天然水中存在的杂质主要由所接触的大气、土壤等自然环境所引入，同时人类活动产生的各种污染物也会进入天然水体。按不同的原则，可以对天然水体中的杂质进行分类。表1-1水中杂质的尺寸与外观特征悬浮物主要是泥砂类无机物质和动植物生存过程中产生的物质或死亡后的腐败产物等有机物。天然水中所含有的无机杂质主要是溶解性的离子、气体及悬浮性的泥沙。天然水中的有机物与水体环境密切相关。......
2023-06-19
离心分离法处理废水中的杂质
【摘要】：利用离心力分离废水中杂质的处理方法称为离心分离法。可见在分离过程中，离心力对悬浮颗粒的作用远远超过了重力，因此极大地强化了分离过程。②高速离心机多用于乳化油和蛋白质等密度较小的微细悬浮物的分离。
1.离心分离原理
物体高速旋转时会产生离心力场。利用离心力分离废水中杂质的处理方法称为离心分离法。
废水作高速旋转时，由于悬浮固体和水的质量不同，所受的离心力也不相同，质量大的悬浮固体被抛向外侧，质量小的水被推向内层，这样悬浮固体和水从各自出口排除，从而使废水得到处理。
废水高速旋转时，悬浮固体颗粒同时受到两种径向力的作用，即离心力和水对颗粒的向心推力。设颗粒和同体积水的质量分别为m、m0（kg），旋转半径为r（m），角速度ω（rad/s），颗粒受到的离心力分别为
（N）和
（N）。此时颗粒受到净离心力Fe（N）为两者之差，即
该颗粒在水中的净重力为Fg=（m-m0）g。若以n表示转速（r/min），并将
代入上式，用a表示颗粒所受离心力与重力之比，则
a称为离心设备的分离因素，式（2-11）是衡量离心设备分离性能的基本参数。当旋转半径r一定时，a值随转速，的平方急剧增大。例如，当r=0.1m，n=500r/min时，a=28，而当n=1800r/min时，则a=110。可见在分离过程中，离心力对悬浮颗粒的作用远远超过了重力，因此极大地强化了分离过程。
另外，根据颗粒随水旋转时所受的向心力与水的反向限力平衡原理，可导出粒径为d（m）的颗粒的分离速度uc（m/s）为
式中：
，
——分别为颗粒和水的密度，kg/m3；
——水的动力粘度，0.1Pa·s。
当
>
时，uc为正值，颗粒被抛向周边；当
<
时，颗粒被推向中心。这说明，废水高速旋转时，密度大于水的悬浮颗粒，被沉降在离心分离设备的最外侧，而密度小于水的悬浮颗粒（如乳化油）被“浮上”在离心设备最里面，所以离心分离设备能进行离心沉降和离心浮上两种操作。从上式可知，悬浮颗粒的粒径d越小，密度
同水的密度
越接近，水的动力粘度
越大，则颗粒的分离速度uc越小，越难分离；反之，则较易于分离。
2.离心分离设备
按产生离心力的方式不同，离心分离设备可分为离心机和水力旋流器两类。
（1）离心机。
离心机是依靠一个可随传动轴旋转的转鼓，在外界传动设备的驱动下高速旋转，转鼓带动需进行分离的废水一起旋转，利用废水中不同密度的悬浮颗粒所受离心力不同进行分离的一种分离设备。
离心机的种类和形式有多种。按分离因素大小可分为高速离心机（a>3000）、中速离心机（a=1000～3000）和低速离心机（a<1000）。中、低速离心机通称为常速离心机。按转鼓的几何形状不同，可分为转筒式、管式、盘式和板式离心机；按操作过程可分为间歇式和连续式离心机；按转鼓的安装角度可分为立式和卧式离心机。
①常速离心机多用于与水有较大密度差的悬浮物的分离。分离效果主要取决于离心机的转速及悬浮物的密度和粒径的大小。国内某些厂家生产的转筒式连续离心机在同收废水中的纤维物质时，回收率可达60%～70%；进行污泥脱水时，泥饼的含水率可降低到80%左右。
②高速离心机多用于乳化油和蛋白质等密度较小的微细悬浮物的分离。如从洗毛废水中回收羊毛脂，从淀粉麸质水中回收玉米蛋白质等。
图2-17为盘式离心机的构造示意图。在转鼓中有十几到几十个锥形金属盘片，盘片的间距为0.4～1.5mm，斜面与垂线的夹角为30～54°。这些盘片，缩短了悬浮物分离时所需移动的距离，减少祸流的形成，从而提高了分离效率。离心机运行时，乳浊液沿中心管自上而下进入下部的转鼓空腔，并由此进入锥形盘分离区，在5000r/min以上的高速离心力的作用下，乳浊液的重组分（水）被抛向器壁，汇集于重液出口排出，轻组分（油）则沿盘间锥形环状窄缝上升，汇集于轻液出口排出。
图2-17 盘式离心机的转筒结构
（2）水力旋流器。
水力旋流器有压力式和重力式两种。
