異波折板絮凝池絮凝控制指標(biāo)研

1、作者：譚章榮 1，秦祖群 1，時間： 2007-11-24 17:33:00論文作者：譚章榮 1，秦祖群 1，孫友勛 2，高乃云 2，范瑾初 2摘要：由于Camp和Stein的速度梯度公式G值存在理論及應(yīng)用上的缺陷，首次 針對異波折板絮凝池，提出單位造渦強度 -Fs 這一宏觀控制指標(biāo)。由于折板單 元的水力特征決定了其本身的造渦強度，將 Fs 與絮凝效果有機地結(jié)合起來，在 宏觀上就便于通過控制折板單元的水力特征來達到對絮凝效果進行控制的目 的。關(guān)鍵詞：異波折板絮凝池 單位造渦強度折板絮凝池是在隔板絮凝池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。長期以來，絮凝控制指 標(biāo)均是建立在G值或絮凝能耗的基礎(chǔ)上的。鑒于 G值在理

2、論和實踐上存在缺 陷，在本研究中，對異波折板絮凝池的絮凝控制指標(biāo)不米用 G值，而是提出單 位造渦強度這一宏觀控制指標(biāo)，這一新探索對傳統(tǒng)的 G值是一個突破。1 單位造渦強度的提出與探討1.1 異波折板模型的建立取異波折板絮凝池的一個漸擴和漸縮段組成的一個折板單元 （圖 1），水流 在折板單元內(nèi)的流動呈紊動狀態(tài)，形成對稱渦旋 （圖2A）或單側(cè)渦旋（圖2B）。絮 凝池是由眾多折板單元組成的，從而完成絮凝過程。1.2絮凝控制指標(biāo)-單位造渦強度Fs紊動由許多大小不等的渦旋或渦體所組成，大小不同的渦體產(chǎn)生頻率（a ）不等或波長（入）不同的脈動。大尺度的渦旋逐漸變?yōu)檩^小尺度的渦旋，并將能量 傳遞給小尺度渦旋

3、，紊動能量最后通過小尺度渦旋轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏⑹?。許多專家都認(rèn)為只有尺度與絮體尺寸相近的渦旋才會促使顆粒碰撞并導(dǎo)致絮凝。紊流脈動能譜如圖3所示。通過對紊流脈動能譜的研究，可以認(rèn)為除了大渦旋 （I區(qū)）主要起擴散作用 外，由于實際水流中顆粒尺寸不等，渦旋尺度又隨機變化，故而自載能渦旋區(qū) （n）至統(tǒng)計平衡區(qū)（川）的所有渦旋均對顆粒碰撞有效。測量渦旋微尺度、脈動 動能以及有效能耗還很困難，直接從微觀上研究絮凝速率，在技術(shù)上有難度，故采用宏觀指標(biāo)來反映絮凝效果。在此宏觀指標(biāo)中，實際上隱含著渦旋變化及 能量的傳遞和衰減，即渦旋在自（I）區(qū)（n）區(qū)（川1）區(qū)（川2）區(qū)的衰減歷程 中，由每一個折板單元絮凝區(qū)（漸擴

4、段+漸縮段）所造成的渦旋既不能只停留在 （I ）區(qū)范圍內(nèi)，又不至于快速衰減消失（川2區(qū)，即粘性損耗），這就需要從宏觀 上控制每一個折板單元絮凝區(qū)的紊流脈動強度變化。基于這一認(rèn)識，提出了一 個針對異波折板單元的絮凝效果控制指標(biāo)-單位造渦強度Fs（暫名，對一個單位 絮凝區(qū)而言）來控制絮凝效果：rzn式中h-漸擴段或漸縮段高度，mI-折板板長，ma -折板傾角k-脈動強度常數(shù)，僅與流速及水溫有關(guān)Fs-單位造渦強度，1/s ;Vi-波峰流速，m/sV2-波谷流速，m/s根據(jù)式（1），若控制折板單元參數(shù)（板長I、夾角a、流速Vi和V2）在最優(yōu) 范圍內(nèi)，即Fs在最優(yōu)區(qū)域，或存在（Fs）opt值，可使折板單

5、元產(chǎn)生大量適合絮凝 顆粒碰撞的渦旋，促進絮凝效果的提高。這樣就可以通過控制折板單元的單位 造渦強度這一參數(shù)而達到對絮凝效果的控制。為防止絮凝體的破碎，F(xiàn)s的數(shù)值也要沿程適當(dāng)降低。應(yīng)當(dāng)說明，式 僅局限于目前折板絮凝池所取設(shè)計流速范圍內(nèi)，尚不能任 意外延。若Vi和V2過大或過小，則會造成絮體破碎或絮凝難以進行。與速度梯度G值相比，用單位造渦強度Fs控制更為簡便，在一定流量下只 要折板長度、寬度及間距確定，則必有與之相對應(yīng)的 Fs,調(diào)整折板單元的參數(shù) 組合使在最優(yōu)范圍內(nèi)，即可達到理想的絮凝效果。2試驗裝置與方法2.1試驗裝置折板模型用玻璃制作，硅膠填縫。模型共四套 （Mi，M2, M3和M4），設(shè)計

