太湖清淤底泥離心脫水處理技術(shù)的可行性研究

蘇 華 倪守高 馬偉峰 王俊澤

（1.無(wú)錫市水利基建工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇無(wú)錫 214031；2.中船重工集團(tuán)公司第七〇二研究所，江蘇 無(wú)錫 214082）

0 引言

太湖清淤工程中，如何處置清淤上岸的淤泥一直是困擾大家的一大難題。采用堆場(chǎng)把淤泥堆放在指定的位置等其自然干燥是目前主要的處理方式，但堆場(chǎng)存放會(huì)占用大量土地資源，同時(shí)大量的淤泥長(zhǎng)期堆放還會(huì)污染空氣、水源，引發(fā)二次污染。此外，類似太湖的大規(guī)模清淤很多，巨大數(shù)量的淤泥依賴長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的堆放處置是不現(xiàn)實(shí)的，因此，如何快速有效地對(duì)清淤泥漿進(jìn)行減容化處理成為清淤工程的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外淤泥處理技術(shù)主要有化學(xué)固化法、自然風(fēng)干法及真空脫水干化法，但從已有應(yīng)用的實(shí)例來(lái)看，不僅大多仍需堆場(chǎng)，而且處置周期長(zhǎng)，總體上仍難以控制二次污染。采用離心技術(shù)快速處理淤泥的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外還不多見(jiàn)，本研究根據(jù)太湖生態(tài)清淤及淤泥快速處理示范工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)清淤底泥的特性，探討離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、差轉(zhuǎn)速及工作壓力等工藝參數(shù)對(duì)淤泥脫水效果影響的變化規(guī)律。

1 項(xiàng)目概況

無(wú)錫市太湖貢湖水源地水域處于太湖下風(fēng)口，近幾年來(lái)聚集了大量的藍(lán)藻，導(dǎo)致湖水水質(zhì)污染與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益突出。本區(qū)域淤泥沉積嚴(yán)重，據(jù)相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，底泥中營(yíng)養(yǎng)物OM、TP、TN 含量普遍較高，水質(zhì)中TN、COD 均不能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，高錳酸鉀指數(shù)處于Ⅲ類水平，總磷處于Ⅳ類水平，總氮劣于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水廠取水安全影響較大，為確保水域水體質(zhì)量安全，需要清除湖泊內(nèi)源污染底泥。同時(shí)，由于本區(qū)域是人口較為密集的居民區(qū)，難以找到大面積淤泥堆場(chǎng)，故需要對(duì)清淤泥漿進(jìn)行快速脫水減容處理。

本工程采用生態(tài)清淤與離心脫水一體化技術(shù)工藝，在清淤區(qū)岸邊設(shè)立淤泥處理站對(duì)清淤泥漿進(jìn)行快速脫水處理。本文主要介紹離心脫水一體化技術(shù)。

2 主要工藝介紹

2.1 工藝流程

清淤底泥離心脫水系統(tǒng)主要由離心機(jī)、提升泵、集泥池、加藥系統(tǒng)及干泥輸送系統(tǒng)組成。本技術(shù)的整體集成系統(tǒng)優(yōu)良，絮凝劑投加裝置、絮凝劑泵、淤泥泵等均與離心機(jī)配套供應(yīng)，在自控系統(tǒng)的支持下，組成了一個(gè)有機(jī)整體，其系統(tǒng)配置及工藝流程如圖1 所示。

離心脫水技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單、易操作，主要流程如下：清淤泥漿在船上經(jīng)過(guò)初級(jí)篩除雜后進(jìn)入泥漿調(diào)節(jié)池，均勻調(diào)質(zhì)后經(jīng)提升泵進(jìn)入離心機(jī)脫水系統(tǒng)，同時(shí)加入環(huán)保絮凝劑，泥漿經(jīng)離心脫水后實(shí)現(xiàn)泥水分離，干泥經(jīng)輸送系統(tǒng)裝車外運(yùn)，余水進(jìn)入沉淀池凈化處理后排放。

