可调式跌水网格混合器的混合性能研究

可调式跌水网格混合器的混合性能研究

张硕 张玉先 王家民 包卫彬
（同济大学环境科学与工程学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

　　摘 要：生产调试中，采用混合均匀度评价可调式跌水网格混合器的混合性能。试验结果表明，混合均匀度随调节高度的增大而变大，最优设计参数条件下，可达到96%以上。混合器对流量变化不敏感，进水流量增大70%时，混合均匀度仍可达到92%。定制的特殊加药头可对进水进行薄膜状连续加药，有效提高混合效果。最后，指出微观混合是快速混合的主导作用。
　　关键词：快速混合 混合器 混合均匀度 加药头 微观混合

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，随着各种新型混合器的广泛应用和对混凝机理的深入研究，人们发现快速混合对胶体颗粒脱稳及其絮凝作用具有显著影响，从而越来越重视混合设施的作用。有研究表明，高强度混合作用下的初始凝聚过程可明显改善颗粒的絮凝及其沉降特性^[1,2]。同时，高效混凝剂的发展也需要相应的混合设施配套发展，混合反应设施应当从传统的混凝土构筑物发展成现代的多功能反应器。
　　 根据混凝工艺对快速混合的要求和微涡旋理论，借鉴水利工程上的竖井和其他混合池的优点，可调式跌水网格混合器被开发出来。它是一种能快速均匀分散混凝剂于水体，又能方便地调节以适应水量和水质变化的混合新设备。为了研究该产品的实际混合效果，寻求生产上的最优操作条件，在水厂实际应用中对混合器的混合性能进行了研究。

1 混合性能的评价方法

　　利用生产中投加的混凝剂聚合氯化铝铁作为示踪剂，通过测定同一过水断面上的铝浓度，计算铝浓度的平均值、标准方差，进而得到变异系数和混合均匀度评价混凝剂的分散程度，见式（1）和（2）^[3,4]。混合均匀度越高，表明混凝剂在水中混合越均匀。

　　C_v=S/x　　　　　　　 　　（1）

　　η=1-C_v　　　　　　　　　 （2）

　　式中x—铝浓度平均值；S—铝浓度标准偏差；
　　　　 C_v—变异系数；η—混合均匀度。

2 试验装置和试验方法

2.1 试验装置
　　试验装置及流程见图1。
　　 混合器安装在混合池内，原水进入混合池后跌入混合器。混合池起到消除水流流速差异，保证四周进水均匀的作用。混合器由混合套管、网格和升降装置组成。混合套管直径为1800mm，采用网孔为100mm×100mm的双层网格，网格间距取200mm，混合器套管进口处上方装有伞状的特殊加药头部。
　　 在DN1200出水管的同一断面上安装两组夹角90°的取样管。每组4根，间距200mm。

图1 试验装置及流程示意图
Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

2.2 试验方法
　　采用8-羟基喹啉法测定水样中的铝浓度，因为此方法受原水中F^-、Fe⁺³、Ca⁺²的干扰较小，精密度和准确度较好。

3 结果和讨论

3.1 调节高度对混合均匀度的影响
　　生产中，进水水量或水质变化时，改变调节高度（喇叭口到网格的距离）可调整混合器的性能以适应进水变化。在设计流量1750m³/h下，测定调节高度为20cm、30cm、40cm、50cm、60cm时的各水样吸光值，分析混合均匀度的变化规律。

图2 调节高度对混合均匀度的影响
Fig.2 Effect of adjustable space on dispersal efficiency

　　混合均匀度随着调节高度的增大而变大，调节高度变化对混合器的混合效果具有调节作用。调节高度增大到一定程度后，对混合均匀度的影响减弱。调节高度由20cm增至40cm，混合均匀度提高很快，可达2.5%。调节高度大于40cm后，混合均匀度增长减缓，只有0.6%。这是因为：调节高度增大后，作用水头变大，从而G值变大，颗粒碰撞速率增大，混凝剂能更加快速及时地分散至水中。调节高度变大后，涡旋中的高频分量增加，能耗随之增加，最小涡旋尺度减少缓慢、数量也不再明显增加，最终湍动扩散在混合中的影响力减弱。
3.2 流量对混合均匀度的影响
　　实际生产中，进水流量常常变化，从大量数据来看，它符合正态分布。但是，调试中的测定数目有限，所以采用类似于正态分布的t-分布处理流量数据^[81]。
　　调节高度为40cm时，通过调节进水闸板改变流量，测定出五种工况下的混合均匀度。

图3 流量对混合均匀度的影响
Fig.3 Effect of inlet flow on dispersal efficiency

　　混合均匀度均在93%以上，变化幅度仅有2%，并且流量越大，混合均匀度也越大。这是因为：当流量由小变大时，水流速度增加，雷诺数随之变大，混合器内的紊流状态更加剧烈，小尺度涡旋数量增加并且接近于临界尺寸的微涡旋比重提高，加快混凝剂的扩散。流量变大，停留时间变短，但是水解和脱稳过程极其快速，现有设备的停留时间远远大于理论上所需的混合时间，所以因流量变大所减少的停留时间不足以影响混合均匀度。
3.3 铝浓度断面分布
　　（1）不同调节高度
　　设计流量下，分别测定调节高度为20cm、30cm、40cm、50cm和60cm时各点的铝浓度。
　　由图4可知，管中心的铝浓度比周边浓度高，横向和纵向的铝浓度几乎相同。管中心的浓度随着调节高度的增加而变小，周边的浓度却随着调节高度的增加而变大。尽管管中心与周边的铝浓度始终有差异，但是调节高度的增加使得混凝剂在水中的分布趋向于一致。

