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(shí)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(duì)異波折板絮凝池，提出單位造渦強(qiáng)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(qiáng)度，將 Fs 與絮凝效果有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在 宏觀上就便于通過(guò)控制折板單元的水力特征來(lái)達(dá)到對(duì)絮凝效果進(jìn)行控制的目 的。關(guān)鍵詞：異波折板絮凝池 單位造渦強(qiáng)度折板絮凝池是在隔板絮凝池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。長(zhǎng)期以來(lái)，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(shí)踐上存在缺 陷，在本研究中，對(duì)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(qiáng)度這一宏觀控制指標(biāo)，這一新探索對(duì)傳統(tǒng)的 G值是一個(gè)突破。1 單位造渦強(qiáng)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(gè)漸擴(kuò)和漸縮段組成的一個(gè)折板單元 （圖 1），水流 在折板單元內(nèi)的流動(dòng)呈紊動(dòng)狀態(tài)，形成對(duì)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(guò)程。1.2絮凝控制指標(biāo)-單位造渦強(qiáng)度Fs紊動(dòng)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(zhǎng)（入）不同的脈動(dòng)。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(dòng)能量最后通過(guò)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(huì)促使顆粒碰撞并導(dǎo)致絮凝。紊流脈動(dòng)能譜如圖3所示。通過(guò)對(duì)紊流脈動(dòng)能譜的研究，可以認(rèn)為除了大渦旋 （I區(qū)）主要起擴(kuò)散作用 外，由于實(shí)際水流中顆粒尺寸不等，渦旋尺度又隨機(jī)變化，故而自載能渦旋區(qū) （n）至統(tǒng)計(jì)平衡區(qū)（川）的所有渦旋均對(duì)顆粒碰撞有效。測(cè)量渦旋微尺度、脈動(dòng) 動(dòng)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(lái)反映絮凝效果。在此宏觀指標(biāo)中，實(shí)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(gè)折板單元絮凝區(qū)（漸擴(kuò)

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(gè)折板單元絮凝區(qū)的紊流脈動(dòng)強(qiáng)度變化?；谶@一認(rèn)識(shí)，提出了一 個(gè)針對(duì)異波折板單元的絮凝效果控制指標(biāo)-單位造渦強(qiáng)度Fs（暫名，對(duì)一個(gè)單位 絮凝區(qū)而言）來(lái)控制絮凝效果：rzn式中h-漸擴(kuò)段或漸縮段高度，mI-折板板長(zhǎng)，ma -折板傾角k-脈動(dòng)強(qiáng)度常數(shù)，僅與流速及水溫有關(guān)Fs-單位造渦強(qiáng)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(zhǎng)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(jìn)絮凝效果的提高。這樣就可以通過(guò)控制折板單元的單位 造渦強(qiáng)度這一參數(shù)而達(dá)到對(duì)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(shuō)明，式 僅局限于目前折板絮凝池所取設(shè)計(jì)流速范圍內(nèi)，尚不能任 意外延。若Vi和V2過(guò)大或過(guò)小，則會(huì)造成絮體破碎或絮凝難以進(jìn)行。與速度梯度G值相比，用單位造渦強(qiáng)度Fs控制更為簡(jiǎn)便，在一定流量下只 要折板長(zhǎng)度、寬度及間距確定，則必有與之相對(duì)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(dá)到理想的絮凝效果。2試驗(yàn)裝置與方法2.1試驗(yàn)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(jì)

6、及 運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1 0表1模型試驗(yàn)結(jié)果模 型 編 口.號(hào)板長(zhǎng)(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(qiáng)度Fs（l/ s）沉淀水濁度（NTU）絮凝 時(shí)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(cè)試指標(biāo)原水采用自來(lái)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(gè)單元的體積。采用n v較合理，因?yàn)檫_(dá)到相同除濁率，n v值大的，可使池體積減小。3試驗(yàn)結(jié)果單位造渦強(qiáng)度Fs中的脈動(dòng)強(qiáng)度常數(shù)k，文獻(xiàn)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(jì)算出Fs值。計(jì)算結(jié)果表明（計(jì)算過(guò)程從略），k值在0.10.4范圍

9、內(nèi)變化時(shí) 對(duì)Fs的影響很小。故研究中取 k= 0.20。MM4的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1及圖4。由圖4可見(jiàn)，在FsW 5.0/s時(shí)，n v隨Fs的增大而有所增加，在Fs> 5.0/s 時(shí)，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(dá) 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(qiáng)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(duì)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(duì)應(yīng)的Fs可為：Fs2= (2.53.5)/s ，F(xiàn)s3= (1.02.0)/s，且需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。4 Fs應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生產(chǎn)設(shè)備采用的板長(zhǎng)大，而夾角及波峰流速和波谷流速與模型相同，故設(shè) 計(jì)的模型與原型是變態(tài)比例，不能簡(jiǎn)單地直接用雷諾相似或弗諾德相似把模型 試驗(yàn)結(jié)果推廣到原型。實(shí)際生產(chǎn)中折板板長(zhǎng)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(zhǎng)比例二1/5 ,波峰間距 比例二1/25 ,綜合長(zhǎng)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(zhǎng)度，其比例應(yīng)為11.180.5。因?yàn)槟Ｐ土魉倥c原型保持一致，因此實(shí)際絮凝池的Fs應(yīng)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?/11.18，也就是實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的Fs約比本試驗(yàn)中的模型的數(shù)值小一個(gè)數(shù)量 級(jí)。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(jì)值)。表2 金西水廠Fs設(shè)計(jì)值檔次波峰間 距(m)波谷間 距(m板長(zhǎng)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(jiàn)，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(yǔ)通過(guò)模型試驗(yàn)，得出異波折板絮凝單元的適宜單位造渦強(qiáng)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(yàn)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