菱形翼片隔板絮凝反应器的研发及应用
随着水资源的日益污染与匮乏以及国家节能减排政策的实施，钢铁企业作为用水及排水大户，面临着巨大的达标减排的压力。钢厂废水的处理、回用及零排放对企业的发展具有重要意义，同时具有巨大的经济效益及社会效益。
目前，絮凝工艺形式多样，常见的絮凝反应器主要有：水平或垂直流动絮凝池、旋流絮凝池、导流机构池。这些工艺的主流控制理论为Camp&Stein提出的速度梯度理论，即要求增加粒子碰撞时的相对运动速度差。流体中，对颗粒运动影响最大的是与颗粒尺度量级相近的涡旋，因此，为了提高颗粒的碰撞效率，必须对流体的微观涡旋尺度进行有效控制。另外，宏观上较为均一的颗粒尺度分布也会提高颗粒的碰撞效率，所以，为进一步提高絮凝反应效率，还要兼顾涡旋的微观强化控制与宏观均布[1~3]。
笔者基于后台阶流理论，开发了一种可同时有效控制流体微观涡旋尺度及宏观涡旋均布的新型絮凝反应器——菱形翼片隔板絮凝反应器，并将其成功应用于钢厂废水回用工程，实现了该厂废水的零排放。
1 翼片隔板的结构设计
在后台阶流理论的基础上，根据后台阶流的流场特点，结合絮凝反应中对涡旋微观强度、尺度以及宏观均布的控制要求，研发了翼片隔板絮凝反应装置，对絮凝反应进行强化控制，其基本思路为在流道中设置翼片隔板控制涡流。菱形翼片隔板的结构见图1，平行于流体流动方向的隔板与垂直于流体流动方向的翼片呈十字形结构，翼片与隔板间设置斜板构成菱形翼片隔板涡流控制单元，翼片与隔板之间形成前、后台阶紊流区。翼片、隔板的交角处角落涡流区的存在不利于流体涡旋的控制及颗粒有效碰撞，斜板的设置，不仅可以消除角落涡旋的影响，同时对再循环区可起到强化、导流的作用，提高了能量的消耗利用效率，有利于对涡旋的有效控制[4、5]。
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根据前台阶流理论，同时考虑到前台阶流为非控制因素，为研究方便，采用翼片前、后等长度隔板的设计。另外，研究中忽略了菱形斜板的尺度影响。由此，菱形翼片隔板设备的特征尺寸主要包括：①隔板与翼片长度之比为Ls／h；②水流方向上翼片间距与翼片长度之比为Lt／h；③垂直水流方向上隔板间距与翼片长度之比为Lo／h。
根据对后台阶流流场的数值模拟计算结果，隔板长度(Ls)小于5倍台阶高度的区域为流体涡旋控制区，因此，采用小于5倍翼片长度(h)的隔板可有效影响后台阶流的涡旋循环区，达到控制涡旋强度及尺度的目的，据此可确定Ls／h值。同时，基于空间均布控制的要求，采用较短的隔板后，隔板两侧流线对称的流体由于惯性作用发生碰撞，更有利于颗粒的空间均布。与完全分割流道的长隔板设置相比，流体中涡旋的能量消散不是通过与隔板的碰撞及边界层作用完成的，因此其能量消耗更加高效，设备总体的水头损失也将减小。
根据模拟计算结果，对于翼片在流体流动方向上的间距的设置，应使两翼片间的区域为后台阶流流体充分发展的区域，即10～20倍翼片长度。考虑到前台阶流会造成流体紊流，可以适当增加翼片隔板单元在流体流动方向上的间距，据此可确定Lt／h值。同样根据模拟计算结果可知，相邻隔板距离应为6h以上，由此可以确定翼片在垂直水流方向上的间距，进而确定Lo／h值。
如果完全通过试验来确定上述3项特征尺寸参数，则将带来极大的工作量。对于絮凝反应过程，从涡旋控制角度来讲，除了要兼顾微观涡旋强度、尺度与宏观涡旋均布的有效控制，还必须考虑剪切力对颗粒破碎作用的影响。在流速一定的情况下，大尺度的翼片将带来较大的剪切作用，同时也不利于同时加强涡旋的微观与宏观控制。为此，笔者采用小尺度单元结构、多布控制点的思路对絮凝反应器进行设计。由于采用小尺度菱形翼片隔板结构，其特征尺寸Ls／h、Lt／h完全可以由理论计算指导确定，这样只需通过试验优化得到特征尺寸Lo／h值即可。