圖1 離心脫水技術(shù)工藝流程示意圖

整個(gè)工藝流程采用計(jì)算機(jī)控制，對(duì)淤泥脫水系統(tǒng)中所有設(shè)備的運(yùn)行情況、控制參數(shù)等實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，通過(guò)控制屏幕可以實(shí)時(shí)觀察到集泥池液位、淤泥泵的運(yùn)行狀況、淤泥流量、絮凝劑泵的運(yùn)行狀態(tài)、絮凝劑流量、螺旋速度、轉(zhuǎn)鼓速度、速差、速差曲線、工作壓力等，并可根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

離心機(jī)脫水的工作原理是：淤泥從空心轉(zhuǎn)軸的分配孔進(jìn)入離心機(jī)，依靠轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力分離出固體。螺旋輸送器與轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)方向相同，但轉(zhuǎn)速稍慢。兩者之間的速差，可將脫水淤泥送出離心機(jī)，分離液則從另一端排出，離心脫水可以連續(xù)進(jìn)行。離心脫水設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 淤泥離心脫水技術(shù)參數(shù)

2.2 工藝運(yùn)行參數(shù)

脫水泥餅的含固率是評(píng)價(jià)淤泥脫水效果的重要指標(biāo)之一。實(shí)踐證明，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速、固體負(fù)荷、液環(huán)層厚度、速差等運(yùn)行參數(shù)對(duì)淤泥脫水效果均有不同程度的影響。

2.2.1 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速（n）

圖2 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)泥餅含固率的影響

轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)淤泥脫水效果影響顯著，離心機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速可在1500～2700 r ／min 之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，脫水泥餅的含固率與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖2 所示。隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加，作用在淤泥上的離心力也相應(yīng)增加，脫水泥餅含固率也在增加；當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速達(dá)到2400 r ／ min 時(shí)，脫水泥餅含固率不再增加，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速達(dá)到2500 r ／ min 時(shí)，脫水泥餅含固率反而下降，這是因?yàn)槿绻饔昧μ螅赡軐?dǎo)致淤泥絮體分解破碎，反而影響脫水效果。并且，隨著轉(zhuǎn)速的增加，設(shè)備的機(jī)械磨損也大大增加，影響機(jī)器壽命。綜合上述因素，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速設(shè)定為2000～2400 r ／ min。本次實(shí)際應(yīng)用中離心機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為2300 r ／ min，其分離因數(shù)Fr（Fr=1.12×10-3Rn2）為2167。

2.2.2 干固體負(fù)荷（進(jìn)泥量Q）

所謂干固體負(fù)荷是指每小時(shí)處理的不揮發(fā)固體重量。調(diào)整離心機(jī)的干固體負(fù)荷，對(duì)淤泥脫水效果有很大影響，當(dāng)進(jìn)泥量Q 達(dá)到一定程度，所帶入的懸浮物含量超過(guò)了離心機(jī)所能承受的最大干固體負(fù)荷時(shí)，會(huì)造成泥餅含水率增加，上清液帶泥增多，此時(shí)應(yīng)該減少進(jìn)泥流量，使離心機(jī)脫出的上清液清澈。

在實(shí)際運(yùn)行中，必須在測(cè)量淤泥漿含固率的前提下，通過(guò)調(diào)整進(jìn)泥流量，來(lái)保證進(jìn)入離心機(jī)的干固體負(fù)荷不超過(guò)離心機(jī)的最大承受能力，否則，多余的干固體將從上清液中排出，上清液的懸浮物會(huì)急劇增多，而脫水泥餅的產(chǎn)量卻并沒(méi)有增加。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速達(dá)到2500 r/min、進(jìn)泥濃度為65 g/L 時(shí)，離心機(jī)運(yùn)行的干固體負(fù)荷可達(dá)2625 kg/h。當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速增加時(shí)，干固體負(fù)荷也會(huì)相應(yīng)增加，圖3 是最大干固體負(fù)荷隨離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速變化的曲線。

圖3 干固體負(fù)荷隨離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速變化曲線

2.2.3 液環(huán)層厚度（溢流板直徑D）

臥螺離心機(jī)在進(jìn)行淤泥脫水時(shí)，在離心力的作用下轉(zhuǎn)鼓內(nèi)會(huì)形成固環(huán)層、液環(huán)層和岸區(qū)（岸區(qū)是指淤泥離開(kāi)液環(huán)層至排出口的距離），為轉(zhuǎn)鼓錐體的一部分，如圖4 所示。

