反應條件對動態(tài)絮凝過程絮體粒度分布的影響

反應條件對動態(tài)絮凝過程絮體粒度分布的影響

傳統(tǒng)的沉淀理論通常使用沉淀池的廢水濁度來反映沉淀的效果。事實上，低濁度水中仍然存在大量顆粒。日益完善的飲用水水質標準使渾濁度達到其靈敏度的極限。為了確定水下懸浮顆粒的性質，并研究廢水處理的成功方法，我們必須提出更實用、更實用的水質檢驗方法。浮沉淀是為了改變懸浮液中的粒度分布。沉降和過濾過程只能去除一定粒徑的顆粒，因此浮沉淀顆粒的粒度分布可以用來表示凝縮的效果。通過仿真技術實現(xiàn)了絮凝反應設備內(nèi)實際流動混合過程的可視化,可以直觀地了解絮凝反應設備內(nèi)整個流場的有關數(shù)據(jù),用于分析水流狀態(tài)對絮凝效果的影響,能更加深刻了解絮凝動態(tài)過程.本文在對動態(tài)絮凝過程水中絮體顆粒粒度分布特征研究的基礎上,通過對不同條件下三維絮凝流場的仿真計算,實現(xiàn)反應設備內(nèi)流場、能量耗散等計算的可視化,試驗改善了反應設備水流狀態(tài)和強化了絮凝效果.1材料和方法1.1反應容器與分析方法采用的主要儀器有PCX2200型顆粒計數(shù)儀(美國)、MICROTOL在線濁度儀、RW20.n型多級變速攪拌器(德國)、方形有機玻璃反應容器(有效體積18L,長×寬×深為28cm×28cm×23cm)等.試驗中采用高嶺土(高嶺土:SiO2為46%;Al2O3為39%;灼燒失重為20%)懸濁液作為試驗水樣,絮凝劑采用聚合氯化鋁(PAC:分析純;含量大于99.0%;pH=4.9;鹽基度為82.4%;水不溶物為0.95%).1.2測試方法1.2.1自然生長特性分析將絮凝劑PAC配制成1%的溶液備用,采用高嶺土懸濁液作為試驗水樣.試驗前將高嶺土浸泡一定時間,在方形反應器中以100mg/L高嶺土與自來水配制成濁度為98NTU的水樣18L,打開在線濁度儀和顆粒計數(shù)儀以100mL/min流量在線取樣,快速攪拌待水樣濁度穩(wěn)定后按“投藥—快攪—慢攪—靜沉”的順序進行試驗.1.2.2正交試驗結果1)變化投藥量,采用無限逼近法確定PAC的最佳投藥量為10mg/L;2)固定PAC投藥量為10mg/L,以靜沉20min后的剩余濁度作為正交試驗的評價指標,選取快攪速度、快攪時間、慢攪速度、慢攪時間4個因素,每個因素分別設定3個水平(見表1)進行L9(34)正交試驗,確定的最佳水力條件為快攪速度250r/min、快攪時間10s、慢攪速度60r/min、慢攪時間20min;3)改變絮凝條件,研究不同絮凝條件下絮體粒度分布的動態(tài)變化特征;4)對反應設備內(nèi)的三維流場進行仿真計算并分析不同絮凝條件對水流結構和絮凝過程產(chǎn)生的影響.1.3試驗結果的性能1.3.1顆粒計數(shù)儀在線監(jiān)測分析的水樣為反應器自由液面以下10cm處的清液,以靜沉20min后的剩余濁度來表征絮凝效果.用顆粒計數(shù)儀監(jiān)測絮凝過程絮體粒度分布隨時間的動態(tài)變化過程,從微觀角度觀察不同粒徑范圍絮體的生成、長大等過程.同時編寫絮凝在線監(jiān)測程序,提高了試驗數(shù)據(jù)的及時性、準確性.試驗中顆粒計數(shù)儀的通道設置(即粒徑范圍設置)見表2.監(jiān)測到的顆粒粒徑主要集中在通道CH1~CH5內(nèi).1.3.2紊動能和耗散率實際絮凝設備中的水流多為紊流.紊流區(qū)渦旋尺度越小,其黏滯力越大,脈動變形越大,變形功和有效能耗系數(shù)也就越大,可用紊動能和紊動耗散率來反映流場的紊動程度以及流場對絮凝效果的影響程度.