隨著水資源的日益污染與匱乏以及國家節(jié)能減排政策的實施，鋼鐵企業(yè)作為用水及排水大戶，面臨著巨大的達(dá)標(biāo)減排的壓力。鋼廠廢水的處理、回用及零排放對企業(yè)的發(fā)展具有重要意義，同時具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。

目前，絮凝工藝形式多樣，常見的絮凝反應(yīng)器主要有：水平或垂直流動絮凝池、旋流絮凝池、導(dǎo)流機(jī)構(gòu)池。這些工藝的主流控制理論為Camp&Stein提出的速度梯度理論，即要求增加粒子碰撞時的相對運(yùn)動速度差。流體中，對顆粒運(yùn)動影響最大的是與顆粒尺度量級相近的渦旋，因此，為了提高顆粒的碰撞效率，必須對流體的微觀渦旋尺度進(jìn)行有效控制。另外，宏觀上較為均一的顆粒尺度分布也會提高顆粒的碰撞效率，所以，為進(jìn)一步提高絮凝反應(yīng)效率，還要兼顧渦旋的微觀強(qiáng)化控制與宏觀均布[1~3]。

筆者基于后臺階流理論，開發(fā)了一種可同時有效控制流體微觀渦旋尺度及宏觀渦旋均布的新型絮凝反應(yīng)器——菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)器，并將其成功應(yīng)用于鋼廠廢水回用工程，實現(xiàn)了該廠廢水的零排放。

1 翼片隔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在后臺階流理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)后臺階流的流場特點，結(jié)合絮凝反應(yīng)中對渦旋微觀強(qiáng)度、尺度以及宏觀均布的控制要求，研發(fā)了翼片隔板絮凝反應(yīng)裝置，對絮凝反應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化控制，其基本思路為在流道中設(shè)置翼片隔板控制渦流。菱形翼片隔板的結(jié)構(gòu)見圖1，平行于流體流動方向的隔板與垂直于流體流動方向的翼片呈十字形結(jié)構(gòu)，翼片與隔板間設(shè)置斜板構(gòu)成菱形翼片隔板渦流控制單元，翼片與隔板之間形成前、后臺階紊流區(qū)。翼片、隔板的交角處角落渦流區(qū)的存在不利于流體渦旋的控制及顆粒有效碰撞，斜板的設(shè)置，不僅可以消除角落渦旋的影響，同時對再循環(huán)區(qū)可起到強(qiáng)化、導(dǎo)流的作用，提高了能量的消耗利用效率，有利于對渦旋的有效控制[4、5]。

根據(jù)前臺階流理論，同時考慮到前臺階流為非控制因素，為研究方便，采用翼片前、后等長度隔板的設(shè)計。另外，研究中忽略了菱形斜板的尺度影響。由此，菱形翼片隔板設(shè)備的特征尺寸主要包括：①隔板與翼片長度之比為Ls／h；②水流方向上翼片間距與翼片長度之比為Lt／h；③垂直水流方向上隔板間距與翼片長度之比為Lo／h。

根據(jù)對后臺階流流場的數(shù)值模擬計算結(jié)果，隔板長度(Ls)小于5倍臺階高度的區(qū)域為流體渦旋控制區(qū)，因此，采用小于5倍翼片長度(h)的隔板可有效影響后臺階流的渦旋循環(huán)區(qū)，達(dá)到控制渦旋強(qiáng)度及尺度的目的，據(jù)此可確定Ls／h值。同時，基于空間均布控制的要求，采用較短的隔板后，隔板兩側(cè)流線對稱的流體由于慣性作用發(fā)生碰撞，更有利于顆粒的空間均布。與完全分割流道的長隔板設(shè)置相比，流體中渦旋的能量消散不是通過與隔板的碰撞及邊界層作用完成的，因此其能量消耗更加高效，設(shè)備總體的水頭損失也將減小。

根據(jù)模擬計算結(jié)果，對于翼片在流體流動方向上的間距的設(shè)置，應(yīng)使兩翼片間的區(qū)域為后臺階流流體充分發(fā)展的區(qū)域，即10～20倍翼片長度�？紤]到前臺階流會造成流體紊流，可以適當(dāng)增加翼片隔板單元在流體流動方向上的間距，據(jù)此可確定Lt／h值。同樣根據(jù)模擬計算結(jié)果可知，相鄰隔板距離應(yīng)為6h以上，由此可以確定翼片在垂直水流方向上的間距，進(jìn)而確定Lo／h值。

如果完全通過試驗來確定上述3項特征尺寸參數(shù)，則將帶來極大的工作量。對于絮凝反應(yīng)過程，從渦旋控制角度來講，除了要兼顧微觀渦旋強(qiáng)度、尺度與宏觀渦旋均布的有效控制，還必須考慮剪切力對顆粒破碎作用的影響。在流速一定的情況下，大尺度的翼片將帶來較大的剪切作用，同時也不利于同時加強(qiáng)渦旋的微觀與宏觀控制。為此，筆者采用小尺度單元結(jié)構(gòu)、多布控制點的思路對絮凝反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計。由于采用小尺度菱形翼片隔板結(jié)構(gòu)，其特征尺寸Ls／h、Lt／h完全可以由理論計算指導(dǎo)確定，這樣只需通過試驗優(yōu)化得到特征尺寸Lo／h值即可。

