一种低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置的制作方法

1.本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置。


背景技术：

2.水力旋分器是一种应用非常广泛的液体非均相混合物的分离设备，其基本原理是将具有一定密度差的液～液、液～固、液～气等两相或多相混合物在离心作用下进行分离。目前的设备主体一般由进料管、圆柱段、圆锥段、溢流段和底流管五部分组成。旋流分离技术具有分离效率高、操作方便、工艺简单、结构紧凑、设备体积小、占地少、易于实现连续化操作及自动控制等优点。基于以上优势，旋流分离技术从最初的仅用于选矿，发展到目前在国内外的化工、石油、粉末工程、金属加工、食品、水处理等领域广泛应用。在水处理领域，水力旋流器在活性污泥旋流释碳、污水处理厂细无机砂的分离以及好氧颗粒污泥回收等方面得到一定的应用。
3.城镇污水处理过程中，通过在活性污泥系统中投加当量粒径在10～75μm的硅藻土、沸石、活性炭、凹凸棒土、膨润土、珍珠岩、铁碳粉末、火山岩、生物炭、蛭石等粉末载体，诱导形成以粉末载体为核心、被黏附力较大的微生物包裹的复合粉末生物载体颗粒，分离目标粒径分布在25～100μm，与悬浮生长微生物在粘液、胞外聚合物作用下形成的结合力较弱的生物絮体，构成“双泥”共生的污水生化处理微生物系统。为实现该生化系统的双泥龄，达到同步脱氮除磷效果，必须将复合粉末生物载体颗粒与生物絮体分离，其中被分离出来的复合粉末生物载体颗粒循环利用，生物絮体作剩余污泥排放。目前，最可行的分离方案是采用水力旋流方法，实现该目标存在以下技术难点：
4.(1)复合粉末生物载体颗粒的当量粒径小，提高筛分效率是采用水力旋流法的主要难点之一。
5.(2)复合粉末生物载体颗粒与生物絮体密度差小，实测复合粉末生物载体颗粒与生物絮体的密度差仅为0.07～0.15g/cm3，小于油水密度差0.2g/cm3，是采用水力旋流将两者分离的主要难点之二。
6.(3)与目前分离微小无机质颗粒及单一物料不同，复合粉末生物载体颗粒与生物絮体之间存在作用力的结合，不是简单的混合，在分离过程中需要将复合粉末生物载体颗粒与生物絮体分离，必须克服这些作用力，是采用水力旋流将两者分离的主要难点之三。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置，能够显著提高低密度差复合粉末生物载体颗粒的筛分效率。
8.根据本发明实施例的一种低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置，包括：进料管系、圆柱段、半椭球段、圆锥曲面段、溢流管系和被动叶轮；
9.其中，所述进料管系与所述圆柱段的外壁切面衔接，所述圆柱段上方设有顶盖，下方与所述半椭球段对接，所述半椭球段下方与所述圆锥曲面段对接；
10.所述溢流管系固定安装在圆柱段上部的顶盖中央，所述溢流管系设有下部插入管和上部接管，所述上部接管高出所述顶盖，用于与外部排泥系统相连接，所述下部插入管位于所述圆柱段和所述半椭球段的中心轴线上，所述下部插入管的外侧设有所述被动叶轮。
11.根据本发明的一些实施例，所述进料管系包括进料接管、方转圆转接管和收缩管；
12.其中，所述进料接管为带圆形标准法兰的接管，用于与外部供料系统相连，所述进料接管出水端的圆形接口与方转圆转接管的圆口端的口径一致并对接，所述方转圆转接管另一端为正方形口，其截面面积等于或小于其圆口端，与所述收缩管的正方形口的口径一致并对接，所述收缩管为矩形渐缩管，过水截面为逐渐收缩的弧形流道结构。
13.根据本发明的一些实施方式，至少具有如下有益效果：
14.1、本发明的进料管系采用方转圆转接管和收缩管设置。方转圆转接管设置便于管路之间的衔接，同时可有效减少入水段的阻力损失，降低能耗；收缩管采用均匀缩小的过水断面，与直形管切线衔接，加速入口流速，进而提升切向旋流速度，增大装置内促进两相介质分离的径向迁移力，提高复合粉末生物载体颗粒与生物絮体的分离效率。
