反应器原理用于折板絮凝池运行状况评价的探讨

陈伟　高乃云　范瑾初

　　提要　评价水厂中折板絮凝池的实际运行状况是一件比较困难的事。从反应器角度出发,利用反应器工作原理,结合具体的测定实例,对折板絮凝池运行状况的评价方法作了一些探讨。
　　关键词　折板絮凝池　反应器　运行状况　评价

0 前言

　　折板絮凝池是近十年来在隔板絮凝池基础上发展起来的一种絮凝池形式,其构造是在池内放置一定数量的平行折板或波纹板,水流沿折板竖向上下流动,多次转折,促使絮凝。目前,折板絮凝池在水厂已经得到了广泛的应用,其优点是水流在同波折板之间曲折流动或在异波折板之间连续不断地缩放流动,形成众多的小涡漩,从而提高了原水中颗粒碰撞絮凝的效果。在折板的每一转角处,两折板之间的区域可以视作一个完全混合连续型(CSTR) 反应器。众多的CSTR 单元反应器串联起来,就接近推流型(PF) 反应器。因此,从总的情况看,折板絮凝池接近于推流型反应器
　　为了提高后续的沉淀池对已絮凝的颗粒沉降分离的效果,在折板絮凝池中的水流流速应沿流程逐渐减少。絮凝池一般分为前段、中段和后段三段。前段各格的竖向流速较大(一般0.25m/ s～0.35m/ s)以利于水中颗粒碰撞形成大而密实的矾花;后段各格的竖向流速较小(一般0.05m/ s～0.15m/ s) ,以避免形成的矾花破碎。这样,在絮凝池中存在着沿流程的流速梯度,而且水流是竖向上下流动,多次转折,这些给实际测定絮凝池的工作运行状况带来了很大困难。我们试图从反应器原理来对折板絮凝池的工况评价进行一些探索。

1　非理想均相反应器

　　完全混合间歇式反应器(CMB) 、完全混合连续式反应器(CSTR) 和推流式反应器( PF) 是三种理想反应器。在实际反应器中,由于在反应器内部存在着液体不流动或流动极缓慢的死角,降低了反应器的有效容积。反应器中液流未经主体流动而发生的短路流以及在推流式活塞流中由于涡流等引起的返混现象,均使得实际反应器情况复杂化。通过研究反应器中的返混程度,可以衡量实际反应器偏离理想反应器的程度,从而可以定性了解反应器中的流体型态,判断该反应器接近哪一种型式的理想反应器。返混程度可以用停留时间分布来衡量。目前停留时间分布已成为反应器设计和放大必须考虑的因素之一。
1.1 停留时间分布函数
　　考察停留时间分布一般可采用两种统计方法:一种是年龄分布,即反应器中的流体物料从进入反应器到进行考察的某一瞬间,不同停留时间的物料质点在设备中的物料总体中所占分率的分布;一种是寿命分布,即从反应器入口到出口,不同停留时间的物料质点在物料总体中所占分率的分布。通常,所谓停留时间分布指寿命分布。
　　停留时间测定主要采用激发—响应技术。其中,常用的方法是脉冲响应法,如图1 所示。当物料以恒定的体积流率( V S ,0) 通过一定体积的反应器时,在反应器入口处脉冲注入示踪物,同时在反应器出口处按一定时间间隔测定示踪物的量。脉冲响应法操作方便,其缺点是不易保证示踪物投加的瞬时性。
　　设示踪物的注入量为m ,在反应器出口处测得停留时间为t～ ( t + Δt ) , 示踪物的流出量为Δm ,则这部分示踪物在注入总量中所占的分率为Δm/m 。

　　称E(t) 为停留时间分布函数,则有停留时间分布函数曲线E(t)～t如图2 所示。

　　τ表示平均停留时间,可得

　　

　　理论停留时间T 为

　　T=V/Q　　　　　　　　　　　　　(6)

　　式中V 为反应器体积; Q 为流体流量。

　　

　　令F(t) = C(t)/C0 表示在出口物料中, 在反应器内停留时间由0 到t 的物料在总物料中所占的分率,称为累积停留时间分布函数,如图3 所示。

　　

1.2　纵向扩散模型(PFD)
　　实际反应器介于PF 和CSTR 两种理想反应器之间。PFD 的基本假设便是在推流型基础上加上一个纵向混合,而这种混合又设想为一种扩散引起, 其中包括分子扩散、涡流扩散、短流、环流及流速不均匀等。可采用类似于分子扩散方程,以纵向扩散系数( Dl) 来表征它的特征:

　　

　　式中Jl 称为纵向扩散通量。

　　PFD 模型的另一假设条件是:在垂直液流方向上,浓度是完全均匀的。因此, PFD 模型的质量传递就是液体主流和纵向扩散。图4 为纵向扩散模型的示意图,它在PF 型的质量传递上多了一项纵向扩散量。

　　

　　设反应器长L ,断面积为ω,液体以均匀流速v流动。物料i 仅在纵向存在浓度梯度,在垂直液流方向上完全混合均匀。在图4 中取一微元长度Δx ,列出物料平衡算式如下单位时间物料输入量

　　

　　单位时间物料输出量

　　

　　单位时间化学反应量

　　ωΔxr(Cj)

　　单位时间微元内物料变化量

　　

