水力空化中雷诺数与空化数关系的研究.pdf

水力空化中雷诺数与空化数关系的研究 王惠敏 1 孙三祥 2 1. 兰州理工大学土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2.兰州交通大学环境与市政工程学院, 甘肃 兰州 730070 摘要 采用不同厚度、孔数和孔径的多洞孔板作为水力空化发生装置, 通过对罗丹明 B 溶液的空化试验, 得出了空化 数与雷诺数的关系。 试验结果与量纲分析相吻合。 关键词 水力空化 空化数 雷诺数 量纲分析 0 引言 空化氧化技术是一种新的水处理技术,一般把液 体内部局部压力降低时, 液体内部或液固交界面上蒸 汽或气体空穴 空泡 的形成、发展和溃灭的过程称为 空化 [ 1] 。根据空化产生模式的不同,空化可以分为声 空化 、 水力空化 、 光空化和离子空化 4 种类型 [ 2] 。 空化研究的最初目的是拟制其产生 ,避免汽蚀的 破坏作用 [ 3] ,现已广泛应用于化学和环境领域 , 2001 年Sivakumar 和Pandit 成功地将一套孔板水力空化装 置应用于KI 溶液 、 罗丹明 B 化合物和印染废水去色 的废水处理,试验表明空化强度和空化数可以用不同 的孔板进行有效的控制, 水力空化装置处理含这些物 质的废水是有效的 [ 4] 。 李志义等人 [ 5] 通过对碘化钾分解, 酵母微生物细 胞破壁以及油脂和纤维素水解的试验结果表明水力 空化对化工过程的强化具有简单易行 、 能耗低 、 效率 高等特点 。 臭氧虽然具有很好的消毒 、除臭作用 ,但用于饮 用水的消毒时投资较大、电耗较高 [ 6] 。有文献表明, 水力空化中产生的高速射流和局部高温 、 高压有利于 臭氧在系统内均匀分散并溶解 [ 7] ,两者联合可降低消 毒费用 [ 8] 。 本文对水力空化装置的空化特性进行了试验研 究,以多洞孔板为水力空化反应器, 研究了空化中雷 诺数与空化数的关系 ,并对此进行了理论分析 。 1 试验部分 1. 1 试验装置 试验装置 见图 1 为一闭路循环系统 , 由水箱、 空化反应器、 水泵及循环管路以及相关的测量仪器、 仪表组成 [ 9] 。 图 1 水力空化系统 1. 1. 1 水箱 水箱尺寸1. 07 m 0. 40 m 0. 49 m , 箱内设置薄 壁三角堰 堰 宽 b 0. 4 m ; 上游堰 壁高度 H0 0. 2535 m 以计量通过空化反应器的流量 , 该堰的流 量计算公式为 Q 1. 4 H 5 2 1 式中 Q 流量,m 3 s; H 堰上静水头 ,m。 1. 1. 2 空化反应器 本试验中水力空化反应器均采用多孔洞孔板 ,材 质为有机玻璃。本试验共设计 5 种孔板, 其几何参数 见表 1,小孔的布置按等面积均匀分布。 表 1 多洞孔板几何参数 孔板 编号 孔数 个 孔径 mm 板厚 mm 板厚 孔径 过流面积 mm2 133284103. 62 231382 . 67219. 02 3242. 583 . 2117. 75 48111163. 585 5482. 5104235. 50 1. 1. 3 水泵及循环管路 加压设备采用清水离心式水泵 型号 IS65-50- 160,扬程32 m ,流量25 m 3 h; 电机型号 Y132S 1- 2; 电 15 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 源380 V ,50 Hz ; 主管线采用镀锌钢管 DN50; 旁通管 采用橡胶软管 DN32。为了测定孔板前后的压力变化 情况, 在主管线布置了一些测点, 管道连接采用法兰 连接 。旁通管上采用 DN32 的闸阀V1, 主管上空化反 应器前采用DN50 的闸阀V2。 1. 2 试验方法 模拟废水采用人工配制,罗丹明B 废水溶液,试验 中阀V1和阀V3始终保持全开状态,通过调节阀 V2改 变孔板的进口压力,读取数据。罗丹明 B 溶液的初始 浓度为 5～ 6 μ g mL ,系统温度控制在 35～ 40℃。 2 空化数与雷诺数的关系 2. 1 空化数 孔板的空化效应是空化孔板的一个重要水力特 性,采用空化数来描述其特征, 为无量纲数 , 其表达 式为 cv p2-pv 1 2 ρ v 2 0 2 式中 cv 空化数 ; p2 孔板下游最大恢复压; pv 相应水温下水的汽化压强; v0 相应水温下的饱和蒸汽压; ρ 水密度 。 2. 2 雷诺数 雷诺数是判别层流与紊流的重要参数 , 其表达 式为 Revd υ 3 式中 Re 雷诺数 ; v 管中流体的平均流速 ; d 圆管管径; υ 流体的运动黏性系数 。 2. 3 量纲分析 影响空化的因素有压强 P2、汽化压强 Pv、溶液 的黏性系数 μ 、 孔中流速 V0、孔径 d 、溶液的密度 ρ 。 同时孔中流速还与孔板过流面积 S 有关。故在不考 虑孔的粗糙度的情况下, 可以得到 f P2, Pv, μ , V0, d , ρ , S0 4 考虑空化数表达式, 设 p2-pv Δp 则有 f Δp , μ , V0, d , ρ ,S0 5 根据 π定理, 选取孔中流速 V0、孔径 d 、溶液的 密度 ρ 为基本量 ,剩余物理量组成各 π式 π1 μ ρ a1 V b1 0d c1 6 π2 ΔP ρ a2 V b2 0d c2 7 π3 S ρ a3 V b3 0d c3 8 根据量纲一致原则, 确定各 π式对应指数 ,计算 并整理方程式, 得 f μ ρ V0d , ΔP ρ V 2 0 , S d 20 9 ΔP ρ V 2 0 2 f2 μ ρ V0d , S d 2 10 而 μ ρ V0d 1 Re , ΔP ρ V 2 0 2 Cv, S d 2π n 4 ,故有 Cvf3 Re, n 11 根据式 11 可知 1 空化数是雷诺数 、 孔板的孔 数 n 的函数 ; 2 若孔板固定 ,孔板的孔数 n 不变 ,则 空化数 Cv是雷诺数的函数 ,即 Cvf4 Re 12 3 试验结果 采用不同孔板, 空化数与雷诺数的关系如图 2 所示 。 1孔板 1; 2孔板 2; 3孔板 3; 4孔板 4; 5孔板 5。 