圖4 液環(huán)層厚度與岸區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系示意圖

當(dāng)進(jìn)泥量一定時(shí)，如果液環(huán)層厚度較大，淤泥在離心機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng)，淤泥在液環(huán)層內(nèi)進(jìn)行分離的時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)有更多的淤泥被分離出來(lái)，并能夠降低某些小顆粒受擾動(dòng)而隨分離液流失的可能性，但液環(huán)層厚度過(guò)大，會(huì)造成水隨脫水后的淤泥從淤泥出口溢出；如果離心機(jī)內(nèi)的液環(huán)層厚度較小，淤泥在離心機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間短，工作壓力不容易提高，脫水后的淤泥含固率也較低。綜合以上兩方面因素，液環(huán)層增厚一般會(huì)提高脫水的固體回收率，但液環(huán)層增厚，相應(yīng)會(huì)使岸區(qū)縮短，如圖4 所示，使脫離液環(huán)層的淤泥沒(méi)有充足的時(shí)間被甩干，因此，泥餅含固率將下降。控制液環(huán)層厚度、脫水時(shí)間應(yīng)在固體回收率與泥餅含固率之間權(quán)衡。本工程中淤泥脫水后不進(jìn)行焚燒處置，無(wú)需追求過(guò)高的泥餅含固率，而固體回收率則越高越好，因此，液環(huán)層厚度應(yīng)盡可能調(diào)大一些。

通過(guò)改變溢流板直徑D的大小可以調(diào)整離心機(jī)的液環(huán)層厚度。離心機(jī)的溢流板直徑D 調(diào)整十分重要，直接影響脫水效果和離心機(jī)的振動(dòng)程度，調(diào)整時(shí)必須確保所有的液位板都在相同的高度上，否則將會(huì)導(dǎo)致離心機(jī)因不平衡而產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，并應(yīng)保證液位板高度的公差為±0.25 mm。本研究中不同溢流板直徑D 脫水時(shí)效果如表2 所示。

2.2.4 速差

速差是轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速與螺旋轉(zhuǎn)速之差，即兩者之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，增加或減小速差，淤泥在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間將發(fā)生改變，對(duì)處理效果有著十分重要的影響。當(dāng)進(jìn)泥量一定時(shí)，如果速差比較低，淤泥在離心機(jī)中停留時(shí)間較長(zhǎng)，脫水后的泥餅含固率高，但處理能力較低；如果速差比較高，淤泥在離心機(jī)中停留時(shí)間較短，脫水后的泥餅含固率低，處理能力較強(qiáng)；速差越大，轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)越大，必然會(huì)增加對(duì)液環(huán)層的擾動(dòng)程度，固環(huán)層內(nèi)被分離出來(lái)的污泥會(huì)被重新泛至液環(huán)層，并有可能隨分離液流失。

表2 不同溢流板直徑D 脫水效果表

如果上清液含固量較多，表明在此速差下離心機(jī)的干固體負(fù)荷較大，因此要相應(yīng)增大速差，速差增大后，減少淤泥在離心機(jī)中的停留時(shí)間，將已經(jīng)脫水的干淤泥快速地從離心機(jī)中推出來(lái)，使其沒(méi)有機(jī)會(huì)回到液相中，這樣會(huì)增加干污泥產(chǎn)量，也會(huì)使上清液的含固量降低。如果螺旋壓力過(guò)高，表明在此速差下淤泥在離心機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，淤泥含固率過(guò)高，因此要相應(yīng)增大速差，減少干淤泥停留時(shí)間，以降低螺旋壓力。

速差通過(guò)綜合控制柜來(lái)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，這種極精確的調(diào)節(jié)可使各種不同濃度的淤泥都能獲得最佳的處理效果。根據(jù)淤泥濃度的不同，將脫水效果最佳時(shí)的速差和工作壓力設(shè)定成不同的速差曲線，貯存在綜合控制柜中，設(shè)備操作人員可根據(jù)所處理的淤泥特性進(jìn)行選擇。本工程中的速差在5～7 r/min 之間。