　　式(12) 中(D_l/vL)称为返混准数,其倒数Pe=(vL/Dl)称为Peclet 准数。若停留时间分布近似于正态分布,则有

　　σ2=2/Pe　　　　　　(13)

　　式(13) 中σ2 称为停留时间分布的离散度,即有

　　

　　对于推流式反应器(PF) ,返混准数(D_l/vL)＝０,即无返混现象。

　　对于完全混合连续式反应器(CSTR),(D_l/vL)＝→∞。

　　对于实际反应器,当返混准数(D_l/vL)≤0.002时, 为小量扩散; 当(D_l/vL)≥0.2时, 为大量扩散, 当0.002 ≤(D_l/vL)≤0.025时, 可认为反应器接近推流式反应器。

2　折板絮凝池运行状况评价

　　上海某水厂工艺流程为黄浦江原水经管式静态混合器混合后,经配水渠进入折板絮凝池,在絮凝池中经絮凝后进入平流沉淀池,再经普通砂滤池过滤进入清水池。该折板絮凝池设计处理能力为50 000m3/ d ,设计絮凝时间15min ,絮凝池起端流速0.35m/ s ,末端流速0.10m/ s。絮凝池如图5 所示, 纵向分为7 格,每格中放置4 排同波折板,水流沿折板竖向上下流动,多次转折。

　　用脉冲响应法测定折板絮凝池停留时间分布曲线,以了解池子实际的水流特征。以食盐(NaCl) 作为示踪物。先将16kg 食盐充分溶解,配制食盐溶液,在如图5 所示的(1) 格进水端将食盐溶液瞬间倾倒于絮凝池中,用精度为1/ 100s 的秒表开始计时。同时,在絮凝池出水口处(如图5 所示的A、B 点) 取水样进行混合代表絮凝池出水水样,测定混合水样中Cl - 浓度。在倾倒食盐溶液之前,先在(1) 格进水端0 点处取水样测定Cl- 浓度作为原水中的Cl-浓度。测定时水温为t=9.5 ℃,水的运动粘滞系数γ= 0.013 29cm2/s , 进水流量Q = 2600m3/h ( 即62400m3/d) ,原水Cl-浓度为60mg/L 。测定结果见表1。根据表1绘制C～ t 曲线,如图6 所示。

　　采用代数和方法求出C～ t 曲线与原水Cl - 浓度( 60mg/ L ) 所围的近似面积A , A = ∑C′Δt =60mg·min/ L ,列表求出絮凝池平均水力停留时间τ,见表2 。
　　由表2 可知, 当取样测定时间为15min 时,F( t) = 0.317 2 ;当取样测定时间为19.5min 时,F( t) = 0.950 6 ,即经过19.5min 从折板絮凝池出口处流出的示踪物(食盐) 累计量达到总投入量的95 %。这说明该絮凝池池壁以及水中的杂质和已形成的絮凝体矾花等对投入的食盐示踪物吸附较少,采用脉冲响应法,以食盐作为示踪物测定折板絮凝池水力停留时间是可行的。表2 中计算出的该折板絮凝池平均水力停留时间为τ= 15.4min (进水流量Q = 62 400 m3/ d) ,这同设计絮凝时间15min (进水流量Q = 50 000m3/ d) 有一定的差距。

　　根据表2 绘出停留时间分布函数曲线E(t)～t和累积停留时间分布函数曲线F(t)～t,分别见图7和图8。

　　由图7 的E( t ) ～ t 曲线可见该曲线近似于正态分布,则根据公式(13) : 可近似求得该折板絮凝池的返混准数。

　　停留时间分布离散度

　　

　　返混准数

　　

　　返混准数在0.002～0.025 之间,说明该折板絮凝池接近于PF 推流型反应器,池子内返混程度较小,水流引起的短流、涡流等影响较弱,这同图8 累积停留时间分布函数F ( t ) ～ t 曲线所表达的是一致的。从反应器原理角度评价,该絮凝池运行状况良好。再结合絮凝体矾花在池子中形成的具体情况( 如矾花絮体的大小和密实度等) ,则可以判断絮凝池的运行效果。

3 　结语

　　将折板絮凝池整体上近似当作PF 推流型反应器,用食盐作为示踪物,利用反应器原理中停留时间分布和纵向扩散模型(PFD) 来分析絮凝池的返混程度,以判断实际工作的折板絮凝池偏离理想反应器的程度,从而评价池子的运行状况。这可以作为一种评价絮凝池运行状况的可行方法。采用脉冲响应法测定絮凝池水力停留时间分布时,一定要注意保证投加示踪物的瞬时性,以减少对絮凝池出水口处示踪物浓度测定的影响。由于折板絮凝池本身构造的复杂性和池内水流流态的转折多变,在用该法评价池子运行状况时还需考察池内絮凝体矾花形成的情况。

参考文献

1 严煦世,范瑾初. 给水工程(第三版) . 北京:中国建筑工业出版社,1995
2 许保玖. 当代给水与废水处理原理. 北京: 高等教育出版社,1991
3 严煦世主编. 给水排水工程快速设计手册. 北京:中国建筑工业出版社,1995
4 李国建. 反应工程学. 同济大学环境工程学院研究生讲义
5 范瑾初. 水处理理论概论. 同济大学环境工程学院研究生讲义