一种短时絮凝强化固液旋流分离装置及基于该装置的方法与流程

本发明属于固液分离技术领域，涉及一种短时絮凝强化固液旋流分离装置及基于该装置的方法。

背景技术：

排水系统溢流污染是城市水环境质量难以得到根本改善的重要因素之一。在合流制管网系统以及分流制排水系统雨水管网，特别是存在不同程度雨污混接的分流制排水系统的雨水管网，晴天时旱流污水流速低，污染物易在管道底部形成沉积。降雨初期，雨水进入排水管网后管网流速加快，管道底部沉积物泛起，随水流排入河道，造成溢流污染物浓度急剧升高，严重影响受纳水体水环境质量。沉积物的累积与旱流污水有密切的关系，管道沉积物对雨天溢流污染负荷排放具有重要影响。研究表明，降雨事件发生时自然水体的污染负荷中30％～80％来源于溢流排放的管道沉积物。

围绕雨天溢流放江低水头高流量的特点，国外始于20世纪60年代陆续开发了一系列的商用水力旋流分离器(hydrodynamicvortexseparation,hvs)，例如swirlconcentrator,stormoverflow,downstreamvortechs^tmstormwatertreatmentsystem等，因其简单的物理分离过程、基本无需外加能耗、无运动部件，并可在极短的分离时间(多数在数分钟内)取得较好的分离效果，在国外已广泛应用于削减雨天放江溢流污染物。这一技术特别适合在土地空间受限的城区排水系统的溢流污染末端控制。

为提高水力旋流分离器对细微颗粒或悬浮物的分离效果，国内外在旋流器构造优化方面做了大量工作。例如，公开号为cn1410167a的专利公开了一种多功能复合型固-液旋流分离器，包括由螺线形筒体和锥形筒体组成的壳体、切向进水管、切向出水管、底流口、溢流管以及设置在螺线形筒体内的圆柱形导流板。该专利技术通过旋流器内部流场改善提高了30μm以上颗粒或悬浮物的分离效果，但该旋流器所需能耗偏大(0.14mpa)，限制了其应用的范围。公开号为cn102949887a的专利公开了一种流体动力旋流分离系统，包括井体，位于所述井体中心的柱形壳体，与所述柱形壳体上端相连的细颗粒筛分柱，位于所述井体一侧下端的出水管，位于所述井体另一侧上端的进水管，所述进水管与所述柱形壳体切向相接，位于所述柱形壳体四周下部的清水室，位于所述清水室上端的细颗粒过滤分离室；所述柱形壳体的上端与所述细颗粒筛分柱的外侧围成漂浮物储存室，所述柱形壳体内侧的下部围成粗颗粒旋流沉降室；所述井体的下部为沉积物储存室；所述漂浮物储存室与粗颗粒旋流沉降室相连通，所述粗颗粒旋流沉降室与沉积物储存室相连通，所述粗颗粒旋流沉降室通过细颗粒筛分柱与细颗粒过滤分离室相连通，所述细颗粒过滤分离室与清水室相连通，所述细颗粒过滤分离室通过溢流口与清水室相连通，所述清水室与出水管相连通。该专利技术的特点在于它增加了填料过滤功能，有效提高了旋流分离器对细颗粒的去除效果，但长时间运行后过滤填料的堵塞和后期维护也会制约其应用。

此外，研究者提出了将化学混凝与旋流分离结合的方法。公开号为cn101353189a的专利提出了一种投加混凝剂和絮凝剂的单旋流混凝反应器及其含油污水处理方法，通过投加混凝剂和絮凝剂在旋流反应器中实现油水和颗粒杂质的去除，但旋流反应器的停留或反应时间需要15-45min。理论上通过投加混凝剂或絮凝剂反应一定时间，使悬浮物和胶体形成较大尺度的絮体，然后进行旋流分离，可以提高旋流分离的效果，然而由于旋流流场中产生的剪切力同时会导致絮体破碎，对分离效果产生负面影响。如lee研究发现，投加2mg/l阳离子聚丙烯酰胺(c-pam)后可以不同程度地提高石英砂的分离效果，但当处理负荷(单位时间单位面积处理量，m³/m²/h)分别为8和25m³/m²/h时，对细颗粒石英砂(45-90μm粒径范围)分离效率分别为50％和23％(leeetal.，2003)，但未就絮凝强化旋流分离效果优化的关键控制参数进行深入讨论。

