全流程微涡旋水力澄清器的理论分析与实验研究

论文摘要

当前很长一段时间内我国的水污染状况不会根本改变,而城市用水对水质的要求却越来越高。现有的大部分中小水厂出水很难达标,而进行技术改造由于受到经济、技术的限制,面临很大的压力。生产实践表明,在浊度较低时有机物含量可大幅降低,水质得到很大改善。借助于混凝沉淀、悬浮泥渣长时间接触絮凝与低沉后水造成的滤池生化反应可以实现有机物与氨氮等的多重去除。当前给水处理研究的一个重要任务是尽快研制出能满足更低的出水浊度和更高的有机物去除率的低能耗、低造价处理装置。基于这一点,文中从理论和实验两个方面对水力澄清器进行了探索。通过理论分析发现,混凝过程中单靠布朗运动难以完成,外界能量的输入是必不可少的;混凝过程存在最不利粒径,通常认为此直径为23μm;混合设备应在极短时间内将混凝剂迅速扩散至整个水体,实现快速混合;大尺度涡旋能在整个断面内造成大规模的扩散,但对矾花凝聚和成长有影响的却是尺度很小的涡旋;絮凝过程中除了要形成颗粒大量碰撞之外,还需要控制颗粒合理的有效碰撞,防止矾花的过快或过慢成长;矾花的颗粒尺度与其密实度取决于药剂的联结能力和湍流剪切力;微涡旋的产生主要有液流边界层的离解和做成局部阻流穿孔板两种类型;要得到高密度的絮体,应想办法提高絮体的强度;在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例,就可以大幅度增加颗粒碰撞几率,有效地改善絮凝效果。在此基础上提出了水力澄清器设计中全流程微涡旋的看法。基于理论分析,文中设计了全流程微涡旋水力澄清器。实验结果证明该装置处理后出水浊度约1NTU,有机物与氨氮等能够达标;单独投加混凝剂时,反应条件可控制为:G值102,停留时间1.6 min,水头损失0.10 m;联合投加时,反应条件可控制为:G值依次为127-108-102,停留时间6.1 min,水头损失0.58 m;在出水水质良好时,不论单独投加还时联合投加泥渣层泥渣浓度都约为2025 g/l,5分钟沉降比约916%;高密度絮体的生成需要药剂与外界输入能量的恰当配合;在出水17NTU时,絮凝体对有机物的吸附作用约占26%11%;小间距斜板由于独特的构造使得处理能力优于传统斜板,其除浊机理主要是接触絮凝。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概论
• 1.1 我国环境问题与水源污染
• 1.1.1 环境污染概述
• 1.1.2 水污染与水源污染
• 1.1.3 水源污染的危害
• 1.1.4 微污染原水水质特点分析
• 1.2 饮用水水质要求
• 1.3 传统净水工艺的局限
• 1.4 课题的提出及研究内容
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 课题研究的主要内容
• 第二章 理论分析
• 2.1 混凝综述
• 2.1.1 胶体带电性分析
• 2.1.2 双电层的形成和双电层模型
• 2.1.3 胶体的聚沉
• 2.1.4 混凝控制指标
• 2.1.5 混凝机理
• 2.1.6 混凝剂
• 2.1.7 影响混凝效果的主要因素
• 2.1.8 混凝反应设施比较
• 2.2 混凝动力学分析
• 2.2.1 混凝过程中的能量输入的必要性
• 2.2.2 混凝过程中最不利粒径
• 2.2.3 混合与传质
• 2.2.4 混凝过程中的紊流与涡旋
• 2.2.5 混凝过程中矾花的密度与强度
• 2.2.6 絮凝的动力学致因
• 2.3 沉淀理论
• 2.3.1 传统沉淀工艺的发展
• 2.3.2 沉淀动力学
• 2.3.3 沉淀的技术革新
• 2.4 澄清器中动力学分析
• 2.4.1 澄清器中接触矾花形成特点
• 2.4.2 悬浮层中颗粒的碰撞方程式
• 2.4.3 成球絮凝与结团凝聚
• 2.5 全流程微涡旋水力澄清器
• 2.5.1 全流程微涡旋观点
• 2.5.2 全流程微涡旋水力澄清器的设想
• 第三章 实验装置设计
• 3.1 工艺流程
• 3.2 混合器设计
• 3.3 絮凝器设计
• 3.4 悬浮泥渣区设计
• 3.5 沉淀区设计
• 3.6 反应装置的集成与优化
• 第四章 数据分析
• 4.1 静态实验
• 4.1.1 PAFC 搅拌实验
• 4.1.2 静态运行参数的确定
• 4.1.3 投药量的确定
• 4.2 模型实验
• 4.2.1 絮凝池不同反应时间对比实验
• 4.2.2 混凝剂投加量的影响
• 4.2.3 温度的影响
• 4.2.4 处理效果分析
• 4.2.5 静-动处理效果差异及反应器放大
• 4.2.6 小间距斜板沉淀机理分析
• 4.2.7 造粒絮凝器
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