2.2.5 調(diào)試運(yùn)行

離心機(jī)的調(diào)試原則是：在固定一個(gè)參數(shù)（進(jìn)泥流量或者絮凝劑投加量）的情況下，調(diào)整速差和另外一個(gè)工作參數(shù)（絮凝劑投加量或者進(jìn)泥流量）。

具體操作時(shí)，初始階段在保持絮凝劑投加量固定不變的前提下，通過(guò)調(diào)整淤泥螺桿泵的轉(zhuǎn)速，按最大流量進(jìn)泥，從低到高逐漸提高速差，直至上清液完全清澈，如果速差已經(jīng)提高到7 r/min 以上，上清液的懸浮物含量仍然較多，說(shuō)明進(jìn)泥量已超過(guò)離心機(jī)的最大干固體負(fù)荷，此時(shí)按100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%的梯度逐漸降低進(jìn)泥流量，直到出現(xiàn)良好的泥餅含固率和上清液含固率為止。本工程離心脫水穩(wěn)定運(yùn)行的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

3 運(yùn)行效果

太湖貢湖水源地生態(tài)清淤及淤泥離心脫水快速處理工程歷時(shí)4個(gè)月，日處理能力達(dá)到4000 m3，由于清淤區(qū)域內(nèi)源污染較為嚴(yán)重，采用生態(tài)清淤吸取上來(lái)的淤泥漿含水率（97.5%）及污染程度均較高，通過(guò)對(duì)泥漿脫水處理進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，結(jié)果如表4 所示。

由表4 可以看出，離心脫水技術(shù)處理高含水率清淤泥漿時(shí)，脫水泥餅含固率達(dá)到了63.6%，出水SS（固體懸浮物濃度）只有8 mg/L，處理效果顯著。清淤泥漿中總磷的去除效果十分明顯，達(dá)到了97.07%，總氮及化學(xué)需氧量去除率較低，分別只有37.86%、21.92%，但出水總氮及化學(xué)需氧量值也相對(duì)較低。此種情況可能是水中總氮及化學(xué)需氧量含量較高，難以用物理法去除。

為了更好解釋上述現(xiàn)象，在同樣的工況下對(duì)低含水率淤泥漿進(jìn)行了處理，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5 所示，處理效果如圖5 所示。

由表5 可以看出，離心脫水技術(shù)處理高、低含水率清淤泥漿時(shí)，脫水泥餅含固率達(dá)到了65.2%，出水SS為7 mg/L，清淤泥漿中SS、總磷、總氮及化學(xué)需氧量的去除效果均十分明顯，出水總氮及化學(xué)需氧量值與高含水率清淤泥漿處理結(jié)果相差不大，這說(shuō)明底泥中的有機(jī)物大部分被去除了，清淤區(qū)域水質(zhì)污染十分嚴(yán)重，富營(yíng)養(yǎng)化程度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）離心脫水技術(shù)處理淤泥可連續(xù)運(yùn)行，處理效率高，能快速地對(duì)清淤泥漿進(jìn)行減容脫水，有效解決了淤泥堆場(chǎng)緊張的難題，避免了清淤泥漿造成的二次污染，實(shí)現(xiàn)了清淤與脫水處理一體化。

表3 清淤泥漿離心脫水運(yùn)行參數(shù)

表4 高含水率（97.5%）淤泥漿處理后的監(jiān)測(cè)結(jié)果

表5 低含水率（84.6%）淤泥漿處理后的監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 淤泥離心脫水處理效果

（2）通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)試，設(shè)定離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)（2000～2400 r ／ min），可以取得良好的淤泥脫水效果，減少設(shè)備的機(jī)械磨損；離心機(jī)的干固體負(fù)荷接近并小于其在使用轉(zhuǎn)速下的最大干固體負(fù)荷，才能取得最高的淤泥處理效率和最好的污泥脫水效果；通過(guò)改變溢流板的直徑來(lái)調(diào)整離心機(jī)的液環(huán)層厚度，對(duì)離心機(jī)淤泥脫水效果的影響非常大，將液環(huán)層厚度設(shè)定在合適的水平，可以保證泥餅的含水率降低，并且有較高的泥餅產(chǎn)量。

（3）淤泥離心脫水技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)清淤工程，取得了初步成功，具有較為明顯的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值，特別是在城市河道清淤及治理工作中具有更重要的積極意義。