图 2 空化数与雷诺数的关系 从图 2可以得出 1 空化数与雷诺数之间成幂 函数关系, Cvk R θ e; 2 对不同的孔板, 系数 k 和θ 是不相同的 ; 3 根据空化数与雷诺数之间的函数关 系,可得出给定条件下孔板压强与孔中流速之间的关 系,为不同孔板最佳水力空化条件的确定提供依据 。 4 结论 空化数和雷诺数关系为 Cvk R θ e,随着雷诺数 的增加 ,空化数减小 。对于不同的孔板, 系数 k 和 θ 是不相同的 。试验结果与量纲分析相吻合。 参考文献 [ 1] 潘森森. 中国大百科全书 力学卷 . 北京 中国大百科全书出版 社, 1985 273-274 下转第 19 页 16 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 表 2 JFFH -124 降解印染废水正交实验 L9 34 实验 编号 ABCD实验指标 JFFH -124 的 用量 mL 温度 ℃ 系统 pH 摇床转速 r min- 1 COD 降解率 13 . 025612021. 3 23 . 030714031. 5 33 . 035816025. 6 43 . 525716029. 5 53 . 530812030. 8 63 . 535614040. 6 74 . 025814034. 4 84 . 030616042. 8 94 . 035712032. 2 k126 . 13328 . 40034. 90028. 100 k233 . 63335 . 03331. 06735. 500 k3 36 . 46732 . 80030. 26732. 633 R10 . 3346 . 6334 . 6337. 400 3 结论及建议 1 在复合培养时 ,菌株 JF-1、 JF-2、 JF-4 之间的协 同作用使复合菌群 JFFH-124 所产MBF 的絮凝活性大 大提高。 2 虽然印染废水的生化性极差 , 但复合菌群 JFFH- 124 仍然表现出比单菌株更高的降解能力, 最高 降解 COD 的能力提高 30 左右 。 3 复合菌群 JFFH- 124 对印染废水的絮凝最佳 工艺条 件为 MBF 用量 2 mL , 1CaCl2溶液 用量 2. 5～ 3. 0 mL ,系统pH 为7～ 9。在各因素中对絮凝效 果影响最大的是 MBF 用量。 4 复合菌群 JFFH- 124 对印染废水降解的最佳 工艺条件为 投加菌量为4 mL , 温度为 30℃, 系统 pH 为6,摇床速度为140 rpm 。 各因素对降解效果影响的 程度排序依次是 接种量 摇床转速 温度 系 统 pH 。 参考文献 [ 1] 张宇峰. 印染废水处理技术的研究进展. 工业水处理, 2003, 23 4 23 -27 [ 2] 彭会清. 印染废水处理方法进展与述评.南方冶金学院学报, 2003,24 4 59 -63 [ 3] 李旭, 李小明, 杨麒, 等.微生物絮凝剂产生菌的研究进展. 生 物技术, 2006, 16 2 92 -94 [ 4] Ganesh Kumar G , Han Seung Joo , Jang Won Choi , et al. Purification andcharacterizationofanextracellularpolysaccharidefrom haloalkalophilic Bacillus sp. I 450. Enzyme and Microbial Technology, 2004,34 673 -681 [ 5] Deng Shubo ,Yu Gang, Ting Yenpeng. Production of abioflocculant by aspergillus parasiticus and its application in dyeremoval. Colloids and Surfaces B Biointerfaces, 2005,44 179 -186 [ 6] 容锵桃, 张鸿郭, 周少奇. 微生物絮凝剂研究进展. 环境技术, 2005 4 43～ 46 [ 7] 李捍东, 王庆生, 张国宁, 等. 优势复合菌群用于城市生活污水 净化技术的研究. 环境科学研究,2000, 13 5 14 -16 [ 8] 郑怀礼. 生物絮凝剂与絮凝技术. 化学工业出版社, 2003,11 39 作者通信处 程彬彬 330031 江西省南昌大学前湖校区 南昌市红 谷滩新区学府大道 999 号 研究生公寓30 栋1007 房间 E -mail magic5432hotmail. com 2007- 12-04 收稿 上接第 16页 [ 2] Parag R G . Cavitation an auxiliary technique in wastewater treatment schemes. Advances in Environmental Research, 2002, 6 335 -358 [ 3] 孙寿. 水泵汽蚀及其防治. 北京 水利电力出版社, 1989 [ 4] Kumar P S , Kumar M S , Pandit A B. Experimental quantification of chemical effects of hydrodynamic cavitations.Chemical Engineering Science, 2001, 55 9 1633 -1639 [ 5] 李志义. 水力空化及其对化工过程的强制作用. 化学工程, 2004,32 4 27 -29 [ 6] 边陵飞, 杜璋璋. 饮用水消毒技术及发展. 济宁师范专科学校学 报, 2005,25 6 9 -11 [ 7] Manickam S ,Pandit A B. Wastewater treatment a novel energy efficient hydrodynamic cavitational technique. Ultrason Sonochem, 2002, 9 3 123 -131 [ 8] Jyoti K K, Pandit A B. Ozone and cavitation for water disinfection. Biochem. Eng. J. , 2004, 18 1 9 -19 [ 9] 王夙, 孙三祥. 水力空化降解罗丹明 B 研究. 