用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的方法和系统

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，具体地，涉及一种用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的方法和系统。

背景技术

水力旋流器是一种基于离心沉降原理的分离分级设备，该装置由圆柱体、椎体、进料口、溢流口和底流口组成，待分离的剩余污泥以一定压力从旋流器周边切向进入旋流器内，由于密度和粒度的差异，不同颗粒受到离心力、向心浮力、流体曳力等大小不同，大部分粗颗粒无机砂与部分污泥絮体经旋流器底流口排出，而大部分细颗粒无机砂与污泥絮体由溢流管排出，从而达到分离分级目的。由于水力旋流器的分离效果与其内直径密切相关，为了验证剩余污泥无机砂的实际分离效果，通常需要搭建中试规模旋流器进行验证，无法在实验室内进行小规模的验证性试验，因此实际分离效果的验证研究过程较为复杂、耗时。

离心分离是水处理行业化验分析过程中常用的分离、提纯、浓缩的方法，通过物体高速旋转时产生的强大离心力，使得旋转体中悬浮颗粒发生沉降，实现从混合物中分离、浓缩固相物质的目的。离心分离通常采用离心机实现，其离心分离过程与水力旋流器类似，即在合适离心转速、离心时间条件下，离心管底部浓缩物料即为水力旋流器底部底流、离心管上部剩余物料即为水力旋流器顶部溢流。通过分析离心管底部浓缩物料、离心管上部剩余物料的相关指标，即可验证对应水力旋流器对剩余污泥无机砂的分离效果。因此，采用离心机+离心管的方式模拟水力旋流器的分离具有一定的可行性。

上述“离心机+离心管”的小规模模拟试验的重点在于离心模拟参数的确定。针对待验证的特定尺寸的水力旋流器，在离心机模拟时需要选取合适的离心分离转速、离心力及离心时间，离心分离转速及离心力与水力旋流器的尺寸、进料压力、旋流器内物料切向流速有关，离心时间则等价于物料在水力旋流器内的停留时间。此外，还需要确定离心管底部浓缩物料的取样体积。该体积等价于分离过程中水力旋流器底部底流体积流量，且与水力旋流器分流比有关，即底流体积与总体积的比例，这一数值需要结合目标水力旋流器尺寸、进料压力及历史经验参数确定。

专利文献CN104462816A一种准确确定水力旋流器分离粒度的方法，包括如下步骤：1、确定目标水力旋流器的结构参数、目标工况的操作参数以及待分离物料的物性参数；2、根据上述参数建立流场域计算模型并将其离散，同时确定计算的边界条件和初始条件；3、利用计算流体力学商业软件和离散元商业软件进行模拟计算求解；4、通过模拟计算结果分别得出待分离物料在溢流和沉砂产品中的粒度分配曲线，从而确定水力旋流器在目标工况条件下的分离粒度d50。然而该专利无法解决目前存在的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的方法和系统。

根据本发明提供的用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的方法，包括：

步骤1：获取离心模拟参数；

步骤2：采集具有代表性的剩余污泥，记录总体积V

步骤3：启动离心机，待完成离心后取出离心管，首先取出离心管底部浓缩物料，取样体积为V

步骤4：根据试验要求分析水力旋流器底流物料代表性样品、水力旋流器溢流物料代表性样品，获得水力旋流器分离剩余污泥无机砂的实际效果的模拟结果。

优选地，所述离心模拟参数包括水力旋流器基本参数、水力旋流器概化参数和离心机模拟参数，确定过程为：确定水力旋流器基本参数；根据水力旋流器基本参数，确定水力旋流器概化参数；根据水力旋流器概化参数计算离心机模拟参数。

优选地，所述水力旋流器基本参数包括：进料流量Q、水力旋流器内直径D、水力旋流器溢流口外直径D

所述进料流量Q、水力旋流器内直径D、水力旋流器溢流口外直径D

所述水力旋流器内流体平均切向速度

以水力旋流器锥顶点为坐标原点，建立球坐标系

根据计算公式(1)～(3)及水力旋流器结构特征得出特征点f在柱坐标系下的r

z

根据计算公式(4)得出特征参数σ；

根据公式(5)～(7)，计算得出位于水力旋流器柱锥交界面的特征点c在柱坐标系下的z

z

根据特征参数σ、特征点c在柱坐标系下的r

将水力旋流器转化为概化模型，在水力旋流器选择计算点k(r

优选地，所述水力旋流器概化参数包括：雷诺数R

所述雷诺数R

其中，ρ为液体密度，μ为液体动力粘度；

所述弗劳德数F

其中，g为重力加速度；

所述离心惯性力I

所述水力停留时间t，根据公式(13)计算得出；

优选地，所述离心机模拟参数包括：离心转速RPM、离心力G、离心时间T和离心管底部浓缩物料取样体积V

所述离心转速RPM确定过程为：

根据公式(14)计算得出离心线速度V；

其中，r

根据公式(15)计算得出离心转速RPM；

其中，CEILING为倍数舍入式向上取整函数，计算结果取100的倍数；

所述离心力G，根据公式(16)计算得出；

所述离心时间T，根据公式(17)计算得出；

T＝[t]…………(17)

