带式固液分离装置性能研究

李德溢1，马运睿2，王翔宇1，闫　铎1

（1.长安大学　环境科学与工程学院，陕西西安　710054；2.河北省第二建筑工程有限公司，河北石家庄　050011）

摘　要：随着工业的快速发展和多样化，固液分离技术成为保证经济快速的重要条件之一，而利用重力沉降法固液分离是应用最为广泛的。人们根据浅池理论设计的斜板、斜管沉淀池具有沉淀效率高、占地面积少、投资少等优点，但不能够处理含有有机物的污水，且排泥系统不能及时排除污泥、容易堵塞。为此探讨一种新型高效的固液分离装置——带式固液分离装置，经过试验，此装置不仅沉淀效率高，而且能够保证污泥及时排除。

关键词：重力沉降法；固液分离；浅池理论；固液分离装置

Abstract：With the rapid development of industry and diversification，solid－liquid separation technology become one of the important condition to guarantee the rapid economic，and using the method of gravity sedimentation solid－liquid separation is the most widely used.People according to the theory of shallow pool design of inclined plate，inclined tube sedimentation tank has high deposition efficiency，covers an area of less，the advantages of less investment，but not able to handle sewage containing organic，failed to rule out the sludge and mud system，easy to jam.To discuss a new type of high efficient solid－liquid separation device－belt type solid－liquid separation device，through the test，this device not only precipitation of high efficiency，but also can ensure the sludge ruled out in time.

Key words：Gravity sedimentation；Solid－liquid separation；Theory of shallow pool；Belt type solid－liquid；separation device

1　绪论

固液分离就是从水中或者废水中去除悬浮固体的过程。随着工业的不断发展和多样化，固液分离技术被应用于多种领域，例如造纸、选矿、环境保护、医疗卫生和食品等。固液分离设备的优劣将直接影响工业的发展速度，大多数固液设备的工作原理是过滤、压滤、重力沉降以及浮选。重力沉降法是诸多固液分离方法中的一种，其主要原理就是利用固、液之间的密度差，在重力作用下实现固液分离，适应于较大固体颗粒的固液分离过程。目前，全球水资源日益短缺，生存环境不断恶化，于是对固液分离设备提出了更高的要求，并付出许多心血去研究新的分离技术与分离设备。本实验主要引进一种新型高效固液分离装置——带式固液分离装置，并对其性能进行研究。

2　带式固液分离装置的工作原理

带式固液分离装置是充分利用重力沉降来实现固液分离。它的工作原理主要是理想沉淀池理论和浅池理论。

在固液混合液中，大于水密度的悬浮固体颗粒的依靠重力沉降下来，从而达到固液分离的目的，这种方法称为重力沉降法。使用这种方法浓缩可以达到高浓度的目的，也可以用这种方法沉淀得到澄清度较高的清水，这种方法可以去除粒径在10um以上的可沉降固体。

悬浮固体颗粒在经过混合、絮凝后，悬浮固体颗粒尺寸越来越大，需要在沉淀池构筑物中分离出来。根据理想沉淀池理论，设计出了平流式沉淀池、竖流式沉淀池以及辐流式沉淀池等。这些沉淀池结构简单、性能稳定、便于管理，但是它们的去除率不高，而且占地面积大，直到浅池理论的提出才解决了去除率低的这一大难题。

作者简介：李德溢（1993－），男，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，建筑与土木工程。

　　　　　马运睿（1992－），男，河北省第二建筑工程有限公司。

　　　　　王翔宇（1992－），男，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，建筑与土木工程。

　　　　　闫　铎（1991－），男，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，建筑与土木工程。

1904年哈真提出了浅池理论，具体表述为：悬浮固体颗粒在沉淀池的沉淀去除率只与沉淀池的表面负荷有关，而与池深、沉淀时间、水平流速、池长等无关。在沉淀池容积一定的条件下，沉淀池的池深越浅，沉淀面积越大，悬浮固体颗粒去除率就会越高，沉淀池分为n层，其处理能力是原来沉淀池的n倍。

