刘承博，杨兴华，刘培坤，张悦刊，牛志勇

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

采用常规的混凝沉淀法处理污水时，污水中比重轻、粒径小的颗粒难以除去，处理后的污水仍不能循环利用，而且设备占地面积大、能耗高、处理成本高[1-4]。为解决上述问题，国内外学者进行了大量研究。孟玉将连续砂过滤工艺应用于污水预处理，通过砂介质过滤法，使出水水质较为稳定[5]；沈宏提出OCO工艺处理污水，经过好氧与缺氧区之间的污水交换，进行污水循环处理[6]。Hayashi N等运用超声波照射与光催化协同处理技术，污水中污泥体积减少约50%[7]；Yoojin J等通过双频超声波技术溶解污水中的污泥[8]；Cano R等通过热处理法降解污水中污泥颗粒，并实现能量的回收[9]。但上述方法仍普遍存在设备复杂、能耗及处理成本高，分离性能差等问题。

针对上述问题，提出用锥盘旋流澄清器处理污水，结合了磁絮凝、旋流分离和锥盘沉降共同作用强化分离效果。污水经过管道混合器与磁种子和絮凝剂充分混合后以一定压力由切向入口进入澄清器，形成离心力场，加快磁絮体混合与沉降；澄清器筒体柱段设置锥盘，增大沉降面积并减小沉降距离，利于小絮体结合成大絮体。为了深入探究锥盘旋流澄清器的分离性能，通过试验研究筒体高度、锥盘插入深度、锥盘盘间距及溢流口直径等结构参数变化对澄清器出水水质的影响规律；优化澄清器结构和操作参数后以煤泥水为对象验证其处理效果。

1 锥盘旋流澄清器原理与结构

锥盘旋流澄清器的工作原理与结构如图1所示。

图1 锥盘旋流澄清器工作原理与结构图

锥盘旋流澄清器由进料口、溢流管、锥盘、筒体和底流口组成。进料口主要用于物料进入澄清器内部，筒体主要用于絮体的形成和沉降，锥盘主要起增大沉降面积、减小沉降距离以及阻挡上浮小絮体的作用，溢流管主要用于清液和小絮体的流出，底流口主要用于大絮体的汇集和排出。与以往澄清器不同的是加入了锥盘结构，其目的是为了增大沉降面积，加速絮体的沉降。污水先经过管道混合器，与磁种子和絮凝剂充分混合后再沿澄清器的切向进料口进入其内部，旋流状态下的涡流作用加速磁种子与絮体的碰撞，进行再次混合；形成的磁絮体在离心场与重力场作用下加速沉降，并逐渐长大，进入底流；部分小絮体虽然会被水流夹带随内旋流进入溢流，但由于锥盘的阻挡作用，小絮体在盘间不断碰撞、积聚并长大，达到一定程度后形成大絮体，如图1所示，在重力作用下沿盘体下滑进入底流，从而减少进入溢流的颗粒数，提高溢流出水水质。

2 试验

2.1 试验原料

试验选用煤灰配制的污水为原料，利用BT-9300S激光粒度分布仪对配制的污水进行粒径分析，得到其粒度分布(表1)。由表1可见，污水中<20 μm粒级含量为78.31%，粒径较小，难以用混凝沉淀法除去。

表1 污水粒度分布

试验采用悬浮物测定仪ss-1Z、便携式浊度仪WGZ-1B、JS94H型微电泳仪和pH计等仪器，测出污水性质如下：

悬浮物含量/(mg·L-1)

200～300

浊度/NTU

20～30

Zeta电位/mV

10～15

pH值

9～10

2.2 试验系统

为了研究锥盘旋流澄清器对污水处理的性能，设计了如图2所示的试验系统，主要由锥盘旋流澄清器、管道混合器、潜水泵、蠕动泵等设备组成，试验装置如图3所示。工作流程为：污水由潜水泵送入管路系统，同时与药剂在静态混合器中进行混合，PAC(助凝剂)与磁种子先进入一级管道混合器中混合，并与PAM(絮凝剂)在二级管道混合器中混合，药剂由两台蠕动泵分别送入管道混合器中，通过管道混合器高效混合作用形成磁絮体，进入澄清器中高速沉降，用取样器在溢流口处连续取样，测定出水水质指标。

图2 试验系统图

图3 试验现场图

3 试验结果及讨论

3.1 对比试验

采用溢流管加锥盘和溢流管不加锥盘两种结构，在处理量相同的情况下对污水进行处理，测得溢流出水水质指标见表2。可以看出，加入锥盘后悬浮物去除率相对提高50.68%，水质的浊度去除率相对不加锥盘提高42.95%，溢流颗粒数减少49.51%，电位绝对值相对降低0.75，pH值降低0.22，表明加入锥盘后，澄清器的分离性能得到了明显改善。这是由于加入锥盘缩短了絮体颗粒沉降距离，絮体可以更快地沉降到锥盘，提高了分离性能。

