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活性滤料滤池气提系统影响因素研究
作者:管理员    发布于:2017-07-12 14:11:49    文字:【】【】【

  曾如婷,张鸿涛,程林波,等。2013.活性滤料滤池气提系统影响因素研究。环境科学学报,33(5):1239-1243活性滤料滤池气提系统影响因素研究曾如婷1,张鸿涛,程林波2,高磊1,黄黛诗1,张建伟2,宁涛2清华大学环境学院,北京100084北京国环清华环境工程设计研究院有限公司,北京100084(直径X高),由有机玻璃粘结而成,侧边设试验装置工艺流程图Fig.有排水管,底部设有放空管。以石英砂(粒径为进行试验。采用空压机供气,空压机出口设置过滤器及稳压阀,经过过滤和稳压调节后的空气进入提砂装置的提砂管,通过气体流量计和阀门进行流量计量和调节。流量计选用2个量程,用于不同气量的计量。被提升的砂和水通过位于顶部的收水槽收集,分别进行定量测量。测量提砂量的天平量程为2.2试验方法选用内径分别为10、5和20mm的提砂管,管长L均为900mm,将其固定于提砂装置中间,管底距装置底部=200mm.采用直径5mm的单孔进气,孔中心距提砂管底=30mm.在恒水头状态下,测量各个管径条件下提砂管被提升的水和砂的体积和质量随压缩空气流量的变化。试验过程中保持装置内水深H恒定,分别为3.1气量对砂水提升量及效率的影响提砂管位于装置中心,底部位于水下,顶部在水上,无空气通入时,管内外水位持平,呈稳定状态。压缩空气由位于水下的进气口进入提砂管内,在上升过程中逐渐膨胀,最终从管口离开。随着气量的增大,提砂管内的混合物呈现出不同的流动状量很小时,气泡较少且小,分散在水中上升,试验中可以观察到管内水位高于装置液面,但没有水和砂从管口流出,这种状态称之为气泡流。当空气通入量超过临界值后,便由气泡流转变成团状流,气泡多且大,大到能使砂水被提升到管口以上,在此状态下砂水的提升量随着气量的增加而迅速增长。此后随着气量的增大,团状流转变为环状流,此时提砂量反而随气量增加而减少。

  在试验过程中压缩空气做功过程可视为等温变化,根据物理化学基本原理按等温膨胀可将压缩空气提供能量表示为:流量(m.s―1),外为压缩空气压强(Pa),2为标准状况下大气压(Pa)由势能的增加,可得提砂和水所需的能量分别为:(L-min1),s为砂的密度(kg-m3),w为水的密度(kg.m-3),为重力加速度(9.管底与液面距离(m),1为提砂管底与装置底部距离(0.2m),为提砂管长度(0.9m),Pw为提水所需能量(W),(为提水量(Lmin-1),则提砂的效率ns和系统总提升效率n分别为:=10mm的提砂管在水深=1050mm时,提升砂水量、提砂效率吼及总提升效率n随气量Qa的变化关系。从可以看出,随着气量的增大,砂和水提升量及效率均呈现先增加后减小的趋势,且系统的最大提砂量工况和最高总提升效率工况并不一致。这是由于随着气量的增大,提砂管内的混合物从气泡流逐步转化为环状流(Kassabetal.,2007),砂水提升能力也随之发生变化。开始时提砂量主要受气量控制,随着砂水提升量的变化,提砂管管径也成为了提砂量的制约因素。其次,由于砂水密度的不同,在此过程中提升砂水的比例也随砂水提升量变化,导致系统的最大提砂量工况和最高效率工况不致。

  从中还可以看出,提砂效率和系统总效率均较低,这是由于提砂过程中水、气、砂三相剧烈摩擦和紊流作用消耗了大部分的能量所导致,同时也是提砂过程可以分离滤层中截留的污染物(Krameretal.,2009),达到洗砂目的的主要原理。

