陳偉　高乃云　范瑾初

　　提要　評價水廠中折板絮凝池的實際運行狀況是一件比較困難的事。從反應器角度出發,利用反應器工作原理,結合具體的測定實例,對折板絮凝池運行狀況的評價方法作了一些探討。
　　關鍵詞　折板絮凝池　反應器　運行狀況　評價

0 前言

　　折板絮凝池是近十年來在隔板絮凝池基礎上發展起來的一種絮凝池形式,其構造是在池內放置一定數量的平行折板或波紋板,水流沿折板豎向上下流動,多次轉折,促使絮凝。目前,折板絮凝池在水廠已經得到了廣泛的應用,其優點是水流在同波折板之間曲折流動或在異波折板之間連續不斷地縮放流動,形成眾多的小渦漩,從而提高了原水中顆粒碰撞絮凝的效果。在折板的每一轉角處,兩折板之間的區域可以視作一個完全混合連續型(CSTR) 反應器。眾多的CSTR 單元反應器串聯起來,就接近推流型(PF) 反應器。因此,從總的情況看,折板絮凝池接近于推流型反應器
　　為了提高后續的沉淀池對已絮凝的顆粒沉降分離的效果,在折板絮凝池中的水流流速應沿流程逐漸減少。絮凝池一般分為前段、中段和后段三段。前段各格的豎向流速較大(一般0.25m/ s～0.35m/ s)以利于水中顆粒碰撞形成大而密實的礬花;后段各格的豎向流速較小(一般0.05m/ s～0.15m/ s) ,以避免形成的礬花破碎。這樣,在絮凝池中存在著沿流程的流速梯度,而且水流是豎向上下流動,多次轉折,這些給實際測定絮凝池的工作運行狀況帶來了很大困難。我們試圖從反應器原理來對折板絮凝池的工況評價進行一些探索。

1　非理想均相反應器

　　完全混合間歇式反應器(CMB) 、完全混合連續式反應器(CSTR) 和推流式反應器( PF) 是三種理想反應器。在實際反應器中,由于在反應器內部存在著液體不流動或流動極緩慢的死角,降低了反應器的有效容積。反應器中液流未經主體流動而發生的短路流以及在推流式活塞流中由于渦流等引起的返混現象,均使得實際反應器情況復雜化。通過研究反應器中的返混程度,可以衡量實際反應器偏離理想反應器的程度,從而可以定性了解反應器中的流體型態,判斷該反應器接近哪一種型式的理想反應器。返混程度可以用停留時間分布來衡量。目前停留時間分布已成為反應器設計和放大必須考慮的因素之一。
1.1 停留時間分布函數
　　考察停留時間分布一般可采用兩種統計方法:一種是年齡分布,即反應器中的流體物料從進入反應器到進行考察的某一瞬間,不同停留時間的物料質點在設備中的物料總體中所占分率的分布;一種是壽命分布,即從反應器入口到出口,不同停留時間的物料質點在物料總體中所占分率的分布。通常,所謂停留時間分布指壽命分布。
　　停留時間測定主要采用激發—響應技術。其中,常用的方法是脈沖響應法,如圖1 所示。當物料以恒定的體積流率( V S ,0) 通過一定體積的反應器時,在反應器入口處脈沖注入示蹤物,同時在反應器出口處按一定時間間隔測定示蹤物的量。脈沖響應法操作方便,其缺點是不易保證示蹤物投加的瞬時性。
　　設示蹤物的注入量為m ,在反應器出口處測得停留時間為t～ ( t + Δt ) , 示蹤物的流出量為Δm ,則這部分示蹤物在注入總量中所占的分率為Δm/m 。

　　稱E(t) 為停留時間分布函數,則有停留時間分布函數曲線E(t)～t如圖2 所示。

　　τ表示平均停留時間,可得

　　

　　理論停留時間T 為

　　T=V/Q　　　　　　　　　　　　　(6)

　　式中V 為反應器體積; Q 為流體流量。

　　

　　令F(t) = C(t)/C0 表示在出口物料中, 在反應器內停留時間由0 到t 的物料在總物料中所占的分率,稱為累積停留時間分布函數,如圖3 所示。

　　

1.2　縱向擴散模型(PFD)
　　實際反應器介于PF 和CSTR 兩種理想反應器之間。PFD 的基本假設便是在推流型基礎上加上一個縱向混合,而這種混合又設想為一種擴散引起, 其中包括分子擴散、渦流擴散、短流、環流及流速不均勻等。可采用類似于分子擴散方程,以縱向擴散系數( Dl) 來表征它的特征:

　　

　　式中Jl 稱為縱向擴散通量。

　　PFD 模型的另一假設條件是:在垂直液流方向上,濃度是完全均勻的。因此, PFD 模型的質量傳遞就是液體主流和縱向擴散。圖4 為縱向擴散模型的示意圖,它在PF 型的質量傳遞上多了一項縱向擴散量。

　　

　　設反應器長L ,斷面積為ω,液體以均勻流速v流動。物料i 僅在縱向存在濃度梯度,在垂直液流方向上完全混合均勻。在圖4 中取一微元長度Δx ,列出物料平衡算式如下單位時間物料輸入量

　　

　　單位時間物料輸出量

　　

　　單位時間化學反應量

　　ωΔxr(Cj)

　　單位時間微元內物料變化量

　　

