可調式跌水網格混合器的混合性能研究

張碩 張玉先 王家民 包衛彬
（同濟大學環境科學與工程學院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

　　摘 要：生產調試中，采用混合均勻度評價可調式跌水網格混合器的混合性能。試驗結果表明，混合均勻度隨調節高度的增大而變大，最優設計參數條件下，可達到96%以上。混合器對流量變化不敏感，進水流量增大70%時，混合均勻度仍可達到92%。定制的特殊加藥頭可對進水進行薄膜狀連續加藥，有效提高混合效果。最后，指出微觀混合是快速混合的主導作用。
　　關鍵詞：快速混合 混合器 混合均勻度 加藥頭 微觀混合

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，隨著各種新型混合器的廣泛應用和對混凝機理的深入研究，人們發現快速混合對膠體顆粒脫穩及其絮凝作用具有顯著影響，從而越來越重視混合設施的作用。有研究表明，高強度混合作用下的初始凝聚過程可明顯改善顆粒的絮凝及其沉降特性^[1,2]。同時，高效混凝劑的發展也需要相應的混合設施配套發展，混合反應設施應當從傳統的混凝土構筑物發展成現代的多功能反應器。
　　 根據混凝工藝對快速混合的要求和微渦旋理論，借鑒水利工程上的豎井和其他混合池的優點，可調式跌水網格混合器被開發出來。它是一種能快速均勻分散混凝劑于水體，又能方便地調節以適應水量和水質變化的混合新設備。為了研究該產品的實際混合效果，尋求生產上的最優操作條件，在水廠實際應用中對混合器的混合性能進行了研究。

1 混合性能的評價方法

　　利用生產中投加的混凝劑聚合氯化鋁鐵作為示蹤劑，通過測定同一過水斷面上的鋁濃度，計算鋁濃度的平均值、標準方差，進而得到變異系數和混合均勻度評價混凝劑的分散程度，見式（1）和（2）^[3,4]。混合均勻度越高，表明混凝劑在水中混合越均勻。

　　C_v=S/x　　　　　　　 　　（1）

　　η=1-C_v　　　　　　　　　 （2）

　　式中x—鋁濃度平均值；S—鋁濃度標準偏差；
　　　　 C_v—變異系數；η—混合均勻度。

2 試驗裝置和試驗方法

2.1 試驗裝置
　　試驗裝置及流程見圖1。
　　 混合器安裝在混合池內，原水進入混合池后跌入混合器。混合池起到消除水流流速差異，保證四周進水均勻的作用。混合器由混合套管、網格和升降裝置組成。混合套管直徑為1800mm，采用網孔為100mm×100mm的雙層網格，網格間距取200mm，混合器套管進口處上方裝有傘狀的特殊加藥頭部。
　　 在DN1200出水管的同一斷面上安裝兩組夾角90°的取樣管。每組4根，間距200mm。

圖1 試驗裝置及流程示意圖
Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

2.2 試驗方法
　　采用8-羥基喹啉法測定水樣中的鋁濃度，因為此方法受原水中F^-、Fe⁺³、Ca⁺²的干擾較小，精密度和準確度較好。

3 結果和討論

3.1 調節高度對混合均勻度的影響
　　生產中，進水水量或水質變化時，改變調節高度（喇叭口到網格的距離）可調整混合器的性能以適應進水變化。在設計流量1750m³/h下，測定調節高度為20cm、30cm、40cm、50cm、60cm時的各水樣吸光值，分析混合均勻度的變化規律。

圖2 調節高度對混合均勻度的影響
Fig.2 Effect of adjustable space on dispersal efficiency

　　混合均勻度隨著調節高度的增大而變大，調節高度變化對混合器的混合效果具有調節作用。調節高度增大到一定程度后，對混合均勻度的影響減弱。調節高度由20cm增至40cm，混合均勻度提高很快，可達2.5%。調節高度大于40cm后，混合均勻度增長減緩，只有0.6%。這是因為：調節高度增大后，作用水頭變大，從而G值變大，顆粒碰撞速率增大，混凝劑能更加快速及時地分散至水中。調節高度變大后，渦旋中的高頻分量增加，能耗隨之增加，最小渦旋尺度減少緩慢、數量也不再明顯增加，最終湍動擴散在混合中的影響力減弱。
3.2 流量對混合均勻度的影響
　　實際生產中，進水流量常常變化，從大量數據來看，它符合正態分布。但是，調試中的測定數目有限，所以采用類似于正態分布的t-分布處理流量數據^[81]。
　　調節高度為40cm時，通過調節進水閘板改變流量，測定出五種工況下的混合均勻度。

圖3 流量對混合均勻度的影響
Fig.3 Effect of inlet flow on dispersal efficiency

　　混合均勻度均在93%以上，變化幅度僅有2%，并且流量越大，混合均勻度也越大。這是因為：當流量由小變大時，水流速度增加，雷諾數隨之變大，混合器內的紊流狀態更加劇烈，小尺度渦旋數量增加并且接近于臨界尺寸的微渦旋比重提高，加快混凝劑的擴散。流量變大，停留時間變短，但是水解和脫穩過程極其快速，現有設備的停留時間遠遠大于理論上所需的混合時間，所以因流量變大所減少的停留時間不足以影響混合均勻度。
3.3 鋁濃度斷面分布
　　（1）不同調節高度
　　設計流量下，分別測定調節高度為20cm、30cm、40cm、50cm和60cm時各點的鋁濃度。
　　由圖4可知，管中心的鋁濃度比周邊濃度高，橫向和縱向的鋁濃度幾乎相同。管中心的濃度隨著調節高度的增加而變小，周邊的濃度卻隨著調節高度的增加而變大。盡管管中心與周邊的鋁濃度始終有差異，但是調節高度的增加使得混凝劑在水中的分布趨向于一致。