紊動能指單位質量流體紊流脈動動能,用來表征速度脈動的強度;紊動耗散率指單位質量流體脈動動能的耗散率,用來描述各向同性的小尺度渦旋地機械能轉化為熱能的速率.2結果與討論2.1慢攪速度對絮體顆粒耗散率的影響在前述最佳投藥量和最佳水力條件基礎上,保持其他絮凝條件不變,僅改變慢攪速度(分別設置為60、90、120、150、200r/min),對方形反應器中的水流狀態(tài)進行仿真計算.圖1為最佳絮凝條件(即相應投藥量為10mg/L、慢攪速度60r/min)時方形反應器中軸向水流分布圖圖中左側的條紋為分布圖中出現(xiàn)各條紋對應的速度值或紊動能值.反應器的槳葉區(qū)速度最大,帶動周圍流體從槳葉尖端排出,頂部與底部流體向槳葉區(qū)流入來補充該區(qū)域流出的流體,且頂部離槳葉區(qū)較遠,速度分布較弱.反應器中槳葉上方區(qū)域的紊動能最大,在反應器近壁區(qū)的紊動能也較大,而在反應器的底部區(qū)域的紊動能最小,這說明紊動能主要產(chǎn)生在槳葉周邊區(qū)域,這些區(qū)域的紊動程度比較高,混合效果比較好,有利于絮體顆粒的碰撞黏結.圖2為不同慢攪速度時方形反應器中距離底部不同高度h處截面的平均合速度vˉvˉ、平均紊動能EˉˉˉpEˉp及平均紊動耗散率PˉˉˉΡˉ分布圖.展示了不同慢攪速度時反應器中水流分布狀況,即:攪拌槳葉所在截面處的平均合速度最大,反應器距離底部不同高度處各截面的平均合速度均隨著慢攪速度的增大而增大;速度的增大對攪拌槳周圍流體運動起較大作用,尤其是攪拌槳上方區(qū)域的紊動能變化尤為明顯,而對其下方和離槳葉較遠區(qū)域的紊動能影響較小;槳葉周邊區(qū)域的平均紊動耗散率較大,在遠離攪拌槳的區(qū)域,該值較小,并且隨著慢攪速度的增大,反應器中距離底面不同距離截面處的平均紊動耗散率均增大,尤其是槳葉周邊區(qū)域的平均紊動耗散率變化較大,而在遠離攪拌槳的區(qū)域的平均紊動耗散率變化則比較緩和.改變慢攪速度時,絮凝攪拌試驗過程方形反應器內(nèi)顆?？倲?shù)N隨絮凝時間的變化如圖3所示.設置一定的慢攪速度,反應器內(nèi)的N最終穩(wěn)定在某一特定值;隨著慢攪速度的增大,相應的特定值也逐漸增大.這是由于慢攪速度一定,即輸入水體的能耗不變,反應器中呈現(xiàn)一定的水流結構,在水流紊動作用下,絮體顆粒不斷碰撞和聚集長大;當絮體成長到較大粒徑時,小尺度的渦旋將對絮體造成強大的剪切作用,特別是槳葉區(qū)強大的紊動能易使已經(jīng)形成的絮體發(fā)生破碎,限制了絮體的增大,顆粒的聚集與破碎最終達到動態(tài)平衡,即N穩(wěn)定在某一特定值.隨著慢攪速度的增大,反應器中(尤其是攪拌槳葉區(qū))的紊動能和紊動耗散率也增大,而有效能耗決定紊流的渦旋尺度,此時渦旋尺度減小,渦旋強度增大,渦旋剪切力增大,對絮體的破壞作用增強,使更多的已形成的大絮體破碎成較小的絮體,從而導致慢攪結束時顆?？倲?shù)增多.絮凝過程是一個絮體顆粒不斷碰撞、長大及剪切分散的過程,在進行水力條件優(yōu)化時,需要綜合考慮絮體顆粒的聚集與破壞,促使生成的絮體密實、沉降性能好,以便提高絮凝效果,改善出水水質.絮凝池是水流運動產(chǎn)生速度梯度促進顆粒的碰撞,形成較大的絮體.隨著絮體顆粒的逐漸增大,為避免絮體破碎,反應器內(nèi)水流速度和速度梯度均逐漸減小.2.2攪拌槳與反應器底距離對沉后水絮凝效果的影響設定慢攪速度為60r/min,改變攪拌槳葉與反應器底面的距離,對反應器中的水流狀態(tài)進行仿真計算如圖4所示.在相同的慢攪速度下,隨著攪拌槳與反應器底面距離的減小,攪拌槳對底部流體的作用逐漸增強,反應器底面附近截面處的vˉvˉ、EˉˉˉpEˉp、PˉˉˉΡˉ均增大,生成更多小尺度的渦旋,改善了水流的紊流狀態(tài),提高了絮體顆粒的碰撞聚集效率,使得絮凝反應強烈.