CN101293690A - 可调式水力旋流混凝管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调式水力旋流混凝管。本发明的管体腔内沿水流方向依次设置有加药管、3～6个可调旋流扰流器和2～5个可调涡旋发生器。可调旋流扰流器和可调涡旋发生器均包括形状相同的多个扇形叶片，每个扇形叶片的一端与中心连接球活动连接，另一端通过外转轴与对应的转柄固定连接，转柄上开有滑槽。管体的外侧壁上设置有可绕管体的圆周转动的旋转环，旋转环上设置的滑块与对应的转柄上的滑槽活动连接。旋转环上固定设置有手柄。本发明可用于给水净化和生活污水与工业废水的处理，可以根据来水水质及其负荷、所加药剂量和种类、水厂处理工艺等实际条件灵活调节。本发明既可强化混凝，又可根据各运行参数的变化进行调节。

Description

可调式水力旋流混凝管

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体是涉及一种用于给水以及污水、废水处理的可调式水力旋流混凝管。

背景技术

我国水源水质的普遍污染已成为水环境污染控制与水资源保护领域的突出问题。向公众提供安全饮用水是保障公众健康的重要组成部份，供水行业不仅面临水源水质污染、突发性水质变化、供水水质标准不断提高的多重压力，同时还面对降低生产成本费用及水处理工艺自动化的迫切要求。

在水资源紧张，原水品质不断恶化的同时，由于工业发展和人口城市化的发展以及环境保护的需要，生活污水与工业废水的处理也不断增多，它们的资源化处理已经成为补充我国水源不足的一个重要手段。近几年来我国经济高速发展，特别是民营经济发展迅猛，中小工业企业较多，人口城市化进程加剧，居民生活与工业生产的给水净化和生活污水、工业废水的处理负荷较重，且昼夜负荷波动较大。

混凝处理是常规水处理中非常关键的环节，通过混凝，特别是强化混凝，可去掉原水中绝大部分浊度物质和大部分有机物，其中不少还是消毒副产物的前驱物质。实践证明，好的混凝效果不仅可提高出水水质，还能达到节能节药降低运行费用的目的。

混凝过程可分为混合与凝聚阶段和絮凝阶段。混合与凝聚是指絮凝剂在水中进行混合与扩散以及憎水胶体的脱稳形成微小絮凝体(絮凝核)的过程。絮凝指胶体结成絮体的絮凝过程。

混凝效果与混凝剂在水中的迅速扩散有密切关系，原水中加入混凝剂后，产生两种效应：①混凝剂在水中进行扩散与混合；②混凝剂水解，水解产物与胶体颗粒作用使其脱稳。由于水解、脱稳速度远远大于混凝剂在水中扩散速率，故水中胶体颗粒能否迅速脱稳，混凝剂的扩散作用就成为决定因素。因此混凝剂迅速混合对于提高絮凝效果是至关重要的，如果混凝剂不能迅速而均匀混合，则在混凝剂较多的部位胶体颗粒迅速脱稳结大，而混凝剂不足的地方胶体颗粒就缺少结大的条件。适宜的混合水力条件是混凝剂发挥效力的前提，同时可以提高混凝出水水质。

混合过程是在强制对流作用下通过主体扩散、涡旋扩散和分子扩散，最终达到分子级均匀混合。刚加入的药剂首先形成大尺度的涡旋微团，在湍流拉伸、剪切作用下，大涡旋分裂成较小尺度的涡旋，能量从大涡旋传递到小涡旋，小涡旋则向更小的涡旋传递，直到更小尺度即卡尔马廓洛夫(Kolmogoroff)尺度的涡旋，最后因粘性应力的作用耗散为热。这个过程表明，混合首先将从大尺度对流运动开始，继之以小尺度，即涡旋扩散把较大的液滴微团进一步变形、分割成更小的微团，通过小微团界面之间的涡旋扩散，把不均匀程度降低到涡旋本身的大小。直到达到Kolmogoroff尺度，这就是宏观混合的最大限度。微观混合是指分子尺度上的混合，它的最终实现只能靠最小尺度微团内的分子扩散。在混合工艺过程中主体对流扩散、涡旋扩散、分子扩散3种机理同时存在。由于分子扩散速度远大于涡旋扩散速度，涡旋扩散对混合时间起主导作用。

在混合后，由于凝聚的作用，迅速形成了大量微小的絮凝核，要使絮凝核不断成长变成大而密实的絮凝体，需要有两个基本前提，颗粒间的接触(即碰撞)以及接触后的聚集。使颗粒产生混凝的首要条件是接触碰撞，工业混凝过程中，湍流区占据绝对地位，流动水体的湍流动力(湍流剪切和湍流惯性碰撞)作用对加速颗粒混凝起主导作用。

