水处理技术研究进展

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  摘 要:污水处理一直是我国一大热门话题,技术的好坏直接影响我国生活质量水平的提高。在水处理中絮凝技术是关键,絮凝动力学机理能够很好的应用于静态混合器中,有效提高水处理效率。本文介绍了水处理技术基础以及常规工艺,其中静态混合器的选择是水处理中影响水力条件的关键因素,同时综述了国内外静态混合器的研究进展以及应用;最后对水处理研究方法进行分析,数值模拟技术的采用有效提高了实验的效率和质量,对深入探讨絮凝效果、混合状况有较大帮助。
  关键词:水处理;静态混合器;数值模拟
  1 概述
  水不仅是人类生命中必不可少的物质,也是现代化工业不断发展必不可少的条件。我国人均淡水量仍处于供不应求的状态,因此水处理技术成为我国的一大热门话题。水处理的基本常规工艺为混凝→沉淀或澄清→过滤→消毒,这也是饮用水处理技术的主要系统构架。混凝技术的好坏是水处理技术的关键,其包含的絮凝动力学机理应用在广泛使用的静态混合器内,能够有效的提高水处理效率。随着计算机性能的的不断提高,促进了CFD对流体力学中各参数的数值模拟,使得之前无法测量和计算的问题都能够很好的实现。
  2 水处理技术基础
  水处理是指采用一定的物理、化学及生物方法,除去水中的悬浮物、胶体物和病原微生物等,以满足生活饮用水水质标准(GB5479-85)[1]。从20世纪初期开始,饮用水的处理就已经形成了基本的常规工艺,即混凝→沉淀或澄清→过滤→消毒,这组成了饮用水处理技术的主要系统构架[2]。在当今社会,人们对生活质量的不断提高,水处理技术也得到不断的发展与进步,大致可以归为强化常规处理及深度处理技术。强化常规处理是在基本的常规工艺基础上予以加强,为之后的处理工作减轻负担。深度净化处理技术目前较为普遍的有:活性炭吸附,臭氧氧化,光催化氧化,膜分离技术等[3]。根据现有技术和需求展望未来水处理技术有高级氧化技术(TiO2/UV光催化氧化工艺与H2O2/UV处理工艺)、消毒技术(紫外线消毒、膜消毒)、膜分离技术以及电磁离子交换技术等。
  在水处理常规工艺中,混凝是各项步骤的基础。它是指向水中投加混凝剂,通过快速混合,使药剂均匀分散在污水中,然后混合形成大的可沉淀的絮体矾花。混凝过程可分为为3个阶段:①药剂和水的快速混合;②药剂使胶体颗粒脱稳碰撞形成微粒的过程称为凝聚;③微粒在外力扰动下相互碰撞,聚集而形成的较大絮体的过程称为絮凝。在混凝过程中,絮凝的作用是我们研究水处理的重要环节。目前对絮凝技术的研究一方面侧重开发新型、高效、安全的絮凝剂,好的絮凝剂可以促进絮凝体的生成,并且有效的去除水中的浊度,脱色,降低PH值等等。
  在水处理中絮凝颗粒粒径的增大是由于絮凝的结果,这种粒径增大的絮凝过程可以分解为两个过程:絮凝颗粒运动接近过程和碰撞粘结过程。絮凝颗粒能否接近接触, 取决于絮凝颗粒的相对运动和相互碰撞,是碰撞频率的问题; 絮凝颗粒能否碰撞粘结,取决于絮凝颗粒之间短程微观力和流体作用,是碰撞效率的问题。因此, 絮凝效果的好坏取决于絮凝颗粒的本身性质及所处流体的水力条件[4]。水力条件是我们可以调节和控制的主要因素。
  3 混合器的机理及研究
  3.1 混合器的机理
