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重金属污染土壤旋流过滤器及旋流分级减量系统与方法

申请号 CN202310655775.1 申请日 2023-06-05 公开(公告)号 CN116764834A 公开(公告)日 2023-09-19
申请人 上海大学; 发明人 黄渊; 苏碧; 李辉; 王一唯; 陈依然; 相明辉;
摘要 一种重金属污染 土壤 旋流 过滤器 及旋流分级减量系统与方法,通过 旋流分离器 对污染土壤 浆液 进行初步浓缩,以去除其中无污染的砂石和较大土壤颗粒;通过一级旋流过滤器对旋流分离器的溢流浆液进行二次分离,进一步实现污染土壤的减量;经二级旋流过滤器浓缩的底流土壤为高污染土壤。本 发明 实现了重金属污染土壤的分级减量和 水 的循环利用。
权利要求

1.一种重金属污染土壤旋流过滤器,包括筒体和滤网段,其特征在于,在所述筒体内将传统的旋流器溢流管插入段设计为滤网段;
沿所述筒体上部的切线方向设置有进料口,所述筒体的底部或沿所述筒体下部的切线方向设置有底流口;
所述滤网段呈环状,壁面呈过滤孔或网格状均匀分布;
当重金属污染土壤颗粒混合液通过所述进料口进入所述筒体内产生旋转流动,受旋流离心力作用,混合液携带细小颗粒向所述滤网段壁面迁移,其中,含粗颗粒的外旋流从底流口流出,内旋流经所述滤网段拦截颗粒后,较大颗粒所受离心力和在滤网表面边界层内高速自转产生的升力的耦合作用克服过滤吸力,使滤网表面颗粒径向迁移,然后经所述溢流口流出,实现滤网表面旋流自清洁。
2.根据权利要求1所述的重金属污染土壤旋流过滤器,其特征在于,所述滤网段采用冲孔结构时,孔径不低于重金属污染土壤颗粒中值粒径。
3.根据权利要求1所述的重金属污染土壤旋流过滤器,其特征在于,所述滤网段采用网丝编织结构时,网丝与切向入口平面夹成30‑90°。
4.根据权利要求1‑3任一所述的重金属污染土壤旋流过滤器,其特征在于,所述筒体由圆柱段和圆锥段连接而成,所述底流口设于所述筒体底部。
5.根据权利要求4所述的重金属污染土壤旋流过滤器,其特征在于,所述圆柱段和圆锥段的内径均不大于50mm,以提供强旋流,使所述滤网段表面不易形成滤饼
6.一种重金属污染土壤旋流分级减量系统,其特征在于,包括优化的旋流分离器和至少一个权利要求1‑5任一所述旋流过滤器,且前一级旋流器的溢流口与后一级旋流器的进料口通过管道相连。
7.一种采用权利要求6所述旋流分级减量系统进行重金属污染土壤旋流分级减量方法,其特征在于,包括步骤如下:
重金属污染土壤颗粒混合液经进料口进入所述减量系统的旋流分离器;
所述混合液通过旋流分离器实现污染土壤浆液的初步浓缩,去除其中无污染的砂石和较大土壤颗粒;通过一级旋流过滤器对旋流分离器的溢流浆液进行二次分离,进一步实现污染土壤的减量;经二级旋流过滤器浓缩的底流土壤为高污染土壤。
8.根据权利要求7所述重金属污染土壤旋流分级减量方法,其特征在于,通过并联多个旋流过滤器,以提高处理量。

说明书全文

重金属污染土壤旋流过滤器及旋流分级减量系统与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种重金属污染土壤旋流过滤器及旋流分级减量系统与方法,属非均相分离领域。