　　式(12) 中(D_l/vL)稱為返混準數,其倒數Pe=(vL/Dl)稱為Peclet 準數。若停留時間分布近似于正態分布,則有

　　σ2=2/Pe　　　　　　(13)

　　式(13) 中σ2 稱為停留時間分布的離散度,即有

　　

　　對于推流式反應器(PF) ,返混準數(D_l/vL)＝０,即無返混現象。

　　對于完全混合連續式反應器(CSTR),(D_l/vL)＝→∞。

　　對于實際反應器,當返混準數(D_l/vL)≤0.002時, 為小量擴散; 當(D_l/vL)≥0.2時, 為大量擴散, 當0.002 ≤(D_l/vL)≤0.025時, 可認為反應器接近推流式反應器。

2　折板絮凝池運行狀況評價

　　上海某水廠工藝流程為黃浦江原水經管式靜態混合器混合后,經配水渠進入折板絮凝池,在絮凝池中經絮凝后進入平流沉淀池,再經普通砂濾池過濾進入清水池。該折板絮凝池設計處理能力為50 000m3/ d ,設計絮凝時間15min ,絮凝池起端流速0.35m/ s ,末端流速0.10m/ s。絮凝池如圖5 所示, 縱向分為7 格,每格中放置4 排同波折板,水流沿折板豎向上下流動,多次轉折。

　　用脈沖響應法測定折板絮凝池停留時間分布曲線,以了解池子實際的水流特征。以食鹽(NaCl) 作為示蹤物。先將16kg 食鹽充分溶解,配制食鹽溶液,在如圖5 所示的(1) 格進水端將食鹽溶液瞬間傾倒于絮凝池中,用精度為1/ 100s 的秒表開始計時。同時,在絮凝池出水口處(如圖5 所示的A、B 點) 取水樣進行混合代表絮凝池出水水樣,測定混合水樣中Cl - 濃度。在傾倒食鹽溶液之前,先在(1) 格進水端0 點處取水樣測定Cl- 濃度作為原水中的Cl-濃度。測定時水溫為t=9.5 ℃,水的運動粘滯系數γ= 0.013 29cm2/s , 進水流量Q = 2600m3/h ( 即62400m3/d) ,原水Cl-濃度為60mg/L 。測定結果見表1。根據表1繪制C～ t 曲線,如圖6 所示。

　　采用代數和方法求出C～ t 曲線與原水Cl - 濃度( 60mg/ L ) 所圍的近似面積A , A = ∑C′Δt =60mg·min/ L ,列表求出絮凝池平均水力停留時間τ,見表2 。
　　由表2 可知, 當取樣測定時間為15min 時,F( t) = 0.317 2 ;當取樣測定時間為19.5min 時,F( t) = 0.950 6 ,即經過19.5min 從折板絮凝池出口處流出的示蹤物(食鹽) 累計量達到總投入量的95 %。這說明該絮凝池池壁以及水中的雜質和已形成的絮凝體礬花等對投入的食鹽示蹤物吸附較少,采用脈沖響應法,以食鹽作為示蹤物測定折板絮凝池水力停留時間是可行的。表2 中計算出的該折板絮凝池平均水力停留時間為τ= 15.4min (進水流量Q = 62 400 m3/ d) ,這同設計絮凝時間15min (進水流量Q = 50 000m3/ d) 有一定的差距。

　　根據表2 繪出停留時間分布函數曲線E(t)～t和累積停留時間分布函數曲線F(t)～t,分別見圖7和圖8。

　　由圖7 的E( t ) ～ t 曲線可見該曲線近似于正態分布,則根據公式(13) : 可近似求得該折板絮凝池的返混準數。

　　停留時間分布離散度

　　

　　返混準數

　　

　　返混準數在0.002～0.025 之間,說明該折板絮凝池接近于PF 推流型反應器,池子內返混程度較小,水流引起的短流、渦流等影響較弱,這同圖8 累積停留時間分布函數F ( t ) ～ t 曲線所表達的是一致的。從反應器原理角度評價,該絮凝池運行狀況良好。再結合絮凝體礬花在池子中形成的具體情況( 如礬花絮體的大小和密實度等) ,則可以判斷絮凝池的運行效果。

3 　結語

　　將折板絮凝池整體上近似當作PF 推流型反應器,用食鹽作為示蹤物,利用反應器原理中停留時間分布和縱向擴散模型(PFD) 來分析絮凝池的返混程度,以判斷實際工作的折板絮凝池偏離理想反應器的程度,從而評價池子的運行狀況。這可以作為一種評價絮凝池運行狀況的可行方法。采用脈沖響應法測定絮凝池水力停留時間分布時,一定要注意保證投加示蹤物的瞬時性,以減少對絮凝池出水口處示蹤物濃度測定的影響。由于折板絮凝池本身構造的復雜性和池內水流流態的轉折多變,在用該法評價池子運行狀況時還需考察池內絮凝體礬花形成的情況。

參考文獻

1 嚴煦世,范瑾初. 給水工程(第三版) . 北京:中國建筑工業出版社,1995
2 許保玖. 當代給水與廢水處理原理. 北京: 高等教育出版社,1991
3 嚴煦世主編. 給水排水工程快速設計手冊. 北京:中國建筑工業出版社,1995
4 李國建. 反應工程學. 同濟大學環境工程學院研究生講義
5 范瑾初. 水處理理論概論. 同濟大學環境工程學院研究生講義