小 的 颗 粒 会 再 次 随 流 体 进 入 斜 板, 并 在 斜 板 入 口 下 端 形 成 絮 体 层, 这 层 絮 体 层 对 流 体 的 颗 粒 具 有 一 定 的 截 留 作 用 但 由 于 絮 体 层 较 薄, 且 不 稳 定, 因 此 斜 板 中 沉 降 的 絮 体 很 难 对 水 体 中 微 小 颗 粒 的 接 触 絮 凝 起 到 强 化 作 用 V 形 斜 板 沉 淀 技 术 在 充 分 利 用 沉 淀 机 理 的 基 础 上, 在 传 统 斜 板 间 设 置 V 形 流 体 上 升 流 道, 利 用 V 形 流 道 的 横 截 面 差, 造 成 沿 重 力 方 向 的 速 度 差, 如 图 所 示 由 于 速 度 差 的 存 在, 一 方 面, V 形 流 道 中 流 体 上 升 方 向 颗 粒 所 受 到 的 绕 流 阻 力 减 小, 有 利 于 较 小 的 絮 体 颗 粒 沉 降 另 一 方 面, 由 于 V 形 流 道 入 口 处 流 体 流 速 相 对 较 大, 滑 落 的 絮 体 在 此 受 到 的 绕 流 阻 力 较 大, 沉 淀 速 度 减 小, 同 时 大 量 滑 落 的 絮 体 使 流 道 发 生 改 变 使 流 体 上 升 流 速 增 加, 部 分 絮 体 返 回 流 道 并 在 流 道 入 口 处 形 成 一 定 厚 度 的 具 有 自 我 更 新 能 力 的 絮 体 颗 粒 动 态 悬 浮 泥 渣 层, 对 絮 体 起 到 接 触 絮 凝 的 作 用 同 时, 在 斜 板 下 方 安 装 板 间 距 与 斜 板 相 等 的 垂 直 板 段, 如 图 所 示 以 此 起 到 强 化 接 触 絮 凝 的 作 用 从 斜 板 区 沉 降 的 絮 体 进 入 较 窄 的 竖 直 流 道 后, 由 于 流 道 受 到 限 制, 絮 体 的 进 入 使 流 体 通 道 变 小, 流 体 流 速 增 加, 因 此 絮 体 颗 粒 的 绕 流 阻 力 增 加, 沉 降 速 度 下 降 同 时, 更 多 的 絮 体 颗 粒 会 返 回 斜 板, 并 在 斜 板 口 聚 集, 这 增 加 了 絮 体 颗 粒 的 碰 撞 机 会, 絮 体 颗 粒 增 大 到 一 定 尺 度 后 再 次 沉 降 到 竖 直 板 中 由 于 竖 直 板 流 道 内 絮 体 的 聚 集, 因 此 会 在 板 间 形 成 絮 体 床 层 当 流 体 流 过 絮 体 床 层 时, 流 体 中 较 大 的 絮 体 颗 粒 与 沉 降 的 絮 体 碰 撞, 形 成 更 大 的 絮 体 或 在 絮 体 颗 粒 间 形 成 架 桥 作 用, 这 使 小 尺 度 的 颗 粒 可 以 在 床 层 中 絮 体 颗 粒 间 发 生 接 触 絮 凝 作 用, 从 而 实 现 去 除 小 尺 度 颗 粒 的 作 用 由 于 直 板 下 出 口 外 的 流 体 流 速 小 于 板 间 流 速, 因 此 絮 体 颗 粒 离 开 直 板 后 的 沉 降 速 度 都 会 增 加 因 此 对 于 一 定 的 上 升 流 速, 在 确 定 的 直 板 长 度 下, 床 层 内 絮 体 与 流 体 实 现 逆 流 动 态 平 衡, 絮 体 经 过 不 断 的 碰 撞 接 触 絮 凝 作 用 处 于 自 更 新 状 态 图 V 型 强 化 接 触 絮 凝 斜 板 设 备 及 结 构 图 V 形 强 化 接 触 絮 凝 斜 板 沉 淀 设 备 结 构 优 化 V 形 强 化 接 触 絮 凝 斜 板 沉 淀 设 备 的 主 要 结 构 参 数 指 标 包 括 直 