可調(diào)式跌水網(wǎng)格混合器的混合性能研究

張碩 張玉先 王家民 包衛(wèi)彬
（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

　　摘 要：生產(chǎn)調(diào)試中，采用混合均勻度評(píng)價(jià)可調(diào)式跌水網(wǎng)格混合器的混合性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合均勻度隨調(diào)節(jié)高度的增大而變大，最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，可達(dá)到96%以上?；旌掀鲗?duì)流量變化不敏感，進(jìn)水流量增大70%時(shí)，混合均勻度仍可達(dá)到92%。定制的特殊加藥頭可對(duì)進(jìn)水進(jìn)行薄膜狀連續(xù)加藥，有效提高混合效果。最后，指出微觀混合是快速混合的主導(dǎo)作用。
　　關(guān)鍵詞：快速混合 混合器 混合均勻度 加藥頭 微觀混合

Study on Dispersal Efficiency of Adjustable Head Fall Mixer with Grid

ZHANG Shuo, ZHANG Yu-xian, WANG Jia-min, BAO Wei-bin
（State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse ,School of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China）

Abstract： Dispersal efficiency of adjustable head fall mixer with grid was studied in a water plant test-run. It was indicated that the efficiency of mixer could become enhanced with high space between grid and mixing pipe. Under optimal technique parameters, it would be up to 96%. The inlet flow increasing more than 70%, the efficiency of dispersal varied a little which was above 92%. Furthermore, it is demonstrated that coagulant injection head made significant contribution to improving the efficiency of dispersal by inputting the chemical in a continuous film. Finally, it was analyzed that micromixing undertook the main duty of the rapid mixing of coagulant in the mixer.

Key words：rapid mixing; mixer; dispersal efficiency; injection head; micromixing

　　近二十年，隨著各種新型混合器的廣泛應(yīng)用和對(duì)混凝機(jī)理的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)快速混合對(duì)膠體顆粒脫穩(wěn)及其絮凝作用具有顯著影響，從而越來(lái)越重視混合設(shè)施的作用。有研究表明，高強(qiáng)度混合作用下的初始凝聚過(guò)程可明顯改善顆粒的絮凝及其沉降特性^[1,2]。同時(shí)，高效混凝劑的發(fā)展也需要相應(yīng)的混合設(shè)施配套發(fā)展，混合反應(yīng)設(shè)施應(yīng)當(dāng)從傳統(tǒng)的混凝土構(gòu)筑物發(fā)展成現(xiàn)代的多功能反應(yīng)器。
　　 根據(jù)混凝工藝對(duì)快速混合的要求和微渦旋理論，借鑒水利工程上的豎井和其他混合池的優(yōu)點(diǎn)，可調(diào)式跌水網(wǎng)格混合器被開(kāi)發(fā)出來(lái)。它是一種能快速均勻分散混凝劑于水體，又能方便地調(diào)節(jié)以適應(yīng)水量和水質(zhì)變化的混合新設(shè)備。為了研究該產(chǎn)品的實(shí)際混合效果，尋求生產(chǎn)上的最優(yōu)操作條件，在水廠實(shí)際應(yīng)用中對(duì)混合器的混合性能進(jìn)行了研究。

1 混合性能的評(píng)價(jià)方法

　　利用生產(chǎn)中投加的混凝劑聚合氯化鋁鐵作為示蹤劑，通過(guò)測(cè)定同一過(guò)水?dāng)嗝嫔系匿X濃度，計(jì)算鋁濃度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差，進(jìn)而得到變異系數(shù)和混合均勻度評(píng)價(jià)混凝劑的分散程度，見(jiàn)式（1）和（2）^[3,4]?；旌暇鶆蚨仍礁?，表明混凝劑在水中混合越均勻。

　　C_v=S/x　　　　　　　 　?。?）

　　η=1-C_v　　　　　　　　　 （2）

　　式中x—鋁濃度平均值；S—鋁濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差；
　　　　 C_v—變異系數(shù)；η—混合均勻度。