人们根据理想沉淀池理论和浅池理论，研究开发出了斜板、斜管沉淀池。斜板（管）沉淀池由一系列倾斜的薄板构成，这样既可以增加沉淀池的层数，减小沉淀池的深度，又可以充分利用重力进行排泥。斜板（管）沉淀池缩短了固体颗粒的沉降时间，提高了沉淀的效率，具有占地面积小、投资省等优点，故斜板（管）沉淀池被广泛的应用。但随着人们的不断使用，也发现了斜板（管）沉淀池的排泥存在一系列问题：

（1）斜板（管）沉淀池排泥是依靠重力完成的，排泥能力有限。

（2）斜板（管）沉淀池不能够处理高浓度的有机污水。

（3）水流在流过斜板（管）沉淀池时，会对已经沉淀下来的污泥再进行冲刷，使污泥再次进入水流中。进入水流中的污泥进行二次沉降，导致沉淀效率下降。

（4）斜板（管）沉淀池在安装的时候后不可避免地形成2个三角形死区，减少了对沉淀池容积的利用率。如果处理不好这种情况，就会造成水流短路，降低了沉淀效率，影响了出水水质。

针对斜板沉淀池出现的上述问题，设计一种新型高效的固液分离装置——带式固液分离装置。带式固液分离装置一方面使沉淀方式更接近浅池理论；另一方面主要是针对排泥系统而改进的，依靠滤带把污泥分离下去/它的优点是排泥效率高，有足够的动力去排泥，不会出现污泥堆积的现象，操作方便、便于管理，有很好的应用前景。

3　带式固液分离装置的结构原理

图1是带式固液分离装置结构的简图。它的工作过程如下：当污水进入沉淀池，经过该装置时，污水中的悬浮固体沉淀到滤带上，落到最上方滤带的污泥，经过滤带带动向右运动，污泥随滤带运动到传动辊的下方时，会被那里所安装的刮板刮落，被刮落下来的污泥掉落到正下方的传动辊上，下方的传动辊的转动方向正好是顺时针的，又将污泥传动到下一个传动辊，以此类推，一直把污泥沉落到底部的集泥槽，最后排出。这样的设计能够及时地将污泥排出，不会出现污泥堆积的现象。

图1　带式固液分离装置结构原理简图

4　带式固液分离装置的装配及实验过程

4.1　带式固液分离装置的主要部件

带式固液分离装置主要由驱动系统、刮泥系统、张紧系统、纠偏系统、滤带和机架组成。机架主要作用是安装传动装置和各个工作部件，起到定位和支持的作用。机架的设计应综合各方面因素考虑，选择合适的材料。经过多方面考虑，鉴于本实验是验证实验，对于机械强度要求比较低，并且所有的轴承均采用尼龙轴承，装置机架全部由塑料构成，充分保证了整个装置具有良好的防腐能力，可以在pH值1！12范围内工作，适用性较广。张紧系统是带式固液分离装置的重要组成部分，一方面它可以方便安装与拆卸滤带；另一方面可以防止滤带松弛、打滑，保证带式固液分离装置的处理效果。对于不同性质的污泥，要求滤带的张紧力能够调节。由于实验条件有限，张紧系统是人工来调节的。本实验装置的动力是人工方式满足的。人用双手匀速转动手柄，手柄带动驱动轮转动，驱动轮带动滤带转动。在滤带运行过程中，由于各种原因，滤带会跑偏，所以在本装置中设计了纠偏系统。在传动辊之间，滤带的下方安装上薄板型刮板，当滤带运行时，滤带上的固体杂质会被刮下来，在沉淀池里，刮板的正下方设计了一个沉泥槽，它是由一根圆管经轴心切开而制得，杂质污泥全部会落到这个管里，通过这根管排出污泥。

4.2　带式固液分离装置的装配

4.2.1　沉淀池的设计

本实验所用的沉淀池外廓尺寸为：长1m，宽0.6m，池深0.5m。沉淀池是由塑料板用胶组装在一起的，为了增强沉淀池稳定性与牢固性，制作了一个木质框架对沉淀池进行了加固。沉淀池中有2个重要组成部分，分别是挡板和溢流堰，它们的功能是使水流进入与流出保持均匀平稳，所以它们对污水的处理效果有着非常重要的作用，如图2所示：

