一种机械加速搅拌澄清池泥渣浓度的调整方法与流程

1.本发明涉及水处理工艺技术领域，特别涉及一种机械加速搅拌澄清池最佳泥渣浓度的调整方法。


背景技术：

2.机械加速搅拌澄清池是一种泥渣循环型澄清池。池体主要由第一反应室、第二反应室和分离室三部分组成，并设置有相应的进出水系统、排泥系统、搅拌机及调流系统，另外还有加药管、透气管和取样管等。机械加速搅拌澄清池利用机械搅拌机的提升作用来完成泥渣回流和接触絮凝。因此，泥渣浓度对于机械加速搅拌澄清池水处理效率、运行稳定性具有极其重要的影响。
3.目前，机械加速搅拌澄清池普遍在澄清区加装了斜管，泥水分界面无法观测，使得对泥渣浓度控制仅能依赖于控制第二反应区的泥渣5min沉降比。然而，第二反应的泥渣5min的沉降比所受影响较多，主要有泥渣回流比、排泥周期、悬浮泥渣层高度等。当进水水质、水量变化时，很难将机械加速搅拌澄清池泥渣浓度调整至最适浓度，造成出水水质恶化。
4.因此，亟需一种稳定、可靠的机械加速搅拌澄清池泥渣浓度的调整方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种机械加速搅拌澄清池泥渣浓度的调整方法。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种机械加速搅拌澄清池泥渣浓度的调整方法，包括以下步骤：
7.(1)根据流体力学的力学相似原理，制作机械加速搅拌澄清池模型，所述模型与机械加速搅拌澄清池原型满足几何相似、动力相似、运动相似，模型采用透明有机玻璃材质制作，实现对机械加速搅拌澄清池处理状况的观测；
8.(2)当进水水质、水量发生变化时，即进水浊度变化绝对值大于5ntu或进水水量变化绝对值大于机械加速搅拌澄清池原型设计处理水量的20％时，通过静态混凝模拟试验确定混凝剂剂量、通过石灰处理加药量计算公式得到石灰加药量，静态混凝模拟试验依据gb/t 16881-2008《水的混凝沉淀试杯试验方法》进行，可以得到混凝剂的最佳剂量；石灰处理加药量依据dl/t 300-2011《火电厂凝汽器管防腐防垢导则》中石灰处理加药量计算公式，得到石灰加药量的最佳剂量；
9.(3)投运机械加速搅拌澄清池模型，进水量为设计处理水量q’的1/2～2/3，并增加混凝剂的剂量，混凝剂剂量为混凝剂最佳剂量的1～2倍，石灰加药量为石灰加药量的最佳剂量，逐步提高搅拌机转速，从而逐步提高提升水量；若第一反应室上部取样管、第一反应室下部取样管、下部取样管的样品泥渣浓度，开始逐步提高，即样品的泥渣5min沉降比均增大，则表明泥渣层在逐步形成，维持此时搅拌机转速不变；
10.(4)当泥渣面与上清水分界逐渐清晰，即分离区取样管的样品的泥渣5min沉降比低于2％，监测出水浊度，通过泥渣出口管控制排泥流量，控制泥渣面高度在第二反应室以下，并记录出水浊度达到最低值时泥渣面高度h’；
11.(5)每运行增加一次进水量，每次增加水量不超过设计水量的20％，通过泥渣出口管控制排泥流量，控制泥渣面高度在h’，若机械加速搅拌澄清池原型的实际进水量为q
实
，直至进水量达到记录此时排泥流量q
p’；
12.(6)加大搅拌机转速，监测分离区取样管的样品浊度，维持分离区取样管的样品浊度不变的条件下，即分离区取样管的样品浊度变化率低于5％，增大搅拌机转速，记录搅拌机的转速最大值n’。
13.(7)稳定运行后，记录第二反应室上部取样管、第二反应室下部取样管、下部取样管的样品的5min沉降比，分别为c1、c2、c3；
14.(8)调整机械加速搅拌澄清池原型搅拌机转速n，机械加速搅拌澄清池原型的叶轮提升水量q1为：
15.q1＝60
·
bcnd2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
16.式中：b为原型叶轮出水口宽度，m；c为原型叶轮出水口计算系数；n为原型叶轮转速，r/min；d为原型叶轮外径，m。
17.机械加速搅拌澄清池模型的叶轮提升水量q1’
为：
18.q1'＝60
·