2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)裝置及流程見(jiàn)圖1。
　　 混合器安裝在混合池內(nèi)，原水進(jìn)入混合池后跌入混合器?；旌铣仄鸬较髁魉俨町?，保證四周進(jìn)水均勻的作用?；旌掀饔苫旌咸坠堋⒕W(wǎng)格和升降裝置組成?；旌咸坠苤睆綖?800mm，采用網(wǎng)孔為100mm×100mm的雙層網(wǎng)格，網(wǎng)格間距取200mm，混合器套管進(jìn)口處上方裝有傘狀的特殊加藥頭部。
　　 在DN1200出水管的同一斷面上安裝兩組夾角90°的取樣管。每組4根，間距200mm。

圖1 試驗(yàn)裝置及流程示意圖
Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

2.2 試驗(yàn)方法
　　采用8-羥基喹啉法測(cè)定水樣中的鋁濃度，因?yàn)榇朔椒ㄊ茉蠪^-、Fe⁺³、Ca⁺²的干擾較小，精密度和準(zhǔn)確度較好。

3 結(jié)果和討論

3.1 調(diào)節(jié)高度對(duì)混合均勻度的影響
　　生產(chǎn)中，進(jìn)水水量或水質(zhì)變化時(shí)，改變調(diào)節(jié)高度（喇叭口到網(wǎng)格的距離）可調(diào)整混合器的性能以適應(yīng)進(jìn)水變化。在設(shè)計(jì)流量1750m³/h下，測(cè)定調(diào)節(jié)高度為20cm、30cm、40cm、50cm、60cm時(shí)的各水樣吸光值，分析混合均勻度的變化規(guī)律。

圖2 調(diào)節(jié)高度對(duì)混合均勻度的影響
Fig.2 Effect of adjustable space on dispersal efficiency

　　混合均勻度隨著調(diào)節(jié)高度的增大而變大，調(diào)節(jié)高度變化對(duì)混合器的混合效果具有調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)高度增大到一定程度后，對(duì)混合均勻度的影響減弱。調(diào)節(jié)高度由20cm增至40cm，混合均勻度提高很快，可達(dá)2.5%。調(diào)節(jié)高度大于40cm后，混合均勻度增長(zhǎng)減緩，只有0.6%。這是因?yàn)椋赫{(diào)節(jié)高度增大后，作用水頭變大，從而G值變大，顆粒碰撞速率增大，混凝劑能更加快速及時(shí)地分散至水中。調(diào)節(jié)高度變大后，渦旋中的高頻分量增加，能耗隨之增加，最小渦旋尺度減少緩慢、數(shù)量也不再明顯增加，最終湍動(dòng)擴(kuò)散在混合中的影響力減弱。
3.2 流量對(duì)混合均勻度的影響
　　實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)水流量常常變化，從大量數(shù)據(jù)來(lái)看，它符合正態(tài)分布。但是，調(diào)試中的測(cè)定數(shù)目有限，所以采用類(lèi)似于正態(tài)分布的t-分布處理流量數(shù)據(jù)^[81]。
　　調(diào)節(jié)高度為40cm時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水閘板改變流量，測(cè)定出五種工況下的混合均勻度。

圖3 流量對(duì)混合均勻度的影響
Fig.3 Effect of inlet flow on dispersal efficiency

　　混合均勻度均在93%以上，變化幅度僅有2%，并且流量越大，混合均勻度也越大。這是因?yàn)椋寒?dāng)流量由小變大時(shí)，水流速度增加，雷諾數(shù)隨之變大，混合器內(nèi)的紊流狀態(tài)更加劇烈，小尺度渦旋數(shù)量增加并且接近于臨界尺寸的微渦旋比重提高，加快混凝劑的擴(kuò)散。流量變大，停留時(shí)間變短，但是水解和脫穩(wěn)過(guò)程極其快速，現(xiàn)有設(shè)備的停留時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論上所需的混合時(shí)間，所以因流量變大所減少的停留時(shí)間不足以影響混合均勻度。
3.3 鋁濃度斷面分布
　?。?）不同調(diào)節(jié)高度
　　設(shè)計(jì)流量下，分別測(cè)定調(diào)節(jié)高度為20cm、30cm、40cm、50cm和60cm時(shí)各點(diǎn)的鋁濃度。
　　由圖4可知，管中心的鋁濃度比周邊濃度高，橫向和縱向的鋁濃度幾乎相同。管中心的濃度隨著調(diào)節(jié)高度的增加而變小，周邊的濃度卻隨著調(diào)節(jié)高度的增加而變大。盡管管中心與周邊的鋁濃度始終有差異，但是調(diào)節(jié)高度的增加使得混凝劑在水中的分布趨向于一致。