目前，研究表明絮凝强化固液旋流分离效果的关键在于絮体在絮凝和旋流两个水力流场中所表现出的特性，这些特性包括絮体粒径、密度、以及强度特性指标等等。因此，探索不同絮凝条件下形成絮体特性的关键表征指标，是优化调控以提升旋流器分离效果的关键方法。絮体特性受多重因素控制和影响。例如，形成絮体的特性受絮凝条件的影响，包括待分离的颗粒物或悬浮物的特性、絮凝剂品类、投加量、絮凝水力条件和絮凝时间等多重因素影响；此外，絮体在旋流分离器流场中的表现又受到旋流器物理尺寸、进口流速、处理负荷等等影响。这些控制和影响因素都会不同程度地影响絮凝-旋流分离效果。例如，同等条件下，旋流器处理负荷越高，旋流流场中的剪切作用越大，絮凝强化旋流分离的效果就会越差(averill,d.,etal.，1997；singh,n.,etal.，1995)。在实际应用中应考虑到尽可能缩短传统的混凝反应时间(一般反应时间在20-40min左右)，否则将丧失旋流分离工艺快速高效、占地面积小的技术优势，也难以在空间受限的固液分离中应用，如以满足排水系统雨水溢流污染高负荷快速处理的应用场合。

总之，采用絮凝强化旋流分离组合工艺效果是可行的。但实际应用中该组合工艺受多种因素影响，如何匹配旋流分离反应器的运行条件，进行与之配套的絮凝反应的参数优化是关键，包括综合考虑各影响因素，如水质条件(悬浮固体浓度、带电性、颗粒粒径、密度等)、絮凝反应参数(絮凝剂种类、投加量、絮凝水力条件、絮凝时间等)。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种短时絮凝强化固液旋流分离装置。

本发明的另一个目的是提供基于所述短时絮凝强化固液旋流分离装置的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种短时絮凝强化固液旋流分离装置，该装置包括絮凝反应池、与絮凝反应池的进水管相连通的絮凝剂投加单元、与絮凝反应池的出水管相连通的旋流分离单元、设置在絮凝反应池顶部的搅拌机、插设在絮凝反应池中并与搅拌机传动连接的第一搅拌桨，所述的旋流分离单元包括与絮凝反应池的出水管相连通的旋流分离器、插设在旋流分离器中的中心导流筒以及设置在旋流分离器底部的底流口。

所述的旋流分离器上设有进水口，该进水口与絮凝反应池的出水管相连通。

所述的旋流分离器上与进水口等高或高于进水口的位置处设有溢流口。

所述的旋流分离器为锥形旋流分离器或圆柱形旋流分离器，所述的进水口沿旋流分离器的筒体的切线方向设置。

所述的旋流分离器的进水口的切向进水流速为0.8-1.2m/s，旋流分离器的表面负荷为30-50m³/m²·h，水力停留时间为2-3min。

所述的旋流分离器的底流口的出水流量占进水流量的10-40％，溢流口的溢流流量占进水流量的60-90％。

所述的絮凝反应池的剪切速度梯度场gf为旋流分离器的最大剪切速率梯度值gh的0.6-1.2倍。

所述的絮凝反应池中絮凝剂的投加量为待处理水样中颗粒物质量浓度的0.5-3％。

所述的絮凝剂投加单元包括开设在絮凝反应池的进水管上的投加点、与投加点依次连通的投加泵及絮凝剂储存器，该絮凝剂储存器中设有第二搅拌桨，并且絮凝剂储存器中盛装有质量百分含量为1-3％的c-pam絮凝剂溶液或paas絮凝剂溶液。

