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可调湍流涡旋絮凝机械技术的试验研究

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是机械工程硕士论文,本文以传统往复式隔板絮凝池为平台,在此基础上设计并安装可调弧形叶片,制作出可调湍流涡旋絮凝池,并对其进行絮凝试验研究。
第 1 章 绪论
 
1.1 引言
在水处理过程中,混凝[1,2]是很重要的一个环节,其包含了两个阶段,一是混合;二是絮凝,后者是本文研究重点。要想对絮凝过程有完整的认识,必须先要了解混合过程。混合过程是指药剂在一定环境下迅速溶于水发生水解反应,水解产物所带电荷能够与胶体颗粒表面的电荷中和,促使胶体脱稳,并聚集为微絮体。混合过程是混凝的初始阶段,絮凝过程是水处理的关键阶段,它是指已经形成的微絮体在构筑物产生的水利条件下相互碰撞、吸附并逐渐长大,最终形成沉淀被分离出来。所以出水品质的高低很大程度上取决于絮凝阶段。具体来看,当絮凝剂(电解质或胶体物质)溶于水中,在短时间内迅速水解生成大量与胶体颗粒带异种电荷的电解质,中和了胶体颗粒体表面的异种电荷,从而降低或抵消掉胶体颗粒之间的相互排斥力聚集生成微絮体,在一定的水力条件下,微絮体的体积不断变大到一定程度时,就从水中沉淀出来,达到降低浊度的效果。特别要说明的是,当使用的絮凝剂是高分子化合物时(例如聚合氯化铝),水解产生大量高分子极性基团或电荷基团,胶体颗粒与之中和后,将会产生庞大的絮凝体沉淀物,这是因为高分子化合物水解后产生的极性基团或电荷基团非常多,能迅速与各个方向的胶体颗粒中和,短时间内形成大量的絮凝体,絮体体积不断增大,效果非常明显。综上,可以把混凝看作是胶体颗粒脱稳聚集为微絮体,之后在构筑物提供的水力条件下,微絮体之间相互碰撞、吸附并逐渐长大直至沉淀的过程。其中混合是胶体颗粒由小到大的量变过程,絮凝是絮凝体由量变到质变的过程,量变到达质变以后才会有微絮体的产生和絮凝体的沉淀。
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1.2 课题的提出及研究意义
目前国内外供水行业面临着技术、资金、环境等方面的问题,这些问题的产生是多方面的,对水处理将会造成很大影响。比如水源污染严重这是人为对环境的破坏,这必然会对水处理带来很大难度;再者突发性水质频繁的变化,对水处理同样是一种挑战,如果不能灵活应对,将会对出水品质来带影响。总结来看主要是以下两点:第一,因为用水负荷以及原水水质变化而导致出水品质不稳定是水处理领域一直存在的问题,这需要水处理设备能够适应这些突变,灵活应对以满足需求;第二,由于供水标准越来越高,而目前传统的水厂设备已经难以满足此要求,所以有必要在水处理过程中加强混合和絮凝过程,保证出水品质。在混凝设备方面,国内外常用的水处理工艺是将混合与絮凝截然分开,相应地有多种混合设备和絮凝设备。根据不同的原水水质、混凝剂和环境条件的差异,混凝所需的最优水利条件在很大程度上是不相同的,这就需要我们所使用的混合和絮凝设备在比较大的范围内可以进行灵活调节,同时能强化混凝效果,提高出水质量。在混合方面,静态混合器[3-5]和机械式搅拌混合器[6-8]是国内外水处理领域使用最广泛的混合设备。静态混合器又以 SK 型和 SV 型为主,其中 SK 型分为传统 SK 型静态混合器(如图 1.1)和开缝式 SK 型静态混合器(如图 1.2)。从静态混合器的结构可知,由于混合完全靠混合器内部混合单元完成,不需要额外动力辅助,所以运用比较广,但是当原水流量和原水浊度变化的情况下,就无法及时做出调整。
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第 2 章 絮凝理论
 
2.1 胶体的结构与胶体的脱稳
强化絮凝的目的是为了使胶体颗粒快速脱稳,以利于微絮体的聚集沉淀,但是要想更好的去理解胶体脱稳和聚集沉淀,就必须先要了解胶体的结构。胶体颗粒的稳定是建立在(1)颗粒布朗运动,(2)颗粒表面溶剂化作用,(3)胶体颗粒之间静电斥力上的。其中,胶体颗粒之间的静电斥力是最重要的一项指标,胶体带电以及稳定都与其有很大关系,所以研究胶体颗粒的结构是理解脱稳的关键。
 