图4 铝浓度随调节高度的变化
Fig.4 Variation of aluminium concentration with adjustable space

　　（2）不同流量断面浓度
　　 调节高度为30cm时，分别测定流量为1700m³/h、1750m³/h、1800m³/h、1850m³/h和1900m³/h下各点的铝浓度。

图5 铝浓度随流量的变化
Fig.5 Variation of aluminium concentration with inlet flow

　　由图5可知，当加药量不变，各测试点的铝浓度随进水流量的增加而变小。周边的铝浓度变化比较小，非周边的铝浓度变化比较大。这是因为，周边水流受到了边界的约束，靠近管壁处更接近于层流，水流状态受流量的影响较小。远离管壁的水流则形成自由紊流，水流状态受流量的影响较大。
3.4 事故工况
　　生产调试期间，二期工艺的加药管曾经意外破裂，致使不得不减小其进水量，同时增加一期工程的进水量，整个水厂主要依赖一期工程生产。此时，一期工程流量为2300m³/h，比设计流量增大77%。将混合器的调节高度调节到最大60cm，测定各点的铝浓度。
　　 结果表明，混合均匀度η=96.2%。这说明在事故发生时，尽管一期工程进水流量增加很多，但是混合效果仍然很好，完全可以满足工艺需求。由图6可知，距管中心相同距离的测试点处，铝浓度基本相同。这说明同一断面上正交方向上的混合结果几乎没有差异。断面上大多数点的铝浓度均在偏差界限之内，混合效果比较理想。只有较大浓度的管中心和较小浓度的近壁处在偏差界限外。

图6 事故工况时铝浓度分布
Fig.6 Aluminium concentration under accident

3.5 一点加药
　　二期工程的加药管意外破裂后，水厂人员采取应急措施，铺设临时塑料管进行加药。塑料管放在混合器进口处一侧而没有接到加药头上，所以，更换加药管过程中，二期工程的混合器处于一点加药。此时，二期工程流量为1870m³/h，将混合器调节高度分别调节到20cm和40cm，测定一点加药时各点的铝浓度。

图7 一点加药铝浓度断面图
Fig.7 Aluminium concentration under one-point coagulant injection

　　结果表明，一点加药时的混合均匀度分别为91.8%和95.2%，与相同流量和调节高度下采用加药头时相比要低。由图7可知，两组工况下，正交方向上的铝浓度是有明显差异：纵向上，周边浓度大于中心浓度；横向上，中心浓度大于周边浓度。药剂在两个轴向上分散得并不均匀，可能形成纵向上的微粒再稳，而横向上的微粒却脱稳不完全。所以，采用特殊加药头可提高混合均匀度，改善混合效果。

4 混合机理分析

　　为了实现快速混合，一方面增加药液和原水的接触面，另一方面增强混合器内的湍动，产生无数高比例、高强度的微涡旋促进微元变形。混合器内可以分为物料分散区、微观控制区和宏观控制区，依次对应喇叭口至网格、网格至喉管、喉管之后。药液经过伞状头部，周向连续投加到自混合池经喇叭口跌入混合器的定点截面水流中。药液的断面和跌落水流的断面均为薄膜状连续截面，实现向水体各较小单元体均匀分散投加的效果。加过药液的水流经过网格的剪切和分割，在喉管上部形成含有众多涡旋的尾流区。此区内，每一部分的液体以几乎相同频率强烈混合，活性涡的卷吸作用使涡内形成等体积、交错排列的层状结构，微元变形和分子扩散借此进行。喉管的收缩和扩张部位，水流径向和横向的压力和速度产生剧烈变化^[5]，较大尺度的涡旋在惯性力和流体粘性力作用下被挤压和拉伸，破碎成更小尺度的涡旋。在涡旋的不断的产生、发展、衰减、消失过程中，片状微元的变形和旋转可大大促进分子扩散，促使在小于Kolmogorov尺度上完全均匀。水流经过喉管后，流速变慢，各个分散的分子扩散斑片逐渐合并成一个整体，加快了内部均匀化过程，在宏观区域内达到分子尺度上均匀，药剂处于最大混合状态。所以，前两个区内，微观混合占主导地位，直接影响快速反应^[6]，第三个区里则以宏观混合为主。混合器内，能量有效利用率和混合器容积有效率得到提高，保证了良好的混合效果。

5 结论

　　（1）混合器运行良好，混合均匀度均在92%以上。
　　（2）混合器的混合均匀度随着调节高度的增加而变大，调节高度对混合均匀度有显著影响，可以改变调节高度使混合器适应进水的改变，保证混合效果。
　　（3）流量变化时，混合均匀度随流量变大而增加。混合均匀度的变化在2%左右且最低也高于92%，这说明混合器对流量的变化不敏感。
　　（4）事故时，进水流量比设计流量增大70%左右，但是混合均匀度高达96%，有效保证了混合效果。
　　（5）加药头和一点加药的对比试验表明，加药头可使混凝剂在水中分布更加均匀，从而提高混合均匀度。

参考文献：

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［5］李家春.自然、工业与流动［M］.北京：气象出版社，2001.
［6］李希，陈建峰，陈甘棠. 微观混合研究的现状［J］. 化学反应工程与工艺，1994，10（2）：103-110.

作者简介：张硕（1979- ），男，山东淄博人，博士研究生，主要从事水处理理论和技术研究。
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