表2 相同处理量下出水指标对比

3.2 筒体高度对分离性能的影响

改变筒体高度可以影响絮体颗粒沉降距离，从而影响分离性能。对于混凝过程而言，筒体高度越高，混凝时间越充分。试验中，通过调整溢流管插入深度，保持底流口与最后一个锥盘距离不变，改变筒体高度依次为400、500、600、700 mm，筒高变化对出水水质的影响如图4所示。

图4 筒体高度对分离性能的影响

由图4可知，筒体高度由400 mm增大到600 mm时，悬浮物去除率由77.6%增大到84.9%，浊度去除率由46%增大到51.2%，絮体颗粒由4 092个/mL减小到3 651个/mL，高度继续增大到700 mm变化不明显。这是由于筒体高度的增加，絮体沉降时间变长，当高度为600 mm时，继续增大筒体高度，沉降作用已不明显。

3.3 锥盘插入深度对分离性能的影响

锥盘插入深度的变化能够改变絮体运行轨迹，从而影响絮凝效果。在保持其他参数不变的情况下，调节装置依次改变锥盘的插入深度，分别为250、300、350、400 mm。插入深度的变化对出水水质的影响如图5所示。

由图5可知，随着插入深度的增大，悬浮物去除率由80.3%增大到90.2%，浊度去除率由49.1%增大到58.9%；絮体颗粒由3 992个/mL减小到2 951个/mL。这是由于絮体成形主要发生在锥段沉淀区域，随着水流的上升，插入深度越深，絮体越快接触锥盘，利于絮体快速成形；当插入深度过浅，因为与进口距离较近，絮体来不及在锥盘上形成就会被带入溢流，造成水质变差。

图5 插入深度对分离性能的影响

3.4 锥盘盘间距对分离性能的影响

调整盘间距可以改善絮体碰撞几率，能够影响水流上升的波动性，从而影响分离性能。保持底口与最后一个锥盘距离不变，依次增大锥盘间距，分别为20、30、40、50 mm，盘间距的变化对出水水质的影响如图6所示。

图6 盘间距对分离性能的影响

由图6可知，随着锥盘盘间距的减小，悬浮物去除率由73.3%增大到83.2%，浊度去除率由45.7%增大到53.1%，絮体颗粒由4 051个/mL减小到3 292个/mL。这是由于随着盘间距的减小，絮体颗粒的沉降距离缩短，絮体与锥盘接触更快，有利于破碎的小絮体在锥盘上重新积聚，同时锥盘的阻碍作用减缓了流体的上升速度，絮体颗粒可以更充分地沉降。

3.5 溢流口直径对分离性能的影响

溢流口直径的变化主要影响溢流流量和速度，对分离性能也会产生一定的影响，试验通过溢流口中加入内衬的方式改变直径大小，溢流口直径分别为30、40、50、60 mm，溢流口直径的变化对分离性能的影响如图7所示。

图7 溢流口直径对分离性能的影响

由图7可知，随着溢流口直径增大，悬浮物和浊度去除率、溢流颗粒数等出水水质指标变化并不明显。这主要是由于水流上升速度较为平缓，溢流口直径变化对水质影响较小。

3.6 煤泥水试验

通过试验确定锥盘旋流澄清器的优化结构参数为：筒体高度600 mm，锥盘插入深度400 mm，锥盘盘间距20 mm，溢流口直径40 mm。采用荷泽赵楼煤矿煤泥水为介质进行试验，处理后的水与原煤泥水的水质对比如图8所示，水质指标对比见表3。可以看出，经锥盘旋流澄清器处理后，水质明显改善。

图8 处理前后水质对比

指标处理前处理后悬浮物含量/(mg·L-1)450252835浊度/NTU125323738Zeta电位/mV1200-830pH值951849

4 结论

提出采用带锥盘的旋流澄清器处理含有粒径小、比重轻的固体颗粒的污水，通过试验研究结构参数对其分离性能的影响规律，得到如下结论：

(1)锥盘插入深度和盘间距对澄清器出水水质影响较大。随着插入深度的增加，悬浮物去除率增加9.9个百分点，浊度去除率提高9.8个百分点；随着锥盘盘间距的减小，悬浮物去除率增加9.9个百分点，浊度去除率提高7.4个百分点。

(2)筒体高度通过影响絮体颗粒沉降距离影响出水水质，随着筒体高度的增加，悬浮物和浊度去除率逐渐增大，但是当筒体高度增大到600 mm时，悬浮物和浊度去除率变化不明显。

(3)在筒体高度为600 mm，锥盘插入深度为400 mm，锥盘盘间距为20 mm，溢流口直径为40 mm的工况下，处理悬浮物含量约为450 mg/L，浊度约为125 NTU的煤泥水时，悬浮物去除率为93.7%，达到20～30 mg/L，浊度去除率为70.2%，达到30～40 NTU。

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