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蜂窝斜管填料沉淀过程分析及计算参数

一、沉淀过程的分析

设有水平沉淀池取其断面ABCD(见图2-3),做如下分析。
斜管填料的沉淀过程分析
在A点,大于或等于沉速u0的颗粒与水平流速v的合成速度的方向AD重合时,则这些颗粒都能被除掉;在E点若有颗粒沉速为u。u与v的合成速度的方向与ED线相重合,说明E点以下沉速为u的颗粒均能被除掉,由于颗粒在断面上是均匀分布的,故颗粒去除率可用EC/AC*100%即u/u0*100%表示。
图2-3中池深AC以H表示,池长CD以L表示,若将池深分为四层,则颗粒沉淀深度减少至H/4,则池长可减少至L/4,即池体减少了3/4。若池长L不变,则水平流速可增加4倍。可见增加4倍水平方向的沉淀面积,水处理能力也增加4倍。在实际应用中,通常用倾斜放置的板或管构成沉淀单元,称为斜管填料沉淀。它可增加水平沉淀面积10倍甚至20倍以上,但由于进出口水流的影响,管内流态干扰以及积泥干扰等原因,实际沉淀效率增高2-4倍。
斜管填料能增大沉淀能力的原因可归纳为以下几点。
①沉淀距离减小,沉淀时间缩短,或者说是增加了沉淀面积。颗粒的去除率为颗粒的沉速与表面负荷率之比。采用斜板后沉淀面积的增加率为 a=L/d cosθsinθ
式中,d为斜管间距,参见图2-5。当d=25mm,L=700mm,θ=30°时,a≈12,由于沉淀面积增大,表面负荷降低。
②由于斜板斜管内的再凝聚作用,使絮状物变大,易于沉淀。增加斜板、斜管后形成上下流动的混合流,增大了上壁处的速度梯度,使GT值增大,有利于二次凝聚作用。斜管填料增加了水流通道的润周,有利于水的搅拌。下降的絮状物依次同多边形宽水流通道
中的上升流接触,原水中的浊度再次被下层絮状物吸附。
③斜管填料创造了层流沉淀条件。雷诺数(Re)500以下为层流区,雷诺数大于2000为紊流,上向流斜管沉淀雷诺数一般小于50,斜管沉淀池雷诺数一般也能小于500。
在工程应用中,把这种能增加沉淀效率的斜管填料便于流动的排泥,一般取600,称为蜂窝斜管填料沉淀池。所谓斜管,实际不是圆形管,而是正方形、正六边形(它们的水力半径是d/4,其中d为对边间距)。此外还可以包括长边比短边不大于2倍的长方形,而其他长方形则视为斜板。
斜板的雷诺数可用下式计算。Re=Rv0/v=d/4*v0/0.01=25v0d
式中,R为水力半径,cm;v为水的运动黏滞系数,cm2/s,当水温为20℃时为0.01cm2/s;d为直径,cm;V0为流速,cm/s。
若取d=2.5-5cm,v=4-8cm/s,Re均在100以下;其中d=2.5cm,v0=8.5mm/s,Re=50,可见水呈层流状态。由于斜管填料的效果比斜板好,而且便于安装,故工业水处理中多采用斜管填料,而且应用六方体的较多。这种六方体可用硬聚氯乙烯片制作,厚度为0.4-0.5mm,相对密度1.3-1.45。先把硬片压成多槽状的板,然后用黏合剂粘在一起,成为图2-4所示的形状。也可采用环氧玻璃钢材料或用酚醛树脂处理过的牛皮纸做成蜂窝体。

二、斜板、斜管沉淀计算

按水流方向,可分为上向流、下向流和横向流,因工业水处理采用上向流较多,下面以上向流为例叙述计算方法。
图2-5中给出了悬浮颗粒在斜板、斜管中的沉淀过程和矢量关系。
设颗粒沉降速度为u0,水流在斜板、斜管中的速度为v0,它们的合成矢量所指的终点位置不应超过斜管终端。若设定它刚好在终端,根据图2-5中所示相似三角形,则有v0/u0=L+d/sinθcosθ/d/cosθ=Lcosθsinθ+d/dsin
由此得 L=(v0/u0-1/sinθ)*d/cosθ
但由于平均速度与管内(或板间)各点的实际速度偏差较大,中心点速度要高于平均速度,故上式应再考虑1.33倍的余量,上式变为
L=1.33*(v0/u0-1/sinθ)*d/cosθ
在上向流斜管中,为使管内水流从进口端的紊流过渡到层流,以及考虑到进水端的进水和沉泥上下交替的过程,根据实际考察,应再加200-250mm过渡段。
[例2-1]已知:v0=5.2cm/s,u0=0.4cm/s,d=25mm,斜管倾角θ=60°,求斜管长。
解:L=1.33*(5.2/0.4-1/sin60°)*25/cos60°=788mm
再考虑到过渡段,取斜管长1000mm。

三、参数的选取

(1)管径;所谓斜管并非采用圆管,一般多采用正六角形或正方形。故统称的管径系指六角形内切圆的直径或正方形的边长,矩形二长边的距离。上升流斜板的管径大致为25-50mm。为防止沉淀物堵塞,间距不宜过小,而间距过大则因需要管较长,经济上不合算,目前六角形斜管管径一般做成25mm。
(2)管内水的上升速度v0;当水凝聚处理时,一般情况下,当要求出水浊度为10度左右时,斜管沉淀池上部面积上的水上升流速常在3.5-5mm/s,据此,若斜管倾角θ为60°时,则斜管填料内相应的流速为4-6mm/s(即池内上升流速再除以sinθ)。
(3)颗粒沉降速度u0;单独沉砂时数据见前述。采用混凝处理时,絮体沉降速度可为0.3-0.5mm/s,出水水质要求较高时,可选用较小的u0值。
(4)高浊度水的参数当采用水解聚丙烯酰胺作助凝剂时有关参数可参照表2-2选取。可见斜管虽然是较先进的沉淀装置,但当泥砂较细,含量较高时,自然沉淀尚不能达到满意的预沉效果。

各种进水含砂量下的混凝沉淀效果 表2-2
进水含砂量/(kg/m3) 上升流速/(mm/s) 水解聚丙烯酰胺/(mg/L) 出水浊度/度
25 5 3.5 127
50 4 8.8 105
65 4 13.8 118
80 3.5 14 89
106 3.5 14 93
注:上升流速不是极限值。
对于表2-2的运行工况若再加硫酸铝100-150mg/L或三氯化铁30-80mg/L,则出水浊度可降到10-60mg/L。
高浊水自然沉淀时斜管管径25-35mm,管长1-1.5m,倾角60°,平均轴向流速不超过1mm/s,不同进水含砂量的处理效果见表2-3。
不同进水含砂量的处理效果 表2-3
进水含砂量/(kg/m3) 20-30 50 100
沉淀效率/% 95 70 30

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