基于短时絮凝强化固液旋流分离装置的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1)：对于拟建的旋流分离单元，选择表面处理负荷srf为30-50m³/m²·h，并依据实际处理水流量q，采用公式r＝(π×q/srf)^1/2、t2＝v/q及srf＝q/(π×r²)，计算出旋流分离器的容积v及相应的半径r；

步骤2)：选择切向进水流速v为0.8-1.2m/s，并结合步骤1)计算所得旋流分离器的半径r，依据公式gh≈120×(v/r)，计算出旋流分离器的最大剪切速率梯度值gh；

步骤3)：结合步骤2)计算所得旋流分离器的最大剪切速率梯度值gh，依据公式gf＝β×gh，其中，β为优化系数，取值为0.6-1.2，计算出絮凝反应池的剪切速率梯度值gf，即可。

基于以上所述确定絮凝反应的相关参数和条件，设计短时絮凝强化固液旋流分离装置，主要包括絮凝反应池和配套的絮凝剂投加单元，以及旋流分离单元。

其中，絮凝反应池可以是圆柱形、方型反应器，特殊情况下也可以根据实施场地限制而为不规则形状，其容积由处理水量(q)和絮凝反应时间(t1)的乘积确定。在絮凝反应池顶部设置搅拌机，以及连接的第一搅拌桨，提供絮凝反应所需的能量，其剪切流场按照公式gf＝β×gh确定的gf(s^-1)值设计。絮凝反应池同时连接有进水管和出水管，出水管同时作为旋流分离器的进水管。

絮凝剂投加单元可以是浓度为1-3％(重量比)的c-pam或paas絮凝剂溶液，也可以是c-pam或paas固体溶解配投的带均质搅拌的絮凝剂储存器，及其配套的絮凝剂溶液投加泵。配套絮凝剂溶液投加泵的输送能力，根据优化确定的絮凝剂投加量和所需处理的流量确定。由投加泵根据计算进行投加使用，投加泵输送的絮凝剂投加点在絮凝反应器的进水管或进水口处。

旋流分离单元包括旋流分离器，是锥形或圆柱形筒体，为改善旋流分离器内部流场，设置中心导流筒，以及由进水口、溢流口、底流口组成。进水口与絮凝反应池的出水口连接，溢流口位于进水口等高或高于进水口位置，为固液旋流分离后的较为干净的液体的出水口，底流口位于旋流反应器底部，为固液旋流分离后含较多杂质或污染物的液体的排放口。

此外，絮凝反应池和旋流分离单元可以是分离的两个功能的反应器，也可以组合成具有两种功能的一体化絮凝强化旋流反应器。

在实际应用时，为控制絮凝强化凝旋流分离组合工艺的总的反应时间，减小工艺占地面积，提高工程的可行性和应用范围。优选的絮凝反应池的水力停留时间t1≦2min。

采用的絮凝剂为有机高分子絮凝剂，可以是单一絮凝剂，也可以是多个絮凝剂的组合投加。有机高分子絮凝剂包括但不限于以下种类，如阳离子聚丙烯酰胺(c-pam)；特别的，采用高分子聚丙烯酸钠(paas)絮凝剂，可避免阳离子聚丙烯酰胺在高使用量下，聚丙烯酰胺单体潜在的毒性风险。

本发明的关键技术在于优化匹配旋流分离反应工艺条件的絮凝反应条件，重点是通过优化筛选絮凝条件，获得优化的絮体粒径及其强度，使絮体在旋流分离流场中保持较高的稳定性，进而达到更好地提高絮凝-旋流分离组合工艺的分离效果。

本发明装置通过匹配旋流分离流场的剪切速率梯度值g值，设计絮凝反应，快速完成絮凝剂的混合絮凝条件的优化筛选，包括絮凝剂选择、絮凝水力条件选择、絮凝时间选择等，以获得耐剪切力的稳定絮体的絮凝条件，使之在旋流器分离流场中不易破碎，从而实现絮凝强化旋流分离的有益效果。

