多级速度梯度流化床混凝装置

摘要

本发明涉及一种多级速度梯度流化床混凝装置。多级速度梯度流化床混凝装置底部通过配水系统，从下至上依次为速度梯度I床层，速度梯度II床层，速度梯度III床层，上部设有扩大段和出水口，速度梯度I床层的高度是速度梯度II床层或速度梯度III床层高度的1/3-1/5。提高了形成絮体的沉降性能，与现有的隔板/折板混凝池、机械混凝池相比，速度梯度的递减发生在纵向，避免了已形成具有相当尺寸的絮体在反应末端发生破碎，有利于胶体颗粒碰撞和絮体的再增长，形成大尺寸、高密度的絮凝体。多级速度梯度流化床混凝装置不需要增加机械设备，可满足各种水质水量的设计需求，工艺可调性强，占地面积小，工程造价低廉，安装简单，维护管理方便。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种使液体或流动液体中胶体和悬浮物颗粒凝聚为大的絮凝体的装置，尤其是多级速度梯度流化床混凝装置。

背景技术：

固体颗粒流态化是指颗粒始终悬浮于液体中并剧烈运动，具有类似液体的自由流动性，从而能够在液体中形成微涡，强化物质的扩散过程，提高生物、化学反应速度。流化床即为一种在液相剪切力作用下使颗粒处于流化状态的反应装置。90年代开始，Elmaleh等研究了流化床混凝工艺在污水处理和水中藻类去除等方面的应用。2005年，Cheknane等以硫酸铝为絮凝剂，通过实验和分析手段证实将流化床应用于Algiers地区的海水处理是可行的。研究表明，流化床内的有机物和胶体颗粒物质的主要混凝机理是网捕卷扫作用，在酸性条件下，也包括电性中和作用。另外，他们也观察到在上向流流化床反应装置中，随着固相颗粒的运动，沿着床高方向凝聚作用始终发生，絮体逐渐成长。研究证实，流化床混凝反应工艺停留时间短，混凝效率高于传统混凝工艺。实际上，流化床混凝反应装置内导致颗粒发生混凝的因素是固相颗粒的扰动。在我国也有流化床作为混凝反应器的报道。赵汝傅和黄留堂经过混凝过程对水力学要求的分析，以及对“脉冲澄清”技术的分析，提出采用石英砂流化床混凝器的设想。但总的来说，目前关于流化床混凝工艺的报道比较少，且均基于对单一速度梯度流化床混凝技术的探讨，关于多级速度梯度下流化床混凝技术的研究和应用还未见报道。

现有净水厂常用的混凝池主要包括隔板或折板式水力混凝池和机械混凝池。在隔板/折板混凝池中为了达到流速递减的目的，即实现多级速度梯度，多采取保持池底相平、逐渐放宽隔板/折板间距的措施。这种办法工程造价较高、占地面积大。特别是由于检修和安装的需要，折板和隔板间要保证一定的间距，这使得该工艺在应用于小型水厂时受到了限制。机械混凝池虽然解决了隔板/折板混凝池在应用时受水质水量限制的问题，采用调整搅拌速度的手段适应各种水质、水量的变化。但是该工艺增加了机械维护维修的费用，操作管理复杂，工程造价较高。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种适于饮用水或废水处理和食品或发酵工业颗粒流态化作用下的多级速度梯度流化床混凝装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

混凝技术现已被广泛应用于饮用水处理、废水处理和食品、发酵工业等领域，其目的是使水中胶体和悬浮物颗粒凝聚为大的絮凝体，从水中分离出来。

多级速度梯度流化床混凝装置底部设有配水管或分布板配水系统，从下至上依次为速度梯度I床层，速度梯度II床层，速度梯度III床层，上部设有扩大段和出水口，速度梯度I床层的高度是速度梯度II床层或速度梯度III床层高度的1/3-1/5。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

速度梯度I床层可选择砾石、玄武岩或石英砂，其粒径1-2mm，密度2.0-4.0×10³kg/m³。

速度梯度II床层装有无烟煤、陶粒或硅胶颗粒，其粒径0.8-1.5mm，密度1.3-1.6×10³kg/m³。

速度梯度III床层装有树脂颗粒、塑料空心球或活性碳，其粒径0.4-1.0mm，密度1.1-1.3×10³kg/m³。

床层表观流速控制在1.2-1.8cm/s。

有益效果：本发明是利用不同性质颗粒在同一表观流速下具有不同流态化行为的特性，速度梯度的大小由颗粒的性质和表观流速共同决定。提高了形成絮体的沉降性能，与现有的隔板/折板混凝池、机械混凝池相比，速度梯度的递减发生在纵向，大尺寸、大密度的颗粒位于流化床混凝装置最底部，处于膨胀状态，颗粒间相对静止，各颗粒间不存在压力作用，促进混凝剂与进水的混合，均匀的布水使其它各层颗粒在流态化作用下形成微涡旋，为胶体颗粒碰撞创造了条件，颗粒在有效重力作用下随着床层增高而减小，微涡的紊动性也逐渐减小，避免了已形成具有相当尺寸的絮体在反应末端发生破碎，有利于胶体颗粒碰撞和絮体的再增长，形成大尺寸、高密度的絮凝体。多级速度梯度流化床混凝装置不需要增加机械设备，可满足各种水质水量的设计需求，工艺可调性强，占地面积小，工程造价低廉，安装简单，维护管理方便。

