垂向异重流式分离鳃在静水中的集成试验

张 翔，邱秀云，李 琳，赵 涛，罗 菲

(1.新疆水利水电勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000;2.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052;3.新疆农业大学 农业节水与水资源研究中心，新疆 乌鲁木齐 830052)

对高浑浊且含大量极细沙的水，目前生产上采取加化学药剂絮凝后用斜板或斜管沉淀池进行水沙分离，从而得到标准的工业用水和生活用水.这种静态分离清水的方法处理周期长，分离装置的造价高，并且经添加化学药剂得到的清水对人体健康和周边环境都有害.有资料表明，加絮凝剂的均化混凝过程需要消耗大量电力，而且自来水中残留的聚丙烯酰胺遇铁就分解成有毒的丙烯酰胺单体，对人体非常有害;水厂淤泥排放至河道可致鱼类死亡，导致环境污染［1］.

新疆农业大学水利与土木工程学院的邱秀云、杨力行教授［2］发明的一种新型水沙分离装置——垂向异重流式混合物分离鳃(以下简称“分离鳃”)对浑水进行分离，不添加任何化学药剂，将浑水中泥沙(包括黏土)分离并取出“清水”，其分离速度是泥沙在静态下沉降速度的1.9～3.7倍，与添加化学药剂进行水沙分离的速度相近.因此用该装置对水沙进行分离得到的清水，极大地改善了水质，对人体健康和周边环境都非常有利，是一种绿色环保的分离装置，同时也将降低分离清水的投资成本.该装置已申请国家实用新型专利.

朱超等［3］对分离鳃分离水沙机理进行了初步研究，然后又对分离鳃的结构形式进行了优化试验［4－6］;而这些试验只是针对单个分离鳃进行的，将分离鳃集成后的水沙分离效果如何，还需要进一步研究.本文主要讨论分离鳃的集成试验研究，即对分离鳃应用于实际工程中的集成型式以及不同浓度下分离鳃与沉淀池的不同面积比时水沙分离效果进行试验研究.

1 分离鳃的集成型式

考虑到分离鳃用于实际工程中的制作及施工，经分析比较，决定采用悬挂式集成型式，即把分离鳃悬挂在沉淀池中.由于分离鳃与沉淀池是2个独立体，这样的集成型式优点是制作简单、施工方便，同时也便于原有沉淀池安装分离鳃的工程改造.悬挂式集成型式的最大优点是方便沉淀池的清淤和维修.在对沉淀池进行清淤和维修时，只需将悬挂在沉淀池中分离鳃取出即可.

2 试验装置和试验材料

图1(a)为用于沉淀池的分离鳃示意图.该分离鳃是在原分离鳃的侧壁上打一些小孔，小孔的布置要保证分离鳃内泥沙流下降、清水上升的环流不被破坏.分离鳃的结构形式采用文献［3－5］优化出的结果.图1(b)为分离鳃用于沉淀池的集成示意图.试验装置主要包括沉淀池 (用水箱代替)和分离鳃.为了比较水沙分离效果，装置中安装了分离鳃沉淀池与普通沉淀池2个沉淀池(见图1(b)).分离鳃沉淀池是将分离鳃均匀地悬挂于沉淀池中而形成.

本试验选用新疆乌鲁木齐鲤鱼山的天然黄土作为模型沙，其颗粒级配见图2.颗粒粒径大于0.075mm的占0.3%，小于0.050mm的占90%以上，小于0.010mm的占37%，其中值粒径d50为0.015mm.试验所用的仪器主要有:电子天平、玻璃烧杯、量筒、秒表、刻度尺、数码照相机和6个分离鳃.

图1 试验分离鳃Fig.1 Separation device in the sedimentation tanks

图2 鲤鱼山黄土颗粒级配曲线Fig.2 The loess size distribution curve of Liyushan hill

3 试验现象和分析

首先用蒸馏水与所选用的模型沙调配成不同浓度的浑水，搅拌均匀后倒入2个沉淀池中.利用刻度尺和秒表记录浑液面下降的时间和位置，并利用数码相机拍照记录，即完成1个试验过程.再改变分离鳃的数量，重复上述步骤.

本试验配置的浑水含沙质量浓度分别是200，150，100和80kg/m3，现对不同质量浓度下不同分离鳃数量的水沙分离效果进行分析.

3.1 分离鳃数量对分离速度的影响

图3为含沙质量浓度分别为100和80kg/m3时，不同数量分离鳃沉淀池和普通沉淀池在不同时间内的泥沙沉降速度.

图3 不同浓度浑水和不同数目分离鳃的泥沙沉降速度Fig.3 Sediment settling rate under different densities and different numbers of the separation device

从图3可见，分离鳃沉淀池中泥沙沉降速度比普通沉淀池中的泥沙沉降速度要快很多;经计算，分离鳃沉淀池浑水分离速度是泥沙在静态下沉降速度的1.6～3.3倍，与文献［2－4］得出的结果相近，这就表明集成分离鳃群对加速水沙分离也有很好的效果.

从图3亦可见，水沙分离速度与沉淀池中所布置的分离鳃数目密切相关:安装6个分离鳃的泥沙沉降速度是分别安装4个和2个分离鳃的泥沙沉降速度的2.1和2.4倍，本试验沉淀池中最多容纳6个分离鳃，其中以安装6个分离鳃的沉淀池的浑水分离速度为最快.布置分离鳃数量越多，相应的鳃片就越多，即泥沙沉淀表面积越大，颗粒沉淀距离缩短，泥沙沉淀速度就越快.表1为不同数量分离鳃中的不同泥沙沉降速度.

