【固定混合器】
是一种无运动部件的管道混合装置，是一种高效的水液或气液快速混合装置。国内外自20世纪70年代以来，对不同型式的混合装置进行了研究和研制。作为一种无运动部件的高效混合传质装置，固定混合器具有一系列优良的特性，它在运行过程中，组成混合器的元件本身不发生旋转运动，其混合传质所需的能量是利用高速水流所提供的动能(即水流本身具有的流速和压力)，借助于安装在管道内的一系列一定形状的元件(如螺旋形或弧形元件)，将要混合反应的两种(或两种以上)的混合流体分割搅动而完成混合或混合反应过程。固定混合器由一定数目(根据具体使用要求而定)的混合元件按右旋和左旋(螺旋形)交替排列、相互垂直连接或(弧形)以一定角度连接安装于这些元件(或单体)紧密吻合的管道内而制成。螺旋形元件的旋转角度为180度，有右旋和左旋两种形式，元件长度一般为旋转直径(即管道内径)的1．25～2．0倍。弧形元件则由四块弧形板与一块连接板组成，各弧形板之间以一定角度连接(具体角度视元件长度和管道内径而定)。清华大学环境工程系和上海市政工程设计院分别对上述螺旋形元件混合器和弧形元件混合器进行研究和研制，取得了一定成果。W．J．Masschelein等对不同类型的混合装置进行了比较研究，认为螺旋型混合器的混合及处理效果明显优于其它形式。 安装后的固定混合器(螺旋型)具有以下两方面的主要功能：(1)分割流体的作用。即当水流或其与水处理药剂组成的流体(液液或气液)流经混合器的各个元件时，每一个混合元件将流体一分为二。如流体与第1个元件接触时，流体将被分割成2股，与第2个元件接触时，被分割成4股，以此类推。从理论上讲，随流体不断流动而流经以后各元件时，流体将按几何级数N=2i(i为元件数)被分割。如混合器管道的直径为D，则经i个元件后，流体液层的厚度δ将为δ=D／2i(忽略各元件厚度的影响)。实际运行中业已证实了这种分割作用的存在及其对处理效果的极大促进作用。(2)径向混合作用。即固定混合器内水流的状态接近于推流式反应器，流体在管内由于混合元件的螺旋形而具有充分的径向混合作用，而纵向混合作用几乎不存在。不管水流在管内的流动状态是紊流还是层流，由水流和所投药剂组成的混合液将由于螺旋元件和管壁所组成的螺旋形通道而围绕其水力轴心作圆周旋转运动，且不断有瞬间改变水流方向，于是混合器内的流体向管壁运动而产生剧烈的径向混合作用。对于弧形元件而言，安装后混合装置除了具有上述分割流体的作用外，还具有混合质向各个方向扩散的交叉混合作用，以助于增强流体的分割作用；此外，在紊流状态下，每个弧形元件的两端还产生强烈的旋涡。目前国内已研制了适合于水处理中混凝混合的管道式固定混合器，并进行了模型试验和模拟试验，同时结合工程进行了生产性试验，取得了良好的效果。已设计出直径Φ250～1000mm的混合器。此外，有关研究者还进行了固定混合器应用于消毒研究工作，结合消毒(氯消毒和臭氧消毒)的基本原理，对固定混合器运转性能进行了探索性研究，经小试、中试及生产性试验，已将Φ75mrn的固定混合器应用于医院污水的臭氧消毒处理工艺。1．在混凝中的应用。R．T．Stenquist等对不同形式的混合装置进行了混凝加快速混合研究，结果表明利用装有混合元件的管道混合器所产生的初始快速混合(闪混)对处理出水浊度有极为明显的改善作用。在利用固定混合器处理时，进出水中的絮体颗粒之比(反应混凝效果)可用下式表示：