15.2、传统水力旋分器的圆柱段与圆锥段之间或两个锥段之间存在突变点，易导致流经突变点的流体失稳，特别对于密度差较小的复合粉末生物载体与生物絮体，流体失稳会导致受力改变，部分已分离的复合粉末生物载体颗粒产生返混，被卷入中心空气柱从溢流口逸出，导致筛分效率下降。本发明通过精细的分子间力的计算，建立水力筛分数学模型；并通过研究得出的内腔结构尺寸3d打印模型进行复合粉末生物载体颗粒与生物絮体筛分回收正交实验的验证，确定本发明的紊流功能区采用圆柱段和半椭球段结构替代传统的圆柱形结构，可实现半椭球段与圆锥曲面段连接口处于曲率相切连续状态，即半椭球段内腔曲面与圆锥曲面段内腔曲面为连续光滑曲面，流体在旋流和重力作用下从半椭球段平稳流向圆锥曲面段，流态稳定，阻力损失小。
16.3、本发明通过在圆柱段和半椭球段设置被动叶轮，在进口混合液推动作用下转动，密度较大的复合粉末生物载体颗粒在叶轮自旋作用下推向装置外边壁和分离区，而密度较轻的生物絮体进入中心空气柱，通过溢流段排出，同步减小短流，达到整流作用，强化了复合粉末生物载体颗粒与生物絮体的分离效果，抑制了已分离复合粉末生物载体颗粒与生物絮体返混，提高了筛分效率；同时，基于复合粉末生物载体颗粒附着生长微生物之间的黏附力大于悬浮生长生物絮体之间的结合力，被动叶轮的设置可将旋流中心的涡流尺度控制在较小的范围内，降低中心部位的水流剪切作用力，使其在满足复合粉末生物载体颗粒与生物絮体颗粒分离条件的同时，不破坏复合粉末生物载体颗粒表面的微生物之间的黏附结构。
17.根据本发明的一些实施例，所述收缩管的流道外侧板为圆弧结构，其曲率半径为d5/2，所述圆柱段的半径为d4/2，所述收缩管的正方口宽度为b1，其中，d5/2＝d4/2+b1，所述流道外侧板的末端与所述圆柱段的顶端处水平切向对接，所述收缩管的流道内侧板为直板结构，所述流道内侧板与所述半椭球段圆弧曲面在左侧垂直切向衔接，所述收缩管的流道的过水截面由上端的正方入口逐渐收缩至下端的窄方形出口，所述收缩管的管道高度为h1，h1保持不变，所述收缩管上端口宽度为b1，b1为d4的0.2-0.25倍，所述收缩管的截面宽度
为b2，b2/h1为0.25～0.45。
18.根据本发明的一些实施例，所述圆柱段为直壁结构，d4为120～300mm，所述圆柱段的高度为l1，l1为h1的1.0～1.2倍；所述半椭球段的内腔曲面为以所述半椭球段的边线段作为母线围所述半椭球段的中心轴旋转360
°
后形成的回转曲面，所述半椭球段的上端与所述圆柱段下端垂直对接，所述半椭球段的下端与所述圆锥曲面段对接，对接处的直径相同，对接处的直径为d1，d1/d4为0.4～0.6。
19.根据本发明的一些实施例，所述半椭球段的边线为椭圆长半矩、短半矩比a1/b1＝2～5的椭圆线段，所述半椭球段的上端垂直，所述半椭球段的下端切线角为6
°
～15
°
，垂直高为l2，l2为120～300mm。
20.根据本发明的一些实施例，所述圆锥曲面段为反向椭圆型曲面，即以所述圆锥曲面段的边线作为母线围绕装置中心轴旋转360
°
后形成内部空腔的回转曲面，所述圆锥曲面段上端与所述半椭球段对接，两者连接口处于曲率相切连续状态，连接口的切面收缩角为θ1，θ1为12
°
～30
°
；所述圆锥曲面段的下端为底流口，所述底流口的口径为20～35mm，所述底流口的收缩角为θ2，θ2为4
°
～10
°
；所述圆锥曲面段的高度为l3，l3为1000～1500mm。
21.根据本发明的一些实施例，所述圆锥曲面段的边线为椭圆长半矩、短半矩比为a2/b2＝6～10的椭圆线段，所述圆锥曲面段的上端切线夹角为6
°
～15
°
。
22.根据本发明的一些实施例，所述下部插入管的插入深度为h2，h2为l1与l2之和的0.4～0.7倍。
23.根据本发明的一些实施例，所述被动叶轮包括叶片总成、固定盘和空心轴，所述空心轴套装在所述下部插入管上，所述叶片总成包括套筒和多块叶片，所有的所述叶片环设在所述套筒外，所述叶片的长度方向沿所述套筒的轴向设置，所述套筒通过所述固定盘固定在所述空心轴上。