板 段 长 度 斜 板 长 度 板 间 距 离 中 试 优 化 实 验 在 吉 林 省 通 化 市 某 造 纸 企 业 进 行, 实 验 中 所 用 原 水 取 自 辉 发 河, 原 水 浊 度 在 NTU 左 右, 温 度 在 5 左 右 实 验 过 程 中, 利 用 DH-CPAS 颗 粒 图 像 分 析 系 统 测 定 出 水 颗 粒 分 布 V 形 斜 板 沉 淀 设 备 材 质 为 乙 丙 共 聚 材 料, 设 备 设 计 参 数 为 : 水 力 负 荷 5m 3 /h, 斜 板 沉 淀 池 板 间 上 升 流 速 为.7mm/s 图 为 V 形 斜 板 设 备 的 实 物 照 片 - 68 -
图 直 段 V 形 斜 板 沉 淀 装 置. 直 段 板 长 度 优 化 分 别 采 用 直 板 段 长 度 为 cm 5cm cm 的 直 段 斜 板 装 置 进 行 实 验, 设 备 的 板 间 距 为 mm, 斜 板 倾 角 为 6 度, 斜 板 长 度 cm 图 3 为 不 同 直 板 长 度 下 出 水 浊 度.5 出 水 浊 度,NTU.5.5 直 段 板 长 度 cm 5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 运 行 时 间,h 图 3 不 同 直 板 长 度 的 出 水 浊 度 对 比 实 验 结 果 表 明, 直 板 段 为 5cm 及 cm 的 斜 板 设 备 的 出 水 浊 度 比 较 接 近, 且 满 足 出 水 指 标 而 直 板 段 为 cm 的 斜 板 设 备 的 各 项 出 水 指 标 较 高 由 此 说 明, 当 直 板 段 长 度 到 达 5cm 时, 可 以 形 成 较 为 稳 定 的 床 层 进 一 步 提 高 直 板 段 高 度, 出 水 质 量 提 高 不 明 显 同 时, 设 备 能 耗 会 相 应 增 加, 因 此, 确 定 实 验 条 件 下, 设 备 直 板 段 的 最 优 尺 寸 为 5cm. 沉 淀 池 斜 板 长 度 优 化 分 别 考 察 斜 板 长 度 为 75cm 85cm cm 及 cm 的 直 段 斜 板 沉 淀 设 备 对 出 水 水 质 的 影 响 其 他 结 构 和 操 作 参 数 : 直 板 段 长 为 5cm, 板 间 距 为 mm 图 4 为 各 沉 淀 设 备 的 出 水 浊 度 浊 度,NTU.6.4..8.6.4. 斜 板 长 度,cm 75 85 3 4 5 6 7 8 9 时 间,h 图 4 不 同 斜 板 长 度 对 于 出 水 水 质 的 影 响 - 69 -
由 图 4 可 知, 斜 板 长 度 为 mm 的 沉 淀 装 置 出 水 稳 定 性 较 好, 运 行 初 期 即 可 达 到 较 好 的 水 质, 斜 板 长 度 在 85mm 以 上 的 沉 淀 装 置 出 水 浊 度 较 为 接 近, 都 小 于 NTU 斜 板 长 度 为 75mm 的 沉 淀 装 置 出 水 浊 度 相 对 较 高, 且 水 质 不 稳 定 根 据 各 设 备 出 水 浊 度 情 况, 并 考 虑 到 设 备 材 料 的 用 量, 确 定 85mm 为 最 优 斜 板 长 度.3 沉 淀 池 斜 板 间 距 优 化 考 察 不 同 斜 板 间 距 对 沉 淀 效 果 的 影 响 斜 板 间 距 分 别 为 5mm mm 5mm 其 他 操 作 和 结 果 参 数 如 下 : 直 板 段 长 度 5cm, 斜 板 长 度 85cm 图 5 为 各 斜 板 沉 淀 设 备 的 出 水 浊 度.8 浊 度,NYU.6.4. 