b'c'n'd'2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
19.式中：q1’
为模型叶轮提升水量，m3/h；b’为模型叶轮出水口宽度，m；c’为模型叶轮出水口计算系数；n’为模型叶轮转速，r/min；d’为模型叶轮外径，m；
20.因故
21.调整机械加速搅拌澄清池原型搅拌机转速n至
22.(9)调整机械加速搅拌澄清池原型排泥流量，当机械加速搅拌澄清池原型的第二反应室上部取样管、第二反应室下部取样管、下部取样管的样品的5min沉降比稳定在c1、c2、c3时，即5min沉降比分别在(0.95～1.05)c1、(0.95～1.05)c2、(0.95～1.05)c3时，控制机械加速搅拌澄清池原型排泥流量为q
p
，q
p
为：
[0023][0024]
综上，机械加速搅拌澄清池泥渣浓度维持在最佳值。
[0025]
优选的，所述步骤(1)制作机械加速搅拌澄清池模型时，机械加速搅拌澄清池原型的设计处理水量为q，机械加速搅拌澄清池实验模型的设计处理水量为q’，可得：
[0026][0027][0028]
式中，q为原型设计处理水量，m3/h；q'为模型设计处理水量，m3/h；υ为原型中水流速度，m/s；υ'为模型中水流速度，m/s；a为原型中过流断面面积，m2；a'为模型中过流断面面积，m2；l为原型的几何尺寸(长、宽、高)，m；l'为模型的几何尺寸(长、宽、高)，m；t为原型水处理停留时间，t’为模型水处理停留时间；
[0029]
又因原型与模型同在重力场中，又满足重力相似准则(弗劳德准则)，因此
[0030][0031][0032]
式中，g为原型的重力加速度，m/s2；g'为模型的重力加速度，m/s2；w为原型中介质所受重力，kg
·
m/s2；w'为模型中介质所受重力，kg
·
m/s2；ρ为原型中介质的密度，kg/m3；ρ'为模型中介质的密度，kg/m3；v为原型中介质的体积，m3；v'为模型中介质的体积，m3；
[0033]
由公式(1)、(2)、(3)、(4)，得：
[0034][0035]
根据公式(5)可得模型的几何尺寸；
[0036][0037]
根据公式(6)可得原型与模型的水处理停留时间之比；
[0038][0039]
根据公式(7)可得原型与模型所承受的重力之比。
[0040]
本发明通过构造满足流体力学的力学相似原理的机械加速搅拌澄清池模型，缩短水质变化后水处理停留时间，提升机械加速搅拌澄清池泥渣浓度变化速率，同时依据原型与模型的重力相似准则，即模型的受力大小远低于原型，采用透明有机玻璃材质制作模型的池体以及池体内的第一混合反应室、第二混合反应室、分离室、污泥浓缩室，实现对机械加速搅拌澄清池处理状况的观测，在机械加速搅拌澄清池进水水质变化后，投运机械加速搅拌澄清池模型，利用水处理停留时间的缩短及观测分析优势，进而迅速、准确得到机械加速搅拌澄清池模型泥渣浓度的最佳控制值，再通过流体力学的力学相似原理，最终指导机
械加速搅拌澄清池原型泥渣浓度的调整。
[0041]
本发明有益效果：
[0042]
利用本发明方法：
[0043]
(1)可迅速将运行中机械加速搅拌澄清池泥渣浓度调整至最佳值，避免澄清池出水水质的长期恶化；
[0044]
(2)可实现对机械加速搅拌澄清池各反应区运行状况的观测及分析；
[0045]
(3)缩短了水处理停留时间，提升机械加速搅拌澄清池泥渣浓度变化速率，显著缩短每次泥渣浓度调整后的时间间隔；
[0046]
(4)精细化调整机械加速搅拌澄清池泥渣浓度，避免传统方法的盲目性。
附图说明
[0047]
图1为本发明机械加速搅拌澄清池模型的结构示意图。
[0048]
图中：1驱动装置、2集水槽、3刮泥机、4第二混合反应室、5搅拌机、6第一混合反应室、7取样装置、8出水管道、9进水管道、10加药管、11污泥浓缩室(虚线框住的区域)、12分离室(虚线框住的区域)；
[0049]
①
第二反应室上部取样管、
②
第一反应室上部取样管、
③
第二反应室下部取样管、