所述离心管底部浓缩物料取样体积V

V

其中，V

根据本发明提供的用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的系统，包括：

模块M1：获取离心模拟参数；

模块M2：采集具有代表性的剩余污泥，记录总体积V

模块M3：启动离心机，待完成离心后取出离心管，首先取出离心管底部浓缩物料，取样体积为V

模块M4：根据试验要求分析水力旋流器底流物料代表性样品、水力旋流器溢流物料代表性样品，获得水力旋流器分离剩余污泥无机砂的实际效果的模拟结果。

优选地，所述离心模拟参数包括水力旋流器基本参数、水力旋流器概化参数和离心机模拟参数，确定过程为：确定水力旋流器基本参数；根据水力旋流器基本参数，确定水力旋流器概化参数；根据水力旋流器概化参数计算离心机模拟参数。

优选地，所述水力旋流器基本参数包括：进料流量Q、水力旋流器内直径D、水力旋流器溢流口外直径D

所述进料流量Q、水力旋流器内直径D、水力旋流器溢流口外直径D

所述水力旋流器内流体平均切向速度

以水力旋流器锥顶点为坐标原点，建立球坐标系

根据计算公式(1)～(3)及水力旋流器结构特征得出特征点f在柱坐标系下的r

z

根据计算公式(4)得出特征参数σ；

根据公式(5)～(7)，计算得出位于水力旋流器柱锥交界面的特征点c在柱坐标系下的z

z

根据特征参数σ、特征点c在柱坐标系下的r

将水力旋流器转化为概化模型，在水力旋流器选择计算点k(r

优选地，所述水力旋流器概化参数包括：雷诺数R

所述雷诺数R

其中，ρ为液体密度，μ为液体动力粘度；

所述弗劳德数F

其中，g为重力加速度；

所述离心惯性力I

所述水力停留时间t，根据公式(13)计算得出；

优选地，所述离心机模拟参数包括：离心转速RPM、离心力G、离心时间T和离心管底部浓缩物料取样体积V

所述离心转速RPM确定过程为：

根据公式(14)计算得出离心线速度V；

其中，r

根据公式(15)计算得出离心转速RPM；

其中，CEILING为倍数舍入式向上取整函数，计算结果取100的倍数；

所述离心力G，根据公式(16)计算得出；

所述离心时间T，根据公式(17)计算得出；

T＝[t]…………(17)

所述离心管底部浓缩物料取样体积V

V

其中，V

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供了一种用于模拟水力旋流器分离的方法，基于离心模拟参数的确定方法，结合常规的离心机、离心管，即可在实验室条件下实现水力旋流器分离效果的验证，无需建立中试规模的旋流器试验装置，验证过程简单、便捷、准确。

(2)本发明通过试验及模拟验证并结合物料特征、水力旋流器的特点，提出了离心模拟参数及其确定方法，计算过程简单，方法科学合理，能够较为准确地验证水力旋流器的实际分离效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为坐标系示意图；

图2为概化模型示意图；

图3为本发明用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的方法流程图；

图4为根据图像法所做的图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

以贵阳市某污水处理厂为例，该厂剩余污泥产量为2400m

如图1，本发明提供了一种用于模拟水力旋流器分离的方法，共分为两个部分：(1)离心模拟参数的确定方法；(2)根据确定的离心模拟参数，采用常规的离心机与离心管，通过分析离心管底部浓缩物料、离心管上部剩余物料的相关指标，实现实验室规模水力旋流器分离剩余污泥无机砂的实际效果验证的试验方法。

离心模拟参数包括水力旋流器基本参数、水力旋流器概化参数、离心机模拟参数。

离心模拟参数的确定方法，包括以下步骤：1)确定水力旋流器基本参数；2)根据水力旋流器基本参数，确定水力旋流器概化参数；3)根据水力旋流器概化参数计算离心机模拟参数；