板 间 距,cm 5 5 3 5 7 9 3 5 7 9 3 时 间,h 图 5 不 同 斜 板 间 距 时 出 水 浊 度 对 比 如 图 5 所 示, 三 种 间 距 斜 板 处 理 效 果 比 较 接 近, 间 距 为 5mm 和 mm 的 斜 板 沉 淀 装 置 的 出 水 浊 度 略 好, 但 间 距 为 5mm 的 斜 板 沉 淀 装 置 的 出 水 浊 度 仍 小 于 NTU 考 虑 到 设 备 材 料 用 量 及 有 利 于 设 备 排 泥 防 堵 的 因 素, 在 水 质 没 有 明 显 差 别 的 情 况 下, 确 定 最 优 板 间 距 为 5mm 图 6 为 板 间 距 为 5mm 直 板 长 5mm 斜 板 长 85mm 的 沉 淀 设 备 出 水 颗 粒 分 布 结 果 表 明, 出 水 主 要 为 μm 以 下, 设 备 对 的 沉 淀 效 果 较 好 4 颗 粒 数 量 8 6 4-5μm 5-μm -5μm 5-μm -5μm 5-5μm 5-μm μm 颗 粒 尺 度 图 6 颗 粒 度 与 粒 径 分 布 情 况.4 沉 淀 池 表 面 负 荷 及 极 限 流 量 测 试 通 过 提 高 进 水 流 量 来 提 高 沉 淀 池 的 表 面 负 荷, 通 过 水 质 检 测, 考 察 设 备 的 负 荷 能 力 表 为 - 7 -
不 同 处 理 量 下 的 表 面 负 荷 与 出 水 结 果 表 操 作 参 数 与 出 水 结 果 处 理 水 量 上 升 流 速 表 面 负 荷 出 水 浊 度 (m 3 /h) (mm/s) (m 3 /m. h) (NTU) 4..7 6..4~.8 4.5.9 6.88.5~.8 5..7 7.45.5~. 6..5 9..5~. 8. 3.3.9.9~.3 9. 3.7 3.3.~.5 4.5 4.9.~.4 4.5 6..5~3. 5. 8..9~3. 浊 度 NTU 3.5 3.5.5.5.7.9.7.5 3.3 3.7 4.5 4.5 5 上 升 流 速 mm/s 图 7 表 面 负 荷 对 出 水 水 质 的 影 响 从 图 7 可 以 看 出, 上 升 流 速 高 于.5mm/s, 出 水 浊 度 有 较 大 幅 度 提 高 并 高 于 NTU 处 理 量 为 6m 3 /h 时, 即 相 对 设 计 负 荷 提 高 % 后, 出 水 浊 度 小 于 NTU, 表 明 设 备 具 有 良 好 的 抗 冲 击 性 能 当 上 升 流 速 高 于 3.3mm/s 处 理 量 高 于 8m 3 /h 时, 随 上 升 流 速 的 提 高, 出 水 浊 度 急 剧 提 高, 并 在 上 升 流 速 达 到 5mm/s 时, 浊 度 超 过 3NTU, 同 时 发 现 沉 淀 区 出 现 明 显 矾 花 上 浮 现 象 因 此, 可 以 认 为 设 备 稳 定 运 行 的 极 限 上 升 流 速 为 3.3mm/s 处 理 量 为 8 m 3 /h 3 V 斜 板 强 化 接 触 絮 凝 沉 淀 设 备 在 水 厂 改 造 中 的 应 用 海 南 某 浆 纸 企 业 原 水 处 理 厂 一 期 工 程 采 用 斜 管 沉 淀 (U 型 槽 排 泥 ) 的 水 处 理 工 艺, 设 计 处 理 水 量 为 万 吨 / 天 原 水 取 自 水 库, 浊 度 较 低, 通 常 在 -NTU, 特 殊 时 期 为 5 NTU 左 右,pH 值 在 7 左 右 使 用 的 混 凝 剂 为 PAC 水 厂 一 期 工 