  3.2管径对提砂量的影响给出了水深1050mm时,直径D分别为10、15、20mm的提砂管的提砂量Qs随气量Qa的变化关系。从可以看出,在刚开始提砂的阶段,提砂量与供气量呈正比,此后则逐渐趋于平缓;不同管径的最大提砂量不同,并在达到各自最大提砂量后则逐渐下降。在QA<50NL.h-1时,直径10mm的提砂管提砂量最大;随着气量的加大,10mm提砂管提砂量逐渐达到最大,之后开始减小,而此时直径15mm和20mm提砂管的提砂量仍在增加,故当50NL.h-1提砂管提砂量最大,10mm提砂管次之,20mm提砂管最小;当150NL.h-1提砂管提砂量最大,20mm提砂管次之,10mm提砂管最小;当QA>350NL,h-1时,20mm提砂管提砂量最大,15mm提砂管次之,10mm提砂管最小。由图可知,系统的最大提砂量取决于提砂管的直径,即横截面越大,可通过的最大砂量越大。

  管径对提砂量的影响Fig.在提砂过程中,被提升的水与砂的比例直在发生变化,给出了提砂过程中提升水砂体积比In(Q/Qs)与提砂量InQs的关系曲线。从中可以看出,在气提系统的正常提砂工况下,随着提砂量的增加,被提升的混合物中水的体积比逐渐下降。试验数据表明,被提升水砂体积比的对数值与提砂量的对数值呈线性关系,即:ln(Q/Qs)试验结果表明,系统的最大提砂量取决于提砂管的直径,这是由于提砂管的横截面积限制了三相混合物的最大通量,故而最大的提砂量取决于提砂管的直径。另外,提升的水砂比可以认为与提砂管的直径无关。这是因为在提砂量相同的条件下,不同管径被提升的水砂比十分接近,说明在横截面积的最大通量限度内,横截面积并不会影响水砂的提升量,它仅仅是对最大提砂量的一个上限因素。因此,在工程中需要获得较大提砂量的情况下,应注意加大提砂管径。

  不同管径水砂体积比与提砂量的关系Fig.4Water-to-sandratiocurveof 3.3水深对提水量和提砂量的影响给出了直径15mm的提砂管在水深H分量Qw和提砂量Qs随气量Qa的变化关系。由可以看出,同样条件下,水深越大,在相同气量下可以提升的水和砂量越大,表明水深越大则提砂系统的效率越高。

  以0表示单位标准气量的提砂量,则有:1),QA为标准空气量=15mm,单位空气提砂量与水深的关系如所示。由可以看出,以水深H =800mm为拐点,每个气量下的单位空气提砂量均与水深呈线性关系,且H<800mm时的斜率小于H水深对提水量和提砂量的影响Fig.5Waterlift-upandsandlift-up单位空气提砂量与水深的关系曲线Fig.6Sandlift-upofspecificair在该试验条件下,单位气量提砂量反映的是气体提砂的效率。从微观角度看,提砂过程中是由水气砂三相的相对运动产生的摩擦力和浮力共同作用于砂滤料而实现的,而浮力作用距离与水深有关,故0值随着水深即浸水率的增加而增大。当< 0.67时,浮力作用的距离相对总提升高度较小,对单位气量提砂能力的影响相对较弱,故而此段斜率较低;当>0.67时,浮力作用的距离相对增大,对单位气量提砂能力的影响明显增大,故此段斜率较高。

  随着气量的增大,提升系统的提砂量和总提升效率均呈先增大后减小的趋势。在应用过程中应注意控制气量以提升系统能效。

  提砂管直径是最大提砂量的限制因素,但被提升的水砂体积比的对数值与提砂量的对数值呈线性关系,与提砂管管径基本无关。

  相同气量条件下,单位空气提砂量与水深呈线性关系,因此,在设计及应用中可以通过增加浸水率来提高提砂效率。

  责任:张鸿涛(1961―),清华大学环境学院副教授,教授级高工,主要从事污水再生利用、城镇污水处理、环境保护及市政工程技术应用等方面的研究。E~mail:zhanght

脚注信息

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