2 試驗部分

2．1中試裝置

試驗裝置包括混合器、絮凝反應(yīng)池、沉淀池。采用菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)池，外形呈矩形，為碳鋼防腐材質(zhì)，反應(yīng)區(qū)每格內(nèi)置翼片隔板(不銹鋼材質(zhì))，反應(yīng)池尺寸為L×B×H=1000 mm×500 mm×2250 mm，有效深度為1650 mm。裝置的設(shè)計處理量為5 m3／h，混合時間為5 s、反應(yīng)時間為12 min。絮凝反應(yīng)池設(shè)計為三級反應(yīng)區(qū)，各級設(shè)計流速分別為0．09、0．07、0．05 m／s，每級反應(yīng)區(qū)內(nèi)放置不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的菱形翼片隔板絮凝設(shè)備。圖2為絮凝反應(yīng)池內(nèi)流體的流動方向。

通過理論計算確定翼片長度h值及特征尺寸Ls／h、Lt／h值，改變各級反應(yīng)區(qū)內(nèi)菱形翼片隔板絮凝設(shè)備的特征尺寸Lo／h值，通過考察反應(yīng)區(qū)末端出水濁度來優(yōu)化Lo／h值。試驗中共采用了10組不同Lo／h值的菱形翼片隔板絮凝設(shè)備，按Lo／h值的增加順序分別記為Y1～Y10。

2．2分析項目及方法

試驗主要測定絮體顆粒粒徑及出水靜沉20 min后上清液的濁度。其中，絮體粒徑采用FCD水下攝影儀進(jìn)行水下攝像，采用物理影像法測定；濁度采用哈希便攜式2100P濁度儀測定。

3 結(jié)果與討論

分別采用Y1～Y5型、Y4～Y8型和Y7～Y10型翼片隔板反應(yīng)器作為一級、二級和三級反應(yīng)區(qū)內(nèi)的絮凝反應(yīng)設(shè)備，在相同操作參數(shù)下進(jìn)行絮凝試驗，以分別確定出三級反應(yīng)區(qū)的最優(yōu)絮凝設(shè)備尺寸，試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在一級反應(yīng)區(qū)內(nèi)，隨翼片隔板絮凝反應(yīng)器Lo／h值的增加，絮體粒徑先上升后下降，并在Y3型反應(yīng)器下達(dá)到最大值；而出水上清液濁度隨Lo／h值的增加呈先明顯下降后緩慢上升的趨勢，在Y3型反應(yīng)器下達(dá)到最小值。這表明，Y3型翼片隔板絮凝反應(yīng)器具有最大的絮體粒徑及最低的出水上清液濁度，為一級反應(yīng)區(qū)的最優(yōu)反應(yīng)器。

二級反應(yīng)區(qū)采用較大Lo／h值的菱形翼片隔板反應(yīng)器，試驗結(jié)果與一級反應(yīng)器的相似，絮體粒徑隨Lo／h值的增加呈先上升后下降的變化趨勢，并在Y6型反應(yīng)器下達(dá)到最大值；而出水上清液濁度隨Lo／h值的增加呈先下降后上升的趨勢，并在Y6型反應(yīng)器下達(dá)到最低值。這表明，Y6型翼片隔板絮凝反應(yīng)器具有最大的絮體粒徑和最低的出水上清液濁度，為二級反應(yīng)區(qū)的最優(yōu)反應(yīng)器。

三級反應(yīng)區(qū)采用更大Lo／h值的菱形翼片隔板反應(yīng)器，試驗結(jié)果與一、二級反應(yīng)區(qū)的相似，Y9型翼片隔板絮凝反應(yīng)器具有最低的出水上清液濁度及最大的絮體粒徑，為三級反應(yīng)區(qū)的最優(yōu)反應(yīng)器。

由以上分析可知，在各反應(yīng)區(qū)內(nèi)絮凝效果與反應(yīng)器特征尺寸呈非線性變化，每級反應(yīng)區(qū)都存在最優(yōu)尺寸的反應(yīng)器。這是由于在絮凝反應(yīng)中，絮體粒徑及密實度主要受流體的剪切和碰撞作用共同控制。根據(jù)后臺階流理論及菱形翼片隔板設(shè)計機(jī)理，當(dāng)流體受到翼片阻擋時，將引起翼片附近流體的準(zhǔn)均勻各向同性紊流。在紊流中大量強(qiáng)度、尺寸一定的微小渦旋彼此碰撞，增加了流體中絮體顆粒的碰撞幾率，同時絮體在高能量的碰撞下產(chǎn)生強(qiáng)烈變形并受到擠壓，從而提高了絮體的密實度，縮短了絮凝時間。但如果渦旋強(qiáng)度過高，絮體受到的剪切力也大幅度增加，絮體在提高密實度的同時，會因剪切力的作用而發(fā)生破碎，使絮體粒徑變小。隨著絮凝反應(yīng)的進(jìn)行，需要相應(yīng)降低二級及三級反應(yīng)區(qū)流體的渦流密度及強(qiáng)度，減小剪切作用對絮體進(jìn)一步增大的影響，使二級、三級反應(yīng)區(qū)內(nèi)絮體粒徑逐漸增加，因此宜采用具有較大Lo／h值的反應(yīng)器及較小的流速。但過低強(qiáng)度的渦旋將影響絮體的碰撞強(qiáng)度及次數(shù)，因此過大的Lo／h值會導(dǎo)致絮體碰撞次數(shù)過少、強(qiáng)度過低，絮體粒徑難以進(jìn)一步增大，相應(yīng)出水濁度升高。