在本领域，混凝-絮凝技术是增加水体中颗粒物粒径、提高颗粒物沉降速率的主要方法，特别是可以提高水体中难沉降的悬浮物和胶体颗粒物的分离效率，因此常作为沉淀或澄清处理的前置工艺组合应用于饮用水和污水处理。传统的混凝-絮凝的机理是通过分步投加混凝剂和絮凝剂来实现上述功效。具体为：在混凝-絮凝反应器的进水处投加混凝剂(一般为fe盐，al盐或其聚合物)，通过快速混合(高g值，一般g值控制在150-250s^-1，时间约1～5min以内)，其目的是使混凝剂水解并与水中的悬浮物或胶体物质快速碰撞，并使得胶体颗粒物通过电中和脱稳，形成较小的絮体，然后进入混凝-絮凝阶段(低g值，一般g值控制在50s^-1，时间约20～40min)，通过投加高分子絮凝剂使得较小的絮体通过卷扫网捕作用而结大，实现絮体粒径的增加和沉降速率的提高，这一过程需要控制在絮凝段絮体结大反应中的合适的g值，过低的g值虽然形成的絮体粒径更大，但密度更低，也不利于沉淀或澄清分离，而过高的g值则有可能导致已形成的絮体再次破碎降低分离的效率。

而本发明方法技术方案的技术思想是：控制在絮凝反应中形成絮体的特性，使之具有合适的强度和粒径，尽可能提高絮体在旋流分离反应器高g值剪切场中的稳定性和减少破碎，以利于强化旋流分离效果；同时缩短絮凝反应时间，来减少占地面积和容积。本发明相对于现有技术更具有工程可行性和技术经济性。本发明方法原理，完全不同于传统的混凝-絮凝反应需要控制较低的絮凝反应g值，与之相反，本发明恰恰是通过高g值条件下，一步法(单一快速混合絮凝、单一絮凝剂)完成絮凝剂与悬浮颗粒物的混合，得到高强度、耐剪切的絮体，进而实现强化旋流分离效果。本发明以上实施例中已有相关的数据佐证。尽管经由本发明方法所形成絮体的粒径要远低于传统絮凝反应所形成的絮体粒径，但其密实性和耐剪切特性更优，更适合应用于改善传统的旋流分离效率。

与现有技术相比，本发明充分发挥旋流分离快速高效的基础上，通过优化絮凝条件，可进一步提升旋流分离效果。与传统的混凝强化梳理旋流分离技术比较，本发明基于形成絮体的强度和粒径特性，提出絮凝强化旋流分离的优化絮凝反应条件的方法，实现短时快速絮凝强化旋流分离效果。本发明处理时间将常规处理可缩短90％以上，对不同粒径的颗粒或悬浮物均有不同程度的分离效果提高，尤其是对于粒径在30μm左右的细微颗粒物的分离效果提升显著，可提高近1倍。

与现有的文献报道的效果比较，本发明具有分离粒径更细，分离时间更短，分离效果更优的技术特点，在充分发挥旋流分离快速高效的基础上，通过絮凝反应条件、反应时间优化、以及对应的旋流反应流场的组合优化，实现组合工艺效益的进一步提高，特别适合应用于强化旋流分离效果中，优化筛选絮凝条件，以实现短时、高处理负荷条件下分离效果的提高，具技术经济可行性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为实施例1c-pam絮凝反应时间强化旋流分离效果的影响图；