  混合是应用于工业生产的普遍操作,无论是简单的溶解还是复杂的多项系统都需要合理的混合操作,这对后续的反应速率、效果起决定性作用。要想设计出混合效果好的混合器,就必须对它的工作机理进行细致的研究和分析。混合装置依其获得所需能量方式的不同可分为两大类,一类是以机械加注能量的机械搅拌式及动态混合器;一类是以消耗自身水头为能源的水力式及静态混合器。由于静态混合器具有很好的混合效果,同时操作成本低,占地面积小,能耗低,结构紧凑和制造安装方便等优点,因而广泛应用于各种化工单元操作过程中,特别适用于粘度较大的流体的混合、传热和传质,在静态混合器不断发展的形式下,它在过程工业中应用越来越广泛,甚至在很多场合有取代传统的搅拌反应器的趋势[5]。
  3.2 国内外静态混合器研究
  静态混合器是国外70年代初发展起来的一种新型混合设备。静态混合器就是在管路中放置一系列结构相似,按一定规则排列的静止元件,使用这些元件并借助流体的自身动能,实现流体的不断分割、变形、位移和汇合[6],达到流体的充分混合,来完成各种工艺操作。它依靠设备的特殊结构和流体的运动,使互不相溶的液体各自分散,彼此混合起来达到良好的混合效果。流体通过静态混合器时,混合元件使物流时而左旋,时而右旋,不断改变流动的方向,不但将中心的液流推向周边,而且将周边的流体推向中心,从而获得良好的径向混合效果[7],管内无死区亦不发生短路现象。与此同时,在相鄰元件连接处的界面上流体亦会发生自旋。这种完善的径向环流混合作用,使流体在管子横截面上的温度梯度、速度梯度和质量梯度明显降低,从而获得良好的两相流体的混合效果。它可以在很宽的雷诺数范围内操作。但是对于层流和湍流等不同流动状态,静态混合器的混合机理是不尽相同的。静态混合器的主要优点是流体可以在很宽的雷诺数范围内进行混合,且不需要设计运动部件就可以达到混合的目的。
  目前,世界上大约有100多种静态混合器的专利,其中大约有一半类型的静态混合器已实现了商业化。由于静态混合器的突出优点,世界许多研究机构仍然在开发新型结构的静态混合器。按照元件的几何外形特点可以分成两类:螺旋式、板栅条式。国外静态混合器常用类型主要有五种:美国凯尼斯公司研制的 Kenics型,瑞士苏尔士公司研制的SMV型、SMX型、SMXL型,日本车利株式会社研制的Hi型。Kenics型是单螺旋片型,HI型是双螺旋片型,SMV型是波纹板型,SMX型和SMXL型都是横条型[8]。在国内,上海化工研究院率先开始研制和开发静态混合器,根据对国外以上五种形式的研究开发了五个具有代表性的静态混合器类型,即SK型、SV型、SX型、SL型和SH型。其中,SK、SH型属于螺旋式,其余的属于板栅条式。根据混合单元不同的结构特点,目前国内生产的静态混合器已有相对应的类型供参考[9]。   静态混合器的研究开发,只有十几年的历史与动态混合(搅拌)相比,但还远远没有成熟,因此鉴定和得奖并不意味着研究工作的结束,只不过表示第二阶段的开始。静态混合器的研究工作主要围绕这三个方面进行:大型化、整机化、计算机化。
  3.3 静态混合器的应用
  静态混合器最初主要利用的是它的混合性能,即用于各种流体的混合。随着研究的不断深入,应用的范围也变宽:用于各种强化传质的化工操作,并逐步应用于一些简单的化学反应。近来,我们应用静态混合器进行了乙氧基化反应的研究,取得了较好的效果。随着科学技术的发展,特别是在技术改造中静态混合器越来越有应用价值。它可以替代反应设备,或在动态反应设备前加上静态混合器,使物料混合效果更好,从而在减少反应时间、节省能耗、减少投资等方面都起到重要作用。近年来,除了在原有的类型上继续发展专用性产品、单元产品、系列化产品外,国内外已经开始研究或生产整机化产品,并把静态混合技术与换热器或反应器结合起来,进一步提高工艺性能,扩大应用范围。
  4 静态混合器的数值模拟