4 用于鋼廠廢水回用工程

將菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)器用于江蘇無錫某特種鋼鐵企業(yè)的廢水回用項目，該項目的原水為該廠的護(hù)廠河水，主要由該廠生產(chǎn)廢水和廠區(qū)生活污水構(gòu)成。

4．1  工程設(shè)計

根據(jù)翼片隔板反應(yīng)器的設(shè)計原理及流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型和后臺階流數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果，在一定的流體雷諾數(shù)(Re)下，翼片隔板渦旋控制區(qū)的流體力學(xué)性質(zhì)，如渦旋的強(qiáng)度、尺度及流體剪切力與慣性力等由隔板與翼片長度比Ls／h決定；渦旋宏觀的均布性由翼片隔板結(jié)構(gòu)單元之間的空間距離Lo和Lt控制；平行和垂直水流方向的流體渦旋性質(zhì)與翼片長度而有關(guān)，由Lt／h及Lo／h值控制。流體的Re與流體流速v及翼片長度h成正比。由此說明，在一定的Re及翼片長度h下，菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)器的局部及整體渦旋均由無因次參量決定，即菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)器的流體力學(xué)性質(zhì)與空間幾何尺度無關(guān)，只與流體的Re有關(guān)。因此，中試設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備具有流體力學(xué)完全相似性。由于實際工程中反應(yīng)區(qū)流體的雷諾數(shù)與中試相同，因此在工程上可以對中試結(jié)果進(jìn)行等比例放大。實際工程中采用與中試相同的混合器及斜板沉淀裝置。

4．2藥劑投加量的確定

對原水進(jìn)行燒杯絮凝沉淀試驗，以確定合適的藥劑投加量，絮凝劑選用PAC，助凝劑選用陰離子型PAM。設(shè)定四級攪拌程序：280 r／min下攪拌2min，160 r／min下攪拌2 min，60 r／min下攪拌3min，15 r／min下攪拌3 min，分別模擬混合及各反應(yīng)區(qū)的渦旋碰撞程度，PAM在第二級攪拌末投加。結(jié)果表明，在不投加助凝劑的條件下，當(dāng)PAC投量為25 mg／L時，出水濁度最低，但形成的礬花較小、沉降速度較慢；在PAC投量為25 mg/L的條件下，當(dāng)助凝劑PAM投量為0．3 mg/L時，礬花較大、沉降速度較快，且出水濁度達(dá)到1．5 NTU以下。由此確定最佳投藥量：PAC為25 mg／L、PAM為0．3 mg／L。根據(jù)燒杯試驗結(jié)果適當(dāng)調(diào)整實際工程中的藥劑投量。

4．3工程運(yùn)行結(jié)果

實際工程運(yùn)行時，處理水量為1500 m3／h(兩套裝置同時運(yùn)行，每套的處理量為750 m3／h)，PAC投量調(diào)整為21 mg/L，PAM投量仍為0．3 mg/L，PAM投加點為一級反應(yīng)區(qū)末端，排泥時間間隔為3 h。表1為連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行8 h后原水及出水水質(zhì)。

工程運(yùn)行結(jié)果表明，菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，藥劑利用效率較高，可使沉淀池出水濁度降至1 NTU左右，且對COD具有良好的去除效果，可極大降低后續(xù)處理負(fù)荷。

5 結(jié)論

①在后臺階流理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)器，實現(xiàn)了同時有效控制流體微觀渦旋尺度及宏觀渦旋均布。并結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果和中試處理效果，確定了各反應(yīng)區(qū)內(nèi)菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)器的最優(yōu)特征尺寸參數(shù)。

②將菱形翼片隔板絮凝反應(yīng)器應(yīng)用于鋼廠廢水回用工程，可使沉淀池出水濁度穩(wěn)定在1 NTU左右，對COD的去除率達(dá)到了48．5％，大大降低了后續(xù)處理負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)： 

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[4]  徐立群．翼片隔板絮凝池[P]．中國專利：ZL022103 54．6．2003–03–19．

[5]  徐立群．菱形翼片隔板設(shè)備[P]．中國專利：ZL2004 20012487．7．2006–01–11．

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