背景技术

[0002] 旋流器应用于各种工业过程中的液‑固分离。分离原理是基于旋转流体产生的离心力作用,使密度大于流体的固体颗粒向旋流分离器壁面迁移,并随外旋流从底流出口排出;净化后的流体沿着中心内旋流从溢流出口排出。但是由于盖下短路流的存在,导致溢流跑粗,分离效率不高。
[0003] 为了解决旋流器分离效率不高的问题,一方面是对旋流器整体架构进行优化设计,如改变入口、溢流管插入段、锥段度等结构和尺寸;另一方面可通过引入过滤结构以提高总分离效率。
[0004] 中国发明专利申请公开说明书CN202110755922.3公开的旋流器、旋流系统及净水方法,该方法通过在溢流部的外壁与产水部的内壁之间设计第二间隙,即设计超滤部物理过滤净水,但是该方法对超滤部要求高,颗粒容易在超滤部表面沉积,造成第二间隙堵塞。
[0005] 中国实用新型专利申请公开说明书CN201621022151.8公开的旋液错流过滤器及过滤系统,该过滤器通过安装过滤筒于筒体顶部,实现旋流过滤,但是其在处理量大的情况下,容易在过滤筒表面形成滤饼,造成堵塞。
[0006] 中国发明专利申请公开说明书CN202010117285.2公开的一种旋流过滤装置及系统,该装置通过在筒体内设置滤芯,实现旋流沉淀杂物和膜式过滤的快速净化作用。但是其结构复杂,运行维护成本高,且易造成滤芯表面形成滤饼。

发明内容

[0008] 针对现有旋流过滤耦合分离技术处理钻井泥浆、土壤浆液存在易形成滤饼堵塞滤网的问题,本发明提出一种重金属污染土壤旋流过滤器及旋流分级减量过滤系统与方法,利用离心力和颗粒旋流自转升力的耦合作用克服过滤对颗粒的吸力(Fd>Fm+Fc),使旋流过滤分级器滤网表面不易形成滤饼,实现该系统长周期稳定运行,达成重金属污染土壤的减量。
[0009] 本发明的技术方案是:一方面,本发明提供一种重金属污染土壤旋流过滤器,包括筒体和滤网段,其特点在于,在所述筒体内将传统的水力旋流器溢流管插入段设计为滤网段;
沿所述筒体上部的切线方向设置有进料口,所述筒体的底部或沿所述筒体下部的切线方向设置有底流口;
所述滤网段呈环状,壁面呈过滤孔或网格状均匀分布;
当重金属污染土壤颗粒混合液通过所述进料口进入所述筒体内产生旋转流动,受旋流离心力作用,混合液携带细小颗粒向所述滤网段壁面迁移,其中,含粗颗粒的外旋流从底流口流出,内旋流经所述滤网段拦截颗粒后,较大颗粒所受离心力和在滤网表面边界层内高速自转产生的升力的耦合作用克服过滤吸力,使滤网表面颗粒径向迁移,然后经所述溢流口流出,实现滤网表面旋流自清洁。
进一步,所述滤网段采用冲孔结构时,孔径不低于重金属污染土壤颗粒中值粒径。
进一步,所述滤网段采用网丝编织结构时,网丝与切向入口平面夹角成30‑90°。
进一步,所述筒体由圆柱段和圆锥段连接而成,所述底流口设于所述筒体底部。
进一步,所述圆柱段和圆锥段的内径均不大于50mm,以提供强旋流,使所述滤网段表面不易形成滤饼。
另一方面,本发明还提供一种重金属污染土壤旋流分级减量系统,其特点在于,包括优化的旋流分离器和至少一个权利要求1‑5任一所述旋流过滤器,且前一级旋流器的溢流口与后一级旋流器的进料口通过管道相连。
本发明还提供一种采用上述旋流分级减量系统进行重金属污染土壤旋流分级减量方法,其特点在于,包括步骤如下:
重金属污染土壤颗粒混合液经进料口进入所述减量系统的旋流分离器;
所述混合液通过旋流分离器实现污染土壤浆液的初步浓缩,去除其中无污染的砂石和较大土壤颗粒;通过一级旋流过滤器对旋流分离器的溢流浆液进行二次分离,进一步实现污染土壤的减量;经二级旋流过滤器浓缩的底流土壤为高污染土壤。
进一步,该方法可并联多个旋流分级减量系统以提高处理量。
现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)针对CN202110755922.3,本发明利用颗粒所受离心力和在滤网表面边界层内高速自转产生的升力的耦合作用克服过滤吸力,使滤网表面颗粒径向迁移,实现滤网表面旋流自清洁。
(2)针对CN201621022151.8,本发明设计的旋流过滤器的滤网可根据处理要求选择合适的孔径以解决容易堵塞和定期清洗的问题,同时本发明采用重金属污染土壤旋流分级减量系统并联的技术手段,可达到高处理量、高分离精度的效果。
(3)针对CN202010117285.2,本发明旋流过滤器采用过滤网格,易于加工,结构简单,运行维护成本低,同时不易造成堵塞。
(4)本发明结合旋流分离和过滤分离的优势,将系统涉及的旋流过滤器溢流管部分替换为实用的滤网段,使其构造简单、结构紧凑稳定的同时大大提高了含固溶液的处理效率,实现了重金属污染土壤的分级减量,降低了重金属污染场地的修复成本。
附图说明
[0010] 图1为本发明重金属污染土壤旋流过滤器实施例1的结构示意图。
[0011] 图2为本发明重金属污染土壤旋流过滤器实施例1的分级效率图。
[0012] 图3为本发明重金属污染土壤旋流分级减量系统实施例2的结构示意图。
[0013] 图4为本发明重金属污染土壤旋流分级减量系统中二级旋流过滤器的结构示意图。
[0014] 本发明中滤网段的设计形式图,其中,(a)打孔滤网(b)编织滤网。