无论是混合还是絮凝反应过程，都与水流湍动、涡旋的大小和强度有着密切的关系。通过组织适合的水力条件，使得絮凝剂与原水迅速混合，之后使絮凝核等微小颗粒与水流产生相对运动，从而加速颗粒之间的碰撞，是强化混凝的核心思想。研究表明，要使水中颗粒与水流产生相对运动，最好的办法是改变水流的速度。因为水的惯性(密度)与颗粒的惯性(密度)不同，当水流速度变化时它们的速度变化(加速度)也不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动，为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。改变速度方法有两种：①改变水流时平均速度大小。微絮凝作用主要就是利用水流时平均速度变化造成的惯性效应来进行絮凝；②改变水流方向。因为湍流中充满着大大小小的涡旋，因此水流质点在不断地改变运动方向，在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的径向碰撞提供了条件。

因用水负荷变化而导致出水水质不稳定是我国水厂生产运行中经常面对的问题。特别是在负荷较低时，由于水流流速较低，使得混合效果变差，利用目前常用的混合设备(例如SK型静态混合器)难以在短时间内形成大量的絮凝核，使得处理单位原水水量的加药量增大，同时也不利于后期絮凝体的沉淀。另外，随着季节的变化，取水水源浊度以及温度也会发生较大变化，使得混凝特性有所改变。而在生活污水、工业废水的净化处理领域，根据其具体来源的不同，所需处理的污水与废水的品质与成分更是千差万别，这也会使得所用的药剂种类及其加药量，以及水处理工艺产生变化。在现有情况下，研制一种既可强化混凝，又可根据原水品质、负荷、药剂种类和加药量等各运行状况及其参数的变化而进行灵活调节的水力混凝设备是目前的当务之急。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种既可强化混凝，又可根据原水品质、负荷、药剂种类和加药量等各运行状况及其参数的变化进行灵活调节的水力旋流混凝管。

本发明的可调式水力旋流混凝管包括管体，管体腔内沿水流方向依次设置有3～6个可调旋流扰流器和2～5个可调涡旋发生器，可调旋流扰流器和可调涡旋发生器均与管体轴向垂直设置。管体的原水入口与第一个可调旋流扰流器之间位置的管体侧壁固定设置有加药管，加药管一端开口于管体内腔，另一端与加药泵连通。相邻两个可调旋流扰流器之间的距离以及相邻两个可调涡旋发生器之间的距离均为管体内径的1～3倍，相邻的可调旋流扰流器和可调涡旋发生器之间的距离为管体内径的1～5倍。

所述的可调旋流扰流器和可调涡旋发生器均包括形状相同的多个扇形叶片，每个扇形叶片的内弧端固定有内转轴、外弧端固定有外转轴。每个扇形叶片的内转轴与中心连接球活动连接。每个扇形叶片的外转轴穿过管体的侧壁与对应的转柄固定连接，外转轴与转柄垂直设置，转柄上开有滑槽，所述的滑槽为斜向的条形通槽。

可调旋流扰流器的扇形叶片为4～12个，其扇形夹角为30°～90°；可调涡旋发生器的扇形叶片为8～24个，其扇形夹角为15°～45°，其中第一个可调涡旋发生器的扇形叶片数量大于与其相邻的可调旋流扰流器的扇形叶片数量，其后面的可调涡旋发生器的扇形叶片数量依次减少。

管体的外侧壁上与每个可调旋流扰流器或可调涡旋发生器的对应位置设置有旋转环，每个旋转环与管体同轴设置，并与管体的外侧壁通过支撑滚轮活动连接，可绕管体的圆周转动。旋转环上对应各转柄位置设置有滑块，每个滑块与对应的转柄上的滑槽活动连接。旋转环上固定设置有手柄，手柄上的定位销与固定在管体外侧壁的限位块上的限位槽配合连接。

本发明中第一个可调旋流扰流器与第一个可调涡旋发生器之间为混合段，第一个可调涡旋发生器与混凝管出口端之间为絮凝段。在混合段，通过可调叶片对水流产生强烈扰动与分割，同时产生二次流动以及大量涡旋，使得药剂与原水迅速混合；在絮凝段，水流在不同阶段经过叶片大小不同的可调涡旋发生器，产生尺寸和强度不同的可控有序涡旋，增大水流中颗粒的有效碰撞，加速初期絮凝反应，产生密实的絮凝体，为后期絮凝沉淀创造最佳条件，提高水处理能力，同时提高出水水质。该设备可用于给水净化和生活污水与工业废水的处理，同时可以根据来水水质及其负荷、所加药剂量和种类、水厂处理工艺等实际条件灵活调节。