程 运 行 过 程 中, 出 现 沉 淀 设 备 排 泥 不 畅, 且 斜 板 上 端 有 大 量 矾 花 沉 积, 每 月 需 人 工 清 理 两 次, 降 低 了 水 厂 生 产 能 力, 也 增 加 了 劳 动 强 度 和 运 行 费 用 应 用 V 形 强 化 接 触 絮 凝 斜 板 对 原 沉 淀 池 进 行 改 造 图 8 为 V 形 斜 板 中 试 装 置 与 原 斜 板 装 置 的 运 行 结 果 比 较 中 试 过 程 中 采 用 与 实 际 工 程 中 相 同 尺 度 的 V 形 斜 板 单 元 设 备 V 形 斜 板 装 置 的 投 - 7 -
药 量 为 7.6ppm, 原 斜 板 装 置 的 投 药 量 为 5ppm 浊 度,NTU 9 8 7 6 5 4 3 原 水 直 段 斜 板 常 规 斜 板 3 4 5 6 7 8 图 8 直 段 斜 板 沉 淀 与 常 规 斜 板 出 水 水 质 对 比 图 8 结 果 表 明 :V 形 斜 板 装 置 的 出 水 浊 度 保 持 在.4NTU 以 下, 平 均 出 水 浊 度 为.33NTU, 浊 度 去 除 率 达 到 95.3% 而 原 斜 板 装 置 的 出 水 浊 度 为.63NTU, 浊 度 去 除 率 仅 为 76.4% 运 行 工 程 中, V 形 斜 板 设 备 未 出 现 矾 花 堆 积 的 现 象 改 造 工 程 中 试 实 验 结 果 表 明,V 形 斜 板 特 殊 功 能 结 构 的 组 合, 使 沉 淀 区 直 段 斜 板 下 端 污 泥 中 存 在 效 悬 浮 泥 渣 层, 形 成 了 对 细 小 絮 体 的 网 捕 过 滤 作 用, 有 效 的 去 除 了 细 小 絮 体 颗 粒, 且 出 水 稳 定, 排 泥 状 态 良 好 并 节 省 药 剂 用 量 4 结 论 V 形 强 化 接 触 絮 凝 斜 板 沉 淀 设 备 有 效 降 低 了 出 水 中 细 小 絮 体 颗 粒 含 量, 实 现 稳 定 的 低 出 水 浊 度 设 备 具 有 较 好 的 抗 冲 击 负 荷 能 力, 当 运 行 水 量 超 出 设 计 水 量 % 时, 出 水 浊 度 没 有 明 显 上 升 ; 在 超 出 设 计 水 量 6% 时, 设 备 仍 能 稳 定 运 行 水 厂 改 造 工 程 项 目 的 实 际 应 用 中,V 形 斜 板 沉 淀 设 备 的 出 水 稳 定 在.4NTU, 与 水 厂 原 设 备 相 比, 浊 度 去 除 率 提 高 了 9%, 同 时 可 以 节 省 49% 的 絮 凝 剂 用 量 参 考 文 献 : [] 赫 俊 国, 王 鹤 立, 徐 立 群 等. 微 涡 旋 混 凝 低 脉 动 沉 淀 技 术 处 理 低 温 低 浊 水, 中 国 给 水 排 水,999, 5 (4). [] 王 鹤 立, 肖 树 宏, 赫 俊 国, 徐 立 群. 常 规 混 凝 沉 淀 给 水 工 艺 的 强 化, 中 国 给 水 排 水,, 6 (3). [3] 徐 立 群 (4). 水 处 理 设 备 -V 型 斜 板. 实 用 新 型.CN449.9. [4] 徐 立 群 (5). V 型 沉 淀 一 体 化 给 水 设 备. 实 用 新 型 :CN58769.. [5] 郭 瑾 珑, 汤 鸿 霄. 接 触 絮 凝 研 究 进 展 [J]. 环 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备,,6(). E-mail:liuximiao@sina.com - 7 -