具体实施方式

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是应该明白,以下实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法,通常按照常规条件进行。
实施例1:
请参阅图1,图1为本发明重金属污染土壤旋流过滤器实施例1的结构示意图,如图所示,包括筒体和滤网段,在所述筒体内设置滤网段1‑4,所述滤网段的顶部设有溢流口1‑
1;所述筒体由圆柱段1‑3和圆锥段1‑5连接而成。沿所述筒体上部的切线方向设置有进料口
1‑2,所述筒体的底部设置有底流口1‑6;所述滤网段1‑4呈环状,壁面呈过滤孔均匀分布。当重金属污染土壤颗粒混合液通过所述进料口进入所述筒体内产生旋转流动,受旋流离心力作用,混合液携带细小颗粒向所述滤网段壁面迁移,其中,含粗颗粒的外旋流从底流口流出,内旋流经所述滤网段拦截颗粒后,较大颗粒所受离心力和在滤网表面边界层内高速自转产生的升力的耦合作用克服过滤吸力,使滤网表面颗粒径向迁移,然后经所述溢流口流出,实现滤网表面旋流自清洁。滤网截面图中,Fd为垂直滤网外壁面的流体曳力,Fm为颗粒自转产生的Magnus升力,Fc为离心力,ωz为颗粒轴向自转速度,Ut为环隙中颗粒的径向速度。
所述滤网段采用冲孔结构时,孔径不低于重金属污染土壤颗粒中值粒径;所述滤网段采用网丝编织结构时,网丝与切向入口平面夹角成30‑90°,如图5所示。
其具体运作过程及效果如下:
1、物料性质及相关参数
3 3
实验材料为石英砂颗粒,密度为2650kg/m。液相为自来水,密度为998kg/m。实验所用混合液浓度为2g/L(±5%)。
2、实施过程
针对现有旋流分离技术存在的溢流夹粗的现象,采用图1所示的旋流过滤器,石英砂混合溶液通过管道进入进料口,沿着进料口切向进入筒体,在筒体内颗粒受离心力高速旋转,石英砂大颗粒随着水流进入圆锥段,旋流器的分离主要发生于此段,大颗粒沿着圆锥段内壁面进入底流口,从底流口流出收集;石英砂细颗粒在滤网处所受离心力和在滤网表面边界层内高速自转产生的升力的耦合作用克服过滤吸力,同时不在滤网表面边界层形成滤饼,溢流液随后从溢流口流出。
3、结果分析
3
旋流过滤器的分离实验,在进料口流量为2.0、2.5和3.0m /h三种工况下进行实验。压力表显示范围为58‑139kPa。
(1)分离效率
下表为实验所得不同工况下的分离效率。本实验所设计旋流器公称直径为40mm。
(2)分级效率
图2为旋流过滤器的分级效率图,可以看出,随着进料口流量增大,分级效率随之
3
增大,出现了“鱼钩效应”。当流量为2.0m/h时,对于大于126.3μm的石英砂颗粒的分离效率
3
达到100%,当流量为3.0m/h时,对于大于113.9μm的石英砂颗粒的分离效率达到100%。