中国给水排水, 2004,20 46 -48 作者通信处 王惠敏 730050 甘肃兰州理工大学土木工程学院 E -mail wanghmlut. cn 2007- 12-10 收稿 19 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 STUDY ON ULTRASONIC DISINTEGRATION OF EXCESS SLUDGE FOR IMPROVING ITS BIO- GAS YIELD PERANCE OF TWO-PHASE ANAEROBIC DIGESTION Wu Chunde Shi Jihang7 Abstract A study was done on ultrasonic disintegration of excess sludge from a sewage treatment plant. The results indicated that soluble chemical oxygen demand was significantly increased, the removal rate of volatile solid, net bio -gas production and the rate of bio -gas production were also increased, and moreover the content of methane was increased, thusbio -gas yield perance was improved. The main factors affecting ultrasonic disintegration were sound energy density and disintegration time, and the secondary factor was ultrasound frequency. Keywords excess sludge two -phase anaerobic digestion ultrasonic disintegration methane EXPERIMENT ON OPERATIONAL PERANCE OF BIOLOGICAL SAND FILTER AT LAW TEMPERATURESu Chengyuan Zhang Jiankun Li Simin et al 10 Abstract The removal rates of organic matters and NH 4-N by a biological sand filterwere studied and the changes in biomass and microbi- al activity in the filter were analyzed at law temperature.It applied AHM for analyzing influencing factors.The removal rates of NH 4-N and CODMnwere 51 . 31 to 66. 35and 9. 18 to 16. 04 separately in biological sand filter at 5. 2℃to 10. 2℃. Microbial activity was 0. 029～ 0. 055mg hg. The biomassandmicrobial activity were decreasedby 17. 33 and56. 72when the water temperature fell down from 12. 7℃ to 5. 2℃. It applied AHM for analyzing influencing factors. The results showed thatthe temperature, substrate concentration and filter velocity were the important factors. Their weights were 0 . 318, 0. 270 and 0. 118, respectively. Keywords biological sand filter law temperature biomass microbial activity AHM THE COMPARATIVE TEST OF TREATMENT OF SLIGHTLY POLLUTED RAW WATER BY IM - MOBILIZED NITROBACTERIAHou Shuaihua Jia Baoqiu 13 Abstract A slightly polluted raw water was treated separately by immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor and bio-ceramicite reactor.It was compared the difference of their effluent inNH 4-N, NO - 2-N, CODMnand turbidity . The result showed that the bio -ceramicite re - actor s removal effect was better than that of immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor, the difference was very small. Further more, the immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor didn t need to be back washed and could run smoothly once it was activated. Immobi- lized nitrobacteria in the treatment of slightly polluted