④
第一反应室下部取样管、
⑤
清水区取样管、
⑥
分离区取样管、
⑦
进水管、
⑧
出水管、
⑨
加药管，
⑩
泥渣出口管、
⑾
下部取样管。
具体实施方式
[0050]
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
[0051]
由图1给出，本发明一种机械加速搅拌澄清池泥渣浓度的调整方法，包括以下步骤：
[0052]
(1)根据流体力学的力学相似原理，制作机械加速搅拌澄清池模型，所述模型与机械加速搅拌澄清池原型满足几何相似、动力相似、运动相似，机械加速搅拌澄清池原型的设计处理水量为q，机械加速搅拌澄清池实验模型的设计处理水量为q’(q与q’的比值应大于1000，且q’应大于0.8m
3/
h，用于保证模型制作的可实施性)，可得：
[0053][0054][0055]
式中，q为原型设计处理水量，m3/h；q'为模型设计处理水量，m3/h；υ为原型中水流速度，m/s；υ'为模型中水流速度，m/s；a为原型中过流断面面积，m2；a'为模型中过流断面面积，m2；l为原型的几何尺寸(长、宽、高)，m；l'为模型的几何尺寸(长、宽、高)，m；t为原型水处理停留时间，t’为模型水处理停留时间；
[0056]
又因原型与模型同在重力场中，又满足重力相似准则(弗劳德准则)，因此
[0057][0058][0059]
式中，g为原型的重力加速度，m/s2；g'为模型的重力加速度，m/s2；w为原型中介质所受重力，kg
·
m/s2；w'为模型中介质所受重力，kg
·
m/s2；ρ为原型中介质的密度，kg/m3；ρ'为模型中介质的密度，kg/m3；v为原型中介质的体积，m3；v'为模型中介质的体积，m3；
[0060]
由公式(1)、(2)、(3)、(4)，得：
[0061][0062]
根据公式(5)可得模型的几何尺寸；
[0063][0064]
根据公式(6)可得原型与模型的水处理停留时间之比；
[0065][0066]
根据公式(7)可得原型与模型所承受的重力之比；
[0067]
模型采用透明有机玻璃材质制作，实现对机械加速搅拌澄清池处理状况的观测；
[0068]
如图1所示，机械加速搅拌澄清池模型包括池体以及池体内的第一混合反应室6、第二混合反应室4、分离室12、污泥浓缩室11、进水管道9、集水槽2，工作时：澄清池来水通过进水管道9与加药管10混合后，进入池体内的第一混合反应室6，在搅拌机5的提升、搅拌作用下，与通过搅拌机5底部叶片与第一混合反应室6内壁缝隙的回流泥渣混合后，自第一混合反应室6自下而上流动，到达第一混合反应室6顶端后，沿内圈向外圈翻滚，进入第二混合反应室4，由上至下流动，到达第二混合反应室4底端后，一部分泥水混合物直接返回搅拌机5底部叶片与第一混合反应室6内壁缝隙，成为回流泥渣，另一部分通过第二混合反应室4后沿内圈向外圈流动，由于澄清池的内径远大于第二混合反应室4的内径，水流速度明显降低，形成自由沉降，清水自分离室12自下而上流动，泥渣则在重力作用下进入污泥浓缩室11，之后被刮泥机3去除，清水到达分离室12顶端后进入集水槽2，最终通过出水管道8流出澄清池。
[0069]
(2)当进水水质、水量发生变化时，即进水浊度变化绝对值大于5ntu或进水水量变化绝对值大于机械加速搅拌澄清池原型设计处理水量的20％时，通过静态混凝模拟试验确定混凝剂剂量、通过石灰处理加药量计算公式得到石灰加药量，静态混凝模拟试验依据gb/t 16881-2008《水的混凝沉淀试杯试验方法》进行，可以得到混凝剂的最佳剂量；石灰处理加药量依据dl/t 300-2011《火电厂凝汽器管防腐防垢导则》中石灰处理加药量计算公式，得到石灰加药量的最佳剂量；
[0070]
(3)投运机械加速搅拌澄清池模型，进水量为设计处理水量q’的1/2～2/3，并增加混凝剂的剂量，混凝剂剂量为混凝剂最佳剂量的1～2倍，石灰加药量为石灰加药量的最佳剂量，逐步提高搅拌机转速，从而逐步提高提升水量；若第一反应室上部取样管、第一反应室下部取样管、下部取样管的样品泥渣浓度，开始逐步提高，即样品的泥渣5min沉降比均增大，则表明泥渣层在逐步形成，维持此时搅拌机转速不变；