2 试验部分
2．1中试装置
试验装置包括混合器、絮凝反应池、沉淀池。采用菱形翼片隔板絮凝反应池，外形呈矩形，为碳钢防腐材质，反应区每格内置翼片隔板(不锈钢材质)，反应池尺寸为L×B×H=1000 mm×500 mm×2250 mm，有效深度为1650 mm。装置的设计处理量为5 m3／h，混合时间为5 s、反应时间为12 min。絮凝反应池设计为三级反应区，各级设计流速分别为0．09、0．07、0．05 m／s，每级反应区内放置不同结构参数的菱形翼片隔板絮凝设备。图2为絮凝反应池内流体的流动方向。
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通过理论计算确定翼片长度h值及特征尺寸Ls／h、Lt／h值，改变各级反应区内菱形翼片隔板絮凝设备的特征尺寸Lo／h值，通过考察反应区末端出水浊度来优化Lo／h值。试验中共采用了10组不同Lo／h值的菱形翼片隔板絮凝设备，按Lo／h值的增加顺序分别记为Y1～Y10。
2．2分析项目及方法
试验主要测定絮体颗粒粒径及出水静沉20 min后上清液的浊度。其中，絮体粒径采用FCD水下摄影仪进行水下摄像，采用物理影像法测定；浊度采用哈希便携式2100P浊度仪测定。
3 结果与讨论
分别采用Y1～Y5型、Y4～Y8型和Y7～Y10型翼片隔板反应器作为一级、二级和三级反应区内的絮凝反应设备，在相同操作参数下进行絮凝试验，以分别确定出三级反应区的最优絮凝设备尺寸，试验结果见图3。
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由图3可知，在一级反应区内，随翼片隔板絮凝反应器Lo／h值的增加，絮体粒径先上升后下降，并在Y3型反应器下达到最大值；而出水上清液浊度随Lo／h值的增加呈先明显下降后缓慢上升的趋势，在Y3型反应器下达到最小值。这表明，Y3型翼片隔板絮凝反应器具有最大的絮体粒径及最低的出水上清液浊度，为一级反应区的最优反应器。
二级反应区采用较大Lo／h值的菱形翼片隔板反应器，试验结果与一级反应器的相似，絮体粒径随Lo／h值的增加呈先上升后下降的变化趋势，并在Y6型反应器下达到最大值；而出水上清液浊度随Lo／h值的增加呈先下降后上升的趋势，并在Y6型反应器下达到最低值。这表明，Y6型翼片隔板絮凝反应器具有最大的絮体粒径和最低的出水上清液浊度，为二级反应区的最优反应器。
三级反应区采用更大Lo／h值的菱形翼片隔板反应器，试验结果与一、二级反应区的相似，Y9型翼片隔板絮凝反应器具有最低的出水上清液浊度及最大的絮体粒径，为三级反应区的最优反应器。
由以上分析可知，在各反应区内絮凝效果与反应器特征尺寸呈非线性变化，每级反应区都存在最优尺寸的反应器。这是由于在絮凝反应中，絮体粒径及密实度主要受流体的剪切和碰撞作用共同控制。根据后台阶流理论及菱形翼片隔板设计机理，当流体受到翼片阻挡时，将引起翼片附近流体的准均匀各向同性紊流。在紊流中大量强度、尺寸一定的微小涡旋彼此碰撞，增加了流体中絮体颗粒的碰撞几率，同时絮体在高能量的碰撞下产生强烈变形并受到挤压，从而提高了絮体的密实度，缩短了絮凝时间。但如果涡旋强度过高，絮体受到的剪切力也大幅度增加，絮体在提高密实度的同时，会因剪切力的作用而发生破碎，使絮体粒径变小。随着絮凝反应的进行，需要相应降低二级及三级反应区流体的涡流密度及强度，减小剪切作用对絮体进一步增大的影响，使二级、三级反应区内絮体粒径逐渐增加，因此宜采用具有较大Lo／h值的反应器及较小的流速。但过低强度的涡旋将影响絮体的碰撞强度及次数，因此过大的Lo／h值会导致絮体碰撞次数过少、强度过低，絮体粒径难以进一步增大，相应出水浊度升高。
4 用于钢厂废水回用工程
将菱形翼片隔板絮凝反应器用于江苏无锡某特种钢铁企业的废水回用项目，该项目的原水为该厂的护厂河水，主要由该厂生产废水和厂区生活污水构成。