raw water has great potential. Keywords immobilized nitrobacteria ceramicite ammonia -nitrogen nitrous acid nitrogen INVESTIGATION ON THE RELATION BETWEEN CAVITATION NUMBER AND REYNOLDS NUMBER IN HYDRODYNAMIC CAVITATIONWang Huimin Sun Sanxiang 15 Abstract The orifice plates with different thickness, various holes and sizes were used as hydrodynamic cavitation generator to study the degradation effect of Rhodamine B solution. The relation between the cavitation number and the Reynolds number was set up and the experiment result was coned with that of the dimensional analysis. Keywords hydrodynamic cavitation cavitation number Reynolds number dimensional analysis TREATMENT OF PRINTING AND DYEING WASTEWATER WITHMULTIPLE MICROORGANISM Cheng Binbin Lin Bo 17 Abstract Three strains of bacterium with high flocculating rate and degradating rate were isolated from the sludge of printing and dyeing wastewater s outfall. And then the 3 strains were compounded, which was called JFFH-124. The experiments showed that JFFH-124 had higher flocculating rate and COD degradating rate. The chroma of printing dyeing wastewater was reduced from 150 to 23, the removal rate of chroma was 84. 5, and the wastewater s COD was reduced from 530 mg L to 96mg L, the removal rate of COD was 81. 9, after flocculation and deg - radation of the wastewater with JFFH -124. Keywords multiple strain microbial flocculants degradation printing dyeing wastewater TREATMENT OF BREWERY WASTEWATER BY EXTERNAL CIRCULATING ANAEROBIC TECHNIQUEHan Hongjun Yang Hua Zhao Jin et al 20 Abstract A technical rewasdone on a brewery wastewater treatment using the external circulating anaerobic -contact oxidation process. The operating result showed that the removal rates of COD, BOD andSSwere 97. 8, 99. 3 and 98. 9 respectively. The effluent couldmeet the requirements of“ Beer Industry Wastewater Discharge Standard” GB19821 -2005, and the system could run steadily and reliably. Keywords brewery wastewater external circulating anaerobic process technical re A SUMMARY OF DESIGN FOR CAST PROCESS SEWAGE TREATMENT PLANT Lin Yingzi Chen Lijun Liu Haichen et al 22 Abstract In view of a mixed sewage with high load and small volume, the designof a sewage treatment plant uses the hydrolysis -acidifica - tion andthe CAST series sewage treatment system. Throughtechnological designof various units, introduction to the arrangement of equipment and the operation data analysis, it is summarized the process characteristics and experience in technological design. Keywords sewage treatment plant hydrolysis -acidification CAST design 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 6,December,2008