综述：污泥中微塑料的来源、命运、效应及管理研究综述

《Desalination and Water Treatment》：A Review of Sources, Fate, Effects, and Management of Microplastics in Sewage Sludge

　　

摘要翻译：为解决现有混合器在抗水力冲击负荷能力差、能耗过高及混合效率低的问题，设计了一种新型无动力管状动态混合器。在该设计中，通过弹簧的伸缩实现孔板开口面积随水流量动态调节，弹簧连接于孔板以维持近似恒定的流速。研究人员在两个水处理厂进行了为期一年的对比实验，将该动态混合器与机械搅拌器和管状静态混合器进行比较。结果显示，该动态混合器实现了年平均沉降出口浊度0.70 NTU，混凝剂投加量68.94?mg/L，化学需氧量(COD_Mn) 2.18?mg/L，残余铝含量0.078?mg/L；这些指标均低于静态混合器(1.71 NTU, 85.16?mg/L, 2.73?mg/L, 0.133?mg/L)和机械搅拌器(1.32 NTU, 80.03?mg/L, 2.39?mg/L, 0.091?mg/L)的结果。该无动力混合器结合了机械搅拌器的有效混合性能与管状静态混合器的节能优势，从而实现最低运行成本。总体而言，该新型混合器在水处理、海水淡化及高级预处理领域表现出广泛应用潜力。

## 论文主体内容总结

### 1. 引言
混凝(Coagulation)作为供水处理的关键过程，在全球水处理工艺中广泛应用。混凝效率直接影响沉淀(Sedimentation)和过滤(Filtration)的性能，进而影响成品水质量。在海水淡化及高级水处理预处理系统中，混凝对于核心设备稳定运行、化学品利用效率、出水水质稳定及设备寿命延长具有重要意义。因此，优化混合性能对于提高水处理效率、保障出水质量以及实现节能减排具有重要价值。

水处理混合器按动力源及结构可分为三类：静态混合器(Static Mixer)、动态混合器(Dynamic Mixer)及微混合器(Micromixer)。静态混合器无需外部动力，通过内部构件对流体进行分流、剪切及旋转实现混合，具有结构紧凑、效率高的特点，但对流量波动适应性差，易发生堵塞及压损大。动态混合器通过电机驱动的叶轮或涡轮产生高强度涡流，实现化学品分散，具有良好的混合效率及流量适应性，但能耗高、管理复杂。微混合器通过微通道实现分子级混合，主要用于实验室及特殊反应，不适用于水处理厂的混凝过程。

为解决现有混合器抗冲击能力低及高能耗问题，设计了无动力管状动态混合器(Power-free Tubular Dynamic Mixer)，其通过弹簧控制可调孔板实现流量调节，结合静态与机械混合器的优点，实现恒定塞流(Plug Flow)速度，避免回流(back-mixing)现象。

### 2. 无动力管状动态混合器设计

#### 2.1 结构设计与混合原理
混合器由给药管(Dosing Tube)、伞形扩散器(Umbrella-shaped Diffuser)、孔板(Orifice Plate)及伸缩模块组成。孔板底部为圆孔、侧壁为椭圆孔，连接限位环和弹簧套管，弹簧一端固定于孔板，另一端通过微调螺母调节位置。水流变化时，孔板沿水流方向移动，实现流量和湍流强度的自适应调节，从而促进充分的混凝剂-水混合。

核心创新在于弹簧控制的可调孔板，使混合器表现为塞流型反应器，轴向回混强度低，维持反应物浓度梯度，实现快速均匀絮体形成，提高固液分离效率。

#### 2.2 水力特性分析
动力学分析显示，孔板开口面积与流量呈线性关系，保证流速恒定。Reynolds数(Re)大于4000，表明流动始终湍流，实现快速流量调节及95%以上混合效率。流量突变响应时间小于1 s，压损稳定且低于静态及机械搅拌器。

#### 2.3 技术特性
动态混合器结合静态与机械搅拌器优势，使用可调孔板及伞形扩散器，适应流量变化，防止回流。通过两级混合(伞帽初步混合+孔板进一步混合)保证化学剂-水充分接触，混合时间≤20 s。

#### 2.4 操作与维护
孔板可随水流自调，颗粒难沉积，六个月用高压水清洗一次。弹簧为不锈钢，设计寿命20年，年循环约1000次，确保长期安全运行。整体混合器结构紧凑、维护简便，无需外部动力。

### 3. 材料与方法
实验在盐城市建湖县的程南和上岗两水厂进行，分别替换原有机械搅拌器及管状静态混合器为动态混合器。共监测沉淀池出口浊度、混凝剂投加量、COD_Mn、残余铝、氨氮、三氯甲烷、硫酸盐及氯投加量一年。使用分析仪器包括原子吸收光谱仪、浊度计、恒温水浴及气相色谱质谱仪。

### 4. 混合效果分析

#### 4.1 沉淀池出口浊度
动态混合器年平均浊度0.70 NTU，低于机械搅拌器1.32 NTU和静态混合器1.71 NTU，且月间波动仅0.21 NTU，显示出极高稳定性。

#### 4.2 混凝剂消耗
动态混合器年平均68.94?mg/L，明显低于静态(85.16?mg/L)及机械搅拌器(80.03?mg/L)。冬季低温低浊度水需增加混凝剂投加量，但动态混合器依旧表现出稳定性。

#### 4.3 输出COD_Mn
动态混合器年平均2.18?mg/L，低于静态混合器(2.73?mg/L)，与机械搅拌器(2.39?mg/L)相近，但标准差最小，显示水质稳定。

#### 4.4 残余铝含量
动态混合器年平均0.078?mg/L，低于静态(0.133?mg/L)及机械搅拌器(0.091?mg/L)，保证饮用水安全。

#### 4.5 氨氮浓度
动态混合器年平均0.026?mg/L，低于静态(0.059?mg/L)及机械搅拌器(0.047?mg/L)，表明高颗粒去除效率提高了氨氮去除率。

#### 4.6 三氯甲烷浓度
动态混合器年平均0.015?mg/L，约为静态和机械混合器60%，月间波动小，显示更优去除效果。

#### 4.7 硫酸盐浓度
动态混合器年平均26.9?mg/L，较静态混合器低25.3?mg/L，较机械搅拌器低15.9?mg/L，月变化小，水质稳定。

#### 4.8 清水池氯投加量
动态混合器年平均23.64?mg/L，较静态混合器低34.79?mg/L，较机械搅拌器低6.23?mg/L，节约化学品消耗。

### 5. 讨论

#### 5.1 混合器类型与混合效果
传统机械搅拌器耗能高但混合均匀，静态混合器维护简便但对流量变化适应性差，均存在不同程度回混。动态混合器通过弹簧调节孔板实现稳定塞流，兼具静态混合器节能优势和机械搅拌器高效混合特性，避免回流，提高水质指标。

总体而言，无动力管状动态混合器在混合效率、节能、操作维护便利性及水质稳定性方面均表现优异，适用于大规模水处理、海水淡化及高级预处理工艺推广应用。