24.根据本发明的一些实施例，所述叶片的外沿曲线曲率与所述半椭球段的曲率一致，所述叶片的底端到所述下部插入管的入口的垂直距离为h3，h3为l2的0.4～0.6倍。
25.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.图1为本发明的一种实施例的低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置的结构示意图；
27.图2为本发明一种实施例的低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置的俯视剖视图；
28.图3为本发明半椭球段边线的结构示意图；
29.图4为本发明圆锥曲面段边线的结构示意图；
30.图5为被动叶轮的装配示意图；
31.图6为进料接管的立体视图；
32.图7为进料接管的剖视图。
33.附图标号：
34.进料管系610；进料接管611；方转圆转接管612；收缩管613；外侧壁板614；内侧壁
板615；圆柱段620；圆柱段壳体边线621；顶盖622；半椭球段630；半椭球段边线631；连接口632；圆锥曲面段640；圆锥曲面段边线641；底流口642；溢流管系650；上部接管651；下部插入管652；被动叶轮660；叶片总成661；固定盘662；空心轴663。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下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发明和简化描述，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发明的限制。
37.在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
38.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
39.参照图1到图7所示，本发明公开了一种低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置，包括：
40.图1和图2所示，进料管系610、圆柱段620、半椭球段630、圆锥曲面段640、溢流管系650和被动叶轮660；进料管系610位于装置上部，与圆柱段620外壁切面衔接，圆柱段620上方设有顶盖622，下方与半椭球段630对接，半椭球段630下方与圆锥曲面段640对接。溢流管系650固定安装在圆柱段620上部的顶盖中央，上部接管651高出顶盖622，与外部排泥系统相连接，下部插入管652位于圆柱段620和半椭球段630的中心位置，其外侧设有被动叶轮660。
41.进料管系610包括进料接管611、方转圆转接管612和收缩管613。进料接管611为带圆形标准法兰的接管，与外部供料系统相连，进料接管611出水端的圆形接口与方转圆转接管612的圆口端的口径一致并对接，方转圆转接管612另一端为正方形口(即b1＝h1)，其截面面积等于或略小于其圆口端，与收缩管613的正方形口的口径一致并对接。收缩管613为矩形渐缩管，过水截面为逐渐收缩的弧形流道结构。
42.收缩管613的流道外侧壁板614为圆弧结构，其曲率半径d5/2为装置圆柱段620的半径d4/2和收缩管613的正方口宽度b1之和，即d5/2＝d4/2+b1，弧形板末端与直壁段在装置顶端处水平切向对接，流道的内侧板为直板结构，与半椭球段圆弧曲面在左侧垂直切向衔接。流道过水截面由上端的正方入口逐渐收缩为至下端的窄方形出口，收缩管613的管道高度h1不变，b1为圆柱段620直径d4的0.2-0.25倍，出口端的截面宽高比b2/h1，一般为0.25～0.45，出口流速宜控制在3～6m/s。
43.圆柱段620为直壁结构，直径d4一般为120～300mm，圆柱段620为的高度l1是收缩管613的管道高度h1的1.0～1.2倍。半椭球段630内腔曲面为以半椭球段边线631段作为母线