[0071]
(4)当泥渣面与上清水分界逐渐清晰，即分离区取样管的样品的泥渣5min沉降比低于2％，监测出水浊度，通过泥渣出口管控制排泥流量，控制泥渣面高度在第二反应室以下，并记录出水浊度达到最低值时泥渣面高度h’；
[0072]
(5)每运行增加一次进水量，每次增加水量不超过设计水量的20％，通过泥渣出口管控制排泥流量，控制泥渣面高度在h’，若机械加速搅拌澄清池原型的实际进水量为q
实
，直至进水量达到记录此时排泥流量q
p’；
[0073]
(6)加大搅拌机转速，监测分离区取样管的样品浊度，维持分离区取样管的样品浊度不变的条件下，即分离区取样管的样品浊度变化率低于5％，增大搅拌机转速，记录搅拌机的转速最大值n’。
[0074]
(7)稳定运行后，记录第二反应室上部取样管、第二反应室下部取样管、下部取样管的样品的5min沉降比，分别为c1、c2、c3；
[0075]
(8)调整机械加速搅拌澄清池原型搅拌机转速n，机械加速搅拌澄清池原型的叶轮提升水量q1为：
[0076]
q1＝60
·
bcnd2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0077]
式中：b为原型叶轮出水口宽度，m；c为原型叶轮出水口计算系数；n为原型叶轮转速，r/min；d为原型叶轮外径，m。
[0078]
机械加速搅拌澄清池模型的叶轮提升水量q1’
为：
[0079]
q1'＝60
·
b'c'n'd'2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0080]
式中：q1’
为模型叶轮提升水量，m3/h；b’为模型叶轮出水口宽度，m；c’为模型叶轮出水口计算系数；n’为模型叶轮转速，r/min；d’为模型叶轮外径，m；
[0081]
因故
[0082]
调整机械加速搅拌澄清池原型搅拌机转速n至
[0083]
(9)调整机械加速搅拌澄清池原型排泥流量，当机械加速搅拌澄清池原型的第二反应室上部取样管、第二反应室下部取样管、下部取样管的样品的5min沉降比稳定在c1、c2、c3时，即5min沉降比分别在(0.95～1.05)c1、(0.95～1.05)c2、(0.95～1.05)c3时，控制机械加速搅拌澄清池原型排泥流量为q
p
(q
p
允许有上下5％的浮动)，q
p
为：
[0084][0085]
综上，机械加速搅拌澄清池泥渣浓度维持在最佳值。
[0086]
本发明经及时应用，取得了良好的技术效果，应用例如下：
[0087]
某电厂机械加速搅拌澄清池设计处理水量q＝1100m3/h，机加池直径为24.6m，高度为6.5m，总容积为3260m3。机加池除池壁、池底为钢筋混凝土外，其余均为钢制，设有泥渣回流系统、排泥系统。机加池为连续运行设备，搅拌机轴为空心轴，输出转速为4～18r/min，刮泥机为实心轴，轴穿过搅拌机空心轴转动。
[0088]
该电厂机械加速搅拌澄清池所用水源为城市中水与地表水的混合水，水源水质存在定期波动，见表1，进水水量为设计处理水量，依靠控制第二反应的泥渣5min的沉降比在10％～20％，未能将机械加速搅拌澄清池泥渣浓度控制在合理范围，造成机械加速搅拌澄清池频繁翻池，出水水质恶化，严重影响后续设备正常运行。
[0089]
表1混合水水质变化表
[0090]
月份456789浊度(ntu)132316423526ph8.27.88.58.18.87.5
[0091]
(1)根据流体力学的力学相似原理，制作机械加速搅拌澄清池的实验模型。机械加速搅拌澄清池模型的设计处理水量q’＝1.0m3/h，原型与模型满足几何相似、动力相似、运动相似，可得：
[0092][0093][0094]