圖4 鋁濃度隨調(diào)節(jié)高度的變化
Fig.4 Variation of aluminium concentration with adjustable space

　?。?）不同流量斷面濃度
　　 調(diào)節(jié)高度為30cm時(shí)，分別測(cè)定流量為1700m³/h、1750m³/h、1800m³/h、1850m³/h和1900m³/h下各點(diǎn)的鋁濃度。

圖5 鋁濃度隨流量的變化
Fig.5 Variation of aluminium concentration with inlet flow

　　由圖5可知，當(dāng)加藥量不變，各測(cè)試點(diǎn)的鋁濃度隨進(jìn)水流量的增加而變小。周邊的鋁濃度變化比較小，非周邊的鋁濃度變化比較大。這是因?yàn)?，周邊水流受到了邊界的約束，靠近管壁處更接近于層流，水流狀態(tài)受流量的影響較小。遠(yuǎn)離管壁的水流則形成自由紊流，水流狀態(tài)受流量的影響較大。
3.4 事故工況
　　生產(chǎn)調(diào)試期間，二期工藝的加藥管曾經(jīng)意外破裂，致使不得不減小其進(jìn)水量，同時(shí)增加一期工程的進(jìn)水量，整個(gè)水廠主要依賴(lài)一期工程生產(chǎn)。此時(shí)，一期工程流量為2300m³/h，比設(shè)計(jì)流量增大77%。將混合器的調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)到最大60cm，測(cè)定各點(diǎn)的鋁濃度。
　　 結(jié)果表明，混合均勻度η=96.2%。這說(shuō)明在事故發(fā)生時(shí)，盡管一期工程進(jìn)水流量增加很多，但是混合效果仍然很好，完全可以滿足工藝需求。由圖6可知，距管中心相同距離的測(cè)試點(diǎn)處，鋁濃度基本相同。這說(shuō)明同一斷面上正交方向上的混合結(jié)果幾乎沒(méi)有差異。斷面上大多數(shù)點(diǎn)的鋁濃度均在偏差界限之內(nèi)，混合效果比較理想。只有較大濃度的管中心和較小濃度的近壁處在偏差界限外。

圖6 事故工況時(shí)鋁濃度分布
Fig.6 Aluminium concentration under accident

3.5 一點(diǎn)加藥
　　二期工程的加藥管意外破裂后，水廠人員采取應(yīng)急措施，鋪設(shè)臨時(shí)塑料管進(jìn)行加藥。塑料管放在混合器進(jìn)口處一側(cè)而沒(méi)有接到加藥頭上，所以，更換加藥管過(guò)程中，二期工程的混合器處于一點(diǎn)加藥。此時(shí)，二期工程流量為1870m³/h，將混合器調(diào)節(jié)高度分別調(diào)節(jié)到20cm和40cm，測(cè)定一點(diǎn)加藥時(shí)各點(diǎn)的鋁濃度。

圖7 一點(diǎn)加藥鋁濃度斷面圖
Fig.7 Aluminium concentration under one-point coagulant injection

　　結(jié)果表明，一點(diǎn)加藥時(shí)的混合均勻度分別為91.8%和95.2%，與相同流量和調(diào)節(jié)高度下采用加藥頭時(shí)相比要低。由圖7可知，兩組工況下，正交方向上的鋁濃度是有明顯差異：縱向上，周邊濃度大于中心濃度；橫向上，中心濃度大于周邊濃度。藥劑在兩個(gè)軸向上分散得并不均勻，可能形成縱向上的微粒再穩(wěn)，而橫向上的微粒卻脫穩(wěn)不完全。所以，采用特殊加藥頭可提高混合均勻度，改善混合效果。