圖4 鋁濃度隨調節高度的變化
Fig.4 Variation of aluminium concentration with adjustable space

　　（2）不同流量斷面濃度
　　 調節高度為30cm時，分別測定流量為1700m³/h、1750m³/h、1800m³/h、1850m³/h和1900m³/h下各點的鋁濃度。

圖5 鋁濃度隨流量的變化
Fig.5 Variation of aluminium concentration with inlet flow

　　由圖5可知，當加藥量不變，各測試點的鋁濃度隨進水流量的增加而變小。周邊的鋁濃度變化比較小，非周邊的鋁濃度變化比較大。這是因為，周邊水流受到了邊界的約束，靠近管壁處更接近于層流，水流狀態受流量的影響較小。遠離管壁的水流則形成自由紊流，水流狀態受流量的影響較大。
3.4 事故工況
　　生產調試期間，二期工藝的加藥管曾經意外破裂，致使不得不減小其進水量，同時增加一期工程的進水量，整個水廠主要依賴一期工程生產。此時，一期工程流量為2300m³/h，比設計流量增大77%。將混合器的調節高度調節到最大60cm，測定各點的鋁濃度。
　　 結果表明，混合均勻度η=96.2%。這說明在事故發生時，盡管一期工程進水流量增加很多，但是混合效果仍然很好，完全可以滿足工藝需求。由圖6可知，距管中心相同距離的測試點處，鋁濃度基本相同。這說明同一斷面上正交方向上的混合結果幾乎沒有差異。斷面上大多數點的鋁濃度均在偏差界限之內，混合效果比較理想。只有較大濃度的管中心和較小濃度的近壁處在偏差界限外。

圖6 事故工況時鋁濃度分布
Fig.6 Aluminium concentration under accident

3.5 一點加藥
　　二期工程的加藥管意外破裂后，水廠人員采取應急措施，鋪設臨時塑料管進行加藥。塑料管放在混合器進口處一側而沒有接到加藥頭上，所以，更換加藥管過程中，二期工程的混合器處于一點加藥。此時，二期工程流量為1870m³/h，將混合器調節高度分別調節到20cm和40cm，測定一點加藥時各點的鋁濃度。

圖7 一點加藥鋁濃度斷面圖
Fig.7 Aluminium concentration under one-point coagulant injection

　　結果表明，一點加藥時的混合均勻度分別為91.8%和95.2%，與相同流量和調節高度下采用加藥頭時相比要低。由圖7可知，兩組工況下，正交方向上的鋁濃度是有明顯差異：縱向上，周邊濃度大于中心濃度；橫向上，中心濃度大于周邊濃度。藥劑在兩個軸向上分散得并不均勻，可能形成縱向上的微粒再穩，而橫向上的微粒卻脫穩不完全。所以，采用特殊加藥頭可提高混合均勻度，改善混合效果。

4 混合機理分析

　　為了實現快速混合，一方面增加藥液和原水的接觸面，另一方面增強混合器內的湍動，產生無數高比例、高強度的微渦旋促進微元變形。混合器內可以分為物料分散區、微觀控制區和宏觀控制區，依次對應喇叭口至網格、網格至喉管、喉管之后。藥液經過傘狀頭部，周向連續投加到自混合池經喇叭口跌入混合器的定點截面水流中。藥液的斷面和跌落水流的斷面均為薄膜狀連續截面，實現向水體各較小單元體均勻分散投加的效果。加過藥液的水流經過網格的剪切和分割，在喉管上部形成含有眾多渦旋的尾流區。此區內，每一部分的液體以幾乎相同頻率強烈混合，活性渦的卷吸作用使渦內形成等體積、交錯排列的層狀結構，微元變形和分子擴散借此進行。喉管的收縮和擴張部位，水流徑向和橫向的壓力和速度產生劇烈變化^[5]，較大尺度的渦旋在慣性力和流體粘性力作用下被擠壓和拉伸，破碎成更小尺度的渦旋。在渦旋的不斷的產生、發展、衰減、消失過程中，片狀微元的變形和旋轉可大大促進分子擴散，促使在小于Kolmogorov尺度上完全均勻。水流經過喉管后，流速變慢，各個分散的分子擴散斑片逐漸合并成一個整體，加快了內部均勻化過程，在宏觀區域內達到分子尺度上均勻，藥劑處于最大混合狀態。所以，前兩個區內，微觀混合占主導地位，直接影響快速反應^[6]，第三個區里則以宏觀混合為主。混合器內，能量有效利用率和混合器容積有效率得到提高，保證了良好的混合效果。

5 結論

　　（1）混合器運行良好，混合均勻度均在92%以上。
　　（2）混合器的混合均勻度隨著調節高度的增加而變大，調節高度對混合均勻度有顯著影響，可以改變調節高度使混合器適應進水的改變，保證混合效果。
　　（3）流量變化時，混合均勻度隨流量變大而增加。混合均勻度的變化在2%左右且最低也高于92%，這說明混合器對流量的變化不敏感。
　　（4）事故時，進水流量比設計流量增大70%左右，但是混合均勻度高達96%，有效保證了混合效果。
　　（5）加藥頭和一點加藥的對比試驗表明，加藥頭可使混凝劑在水中分布更加均勻，從而提高混合均勻度。

參考文獻：

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作者簡介：張碩（1979- ），男，山東淄博人，博士研究生，主要從事水處理理論和技術研究。
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