式中，q为原型设计处理水量，m3/h；q'为模型设计处理水量，m3/h；υ为原型中水流速度，m/s；υ'为模型中水流速度，m/s；a为原型中过流断面面积，m2；a'为模型中过流断面面积，m2；l为原型的几何尺寸(长、宽、高)，m；l'为模型的几何尺寸(长、宽、高)，m；t为原型水处理停留时间，t’为模型水处理停留时间；
[0095]
又因原型与模型同在重力场中，又满足重力相似准则(弗劳德准则)，因此：
[0096][0097][0098]
式中，g为原型的重力加速度，m/s2；g'为模型的重力加速度，m/s2；w为原型中介质所受重力，kg
·
m/s2；w'为模型中介质所受重力，kg
·
m/s2；ρ为原型中介质的密度，kg/m3；ρ'为模型中介质的密度，kg/m3；v为原型中介质的体积，m3；v'为模型中介质的体积，m3。
[0099]
进而得：
[0100][0101]
可得原型与模型的几何尺寸之比；
[0102][0103]
可得原型与模型的水处理停留时间之比；
[0104][0105]
可得原型与模型所承受的重力之比，模型采用透明有机玻璃材质制作，实现对机械加速搅拌澄清池处理状况的观测；
[0106]
(2)当进水水质由浊度13ntu、ph值8.2变化为浊度23ntu、ph值7.8时，依据gb/t 16881-2008《水的混凝沉淀试杯试验方法》进行静态混凝模拟试验，确定混凝剂的加药量由90mg/l增加至110mg/l，依据dl/t 300-2011《火电厂凝汽器管防腐防垢导则》中石灰处理加药量计算公式，确定石灰的加药量由300mg/l降至260mg/l；
[0107]
(3)投运机械加速搅拌澄清池模型，进水量为设计处理水量为q’的1/2～2/3，并增加混凝剂的剂量至220mg/l，石灰加药量为260mg/l，逐步提高搅拌机转速，从而逐步提高提升水量，并观测
②
第一反应室上部取样管、
④
第一反应室下部取样管、
⑾
下部取样管的样品泥渣浓度，当开始逐步提高，即样品的泥渣5min沉降比均增大，则表明泥渣层在逐步形成，维持此时搅拌机转速不变；
[0108]
(4)当泥渣面与上清水分界逐渐清晰，即分离区取样管的样品的泥渣5min沉降比低于2％，监测出水浊度，通过
⑩
泥渣出口管控制排泥流量，控制泥渣面高度在第二反应室以下，出水浊度达到最低值2ntu时泥渣面高度h’为0.12m；
[0109]
(5)增大进水量，每次增加水量不超过0.2m3/h，运行0.25h，通过
⑩
泥渣出口管控制排泥流量，控制泥渣面高度在0.12m，直至进水量达到1.0m3/h，记录此时排泥流量q
p’为0.02m3/h；
[0110]
(6)加大搅拌机转速，监测
⑥
分离区取样管的样品浊度，维持
⑥
分离区取样管的样品浊度不变的条件下，即分离区取样管的样品浊度变化率低于5％，尽可能增大搅拌机转速，记录搅拌机的转速最大值n’为57r/min；
[0111]
(7)稳定运行12h后，记录
①
第二反应室上部取样管，
③
第二反应室下部取样管，
⑾
下部取样管的样品的5min沉降比分别为c1为16％、c2为12％、c3为79％；
[0112]
(8)调整机械加速搅拌澄清池原型搅拌机转速n至转速为14r/min；
[0113]
(9)调整机械加速搅拌澄清池原型排泥流量，当机械加速搅拌澄清池原型的
①
第二反应室上部取样管，
③
第二反应室下部取样管，
⑾
下部取样管的样品的5min沉降比稳定在c1、c2、c3时，即5min沉降比分别在(0.95～1.05)c1、(0.95～1.05)c2、(0.95～1.05)c3时，
控制机械加速搅拌澄清池原型排泥流量为q
p
，q
p
为：
[0114][0115]
综上，机械加速搅拌澄清池泥渣浓度维持在最佳值。
[0116]
采用本发明方法与传统调整方法机械加速搅拌澄清池出水水质对比见表2：
[0117]
表2本发明方法与传统调整方法机械加速搅拌澄清池出水水质对比
[0118][0119]
由表2可知，本发明在24h以内将机械加速搅拌澄清池的泥渣浓度调整至最佳值，，使得机械加速搅拌澄清池的出水水质在水质或水量变化后，简易、迅速改善澄清池出水水质，避免了出水水质的长期恶化。