围绕装置中心轴旋转360
°
后形成的回转曲面，半椭球段630上端与圆柱段620下端垂直对接，下部与圆锥曲面段640对接，连接口632直径相同，半椭球段630下端直径d1与圆柱段620直径d4比值宜为0.4～0.6。
44.如图1和图3所示，半椭球段边线631为椭圆长半矩、短半矩比a1/b1＝2～5的半椭球段边线631，上端垂直，下端切线角6
°
～15
°
，垂直高宜为120～300mm。
45.圆锥曲面段640为反向椭圆型曲面，即以圆锥曲面段边线641作为母线围绕装置中心轴旋转360
°
后形成内部空腔的回转曲面，圆锥曲面段640上端与半椭球段630对接，两者连接口632处于曲率相切连续状态，连接口632的切面收缩角θ1宜为12
°
～30
°
；圆锥曲面段640下端为底流口642，出口口径宜为20～35mm，出口收缩角θ2为4
°
～10
°
；圆锥曲面段640高度宜为1000～1500mm。
46.如图1和4所示，圆锥曲面段边线641为椭圆长半矩、短半矩比为a2/b2＝6～10的圆锥曲面段边线641，上端切线夹角为6
°
～15
°
。
47.在筛分过程中，污水处理生化系统中浓度小于15g/l、密度差为0.07～0.15g/cm3的复合粉末生物载体颗粒与生物絮体混合液，在泵体的作用下，由进料管系610的收缩管613出口进入圆柱段620中，收缩管613出口流速控制在3～6m/s。进入圆柱段620中的混合物料，在紊流和水流剪切力的作用下，复合粉末生物载体颗粒与生物絮体分离。
48.复合粉末生物载体颗粒与生物絮体分离后，在旋流作用下，密度较大的复合粉末生物载体颗粒会富集在管壁上，并在重力的作用下，顺着管壁流入圆锥曲面段640中。密度较轻的生物絮体在空气柱外缘富集，在管壁和空气柱之间形成过渡区。最终密度较大的复合粉末生物载体颗粒在重力和离心力作用下从底流口642回收，返回生化系统，密度较轻的生物絮体和污水呈螺旋上升，从溢流管系650排出，进入排泥系统。
49.需要说明的是，本发明的低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置，适用于含复合粉末生物载体颗粒与生物絮体浓度小于15g/l的混合液的筛分回收。当浓度高于15g/l，复合粉末生物载体颗粒与生物絮体在圆柱段620和半椭球段630中产生“拥挤效应”显著增强，导致复合粉末生物载体颗粒与生物絮体的分离不理想。
50.采用本发明的低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置，在使用过程中，根据复合粉末生化载体与生物絮体的理化特性及其筛分回收过程中所需紊流和离心力差异，圆柱段620、半椭球段630、圆锥曲面段640的直径和长度，进料管系610的收缩比例以及溢流管系650的下部插入管652的插入深度均可进行设置和调整，实现对复合粉末生物载体颗粒的筛分效率达到80％～90％，具体如表1所示：
51.表1本发明的低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置功能分区和内腔结构优化后尺寸与内腔结构尺寸以外水力筛分器筛分效率对比表
[0052][0053]
从上表可知，本发明的低密度差复合粉末生物载体颗粒水力筛分装置，能够对密度差仅有0.07～0.15g/cm3的复合粉末生物载体颗粒与生物絮体进行分离，且复合粉末生物载体颗粒的筛分效率能够达到80％～90％。将筛分出的复合粉末生物载体颗粒重新投入污水处理池中，可实现污水处理过程中复合粉末生物载体含量的稳定，减少粉末生物载体的投加，具有显著的经济价值。
[0054]
需要解释的是，传统的水力旋分器的圆锥段采用双锥段直锥面设计，两个锥段之间存在突变点。压力流体流经圆锥段时，受垂直于圆锥段壁面方向的反作用力，反作用力会将物料向斜上方向推向空气柱。其中，密度较轻的生物絮体会向空气柱迁移，密度较大的复合粉末生物载体颗粒在离心力和重力作用下，向下迁移。双锥段存在突变点，导致流体流态