所述水力旋流器基本参数包括，进料流量Q、水力旋流器内直径D、水力旋流器溢流口外直径D

所述进料流量Q、水力旋流器内直径D、水力旋流器溢流口外直径D

本实施例中，上述参数具体取值如下表所示。

所述水力旋流器内流体平均切向速度

①如图1，以水力旋流器锥顶点为坐标原点，建立球坐标系

②根据计算公式(1)～(3)及水力旋流器结构特征得出特征点f在柱坐标系下的r

z

③根据计算公式(4)得出特征参数σ。

本实施例中，特征点f相关参数、特征参数σ的具体计算值如下表所示。

④根据公式(5)～(7)，计算得出位于水力旋流器柱锥交界面的特征点c在柱坐标系下的z

z

本实施例中，特征点c相关参数具体计算方法如下：

a.首先计算得出特征点c在柱坐标系下的z

b.根据公式(6)列出水力旋流器无量纲流函数；

c.根据上述无量纲流函数作图，并通过图像法获得

d.根据公式(7)计算得到特征点c在柱坐标系下的r

⑤根据特征参数σ、特征点c在柱坐标系下的r

⑥将水力旋流器转化为图2所示的概化模型。在水力旋流器选择计算点k(r

根据式(9)计算水力旋流器内流体平均切向速度

所述水力旋流器概化参数包括，雷诺数R

1)所述雷诺数R

其中，ρ为液体密度，μ为液体动力粘度。

2)所述弗劳德数F

其中，g为重力加速度。

3)所述离心惯性力I

4)所述水力停留时间t，根据公式(13)计算得出。

本实施例中，根据上述方法计算得到的水力旋流器概化参数结果如下表所示。

所述离心机模拟参数包括，离心转速RPM、离心力G、离心时间T、离心管底部浓缩物料取样体积V

1)所述离心转速RPM，根据下述方法确定：

①根据公式(14)计算得出离心线速度V。

其中，r

②根据公式(15)计算得出离心转速RPM。

其中，CEILING为倍数舍入式向上取整函数，计算结果取10的倍数。

2)所述离心力G，根据公式(16)计算得出。

3)所述离心时间T，根据公式(17)计算得出。

T＝[t]＝2s式(17)

4)所述离心管底部浓缩物料取样体积V

V

其中，V

本实施例中，根据上述方法计算得到的离心机模拟参数结果如下表所示。

本发明提供的用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的方法，包括以下步骤：

(1)根据所述的离心模拟参数的确定方法，确定离心机模拟参数，包括离心转速RPM、离心力G、离心时间T、离心管底部浓缩物料取样体积V

(2)采集具有代表性的剩余污泥，记录总体积V

(3)启动离心机，待完成离心后取出离心管。首先取出离心管底部浓缩物料，取样体积V

(4)根据试验要求分析水力旋流器底流物料代表性样品(离心管底部浓缩物料)、水力旋流器溢流物料代表性样品(离心管剩余物料)，测试指标包括有机物含量VS％、无机物含量TS％、污泥浓度MLSS、污泥有机质浓度MLVSS、污泥无机质浓度MLISS，获得水力旋流器分离剩余污泥无机砂的实际效果的模拟结果。具体结果见下表所示。

通过分析上述参数即可知道，采用D75标准型水力旋流器对该污水处理厂剩余污泥进行无机砂分离时，预期可提高剩余污泥有机质含量3.26％，降低出料(溢流污泥)有机物浓度至8.3193g/L，并将无机物富集至底流污泥中，底流污泥浓度将提升至11.7013g/L，无机物含量增加至54.32％。该尺寸水力旋流器可以满足提升3％～5％剩余污泥有机质含量的预期目标，可进行进一步放大试验。

实施例2

本发明还提供一种用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的系统，所述用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的系统可以通过执行所述用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的方法理解为所述用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的系统的优选实施方式。

根据本发明提供的用于模拟水力旋流器分离剩余污泥无机砂的系统，包括：模块M1：获取离心模拟参数；模块M2：采集具有代表性的剩余污泥，记录总体积V

所述离心模拟参数包括水力旋流器基本参数、水力旋流器概化参数和离心机模拟参数，确定过程为：确定水力旋流器基本参数；根据水力旋流器基本参数，确定水力旋流器概化参数；根据水力旋流器概化参数计算离心机模拟参数。

所述水力旋流器基本参数包括：进料流量Q、水力旋流器内直径D、水力旋流器溢流口外直径D

所述进料流量Q、水力旋流器内直径D、水力旋流器溢流口外直径D

所述水力旋流器内流体平均切向速度

以水力旋流器锥顶点为坐标原点，建立球坐标系

根据计算公式(1)～(3)及水力旋流器结构特征得出特征点f在柱坐标系下的r

z

根据计算公式(4)得出特征参数σ；

根据公式(5)～(7)，计算得出位于水力旋流器柱锥交界面的特征点c在柱坐标系下的z

z

根据特征参数σ、特征点c在柱坐标系下的r

将水力旋流器转化为概化模型，在水力旋流器选择计算点k(r

所述水力旋流器概化参数包括：雷诺数R

所述雷诺数R

其中，ρ为液体密度，μ为液体动力粘度；

所述弗劳德数F

其中，g为重力加速度；

所述离心惯性力I

所述水力停留时间t，根据公式(13)计算得出；

所述离心机模拟参数包括：离心转速RPM、离心力G、离心时间T和离心管底部浓缩物料取样体积V

所述离心转速RPM确定过程为：

根据公式(14)计算得出离心线速度V；

其中，r

根据公式(15)计算得出离心转速RPM；

其中，CEILING为倍数舍入式向上取整函数，计算结果取100的倍数；

所述离心力G，根据公式(16)计算得出；

所述离心时间T，根据公式(17)计算得出；

T＝[t]…………(17)

所述离心管底部浓缩物料取样体积V

V

其中，V

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。