4 混合機(jī)理分析

　　為了實(shí)現(xiàn)快速混合，一方面增加藥液和原水的接觸面，另一方面增強(qiáng)混合器內(nèi)的湍動(dòng)，產(chǎn)生無(wú)數(shù)高比例、高強(qiáng)度的微渦旋促進(jìn)微元變形?；旌掀鲀?nèi)可以分為物料分散區(qū)、微觀控制區(qū)和宏觀控制區(qū)，依次對(duì)應(yīng)喇叭口至網(wǎng)格、網(wǎng)格至喉管、喉管之后。藥液經(jīng)過(guò)傘狀頭部，周向連續(xù)投加到自混合池經(jīng)喇叭口跌入混合器的定點(diǎn)截面水流中。藥液的斷面和跌落水流的斷面均為薄膜狀連續(xù)截面，實(shí)現(xiàn)向水體各較小單元體均勻分散投加的效果。加過(guò)藥液的水流經(jīng)過(guò)網(wǎng)格的剪切和分割，在喉管上部形成含有眾多渦旋的尾流區(qū)。此區(qū)內(nèi)，每一部分的液體以幾乎相同頻率強(qiáng)烈混合，活性渦的卷吸作用使渦內(nèi)形成等體積、交錯(cuò)排列的層狀結(jié)構(gòu)，微元變形和分子擴(kuò)散借此進(jìn)行。喉管的收縮和擴(kuò)張部位，水流徑向和橫向的壓力和速度產(chǎn)生劇烈變化^[5]，較大尺度的渦旋在慣性力和流體粘性力作用下被擠壓和拉伸，破碎成更小尺度的渦旋。在渦旋的不斷的產(chǎn)生、發(fā)展、衰減、消失過(guò)程中，片狀微元的變形和旋轉(zhuǎn)可大大促進(jìn)分子擴(kuò)散，促使在小于Kolmogorov尺度上完全均勻。水流經(jīng)過(guò)喉管后，流速變慢，各個(gè)分散的分子擴(kuò)散斑片逐漸合并成一個(gè)整體，加快了內(nèi)部均勻化過(guò)程，在宏觀區(qū)域內(nèi)達(dá)到分子尺度上均勻，藥劑處于最大混合狀態(tài)。所以，前兩個(gè)區(qū)內(nèi)，微觀混合占主導(dǎo)地位，直接影響快速反應(yīng)^[6]，第三個(gè)區(qū)里則以宏觀混合為主?；旌掀鲀?nèi)，能量有效利用率和混合器容積有效率得到提高，保證了良好的混合效果。

5 結(jié)論

　?。?）混合器運(yùn)行良好，混合均勻度均在92%以上。
　　（2）混合器的混合均勻度隨著調(diào)節(jié)高度的增加而變大，調(diào)節(jié)高度對(duì)混合均勻度有顯著影響，可以改變調(diào)節(jié)高度使混合器適應(yīng)進(jìn)水的改變，保證混合效果。
　?。?）流量變化時(shí)，混合均勻度隨流量變大而增加?；旌暇鶆蚨鹊淖兓?%左右且最低也高于92%，這說(shuō)明混合器對(duì)流量的變化不敏感。
　?。?）事故時(shí)，進(jìn)水流量比設(shè)計(jì)流量增大70%左右，但是混合均勻度高達(dá)96%，有效保證了混合效果。
　　（5）加藥頭和一點(diǎn)加藥的對(duì)比試驗(yàn)表明，加藥頭可使混凝劑在水中分布更加均勻，從而提高混合均勻度。

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作者簡(jiǎn)介：張碩（1979- ），男，山東淄博人，博士研究生，主要從事水處理理論和技術(shù)研究。
電話：（021）65985794
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