本发明充分利用流过不同尺寸以及角度的旋流叶片的水流产生不同强度的旋流以及不同尺寸和强度的涡旋这一水动力学原理，以及它们对混合以及絮凝的有利影响。本发明可根据用水负荷及其参数要求的变化、原水水质的变化、絮凝剂种类及其用量的变化，进行调节，达到最优水力混凝条件，并为后期絮凝沉淀创造良好的条件。同时，由于其可调节性，对于类似太湖蓝藻这一类的突发性水质恶化，可迅速作出反应，有着良好的应急性。通过这种新型可调水力混凝设备对混合以及絮凝的强化，使得后续的絮凝沉淀进行得更充分、迅速，以提高水厂的处理能力和出水品质。该设备没有机械搅拌混合设施较复杂的转动部件，故而故障率低，维护简便，也无须额外输入功率。由于其安装在管内，无须额外的设备安放空间，布置灵活。且应用范围广阔，既可用于民用与工业给水的处理，又可用于生活污水与工业废水的无害资源化处理。若采用电动调节，易于实现自动控制。

本发明具有以下优点以及突出效果：药剂与原水经过第一个可调旋流扰流器后，使得流体产生切向旋流，同时由于叶片以及管壁对流体的黏性力，使得流体产生多个方向的二次流动，极大地促进了药剂在原水中的对流扩散。并且使得流体内部的湍动度增大，使得药剂与原水迅速混合。再经过流经若干与之旋流方向相反或相同的后续可调旋流扰流器后，流体的湍动度进一步增强。这不但使得对流扩散进一步增强，并且产生大量高强度的小尺度涡旋，使得药剂与原水在亚微观尺度(涡旋尺度)的混合进一步加强。在絮凝段，流体流经数量多且窄的可调涡旋发生器的叶片，使得流体中小尺度涡旋的数量以及强度增加，加大了絮凝核的有效碰撞，极大促进了微小絮凝体的产生以及生长。在絮凝段后期，絮凝体的大小有所增长，流体流经较大的叶片，使得大尺度涡旋的数量与强度增加，既促进了大尺度絮凝体的进一步增长，又避免了微小尺度涡旋过强对已生成的较大絮凝体的剪切作用，还进一步提高了絮凝体的密实性，有利于后期沉淀。使用该设备，对于新建水厂来说，可使之在相同水处理负荷的情况下，使絮凝沉淀池规模缩小；对于老水厂来说，由于絮凝沉淀池内所需絮凝时间缩短，沉淀时间相对增大，提高了水处理能力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意简图；

图2为图1中可调旋流扰流器和可调涡旋发生器的结构示意图；

图3为叶片旋转角度与混合度的关系曲线图；

图4为叶片旋转角度与阻力的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构做进一步的说明。

如图1所示，图中箭头为水流方向。可调式水力旋流混凝管包括管体3，管体3腔内沿水流方向依次设置有三个可调旋流扰流器2和两个可调涡旋发生器4，可调旋流扰流器2和可调涡旋发生器4均与管体3轴向垂直设置。管体1的原水入口与第一个可调旋流扰流器2之间位置的管体侧壁固定设置有加药管1，加药管1一端开口于管体内腔，另一端与加药泵连通。相邻两个可调旋流扰流器之间的距离与管体内径相同，两个可调涡旋发生器之间的距离为管体内径的3倍，相邻的可调旋流扰流器和可调涡旋发生器之间的距离为管体内径的4倍。

如图2所示，可调旋流扰流器和可调涡旋发生器均包括形状相同的多个扇形叶片15，每个扇形叶片15的内弧端固定有内转轴14、外弧端固定有外转轴9。每个扇形叶片的内转轴14与中心连接球13活动连接。每个扇形叶片的外转轴9穿过管体3的侧壁与对应的转柄8固定连接，外转轴9与转柄8垂直设置，转柄8上开有滑槽7，滑槽7为斜向的条形通槽。

本实施例中，可调旋流扰流器的扇形叶片为6个，其扇形夹角为60°；第一个可调涡旋发生器的扇形叶片为12个，其扇形夹角为30°；第二个可调涡旋发生器的扇形叶片为8个，其扇形夹角为45°。

管体3的外侧壁上与每个可调旋流扰流器2或可调涡旋发生器4的对应位置设置有旋转环5，每个旋转环5与管体3同轴设置，并与管体3的外侧壁通过支撑滚轮10活动连接，可绕管体3的圆周转动。旋转环5上对应各转柄8位置固定设置有滑块6，每个滑块6与对应的转柄8上的滑槽7活动连接。旋转环5上固定设置有手柄11，手柄11上的定位销与固定在管体3外侧壁的限位块12上的限位槽配合连接。