但是,如果攪拌槳葉距離底部太近,將造成上部混合減弱,加大顆粒碰撞的難度,絮體不能有效碰撞,自由液面附近會出現(xiàn)較多微小的懸浮顆粒,最終會影響絮凝沉淀效果.這是由于在相同的慢攪速度下,當槳葉離槽底距離較遠時,從旋轉槳葉噴射的高速流體,在流動過程中夾帶周圍流體,撞擊到反應器壁后,徑向排出流一部分沿器壁向上流動,另一部分向下流向反應器底面,到達液面或槽底后,流體流動轉為徑向流流向軸中心,最終分別向下或向上流回軸中心,這樣反應器內(nèi)形成2個獨立的循環(huán)區(qū)域.攪拌槳葉下方靠近軸心區(qū)域,流體向上卷吸,此循環(huán)區(qū)流體速度值較小,為弱流區(qū)域,不利于流體拖拽、夾帶絮體顆粒一起脈動,生成的絮體顆粒較小,易導致絮體顆粒堆積,同時,2個循環(huán)區(qū)域相互獨立,不利于整個反應器中流體的交換混合,從而降低了絮體之間的碰撞機會和阻礙了絮體顆粒的充分成長.隨著攪拌槳與反應器底面距離的減小,“雙循環(huán)”流型中的下循環(huán)流動區(qū)域被逐漸抑制,攪拌槳下方的循環(huán)區(qū)域逐漸減小,從而使更多的流體參與到攪拌槳葉上方的循環(huán)中,使攪拌槳下部混合明顯增強,可以有效地防止底部沉積.這種循環(huán)運動使流體反復通過槳葉區(qū),從而更利于絮體之間的碰撞接觸,促使絮體顆粒長大,提高絮凝效果.攪拌槳距離容器底面2cm時,沉后水的濁度和顆?？倲?shù)均最小,絮凝效果最好;隨著攪拌槳與容器底面之間距離的增大,沉后水的濁度和顆?？倲?shù)均呈增大趨勢,絮凝效果變差.2.3槳葉安裝角度對是否降低履行裝置廣泛能量的影響固定其他絮凝條件,僅改變攪拌槳葉安裝角度,對反應器中的水流狀態(tài)進行仿真計算,如圖5所示.攪拌槳葉安裝角度對反應器中槳葉區(qū)的水流速度影響較大,而對遠離槳葉的區(qū)域的水流速度影響較小.這是由于在槳葉區(qū),槳葉旋轉直接推動流體運動,液流具有射流特征,卷吸周圍流體運動.隨著攪拌槳葉安裝角度的增大,槳葉對周圍流體的徑向作用隨之增強,流場的剪切力增大,使得反應器內(nèi)橫向混合增強,槳葉區(qū)及其附近的速度增大.由于方形反應器具有阻流作用,能控制水流隨槳葉共旋,一部分流體撞擊反應器壁后形成反向回流,會減弱其后面流體的運動速度,改變槳葉安裝角度將會導致這種減弱作用的不確定性,使得截面平均合速度的變化無規(guī)律性.槳葉安裝角度為20°時,反應器中紊動能和紊動耗散率均最大,槳葉安裝角度為60°時的次之,槳葉安裝角度為40°和80°時的紊動能和紊動耗散率最小.這是因為攪拌槳葉安裝角度增大,對周圍流體運動的影響主要體現(xiàn)在橫向上,使更多的能量消耗在橫向流體的傳遞中.同時,容器邊壁的阻流作用,又會消耗較多能量.而在一定的慢攪速度下,輸入水體的總能耗為定值,這樣用于軸向循環(huán)的能量就會相對減小,導致攪拌槳葉采用小角度安裝時方形容器中水流呈現(xiàn)良好的紊流狀態(tài).從絮凝體形成的角度講,攪拌槳葉安裝角度為20°時更有利于提高絮凝效果.2.4流體推動絮凝在最優(yōu)絮凝條件下,對方形和圓形反應器中的水流狀態(tài)進行仿真計算.如圖6所示.方形反應器具有阻流作用,能有效地控制水流隨槳葉共旋,一部分流體撞擊反應器壁后形成反向回流,增加絮體顆粒之間的碰撞黏結機率,同時,在慢攪速度一定的條件下,方形反應器中紊動較緩和,有利于絮體的進一步長大.但方形反應器中存在“死水區(qū)”,絮體無法參與到流體的大循環(huán)中,形成的絮體較小,沉降性能差,影響絮凝效果.而對于圓形反應器,由于邊壁圓滑,無阻流裝置,水體隨槳葉旋轉,不利于絮體顆粒之間的碰撞;停止攪拌后,水體的旋轉