图3为实施例2paas絮凝反应时间强化旋流分离效果的影响图；

图4为实施例3中絮凝反应速度梯度值gf对旋流分离效果的影响；

图中标记说明：

1—絮凝反应池的进水管、2—絮凝反应池、3—第一搅拌桨、4—搅拌机、5—旋流分离器、6—絮凝反应池的出水管、7—溢流口、8—底流口、9—中心导流筒、10—投加点、11—投加泵、12—絮凝剂储存器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例短时絮凝强化固液旋流分离装置，包括絮凝反应池2、与絮凝反应池的进水管1相连通的絮凝剂投加单元、与絮凝反应池的出水管6相连通的旋流分离单元、设置在絮凝反应池2顶部的搅拌机4、插设在絮凝反应池2中并与搅拌机4传动连接的第一搅拌桨3，旋流分离单元包括与絮凝反应池的出水管6相连通的旋流分离器5、插设在旋流分离器5中的中心导流筒9以及设置在旋流分离器5底部的底流口8。

其中，旋流分离器5上设有进水口，该进水口与絮凝反应池的出水管6相连通。旋流分离器5上与进水口等高或高于进水口的位置处设有溢流口7。旋流分离器5为圆柱形旋流分离器，进水口沿旋流分离器5的筒体的切线方向设置。旋流分离器5的进水口的切向进水流速为0.8-1.2m/s，旋流分离器5的表面负荷为30-50m³/m²·h，水力停留时间为2-3min；絮凝反应池2的水力停留时间≤2min。

旋流分离器5的底流口8的出水流量占进水流量的20％，溢流口7的溢流流量占进水流量的80％。

絮凝反应池2的剪切速度梯度场gf为旋流分离器5的最大剪切速率梯度值gh的0.6-1.2倍。

絮凝反应池2中絮凝剂的投加量为待处理水样中颗粒物质量浓度的0.5-3％。

絮凝剂投加单元包括开设在絮凝反应池的进水管1上的投加点10、与投加点10依次连通的投加泵11及絮凝剂储存器12，该絮凝剂储存器12中设有第二搅拌桨，并且絮凝剂储存器12中盛装有质量百分含量为1-3％的c-pam絮凝剂溶液。

本实施例短时絮凝强化固液旋流分离效果的方法与装置在模拟暴雨径流污染控制中的应用案例：

步骤一：对于一个已建成的旋流分离器5，其参数为反应器内径500mm，直管段800mm，见图1。经短时絮凝反应的出水通过旋流分离器5筒体上的切向进水口(dn32)切向进入旋流分离器5。旋流分离器5表面负荷为40.76m³/m²·h；底流口直径为50mm，通过阀门控制底流率为10％，t2＝2.5min。

步骤二：按照公式(4)计算得到旋流分离器5速率梯度值gh≈480s^-1。选择gf＝0.5～1.2gh，β取值为0.7，确定gf＝388s^-1。

步骤三，选择絮凝反应时间为1，2min以及传统的20min和40min进行比较。

步骤四，采用阳离子聚丙烯酰胺(c-pam)作为有机高分子絮凝剂；

步骤五，优选的，依据待处理水样中的颗粒物(ss)浓度为300mg/l左右，优选的絮凝剂投加量范围为颗粒物质量浓度的0.66％。

依据优化的絮凝反应条件，设计絮凝强化固液旋流分离处理系统采用机械搅拌絮凝反应器，其尺寸l*b*h为：300mm*300mm*800mm，絮凝搅拌计算剪切速率梯度gf值为338s^-1，水力停留时间为2min，优选的絮凝剂为c-pam，优选的絮凝剂投加量为1.98mg/l。

以通过270目与340目间标准筛网筛分的石英砂(理论筛选的粒径范围为40-53μm，实测d50为36μm)作为暴雨径流中的模拟颗粒物，其以0.97m/s的入口流速，2m³/h的进水流量，300mg/l模拟颗粒物的进水浓度(换算后的旋流分离器5表面负荷srf为40.76m³/m²·h，水力停留时间t2约2.5min)进入絮凝-旋流分离处理系统后，其中底流口出水流量占进水流量的20％，溢流流量占进水流量的80％。