表1 不同数量分离鳃中的泥沙沉降速度Tab.1 Sediment settling rate under different numbers of separation device

由表1可见，分离鳃数量对泥沙沉降分离速度的影响非常明显，分离鳃数量越多，沉淀表面积越大，泥沙沉降速度越快，沉降相同距离用时越短.

设分离鳃水平截面面积为A1，沉淀池水平截面面积为A2，令η=A1/A2.如果沉淀池中布满了分离鳃，则η=1.由试验得出含沙质量浓度为80kg/m3时静水中集成式分离鳃的数量与泥沙沉降速度之间的关系为:

式中:v为泥沙沉降速度(mm/s);η为分离鳃与沉淀池面积比.

3.2 浑水含沙质量浓度对分离速度的影响

图4是浑水含沙质量浓度分别为80，100，150和200kg/m3时，6个分离鳃的沉淀池和普通沉淀池在不同时间内的泥沙沉降速度.由图可见:(1)加速下沉阶段.在t=0～15min左右时段内，沉降速度随着时间的增加而迅速增大，分离鳃沉淀池沉速增大幅度是普通沉淀池的1.6～3.3倍;(2)减速下沉阶段.分离鳃沉淀池的沉降速度达到峰值后急剧回落，在t=15～25min后的时段内下降到与普通沉淀池相同的水平，甚至小于普通沉淀池中的泥沙沉降速度，此阶段主要是集成分离鳃下部浑水含沙质量浓度太大，从而使泥沙沉降速度减小.

普通沉淀池一般在t=0～5min为加速下沉阶段，没有减速下沉阶段，不同含沙质量浓度的浑水都在约5min后进入匀速下沉阶段，泥沙沉降速度变化幅度都很小.

图4 不同时间、不同浓度浑水的泥沙沉降速度Fig.4 Sediment settling rate under different densities and time

表2为分离鳃沉淀池与普通沉淀池的沉淀时间.由表2可见，在相同初始条件和外界条件下，普通沉淀池完成一次沉淀试验的时间为45～60min，而分离鳃沉淀池仅需15～25min.两者的浑液面下降相同高度，分离鳃沉淀池要比普通沉淀池节省时间58.3% ～66.7%.

表2 分离鳃沉淀池与普通沉淀池的沉淀时间Tab.2 Sediment settling time with the separation device and the normal sedimentation tanks

整体静止沉降试验呈现出浑水浓度越大，沉降速度越小，沉降时间越长的趋势，但总体上来看，无论浑水浓度如何变化，凡分离鳃沉淀池的泥沙沉降速度的峰值都是普通沉淀池的3倍左右.

4 结语

本文通过对垂向异重流式分离鳃在静水中的集成试验研究分析，得到分离鳃的数量对泥沙沉降速度有很大的影响，并遵循分离鳃数量越多，泥沙沉降速度越快的规律，极大地减少了泥沙沉降时间;且浑水含沙质量浓度越大，沉降速度越小，沉降时间越长.试验不仅仅验证了单个分离鳃在沉淀池中对加速水沙分离有很好的效果，更进一步研究出分离鳃的集成对加速水沙分离也有同样良好的效果.本试验只是基于静水沉降得出的结论，如何将分离鳃集成应用到实际中，还需进行一系列动态水条件下的集成试验研究.

［1］上海市政工程设计研究院.给水排水设计手册(第3册):城镇给水［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004:477-546.(Municipal Engineering Investigation and Design Institute of Shanghai.Water and wastewater manual(Article 3 copies):Urban water supply［M］.Beijing:China Building Industry Press，2004:477-546.(in Chinese))

［2］邱秀云，龚守远，严跃成，等.一种新型水沙分离装置的研究［J］.新疆农业大学学报，2007，30(1):68-70.(QIU Xiuyun，GONG Shou-yuan，YAN Yao-cheng.The research on a new separator device for water-sediment［J］.Journal of Xinjiang Agricultural University，2007，30(1):68-70.(in Chinese))

［3］朱超，邱秀云，严跃成，等.垂向异重流式水沙分离鳃水沙分离机理浅析［J］.水利水电科技进展，2007，29(5):20-23.(ZHU Chao，QIU Xiu-yun，YAN Yao-cheng，et al.Analysis on the mechanism of vertical-component density flow watersediment separation device［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2007，29(5):20-23.(in Chinese))

［4］朱超，邱秀云，刘艳.“垂向异重流式水沙分离鳃”鳃片型式对水沙分离的影响研究［J］.新疆农业大学学报，2008，31(6):72-75.(ZHU Chao，QIU Xiu-yun，LIU Yan.Effects of gill-piece pattern of vertical-component density flow watersediment separation device on water sand separation［J］.Journal of Xinjiang Agricultural University，2008，31(6):72-75.(in Chinese))

［5］朱超，邱秀云，孙鑫.“垂向异重流式分离鳃”鳃片倾角对水沙分离影响的试验研究［J］.人民黄河，2009，31(7):86-87.(ZHU Chao，QIU Xiu-yun，SUN Xin.Effects of dip angle of gill-piece in vertical-component density flow water-sediment separation device on water sand separation［J］.Yellow River，2009，31(7):86-87.(in Chinese))

［6］朱超，龚守华，邱秀云，等.垂向异重流式水沙分离鳃鳃片间距对水沙分离的影响研究［J］.新疆农业大学学报，2009，32(2):78-81.(ZHU Chao，GONG Shou-hua，QIU Xiu-yun，et al.Effects of spacing of gill-piece in vertical-component density flow water-sediment separation device on water sand separation［J］.Journal of Xinjiang Agricultural University，2009，32(2):78-81.(in Chinese))