①压力式水力旋流器其构造如图2-18所示。水力旋流器用钢板或其他耐磨材料制造，其上部是直径为D的圆筒，下部是锥角为
的截头圆锥体。进水管以逐渐收缩的形式与圆筒以切向连接。废水通过加压后以切线方式进入器内，进口处的流速可达6～10m/s；废水在器内沿器壁向下作螺旋运动的一次涡流，废水中粒释及密度较大的悬浮颗粒被抛向器壁，并在下旋水推动和重力作用下沿器壁下滑，在锥底形成浓缩液连续排出。锥底部水流在越来越窄的锥壁反向压力作用下改变方向，由锥底向上作螺旋运动，形成二次涡流，经溢流管进入溢流筒后，从出水管排出。在水力旋流中心，形成一束绕轴线分布的自下而上的空气涡流柱。流体在器内的流动状态如图2-19所示。
图2-18 水力旋流器的构造
1—圆筒；2—圆锥体；3—进水管；4—滋流管；5—排渣口；6—通气管；7—隘流筒；8—出水管
图2-19 物料在水力旋流器内的流动情况
1—入流；2—一次涡流；3—二次涡流；4—空气涡流柱
水力旋流分离器的计算，一般首先确定分离器的尺寸，然后计算处理水量和极限截留颗粒直径，最后确定分离器台数。
a.各部结构尺寸各部的相关尺寸对分离效果有很大影响，经验得到的最佳尺寸如下：
圆筒直径D
圆筒高度H0=1.7D
锥体高度Hk=3H0
锥体角度θ=10～15°
中心溢流管直径d0-（0.25～0.3）D
进水管直径d1=（0.25～0.4）D
出水管直径d2=（0.25～0.5）D
锥底直径d3=（0.5～0.8）d0
因离心力与旋转半径成反比，所以旋流器直径不宜过大，一般在500mm以内。如果处理水量较大，可选多台，并联使用。
进水口应紧贴器壁，做成高宽比为1.5～2.5的矩形，出口流速一般采用6～10m/s。为加强水流的向下旋流，进水管应向下倾斜3～5°。溢流管下端与进水管轴线的距离以H0/2为宜。为保持空气柱内稳定的真空度，出水管不能满管工作，因此需d2>d0。器顶设通气管，以平衡器内的压力。
b.处理水量按下式计算：
式中：Q——处理水量，L/min；
K——流量系数，K=
；
——进出口压差，MPa，
=P1-P2，一般取0.1～0.2MPa；
G——重力加速度（m/s2）。
c.被分离颗粒的极限直径
水力旋流器的分离效率与结构尺寸、被分离颗粒的性质等因素有关，一般通过试验确定。某种废水的颗粒直径与分离效率的试验曲线如图2-20所示。从图可知，曲线呈S形。分离效率为50%的颗粒，其直径称为极限直径。它是判断水力旋流分离器分离效果的重要指标之一。极限汽径越小，分离效果越好。极限直径也可按经验公式确定。
图2-20 颗粒直径与分离效率的关系
式中：dc——极限直径，cm；
μ——水的动力粘度，Pa·s；
d ——环流速度的变化系数，与分离器的构造有关，d 约为0.1D/d；
H＿中心流速高度，cm，其值约为锥体高度的2/3，即h=（D-d3）/3 tgθ；
Q＿处理水量，cm3/s；
，
＿分别为颗粒和水的密度，g/cm3。
旋流分离器具有体积小，单位容积处理能力高的优点。例如用旋流分离器用于轧钢废水处理时，氧化铁皮的去除效果接近于沉淀池，但沉淀池的表面负荷仅为1.0m3/（m2·h），而旋流器则高达950m3/（m2·h）。此外，旋流分离器还具有易于安装、便于维护等优点，因此，较广泛地用于轧钢废水处理以及高浊度河水的预处理等。
旋流分离器的缺点是器壁易受磨损和电能消耗较大等。
器壁宜用铸铁或铬锰合金钢等耐磨材料制造，或内衬橡胶，并应力求光滑。
②重力式旋流分离器。
重力式旋流分离器又称水力旋流沉淀池。废水也以切线方向进入器内，借进出水的水头差在器内呈旋转流动。与压力式旋流器相比较，这种设备的容积大，电能消耗低。图2-21是重力式旋流分离器的示意图。
图2-21 颗粒直径与分离效率的关系
（a）淹没式进出水；（b）表面出水
1—进水；2—出水；3—排渣
重力式旋流分离器的表面负荷大大地低于压力式，一般为25～30m3/m2·h。废水在器内停留15～20min，从进水口到出水溢流堰的有效深度H0=1.2D，进水口到渣斗上缘应有0.8～1.0m的保护高，以免将沉渣冲起；废水在进水口的流速
=0.9～1.1m/s。水头差则可按下列公式计算：
式中：a——系数，通过试验确定，采用4.5；
——局部阻力系数；
——进口处流速，m/s；
l——进水管长度，m；
i——进水管单位长度的沿程损失。
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