附图说明：

附图是多级速度梯度流化床混凝装置的结构图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

本发明基于颗粒流态化理论，利用不同性质颗粒在同一表观流速下具有不同流态化行为的特性，在流化床混凝装置中获得混凝反应发生时所需的多级速度梯度，以提高该工艺所形成絮体的沉降性能。采用以不同密度和尺寸的球形颗粒为固相，以所处理的废水为液相的固-液流化床混凝装置，在沿床高方向填充3-4种不同性质的颗粒，颗粒的尺寸和密度随着床层高度增加依次减小。因此在一定的处理水量下，各级颗粒所在床层具有相同表观流速，而由于颗粒性质(尺寸、密度、空隙率等)不同，引起颗粒所受曳力存在差异，最终导致颗粒见空隙率沿床高个床层发生分级，即在床体中形成3-4个不同的速度梯度，

在混凝工艺中，确保颗粒发生碰撞的必要条件即相互碰撞的悬浮颗粒或胶体具有不同的流动速度，其碰撞速率为：

$N_0=\frac{4}{3}{n}^2{d}^{3}G$

其中(Camp and Stein，1943)，

$G=\sqrt{\frac{\mathrm{gh}}{v·T}}---\left(1\right)$

式中，G表示速度梯度，n表示颗粒浓度，d表示颗粒直径，g为重力加速度，h为混凝工艺中的水头损失，T表示混凝时间，υ表示水的动力学黏度。

上式中，水头损失h可由下式计算(Ergun公式，1952)

h＝(1-ε)(ρ_s-ρ_l)gL                            (2)

$T=\frac{\mathrm{ϵL}}{U}---\left(3\right)$

将式(2)和式(3)带入式(1)可知，

$G={\left[\frac{g({\rho }_s-{\rho }_l)(1-ϵ)U}{\mathrm{ϵ\mu }}\right]}^{1/2}---\left(4\right)$

其中，ρ₁为流体的密度，μ为流体的运动粘度，ε为床层空隙率，U为表观流速，L为膨胀床高。

而颗粒处于流化状态时，床层空隙率可采用下试计算(Richardson and Zaki，1954)：

U＝U_t(1-ε)ⁿ                            (5)

式中，U_t单一颗粒的终端沉降速度，n为RZ指数。忽略边壁效应，根据Rowe的模型(Rowe，1987)，RZ指数n与颗粒的雷诺数$(\mathrm{Re}=\frac{{\rho }_l{U}_t\mu }{d})$相关，可以由下式获得，$n=2.35\frac{2+0.175{\mathrm{Re}}^{3/4}}{1+0.175{\mathrm{Re}}^{3/4}}---\left(6\right)$

在流化床混凝装置中，由式(4)可知速度梯度是颗粒密度、表观流速和床层空隙率的函数，而由式(5)可知床层空隙率与又是颗粒的尺寸、密度和球形度的函数。因此，流化床混凝装置内速度梯度的大小可由颗粒的性质和表观流速共同决定，沿床层高度上填充多种不同性质的颗粒，即可流化床混凝装置内实现多级速度梯度。

实施例1

在多级速度梯度流化床混凝装置底部设有配水管配水系统，混凝装置的最下层为速度梯度I床层，该床层装有粒径2mm石英砂，密度2.6×10³kg/m³，填装高度0.4m，向上为速度梯度II床层，该床层装有粒径1.5mm的硅胶，密度1.5×10³kg/m³，填装高度2m，再向上为速度梯度III床层，该床层装有粒径1.0mm的树脂颗粒，密度1.2×10³kg/m³，填装高度2m，再向上为扩大段和出水口。水经配水系统进入混凝装置，依次通过I床层、II床层、III床层和扩大段絮凝，再经出水口流出，进入沉淀或过滤工序，床层表观流速控制在1.2cm/s，水力停留时间约为10min。

实施例2

在多级速度梯度流化床混凝装置底部设有分布板配水系统，混凝装置的最下层为速度梯度I床层，该床层装有粒径2mm砾石，密度3.0×10³kg/m³，填装高度0.3m，向上为速度梯度II床层，该床层装有粒径1.0mm的无烟煤，密度1.4×10³kg/m³，填装高度1.5m，再向上为速度梯度III床层，该床层装有粒径1.0mm的活性碳，密度1.2×10³kg/m³，填装高度1.5m，再向上为扩大段和出水口。水经配水系统进入混凝装置，依次通过I床层、II床层、III床层和扩大段絮凝，再经出水口流出，进入沉淀或过滤工序，床层表观流速控制在1.5cm/s，水力停留时间约为8min。

实施例3

在多级速度梯度流化床混凝装置底部设有分布板配水系统，混凝装置的最下层为速度梯度I床层，该床层装有粒径1.5mm玄武岩，密度4.0×10³kg/m³，填装高度0.4m，向上为速度梯度II床层，该床层装有粒径0.8mm的陶粒，密度1.4×10³kg/m³，填装高度2m，再向上为速度梯度III床层，该床层装有粒径0.4mm的塑料空心球，装填密度1.1×10³kg/m³，填装高度2m，再向上为扩大段和出水口。水经配水系统进入混凝装置，依次通过I床层、II床层、III床层和扩大段絮凝，再经出水口流出，进入沉淀或过滤工序，床层表观流速控制在1.8cm/s，水力停留时间约为5min。