数据显示，对于粒径在36μm左右的固体颗粒，未经絮凝直接进行旋流分离时的分离效率为23.17％，不同絮凝时间反应后对颗粒物的旋流分离效果均有提升。在优选的操作条件下，短时絮凝强化旋流分离效果为45.91％，与传统的絮凝强化(絮凝反应时间分别为20和40min)旋流分离效果接近(见图2)。本方法提出的短时絮凝强化旋流分离效果相对提高了22.74％，提升了90％以上。这也意味着同样处理能力下取得类似的处理效果，本方法实施的处理构筑物的占地面积仅为传统的混凝强化旋流分离方法的十到二十分之一。

实施例2：

本实施例短时絮凝强化固液旋流分离装置与实施例1相同。

本实施例短时絮凝强化固液旋流分离效果的方法与装置在模拟暴雨径流污染控制中的应用案例：

短时絮凝强化固液分离系统同实施案例1。所述絮凝剂采用paas絮凝剂，优选的絮凝剂投加量为9.0mg/l。

以筛选的石英砂(d50为36μm)作为模拟颗粒污染物，其浓度为400mg/l，以0.97m/s的入口流速，2m³/h的进水流量(换算后的旋流分离器5表面负荷为40.76m³/m²·h，水力停留时间约2.5min)，进入絮凝-旋流分离处理系统后，其中底流口出水流量占进水流量的20％，溢流流量占进水流量的80％。

数据显示，对于粒径在36μm左右的固体颗粒，未经絮凝直接进行旋流分离时的分离效率为23.17％，不同絮凝时间反应后对颗粒物的旋流分离效果均有提升。在优选的操作条件下，短时絮凝强化旋流分离效果为45.82％，与传统的絮凝强化(絮凝反应时间分别为20和40min)旋流分离效果接近(见图3)。本方法提出的短时絮凝强化旋流分离效果相对提高了22.74％，提升了90％以上。这也意味着同样处理能力下取得类似的处理效果，本方法实施的处理构筑物的占地面积仅为传统的混凝强化旋流分离方法的十到二十分之一。

实施例3：

本实施例短时絮凝强化固液旋流分离装置与实施例1相同。

本实施例短时絮凝强化固液旋流分离效果的方法与装置在模拟暴雨径流污染控制中的应用案例：

短时絮凝强化固液分离系统同实施案例1。所述絮凝剂采用paas絮凝剂，优选的絮凝剂投加量为9.0mg/l，旋流反应器5的剪切速率梯度值固定为gh≈480s^-1，仅改变絮凝反应池2的剪切速率梯度值gf，考察的gf变化范围为(0.26-1.2)*gh。

如图4所示，对于粒径在36μm左右的固体颗粒，未经絮凝直接进行旋流分离时的分离效率为23.17％。在不同的絮凝反应池2剪切速率梯度值gf的范围内，数据表明，尽管不同絮凝剪切速率梯度均可以获得不同程度的旋流分离的效率的强化，但絮凝反应池2剪切速率梯度对絮凝旋流分离效果影响较大，过高和过低的絮凝gf值都不能获得较优化的分离效果。当gf＝(0.6-1.2)*gh范围内时，絮凝可以较好地强化旋流分离的效果。

以上本发明实施例表明，与传统的混凝-絮凝强化旋流分离比较，在取得类同分离效果的前提下，可以大幅度缩短絮凝所需要的反应时间(反应时间可由20min至40min范围缩短至本发明实施例测得的2min，仍保持获得45-48％的分离效率，因此，较无絮凝强化的旋流分离效果提高约1倍)，也就实现了在实际应用中占地面积更小，更具有应用的可行性和灵活性。

实施例4：

本实施例中，旋流分离器5的底流口8的出水流量占进水流量的40％，溢流口7的溢流流量占进水流量的90％。

其余同实施例1。

实施例5：

本实施例中，旋流分离器5的底流口8的出水流量占进水流量的10％，溢流口7的溢流流量占进水流量的60％。

其余同实施例1。

实施例6：

本实施例中，旋流分离器5的底流口8的出水流量占进水流量的30％，溢流口7的溢流流量占进水流量的70％。

其余同实施例1。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。