实施例2:
请参阅图3,图3为本发明重金属污染土壤旋流分级减量系统实施例2的结构示意图,如图所示,包括旋流分离器、一级旋流过滤器和二级旋流过滤器。其中二级旋流过滤器由筒体和滤网段组成,如图4,在所述筒体内设置滤网段2‑3,所述溢流管的顶部设有溢流口
2‑1、底部即所述筒体底部;所述筒体由圆柱段2‑4构成。沿所述筒体上部的切线方向设置有进料口2‑2,沿所述筒体下部的切线方向设置有底流口2‑5;所述滤网段2‑4呈环状,壁面呈过滤孔均匀分布。当重金属污染土壤颗粒混合液通过所述进料口进入所述筒体内产生旋转流动,受旋流离心力作用,混合液向所述滤网段壁面迁移,其中,含粗颗粒混合液外旋流从流出口流出,含细颗粒混合液的内旋流经所述滤网段拦截颗粒后,回流经所述溢流出口流出。所述滤网段采用冲孔结构时,孔径不低于重金属污染土壤颗粒中值粒径;所述滤网段采用网丝编织结构时,网丝与切向入口平面夹角成30‑90°,如图5所示。
具体运作过程及效果如下:
1、物料性质及相关参数
实验材料为某河道污染土壤,其中土壤只要受重金属和镉的污染。液相为自来水。实验所用混合液浓度为150g/L。采样土壤重金属铜总量为254mg/kg,采样土壤重金属镉总量为71mg/kg。
2、实施过程
运行中,污染土壤浆液通过旋流分离器,浓缩的砂石以及较大土壤颗粒从底流口直接排出;较小颗粒从溢流口进入一级旋流过滤器,经旋流过滤分级浓缩,底流直接排出;
其余流体经溢流口进入二级旋流过滤器,再次分级浓缩,高污染土壤颗粒从底流口收集,溢流口流体因其很低的固含量可以循环利用。同时在重金属污染土壤旋流分级减量系统的各点位取样。
3、结果分析
3
系统所采取流量为2.4m /h,下表为系统A、B、C、D、E五个取样点所含土壤颗粒的重金属总量。
表1系统各出口土壤中重金属总量
如表1所示,重金属铜和镉污染土壤经系统分级,B、C、D、E出口的土壤中值粒径随之降低,重金属铜和镉的总量随之增加,符合重金属污染物和土壤粒径之间存在负相关性的规律。
根据《土壤环境质量建设用地土壤污染险管控标准(试行)》(GB36600‑2018)对重金属污染场地填埋的要求,其中重金属铜的第二类用地筛选值为18000mg/kg,结果分析各出口土壤铜总量小于第二类用地标准;重金属镉的第二类用地筛选值为65mg/kg,B取样口的土壤符合回填标准,对重金属镉污染的去除效率达到了21.76%。
因此,B取样点符合回填标准,即旋流分离器底流口浓缩的土壤符合第二类用地回填标准。此时,土壤的减量化效率即为B出口的分离效率,达到77.53%。表2为B、C、D、E各出口的分离效率。
表2系统各出口的分离效率
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