水力旋流器在污水处理中的应用

王森洋 赵琰琪 王毅冉 代佳鑫 张宝玲

摘 要：环境保护关系到人类的生存与发展，污水处理工作的完善是企业生存的重要前提。水力旋流器是污水一级处理的核心设备，其结构简单、体积小、分离效率高、制造成本低、便于操作，处理效率远优于其他设备。本文主要根据数学模型，在理论的基础上，针对水力旋流器结构、工作原理及内部流场情况以及水力旋流器发展前景进行综述。

关键词：水力旋流器;污水处理;分级效率;应用

一、水力旋流器发展现状

自20世纪80年代水力旋流器出现以来，越来越多的研究人员致力于水力旋流器的研究和应用。在实际污水处理应用中，由于水土流失严重或受洪涝灾害，雨季雨污分流系统不完备，错误的生活污水处理方式等，都会导致含砂量往往会偏高，对后续工作的进行造成诸多不良影响，如堵塞管道、占用生化池容积、磨损设备、污泥消化罐效率降低等。

20世纪90代以后，国内外技术交流日益频繁，引进旋流器设备以来，国内外诸多企业不断研究优化水力旋流器结构。根据水力旋流器工作原理，利用CFD进行参数优化，实际考察，理论与实践相结合，对旋流分离器結构不断优化改进，最终可以高效地去除污水中的砂质颗粒，水力旋流器在污水处理厂中的应用更加广泛。

二、水力旋流器结构

水力旋流器的结构简单，分离腔从外观上可看成一个圆柱体连接着一个倒锥体且内部中空;上端切向方向安装有入口，即进料口;顶部出口为溢流口，底部出口为多为轴向安装，即沉砂口或底流口。

三、水力旋流器工作原理及内部流场

（一）水力旋流器工作原理

水力旋流器利用离心沉降原理，根据进料比重差异将两相或多相物料进行分离、分级或分选，可分离出几微米大小的固液混合物或液液混合物[1]。污水从进料口进入水力旋流器，在分离腔中高速旋转，形成离心力场，因污水系统中固体砂质颗粒和水有比重差异，故相对质量较大的固体颗粒受到的离心力作用大于其受到的拉力，进而被甩向外围，而相对质量较小的颗粒由于其受到的离心力低于相应的拉力，故沿中间溢流管道向上溢流最终实现净化污染物的目的，对于含油废水的处理过程中，由于油的相对密度较小，因此在分离过程被带到中间成为溢流，向上运动从溢流管排出，而水则被甩向外周，聚集在靠外侧的器壁上，最终由底流口排出，实现其油液分离的目的。

（二）水力旋流器内部流场

固体颗粒在水力旋流器内受到离心力、重力、摩擦力、随悬浮液浓度而变化的浮力、湍流的上升力、颗粒之间碰撞时产生的力等[2]。这些力间接地构成了极其复杂的内部流场，与其简单的结构截然相反，其内在流场也成为了近些年的研究重点，在正常工作的水力旋流器中，流体运动的基本形式大致可分为六种[3]，分别为外旋流和内旋流、短路流、循环流、零速包络面、最大切线速度轨迹面、空气柱。其内部四种类型的流动，即进料体顶部旋流、外侧筒壁旋流、内侧中心管旋流和往复流，三维流场对其分离最终效果产生决定性影响，水力旋流器分离效率的提升往往是以耗能为代价，压力损失是引起该设备能耗损失的关键[4]。

四、水力旋流器特点

（一）水力旋流器优点

（1）结构简单，内部不需要对易损件、运动件和密封件进行定期维护和更换;连接安装好管道即可操作运行;

（2）制造成本低、体积小重量轻、维护费用低、低能耗、不需要任何分离介质的辅助;

（3）适应性好且安装方便，安装角度不受限制，可单台使用，也可多台并联运行进而增大污水处理量，还可以串联使用来增大处理深度提高处理质量，且运行温度及压力不受限制;

（4）工作连续、稳定、操作方便，加工工艺简单，调试安装好后，即可自动工作;

（5）污油分离去除率高;

（6）用途广泛，可运用在不同场合不同领域，如澄清、脱泥、浓缩、分级、颗粒分选、固体回收等。

（二）水力旋流器不足

（1）若参数设计不当，内部流体产生的剪切作用容易使液滴（油滴或水滴）打碎乳化，使分离过程恶化;

（2）通用性较差，不同物性和结构尺寸的物料往往需要不同的旋流分离器处理，污水的产生方式不同，往往具有不同的物性，因此不同种旋流分离器往往不能互换使用;

（3）旋流分离能进行不同密度的液液分离，但不能很好地对污水中的固体悬浮物进行分离[5]。

五、水力旋流器应用前景

水力旋流器多采用金属材料作为外壳，使用天然橡胶、陶瓷和铸石等耐磨材料等作为内壁，存在着制造选材和利益最大化相冲突等问题。

国外研究部门为提高其耐磨、耐腐蚀性，提高设备的物理化学性能，扩大其使用范围，减少维修和人工成本，便引入新型高分子材料、复合材料或生物材料，采用聚氨酯、胶钢、玻璃纤维、硬镍合金等材料作衬里。水力旋流器内衬材料的优化，不仅能延长其使用寿命，更重要的是保证其生产稳定、节约资源、提高经济效益。

总结

目前，水力旋流器的基本结构改进研究已经比较成熟，在我国污水处理工作上起到很大作用，如果对水力旋流器应用范围进一步扩大，要求其结构的合理性也会随之增高。然而影响其分离性能的因素还有很多，本文主要是在理论分析的基础上，基于计算机的数学模型，分析了旋流器流场的特性和分布规律，阐述了水力旋流器技术在污水处理上的应用，以后的发展中，水力旋流器技术会进一步与计算机技术相结合，实现工艺化和程序化，以提高水力旋流器的分级效率。

参考文献

[1]石小敏，崔裕涛，韦鲁滨.水力旋流器主要参数对分离精度的影响[J].黑龙江科技学院学报，2011.

[2]E.G.Kelly and D.T.Spottswood.Introduction to Mineral Processing[M]. 1982：213-214.

[3]齐加刚. 水力旋流器分级性能分析及其改进[D].哈尔滨工业大学，2021.DOI：10.27061/d.cnki.ghgdu.2021.002301.

[4]杨丰，张锦国.旋流分离技术在污水处理中的应用[J].石油化工环境保护，2006（04）：20-23+67-68.

2021年黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（S202113299014）城镇污水处理用旋流器设备研究

第一作者简介：王森洋，哈尔滨石油学院

通信作者：代佳鑫，工程师，佳木斯职教集团