2.1.1 胶体的结构
如图 2.1 所示,是胶体颗粒的结构及其电位示意图。由内向外分析,其核心是由数十到数千个不溶于水的胶体分子聚合而形成。胶核的表面吸附了一层电荷离子,这层电荷离子的带电属性与胶核是一样,可以是正电荷,也可以是负电荷,我们称之为胶粒的电位离子,当电位离子是带正电荷时,胶核带正电;当电位离子是带负电荷时,胶核带负电,并且还决定了胶核所带电荷的多少。当胶体处于溶液中时,溶液中会有很多与电位离子带相反电荷的离子,在静电吸引的作用下,会被电位离子吸引到周围,这样一来电位离子构成了双电层的内层,被吸引束缚而来的反粒子层就形成了双电层的外层。内层被电位离子牢牢地吸引着,它是跟随胶核运动而运动的,所以称为反离子吸附层,这样胶核、电位离子、反离子吸附层按照由内而外的顺序共同组成了胶体的固定层。在胶体固定层以外的反离子层,由于受电位离子的吸引力较弱,不能像反离子吸附层那样跟着胶核运动而运动,我们称为扩散层。这样一来固定层和扩散层之间的交界面(滑动面)就是胶粒的划分界面,在交界面以内是胶粒部分,在交界面以外就是扩散层,胶粒和扩散层整体是不带电的胶团,而胶粒是带电微粒。
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2.2 絮凝动力学机理
从微观上了解了胶体的结构和脱稳机理,现在我们从传统絮凝理论的角度[14,15]来探讨一下对絮凝过程的描述和研究历程。当絮凝剂水解之后,在一定水力条件下胶体就会相互碰撞、吸附、中和,最终形成大的絮体而沉淀下来,但是对于其中的动力学机理目前该领域还处于探索阶段,1916-1918 年 Smoluchowski 最早提出了颗粒碰撞率 S 的概念,此理论是基于层流的条件下推导出来的。获得絮凝所需最佳水动力条件是絮凝过程的难点,为此我们先要了解絮凝的动力学理论,从传统观点来看,在以层流为前提推导下,速度梯度被认为是絮凝的致因,但是此观点是否适用于湍流情况,是研究人员一直以来的研究方向。其实,在湍流流态下,会产生大大小小的涡旋[16-20],这在空间上增加了湍流动量的交换,同时也均衡化了湍流流态下的速度梯度分布,也就是说湍流流态下不同尺度的涡旋在空间上会进行动量的交换,导致了各个方向上速度梯度的均衡,结果是按照该理论计算的速度梯度会远远大于实际湍流[21-24]中的速度梯度值,所以速度梯度并不完全适用于湍流流态。速度梯度理论之所以能沿用这么长的时间,其实是因为单位水体能耗与湍流涡旋息息相关,因为湍流流态下会产生不同尺度的微涡旋,这对于胶体颗粒的水动力特性以及它们之间的相互碰撞起着关键作用。总结来说,要想提高颗粒的碰撞几率,在层流下可以提高速度梯度达到;在湍流流态下,可以通过改变涡旋的尺寸来控制颗粒的碰撞几率。另一方面,整个絮凝过程不能无限制的提升速度梯度,因为当微絮体生长成矾花时,这时要求速度梯度减小。
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第 3 章 综合试验方案设计.....12
3.1 可调湍流涡旋絮凝池的结构..........12
3.1.1 絮凝池原型结构设计............12
3.1.2 絮凝池模型结构设计............14
3.1.3 可调湍流涡旋叶片组结构设计.....15
3.2 试验仪器装置与试验药剂.....17
3.2.1 试验仪器装置......17
3.2.2 试验药剂.....19
3.3 本章小结......20
第 4 章 可调湍流涡旋絮凝池试验及结果分析.........21
4.1 两廊道可调湍流涡旋絮凝试验......21
4.2 十二廊道可调湍流涡旋絮凝试验...........27
4.3 本章小结......41
第 5 章 总结与展望..........42
5.1 工作总结......42
5.2 本文主要创新点............42
5.3 展望.....43
 