  静态混合器内的混合过程实际是流体的运动过程,所以其研究方法与流体力学相同,主要有实验研究、理论研究、数值计算三种。随着计算机性能的提高,CFD(计算流体力学)的发展特别快,也是流体力学的一个新兴领域,以前许多无法解决的问题现在已经可以实现,因此它的使用不断得到普遍和优化。它的优点是成本低、获取数据快捷、获得数据量丰富、对复杂几何形状的适应能力强。
  对于CFD 在静态混合器模拟中的应用国外的研究早于国内,以研究低雷诺数下的流动和混合特性为主。早期的关于 Kenics 静态混合器的模拟是把 N-S 方程转化到螺旋坐标系统中来求解方程。Tung[10]求解了动量方程获得了流速场。虽然他的计算是错误的但是给CFD在静态混合器模拟中的应用开了一个开端。Hobbs等通过研究其相邻混合元件结合处流体横截面的示踪粒子的轨迹线,定性的描述了其混合过程特征,同时建立了流体混合状态与流经混合器的轴向距离之间的方程,定量描述了混合性能。研究结果说明Kenics静态混合器的混合过程是一种无序混合。文献[11]对Kenics静态混合器的强化传热进行了研究。文献[12]以空气和水为介质用实验法测定了Kenics静态混合器的压力降。另外Fradette 等人利用三维有限元分析的方法对 SMX 型静态混合器内流速场及压力降进行了数值模拟,计算包括牛顿流体和非牛顿流体[13]。Visser 等人[14]对 SMX 型静态混合器三维流动和传热、牛顿流体和非牛顿流体进行了数值模拟,计算得出的停留时间、压降、和传热与实验吻合较好,摩擦因子在层流区中基本为常数。
  近几年,国内也有一些研究中开始使用CFD来揭示静态混合器的流动和混合行为。张鸿雁等[15]采用大涡模拟方法对内置翼片管式静态混合器内部的速度场和浓度场进行了研究,比较了带有3种不同结构翼片的静态混合器的混合效果;陈晓春在以往静态混合器层流研究基础上,对湍流混合理论进行了研究,并对Kenics KEV型静态混合器进行了大涡模拟研究。总之国内的研究主要集中于压力降、流动特性和混合与传递性能分析以及结构设计等。由于计算机的不断发展,文献[16]对Kenics静态混合器的拉伸混合和无序混合等方面进行了进一步的研究。
  总结上面的知识可得:对于受边界条件影响较大的大尺度运动,采用数值计算直接模拟;而对于具有较多普适性的小尺度湍流运动,则通过构造模型来模拟其对大尺度运动的影响。大涡模拟通常采用低通滤波运算,将湍流尺度划分为亚滤波尺度和可分辨尺度两个尺度范围。对可分辨尺度量直接用数值方法求解,而亚滤波尺度量的贡献则通过构造模型来模拟。由于对小尺度量采用亚滤波尺度模型,大涡模拟的计算量比直接模拟方法要少得多。总之大涡模拟方法能够准确、有效地处理自由湍流,因而像剪切层混合、自由射流、尾迹分离区等雷诺平均方法难以准确计算的自由剪切湍流问题恰恰是大涡模拟计算的强项。因此大涡模拟的研究将极大地改善计算流体力学对飞行器大攻角非定常分离流动、钝体绕流(如汽车)等问题的模拟精度,也对研究流动噪声、流固祸合等问题提供了新的手段,这些问题往往都是工程实际中亟待解决的。
  5 总结
  水处理技术的改进是现代社会的总趋势,将混凝动力学机理有效应用到静态混合器中,可以显著提高水处理效率。随着计算機技术的不断提高,将数值模拟方法应用到静态混合器上,可以通过设定条件来得到不同条件下流体的运动状态,比如速度、压力及涡旋强度等等。同时为了试验的准确性和普遍性,一定的验证是必要的。这些研究为之后水处理技术的不断提高做了很好的基础铺垫。■
  参考文献
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