失稳，流体受力方向发生改变，小锥段轻质物料所受作用力趋向于水平，不足以抵消重力作用，会向底流口642逸出，导致分离效率下降；此外，突变点的存在，导致流体的水头损失增大，能耗增加。采用半椭球段630替代传统的圆柱形结构，可实现半椭球段630与圆锥曲面段640连接口632处于曲率相切连续状态，即半椭球段630内腔曲面与圆锥曲面段640内腔曲面为连续光滑曲面，流体在离心力和重力作用下从半椭球段平稳流向圆锥曲面段，流态稳定，水头损失小。
[0055]
表2进口流速保持不变的情况下，分离物料浓度对筛分效率的影响
[0056][0057]
从表2可知，在进口流速保持不变的情况下，分离物料浓度越低分离效果越好，当浓度提高，“拥挤效应”逐渐增强，复合粉末生物载体颗粒与生物絮体颗粒未充分分离，直接通过溢流管系650逸出，导致筛分效率下降，当物料浓度超过15g/l后尤为明显。
[0058]
参考图1、图2和图5所示，还包括被动叶轮660，被动叶轮660设置在圆柱段620和半椭球段630内，被动叶轮660包括叶片总成661、固定盘662和空心轴663，空心轴663转动安装在溢流管系650的下部插入管652上，叶片总成661包括套筒和多块叶片，多块叶片环设在套筒外，叶片沿套筒的轴向设置，套筒通过固定盘662固定在空心轴663上，叶片外沿曲线曲率与半椭球段曲率一致，叶片位于溢流管口下方高度h3宜为半椭球段630高度l2的0.4～0.6倍。
[0059]
本发明通过在圆柱段620和半椭球段630设置被动叶轮660，被动叶轮660在进口混合液推动作用下转动，密度较大的复合粉末生物载体颗粒在叶轮自旋作用下推向分离区，而密度较轻的生物絮体进入中心空气柱，从溢流管系导上部接管651排出，减小圆柱段620和半椭球段630的短流，达到整流效果，强化了复合粉末生物载体颗粒与生物絮体的分离效果，抑制了已分离复合粉末生物载体颗粒与生物絮体返混，提高了筛分效率；同时，被动叶轮660的设置可将半椭球段630中心的涡流尺度控制在较小的范围，降低中心部位的水流剪切作用力，使其在满足复合粉末生物载体颗粒与生物絮体颗粒分离的同时不破坏复合粉末生物载体颗粒表面的微生物之间的黏附结构。可以理解的是，在本实施例中，被动叶轮660由叶片总成661、固定盘662和空心轴663组成，空心轴663转动安装在溢流管系650的下部插入管652上，叶片总成661通过固定盘662卡装固定在空心轴663上。通过设置被动叶轮，复合粉末生物载体颗粒的筛分效率能够提高到95％以上。
[0060]
具体的，污水从进料管系610流入圆柱段620的时候，水流会推动叶轮转动，物料流经被动叶轮660时，其中密度较大的复合粉末生物载体颗粒在自旋转作用下向边壁迁移，密度较轻物料向中心区域迁移，强化复合粉末生物载体颗粒与生物絮体颗粒的分离；被动叶轮660的叶片合围成一个圆锥状，可以加速密度较大复合粉末生物载体颗粒的富集，提高分离效率，降低能耗。此外，被动叶轮660的设置，可将半椭球段630中心的涡流尺度控制在较小的范围，降低中心部位流体的速度梯度，从而降低中心部位的水流剪切作用，使其在满足
复合粉末生物载体颗粒与生物絮体颗粒分离的同时，不破坏复合粉末生物载体颗粒表面的微生物之间黏附结构。
[0061]
需要解释的是，溢流管系下部插入管652过短会引起短流效应；过长会导致混合液在圆柱段620的能量消耗过大，后期分离动能不足，分离效率下降；两者均会导致复合粉末生物载体颗粒从溢流管系650逸出。因此，溢流管系650的下部插入管652高度h2宜为圆柱段620高度l1和半椭球段630高度l2之和的0.4～0.7倍。
[0062]
本实施例通过设置被动叶轮660，在进料管系610的进流口物料射流推动下，叶片总成661带动空心轴663做规则旋转，在叶片推动作用下，复合生物载体颗粒物料在叶片外边壁富集，减少从溢流段的流失，同时减小短流，提高筛分效率。
[0063]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。