6、及 運行參數(shù)見表1 0表1模型試驗結(jié)果模 型 編 口.號板長(mm)夾角(°)流量（m/s）波峰流速U 1(m/s)波谷流速U 2(m/s)R單位造渦 強度Fs（l/ s）沉淀水濁度（NTU）絮凝 時間（min）平均 濁度 去除 率（%單 元 數(shù)單元 除濁 率（%）n(%)3.17M0.0190.290.851100450.540.34.413.171.8231.9803.7810M0.0270.26.3181.952100600.540.33.532.891.6461.6308.9020M3150450.540.30.0120.23.0014.43.0165.4222.9824.2

7、50722.7M4150600.540.30.01880.202.4113.218.12.7069.09272.5923.5M0.0260.29.0177.941100450.720.45.892.3841.7530.74016.91M100600.720.40.0360.24.708.872.1777.851.5630.024013.231M0.0180.213.867.823150450.720.44.002.2613.2326.200017.6M4150600.720.40.02500.203.2111.62.0276.50272.8325.614.7注 原水濁度約5060NTU水濁12

8、16C，加藥量15mg/L。2.2測試指標(biāo)原水采用自來水加高嶺土配制，絮凝劑為聚合硫酸鐵。絮凝效果采用絮凝 沉淀后平均濁度去除率、HJ單元去除率或單位體積去除率表示（n v）。平均濁 度去除率指一定折板單元數(shù)內(nèi)的平均去除率；單元去除率為平均濁度去除率除 以單元數(shù)；單位體積去除率等于單元去除率除以一個單元的體積。采用n v較合理，因為達到相同除濁率，n v值大的，可使池體積減小。3試驗結(jié)果單位造渦強度Fs中的脈動強度常數(shù)k，文獻z提到緩變流渠道的k二 0.150.18。異波折板單元中，由于流態(tài)復(fù)雜，假定k在0.10.4范圍內(nèi)，由此計算出Fs值。計算結(jié)果表明（計算過程從略），k值在0.10.4范圍

9、內(nèi)變化時 對Fs的影響很小。故研究中取 k= 0.20。MM4的試驗結(jié)果見表1及圖4。由圖4可見，在FsW 5.0/s時，n v隨Fs的增大而有所增加，在Fs> 5.0/s 時，n v又降低，在（3.55.0）/s之間，n v值較高，即模型的單位體積除濁效果較好。比較而言，又以模型 M1在波峰流速0.3 m/s的工況下為最佳，n v值 達 31.9%。綜上所述，異波折板絮凝模型單元的第一段適宜單位造渦強度Fs為(3.55.0)/s，模型最佳折板單元絮凝參數(shù)為：I = 100 mm a= 45°, w = 0.3 m/s。推論：以上結(jié)果是對絮凝的第一段而言，若考慮絮凝沿程分為三段

10、，建議 降速絮凝的第二段和第三段所對應(yīng)的Fs可為：Fs2= (2.53.5)/s ，F(xiàn)s3= (1.02.0)/s，且需進一步試驗驗證。4 Fs應(yīng)用于實際生產(chǎn)生產(chǎn)設(shè)備采用的板長大，而夾角及波峰流速和波谷流速與模型相同，故設(shè) 計的模型與原型是變態(tài)比例，不能簡單地直接用雷諾相似或弗諾德相似把模型 試驗結(jié)果推廣到原型。實際生產(chǎn)中折板板長通常取500 mm夾角為45°或60°，第一段波峰流 速0.3 m/s，波峰間距0.25 m，則按照弗諾德相似，板長比例二1/5 ,波峰間距 比例二1/25 ,綜合長度比例為(1/125) 0.5 = 1/11.18，速度比例二 (1/11.18)

11、 0.5，F(xiàn)S=速度/長度，其比例應(yīng)為11.180.5。因為模型流速與原型保持一致，因此實際絮凝池的Fs應(yīng)為試驗?zāi)Ｐ偷?/11.18，也就是實際生產(chǎn)設(shè)備的Fs約比本試驗中的模型的數(shù)值小一個數(shù)量 級。即第一檔 Fs (0.35 0.50)/s，第二檔 Fs2= (0.25 0.35)/s，第三檔 Fs3 =(0.10 0.20)/s。以鎮(zhèn)江市金西水廠的異波折板絮凝池為例，表2給出其沿程的Fs值(設(shè)計值)。表2 金西水廠Fs設(shè)計值檔次波峰間 距(m)波谷間 距(m板長l(m)夾角(° )波峰流 速(m/s )波谷流 速(m/s )kFs(l/s )10.250.740.49600.300

12、00.10140.200.5620.350.840.49600.21430.08930.200.3730.500.990.49600.15000.07580.200.2340.651.140.49600.11540.06580.200.16可見，金西水廠的Fs基本上在合理的范圍內(nèi)，與建議值相差不大。5結(jié)語通過模型試驗，得出異波折板絮凝單元的適宜單位造渦強度為：第一檔Fsi=（0.355.0）/s，考慮沿程降速絮凝則可推斷第二檔的Fs2= （2.53.5）/s ,第三檔的Fs3= （1.02.0）/s。模型試驗中第一檔絮凝效果最好的折板單元參數(shù) 為：I = 100 mm a= 45°, w = 0.3 m/s。模