图2　沉淀池简图

4.2.2　带式固液分离装置的参数设计(www.zuozong.com)

此实验中所用装置的辊轮上下间距设置为25mm，滤带宽度设计为0.5m，辊轮的水平间距设计为0.4m。

4.3　带式固液分离装置的实验过程

4.3.1　实验用水的配制

由于本实验是验证性实验，所以为了使实验效果更加地清晰、直观，实验所选用的悬浮固体颗粒的尺寸是经过严格挑选的。尺寸大小不一都不利于实验现象的观察。为使实验与实际更相接近，选择的悬浮固体颗粒为粒径0.1mm的高岭土颗粒。

4.3.2　利用本实验装置分离固液的效果验证

溢流堰出水水位到池底的距离约为0.4m，我们设定的水流速度为10mm/s，由v＝求得沉淀池水流流量为2.4×10－3　m3/s，所以将水泵的流速控制在2.4×10－3　m3/s左右，以这么大的流速从水桶中抽水到沉淀池的进水口，出水口用水管连接到一个空水桶中，等到水位到了溢流堰位置，出水口开始出水，当实验装置运行一段时间后，发现滤带上产生了污泥，开始缓慢匀速转动驱动轮，使装置开始排泥。等装置稳定工作后，开始记录数据。

通过对比处理之前的原水中所含的悬浮固体颗粒质量与处理之后的清水中所含悬浮固体颗粒的质量，来确定本实验装置的去除效果。首先取一个50ml的烧杯放在烘干箱中进行烘干，一段时间后，取出烧杯用天平进行称量其质量，然后再放进烘干箱中进行烘干，过一段时间后取出烧杯再称量，反复进行烘干、称量，直到烧杯的质量不再变化为止，记录下烧杯的质量m1在装置进入稳定后，从沉淀池的进水口取50ml的原水放入烧杯中，然后进行烘干、称量，直到烧杯的质量不随烘干时间变化为止，记录下烧杯的质量m2。通过计算烧杯质量之间的差值，求得50ml原水中所包含的悬浮固体颗粒的质量。再用同样的方法求得50ml处理后的水中所包含的悬浮固体颗粒的质量，设烧杯质量为m3，取样进行烘干后的质量为m4，那么本实验装置的去除率：

4.3.3　数据整理及分析

以下是通过改变水流流量得到的本次实验的数据，在每个流量下分别取5组实验数据，然后取平均值求出悬浮固体颗粒的去除率。

表1　不同流速下得到的实验数据

通过以上数据发现：随着水流流速的逐渐增大，悬浮固体颗粒的去除率逐渐变小，这是与理想沉淀池理论相符合的，随着水流流量的增大，悬浮固体颗粒的水平流速变大，悬浮固体颗粒在沉淀池的沉降时间变短，所以悬浮固体颗粒的去除率会下降。

以下是水流流量在2.4×10－3　m3/s时，加絮凝剂与不加絮凝剂的对比，所得到的实验数据：

表2　加絮凝剂与不加絮凝剂得到的实验数据

从上述数据中可以看出：加絮凝剂的水中悬浮固体颗粒的去除效果要明显高于不加絮凝剂。这是与絮凝理论相符的。由于加入絮凝剂的水中悬浮固体颗粒会具有一定的絮凝性能，颗粒之间会相互碰撞、聚结，颗粒的粒径和质量会增大，悬浮固体颗粒的沉速会随水深的增加而加快，所以悬浮固体颗粒更容易去除。

5　结论

（1）带式固液分离装置设计新颖，具有沉淀效率高、水力负荷大等优点，大大优于斜板（管）沉淀池和平流沉淀池。该装置不仅在原理上可行，而且通过实验取得了较好的效果，是一种对常规沉淀装置的创新。

（2）通过实验，发现带式固液分离装置的沉淀方式更符合浅池理论。沉淀过程更接近理想沉淀池。与传统固液分离装置相比，沉淀效率显著提高。

（3）带式固液分离装置能够很好的解决排泥问题，并且沉淀效率高，是对平流式沉淀池很好的改进。它弥补了斜板（管）沉淀池的缺点，具有很强的实用性。

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