第 4 章 可调湍流涡旋絮凝池试验及结果分析
 
4.1 两廊道可调湍流涡旋絮凝试验
与传统絮凝池的试验研究不同,本文不仅对整体可调湍流涡旋絮凝池(十二廊道)的絮凝效果进行试验研究,还创新地把可调湍流涡旋絮凝池分段组合。通过研究絮凝池前两个廊道的絮凝效果,加深对絮凝机理的掌握。在两廊道絮凝试验中,在相同原水流量、不同原水浊度下,通过调节叶片的旋转角度,可以产生一定尺度和强度的涡旋,这对于促进絮凝是非常重要的,所以对两廊道絮凝过程进行探索性的研究,有利于理解絮凝水动力致因,为十二廊道絮凝试验积累理论和实践经验。二廊道可调湍流涡旋絮凝试验的实施,是在一定仪器设备下进行的,如表 4.1 所示是所需试验器材及相关试验参数。可调湍流涡旋絮凝试验最终的目的是在可控的设备操作下,根据不同的原水流量、原水浊度、絮凝剂流量,控制叶片角度产生适宜尺度的涡旋,创造有利于絮凝的水力条件,从而促进絮凝过程,降低出水浊度,所以进口流量、原水浊度、絮凝剂流量、叶片不同旋转角度都是试验的变量,需要对以上变量进行深入研究。但是考虑到初期对两廊道只是探索性的研究,所以在两廊道絮凝试验中,固定原水流量为 Q= 540ml/s ,絮凝剂流量为Q1=150ml/min,变量只有原水浊度和叶片角度。具体试验操作步骤如下:(1)将提前配置好稳定浊度的原水,通过阀门管道给水。(2)蠕动泵在 SK 型静态混合器之前添加絮凝剂。(3)调整弧形叶片,等絮凝池出水稳定后,在出水口前方 20cm 处每隔 50 秒(一个样本的测量时间)取样测量浊度,每组取 10 个样本,然后每隔 20 分钟对该组样本测量浊度,每个工况总共测量 5 组数据;同时记录每一个工况的进口和出口水位高度。(4)取完一组样本以后,用排水泵把廊道的水排完,以免影响下组试验,之后改变叶片角度继续下一组试验,最后一组做完,要清洗絮凝池。
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总结
 
根据水处理领域现有水力絮凝设备的需要,在絮凝流动过程中,为实现对低雷诺数湍流涡旋的控制,设计出了可调湍流涡旋叶片絮凝池,并对其所涉及的一系列理论与应用基础开展相关研究。本文首先介绍了胶体的结构以及脱稳方式,然后详细阐述了絮凝动力学机理和湍流涡旋絮凝理论。以传统往复式隔板絮凝池为平台,在此基础上设计了可调湍流涡旋絮凝池,通过控制原水浊度、原水流量、絮凝剂流量和叶片旋转角度来研究絮凝过程,得出不同控制变量下的最优工况。与传统絮凝池的试验研究不同,本文不仅对十二廊道可调湍流涡旋絮凝池的絮凝效果进行试验研究,还创新地把可调湍流涡旋絮凝池分段组合,通过研究絮凝池前两个廊道的絮凝效果,加深对絮凝机理的认识。絮凝池前段是絮凝反应的初期,对整个絮凝过程起着至关重要的作用。两廊道絮凝试验中,相同原水流量、不同原水浊度下,第一、二廊道叶片角度是 45 时,絮凝效果最好。十二廊道絮凝试验中(最后两个廊道作为在线浊度仪测量环境使用):(1)十个廊道叶片角度都为 45°时样本出水浊度最低,(2)没有放置叶片组时出水浊度最高,(3)前五廊道叶片角度为 45°、后五廊道叶片角度为 0°比十个廊道叶片角度都为 0°的样本出水浊度低。也就是廊道中放置叶片比没有放置叶片的絮凝效果好;叶片角度为45°比 0°絮凝效果好。(4)原水中絮凝剂浓度不变时(单一原水浊度下)各工况的出水浊度不会随着原水流量的改变而改变,(5)絮凝剂的投加固然能降低原水出水浊度,但是通过放置弧形叶片,并调整弧形叶片角度,可以得到更好的絮凝效果,这也是本文的核心。综上,在往复式隔板絮凝池中安装适宜角度弧形叶片组对絮凝过程会起到很好的促进作用。由絮凝的动力致因可知,水和水中颗粒的密度(惯性)不一样,当水流速度变化(水流时平均速度大小或者水流运动方向)时,会造成水中的颗粒与水流产生相对运动,这为不同尺度的颗粒碰撞提供了动力条件。水流流经弧形叶片会产生涡旋,涡旋的产生改变了水流方向从而改变水流速度,最终造成颗粒与水流产生相对运动,为絮凝创造了水动力条件。所以通过控制叶片角度产生适宜尺度的涡旋,可以创造有利于絮凝的水动力条件,从而增加胶体颗粒碰撞的有效次数,最终形成致密的絮体沉淀,达到降低出水浊度的效果。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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