污水处理用旋流分离器性能研究及安全性评价

污水处理用旋流分离器性能研究及安全性评价

刘瑞楠

刘瑞楠哈尔滨绿怡工程评价与检测有限责任公司150000

摘要水力旋流器广泛的应用于工业领域，本文针对普通水力旋流器效率低；多级串联使用能耗高、占用空间大等缺点，设计出一种新型高效的级联式旋流器。采用实验和模拟相结合的方法进行研究分析。

关键词污水处理旋流分离器安全评价

随着世界能源的日益短缺、废水排放负荷加重及废水中污染物种类的日趋复杂化等问题，同时人们环保意识和要求的不断提高，迫切要求开发高效节能的环境治理新设备；据专家分析2009~2010年国家环保投资占同期国民生产总值的1.7%；同时，市场对环保机械的需求约为3200亿人民币。作为高效节能环保设备的水力旋流器，被广泛的应用到了各个领域，近年来许多研究人员都在进行进一步分析研究。

1.水力旋流器在环保工程上的应用

水力旋流器具有分离效率高、装置紧凑、操作简单、维修方便、占地面积小等优点，无论对于环境保护，还是对于降低运营成本而言都有重要现实意义，目前已经在环保工程的各个领域得到广泛的工业化应用。

化工生产废水含有大量污染环境的有机或无机物质。在纯碱生产中，旋流器替代转鼓真空过滤机，可以使煅烧过程几乎不返碱，并且能降低蒸汽能耗、提高处理能力、能够降低成本、节水节能和减少环境污染。在磷酸污水循环利用工艺中，利用旋流器进行初分级，不但能够清液回用，而且彻底根除污水排放。在氧化法生产环己酮工艺中，环己烷氧化溶液中的含碱物质能有效被脱除。精对苯二甲酸废水处理装置中，SXD型水力旋流沉淀器去除苯二甲酸颗粒，分离效率平均达到80%左右，对废水的达标排放起到了重要作用。

在水质净化领域，法国VeolieWater公司开发并被广泛应用于全球大型水厂的ACTIFLO工艺中，作为重要设备的水力旋流器实现了污泥水的有效分离。其次，在农业灌溉和地下水的除砂应用中，水力旋流器分离水中泥沙，解决了管道的堵塞问题。针对暴雨径流具有流量大、冲击性强、污染负荷高、所含固体颗粒物的粒径较小等特点，江苏大学设计出暴雨径流旋流分离器。通过试验和模拟分析结果表明此旋流器对这种具有流量大、脉动性强、SS浓度高、含有大量固态氮磷污染物的暴雨径流污染源有很强的针对性。

2．级联式水力旋流器的分离机理

级联式水力旋流器基本工作原理同普通水力旋流器的分离机理一样，都是基于离心沉降作用。工作时，待分离的两相混合进料液以一定的压力进入旋流器后，产生强烈的向下旋转运动(外旋流)，由于轻质相和重质相存在着密度差，以及所受的离心力、向心浮力和流体曳力大小不同，同时受离心沉降作用，大部分重相被甩向器壁，沿壁面重力下沉至第一级旋流器下端的同轴线上连接的第二级旋流器导向叶片入口，部分轻质相沿中心管做上升旋转流动（内旋流）至一级溢流口；同时，一级底流进入第二级旋流器的料液进行再次分离，而二级溢流经二级溢流管最终由一级溢流口排出，底流液由底流口排出，从而达到两相分离的目的。

图1级联式水力旋流器工作示意图

级联式水力旋流器设计及制造的结构参数，直接决定其分离性能的好坏。因此，对级联式水力旋流器进行结构设计主要就是要确定造旋的叶片及其各部分的结构参数。这些参数主要有：级联式水力旋流器的叶片出口角度、两级主直径、各开口尺寸、各溢流管的伸入长度和锥段锥角的大小等，具体如图2：

图2级联式水力旋流器结构尺寸图

3．水力旋流器实验结果分析

二次流（secondaryflow）指在主流区域内出现的一种与主体性质不同的从属流动。产生二次流动的原因很多，表现也比较的复杂。在水力旋流器中主要表现为循环流和短路流，主体流为内旋流和外旋流。液体在旋流器内同时产生两种基本的同向旋转液流，即双旋流模型中的向下的外旋流和沿螺旋线向上的内旋流。在外旋流和内旋流之间位于溢流管以下产生循环流（A），该循环流的存在与溢流管的通过能力有关，主要原因是溢流管来不及将液体全部排出，未排除的流体在该区域做自下而上的循环流动，在内部是先向上再向外。

在旋流器的柱锥段也分别有循环流（B）的产生，并呈以几何中心为对称轴，呈现交错出现的现象。有研究表明：随着流体的不断给入，在流体逐渐递换的过程中，循环流中流体并非循环不息的相同流体介质的往复运动。在级联式水力旋流器内，循环流在一级旋流腔内分布更普遍，从两种结构的分析可以发现：该类循环流的存在与底流口的排放能力有关，其底流来不及及时的排出，进而转化为内旋流向上的运动；在级联式水力旋流器中，一级底流由于二级叶片流道空间的限制，使得不能及时进入二级旋流腔内，同时又受到一级溢流口流量的限制，所以产生的循环流（A）要比单级旋流器要广布，同时循环流（B）的数量也要多很多。研究表明循环流对分离过程有一定的影响。在一般情况下，有循环流的分离空间往往无内迁流体发生。