4．1 工程设计
根据翼片隔板反应器的设计原理及流体力学数学模型和后台阶流数学模型的计算结果，在一定的流体雷诺数(Re)下，翼片隔板涡旋控制区的流体力学性质，如涡旋的强度、尺度及流体剪切力与惯性力等由隔板与翼片长度比Ls／h决定；涡旋宏观的均布性由翼片隔板结构单元之间的空间距离Lo和Lt控制；平行和垂直水流方向的流体涡旋性质与翼片长度而有关，由Lt／h及Lo／h值控制。流体的Re与流体流速v及翼片长度h成正比。由此说明，在一定的Re及翼片长度h下，菱形翼片隔板絮凝反应器的局部及整体涡旋均由无因次参量决定，即菱形翼片隔板絮凝反应器的流体力学性质与空间几何尺度无关，只与流体的Re有关。因此，中试设备与生产设备具有流体力学完全相似性。由于实际工程中反应区流体的雷诺数与中试相同，因此在工程上可以对中试结果进行等比例放大。实际工程中采用与中试相同的混合器及斜板沉淀装置。
4．2药剂投加量的确定
对原水进行烧杯絮凝沉淀试验，以确定合适的药剂投加量，絮凝剂选用PAC，助凝剂选用阴离子型PAM。设定四级搅拌程序：280 r／min下搅拌2min，160 r／min下搅拌2 min，60 r／min下搅拌3min，15 r／min下搅拌3 min，分别模拟混合及各反应区的涡旋碰撞程度，PAM在第二级搅拌末投加。结果表明，在不投加助凝剂的条件下，当PAC投量为25 mg／L时，出水浊度最低，但形成的矾花较小、沉降速度较慢；在PAC投量为25 mg/L的条件下，当助凝剂PAM投量为0．3 mg/L时，矾花较大、沉降速度较快，且出水浊度达到1．5 NTU以下。由此确定最佳投药量：PAC为25 mg／L、PAM为0．3 mg／L。根据烧杯试验结果适当调整实际工程中的药剂投量。
4．3工程运行结果
实际工程运行时，处理水量为1500 m3／h(两套装置同时运行，每套的处理量为750 m3／h)，PAC投量调整为21 mg/L，PAM投量仍为0．3 mg/L，PAM投加点为一级反应区末端，排泥时间间隔为3 h。表1为连续平稳运行8 h后原水及出水水质。
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工程运行结果表明，菱形翼片隔板絮凝反应设备运行稳定，药剂利用效率较高，可使沉淀池出水浊度降至1 NTU左右，且对COD具有良好的去除效果，可极大降低后续处理负荷。
5 结论
①在后台阶流理论的基础上，设计了菱形翼片隔板絮凝反应器，实现了同时有效控制流体微观涡旋尺度及宏观涡旋均布。并结合数值模拟计算结果和中试处理效果，确定了各反应区内菱形翼片隔板絮凝反应器的最优特征尺寸参数。
②将菱形翼片隔板絮凝反应器应用于钢厂废水回用工程，可使沉淀池出水浊度稳定在1 NTU左右，对COD的去除率达到了48．5％，大大降低了后续处理负荷。
参考文献：
[1] 徐立群，王芳，何钟怡．反应池中颗粒惯性作用的影响分析[J]．中国给水排水，2002，18(3)：44–47．
[2] 徐立群．湍流中粒子碰撞凝聚的理论研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2001．
[3] 许保玖，安鼎年．给水处理理论与设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，1992．
[4] 徐立群．翼片隔板絮凝池[P]．中国专利：ZL022103 54．6．2003–03–19．
[5] 徐立群．菱形翼片隔板设备[P]．中国专利：ZL2004 20012487．7．2006–01–11．
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