式中：No、N，分别为水流流经第1个元件和流经第i个元件时水中的絮凝颗粒；KA为常数；i为元件数；G为速度梯度；T为混合时间。从上述及实际应用情况可知，混合过程中速度梯度G和混合时间T之积反应了混合反应的效果。一般达到良好混合反应效果的GT值在104～105之间。因而对固定混合器来讲，由于它具有分割流体及径向混合作用，一方面充分均化了混凝剂在被处理水中的分布，另一方面提高了接触面积，从而降低了投药量。此外，对于要求达到一定处理效果而言，采用固定混合器可缩短混合时间。当一级泵房离处理构筑物比较远而不宜采用水泵混合时，利用固定混合器极为适宜，它可大大改善空管混合的效果。同时，与其它混合设施比较，它还具有占地小、投资低、易安装、无需修理、使用寿命长等特点。据有关资料报道，使用固定混合器可以节省15%～30%的投药量。2．在消毒中的应用。氯化消毒是被广泛采用的消毒剂。但鉴于传统氯化消毒中存在一些问题，目前对使用臭氧为氯的代用消毒剂的研究和应用日益增多。在处理过程中，无论是氯还是臭氧，处理效果除受投量和接触时间的影响外，更重要的是受消毒剂与被处理水间混合程度的影响。氯化消毒过程中，氯是一种易溶于水的物质，并可在很短时间内发生水解和离解而产生次氯酸(HOCl)和次氯酸根离子(OCl－)。HOCl和OCl－具有杀菌作用，它们通过与有害微生物接触并通过传质作用进入细菌(或其它微生物)体内可使其灭活。这一过程中消毒剂向微生物体内的传质作用控制着灭菌效果的好坏。由于传统氯化消毒工艺中存在接触不良问题，再加上OC1－带负电而难以与带负电细菌接触，从而影响了HOCl和OCl－向细菌体内的接触传质。臭氧消毒过程中，臭氧是一种较难溶于水中的物质，但它具有极强的氧化作用，因而决定臭氧灭菌效果的因素是臭氧向水中的传质速率，它是属于传质控制的反应过程。固定混合器是一种以秒计的快速混合装置，在改善消毒效果、降低投药量和保证稳定出水水质方面已显示出它的极大优越性。沈耀良用管径D=15～16mm的固定混合器进行了快速混合氯化消毒试验研究。在进水量为400L／h、600L／h和800L／h的条件下，考察不同元件数(i)和混合度(Re)对灭菌效果的影响。当元件数为15个时，水流被分割后的液层厚度小于1μm，而大肠杆菌E·Coli的尺寸一般为1～5μm，此时可使水中几乎所有E·CoLi都暴露于氯之中；此外，当进水量由400L／h增加到800L／h，混合度(Re)由7500增加到15600时，灭菌效果明显改善。分析表明，由于固定混合器的作用，强化了氯向细菌体内的传质效果，均化了消毒剂在水中的分布，使出水水质得到保证，而且使在传统氯化消毒中难以发挥消毒灭菌功能的OC1－也充分发挥了它的作用，采用固定混合器作为快速混合装置时不但可大大缩短接触时间，降低投氯量，而且还可降低处理出水中的三卤甲烷类有害物质，获得良好的经济和环境效益。在氯化处理中利用固定混合器改进传统工艺，则可大大缩小接触反应池的容积。固定混合器在臭氧法水处理中也有良好的研究和应用。目前，臭氧消毒中促进其向水中传质的装置有鼓泡塔、蜗轮注入器和乳化搅拌器等。研究表明，它们的传质效果均不如固定混合器。对鼓泡塔和固定混合器的研究表明，用直径Φ5mm的固定混合器和Φ50mm的鼓泡塔进行臭氧灭菌处理效果比较试验时，两者的灭菌效果基本相当，但前者的有效容积仅为6．5ml，而后者的有效容积为7．8L，两者相差1200倍。综上所述，固定混合器作为一种高效的水处理混合接触装置，用于受传质控制的处理过程(如消毒)和要求快速混合的处理过程(如混凝)时，可获得极佳的效果。它具有传质能力强、设备容积小、占地面积少、安装维护方便以及处理效果好等优点。虽然对固定混合器的压力(即能耗)还存在不一致的看法，但可以，动力问题不会影响固定混合器的推广应用。(沈耀良撰) |