工作中，通过手柄11转动旋转环5，旋转环5上的滑块6带动对应的转柄8运动，转柄8即可带动扇形叶片的外转轴9转动，使可调旋流扰流器和可调涡旋发生器的每个扇形叶片15同步转动，扇形叶片与来流方向的夹角可调范围为±65°，即可调节可调旋流扰流器和可调涡旋发生器。该装置可采用手动调节，也可采用电动调节。

为了验证可调式水力旋流混凝管的使用效果，我们对混合段中原水与药剂混合的流场进行了数值模拟，并采用混合段出口的药剂浓度场进行了混合度的计算，同时与原有的静态混合器的模拟结果相对照。混合度的定义如下：

其中n为在混合段末端截面上微元面数量；

S、S_i分别为混合段出口截面面积以及其中第i个微元面的面积；

v、v_i分别为混合段出口截面平均轴向流速以及其中第i个微元面的轴向流速；

为混合段出口截面上每个微元面上药剂的摩尔浓度；

为截面上所有微元面的平均摩尔浓度

试验中，三个旋流扰流器的叶片与来流方向的角度(旋转角度)为正反交错布置，且角度绝对值大小相同，具体角度可在试验中调节。试验水厂的管内径为410mm，原水处理负荷为1000m³/h，药剂量为400L/h。旋流扰流器的叶片的旋转角度分别为：30°，35°，40°，45°，50°，55°，60°，65°时，进行混合的流场数值模拟并计算了混合度，其叶片旋转角度与混合度的关系曲线见图3。

由图3可知，在该工况条件下，混合度随着叶片旋转角度的增加，开始急剧增大，到55°后增幅减小，60°后开始有所降低，60°时混合度达到最大。图4为旋转角度与阻力的关系曲线，可知，随着叶片旋转角度的增大，混合段的阻力快速上升，但其绝对值增加不大，当旋转角度为60°时，其阻力仅为22.2Pa，在工程应用场合该阻力几乎可忽略。

絮凝段从其入口开始依次由两个叶片分别为12和8的可调涡旋发生器组成，最后的涡旋发生器距离絮凝段出口为4倍的管径。试验表明，采用可调式水力旋流混凝管后，在保持出水水质不变的前提下，可使水厂的水处理能力增加15～26％，单位原水的加药量减少10～24％。同时，与原有混合设备(SK型静态混合器)相比较，该设备现场实测的总流动阻力(包括混合段与絮凝段的流动阻力)的增量不超过40Pa，现场水泵的输入功率无明显的增加。

Claims (1)

1、可调式水力旋流混凝管，包括管体，其特征在于管体腔内沿水流方向依次设置有3～6个可调旋流扰流器和2～5个可调涡旋发生器，可调旋流扰流器和可调涡旋发生器均与管体轴向垂直设置；管体的原水入口与第一个可调旋流扰流器之间位置的管体侧壁固定设置有加药管，加药管一端开口于管体内腔，另一端与加药泵连通；相邻两个可调旋流扰流器之间的距离以及相邻两个可调涡旋发生器之间的距离均为管体内径的1～3倍，相邻的可调旋流扰流器和可调涡旋发生器之间的距离为管体内径的1～5倍；

所述的可调旋流扰流器和可调涡旋发生器均包括形状相同的多个扇形叶片，每个扇形叶片的内弧端固定有内转轴、外弧端固定有外转轴；每个扇形叶片的内转轴与中心连接球活动连接；每个扇形叶片的外转轴穿过管体的侧壁与对应的转柄固定连接，外转轴与转柄垂直设置，转柄上开有滑槽，所述的滑槽为斜向的条形通槽；

可调旋流扰流器的扇形叶片为4～12个，其扇形夹角为30°～90°；可调涡旋发生器的扇形叶片为8～24个，其扇形夹角为15°～45°，其中第一个可调涡旋发生器的扇形叶片数量大于与其相邻的可调旋流扰流器的扇形叶片数量，其后面的可调涡旋发生器的扇形叶片数量依次减少；

管体的外侧壁上与每个可调旋流扰流器或可调涡旋发生器的对应位置设置有旋转环，每个旋转环与管体同轴设置，并与管体的外侧壁通过支撑滚轮活动连接；旋转环上对应各转柄位置设置有滑块，每个滑块与对应的转柄上的滑槽活动连接；旋转环上固定设置有手柄，手柄上的定位销与固定在管体外侧壁的限位块上的限位槽配合连接。

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