大型臥螺離心機(jī)用于疏浚淤泥處理試驗(yàn)研究

路洋， 樂(lè)紹林， 柴培宏， 熊偉

（武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司， 武漢 430071）

目前， 我國(guó)正在大力推行水環(huán)境整治， 底泥是河湖主要的內(nèi)源污染， 在水體環(huán)境發(fā)生變化后， 污染物會(huì)通過(guò)交換作用重新釋放， 對(duì)水體造成二次污染［1-2］。 疏浚是去除河湖內(nèi)源污染的主要技術(shù)手段，但是會(huì)產(chǎn)生大量高含水率的淤泥， 長(zhǎng)期堆置不僅占用土地資源， 而且還會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境， 必須對(duì)其進(jìn)行脫水干化處理。 河湖底泥的脫水干化技術(shù)主要包括自然干化和機(jī)械脫水干化， 自然干化由于需要占用大量的場(chǎng)地， 且干化周期長(zhǎng)， 容易對(duì)環(huán)境造成二次污染， 已經(jīng)受到限制［3-5］。 常用的機(jī)械脫水主要包括板框壓濾脫水、 帶式壓濾脫水以及離心脫水， 其中離心機(jī)占地面積小， 生產(chǎn)效率高， 尤其適合在受場(chǎng)地限制的城市中心地帶使用， 越來(lái)越多的城市水環(huán)境治理項(xiàng)目對(duì)施工機(jī)械的集成度和靈活性提出更高要求［6-8］。

湖州市潛山港疏浚工程河道全長(zhǎng)1.3 km， 水域面積4.74 萬(wàn)m2左右， 平均疏浚深度0.3 m， 總疏浚方量約1.4 萬(wàn)m3。 該項(xiàng)目毗鄰市政府， 施工用地受到很大限制。 因此， 選用了目前國(guó)內(nèi)最大的LW900 型臥螺離心機(jī)進(jìn)行疏浚淤泥的脫水干化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 研究了轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、 溢流板直徑以及轉(zhuǎn)差速等工藝參數(shù)對(duì)離心機(jī)運(yùn)行效果的影響， 以便更好地掌握離心機(jī)的運(yùn)行性能和處理效果， 同時(shí)為后續(xù)移動(dòng)式脫水干化設(shè)備的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)工藝流程

疏浚淤泥首先通過(guò)管道輸送至脫水干化場(chǎng)地的淤泥存儲(chǔ)池， 以保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)， 避免出現(xiàn)機(jī)等料的情況。 淤泥經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩的預(yù)處理， 將較大粒徑的碎石、 磚塊、 生活垃圾用振動(dòng)篩攔截下來(lái)， 雜物經(jīng)收集后集中處理。 將大顆粒分離后， 淤泥進(jìn)入濃縮均質(zhì)池， 以保證離心機(jī)進(jìn)料的均勻性和穩(wěn)定性。 濃縮好的淤泥和預(yù)先配制好的絮凝劑溶液在離心機(jī)進(jìn)料口通過(guò)管道混合器進(jìn)行強(qiáng)制混合， 絮凝好的漿料進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)， 由于離心力作用，大的絮團(tuán)進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓外側(cè)， 在螺旋葉片的作用下被送至排渣口， 連續(xù)排出， 分離后干渣含水率小于50%， 保證運(yùn)輸途中不發(fā)生滲水和滴漏。 漿液中的水進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)， 在重力作用下由尾水口排出。 試驗(yàn)工藝流程如圖1 所示， 選用的離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖1 試驗(yàn)工藝流程Fig. 1 Process flow of experiment

表1 LW900 型臥螺離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of LW900 horizontal screw decanter centrifuge

1.2 試驗(yàn)器材與藥劑

（1） 試 驗(yàn) 儀 器。 ZX1526 型 直 線 振 動(dòng) 篩、LW900 型臥螺離心機(jī)、 TJHB10 型三腔全自動(dòng)加藥機(jī)、 PSF-180 泥漿泵、 NL100-11 渣漿泵、 QY25-17-2.2 清水泵、 85-4A 型恒溫磁力攪拌器、 YYM型液體比重儀等。

（2） 試驗(yàn)藥劑。 市售聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑，陰離子型， 相對(duì)分子質(zhì)量為400 萬(wàn)～1 600 萬(wàn)； 陽(yáng)離子型， 相對(duì)分子質(zhì)量為800 萬(wàn)～1 200 萬(wàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

（1） 絮凝劑選型試驗(yàn)。 量取100 mL 的自來(lái)水置于250 mL 燒杯中， 稱取0.1 g 的絮凝劑， 置于磁力攪拌器持續(xù)攪拌60 min， 制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的絮凝劑溶液。 利用若干500 mL 的燒杯量取400 mL 含水率為98% 的原泥， 統(tǒng)一添加20 mL 配置好的絮凝劑溶液， 添加量為2 kg／t［DS］， 觀察泥漿的絮凝沉降速率和絮凝團(tuán)抱團(tuán)情況， 綜合評(píng)選效果最佳的絮凝劑。

（2） 上機(jī)中試試驗(yàn)。 在絮凝劑選型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 采用三腔全自動(dòng)加藥機(jī)配置0.1% 的絮凝劑溶液， 將配置好的溶液添加至淤泥均質(zhì)池進(jìn)行濃縮，調(diào)節(jié)其質(zhì)量濃度為65 g／L、 密度為1.04 g／cm3， 絮凝好的泥漿連續(xù)給入離心機(jī)進(jìn)行淤泥脫水干化中試試驗(yàn)。 采用單因素試驗(yàn)方法， 依次研究轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、溢流板直徑和轉(zhuǎn)差速對(duì)離心機(jī)出渣含水率、 余水懸浮物濃度及處理量的影響。 單因素試驗(yàn)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行不少于30 min。

1.4 分析方法

淤泥含水率依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［9］中含水率試驗(yàn)方法測(cè)定。 pH 值、 SS、 COD、 TN 及TP 等水質(zhì)指標(biāo)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［10］。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑選型試驗(yàn)結(jié)果分析

絮凝劑選型試驗(yàn)結(jié)果表明， 對(duì)于本河道淤泥，陽(yáng)離子型PAM 的絮凝效果明顯優(yōu)于陰離子型， 陰離子型PAM 絮凝速率慢， 且絮凝團(tuán)不牢固， 利用燒杯互相傾倒便可明顯打散絮凝團(tuán)。 此外， 陽(yáng)離子型絮凝劑相對(duì)分子質(zhì)量越高絮凝層厚度越厚， 上清液越清澈。 來(lái)彥彬［11］對(duì)不同種類的淤泥進(jìn)行了絮凝試驗(yàn)研究， 結(jié)果顯示， 我國(guó)大部分地區(qū)的河道屬于生活污染， 淤泥顆粒本身帶負(fù)電， 使用陽(yáng)離子型絮凝劑可以與其發(fā)生電中和及吸附橋架作用， 強(qiáng)化絮凝效果。 周海楊等［12］研究了多種化學(xué)調(diào)理劑對(duì)淤泥的絮凝作用， 結(jié)果表明高分子絮凝劑離子度越高， 絮凝團(tuán)越緊密， 相對(duì)分子質(zhì)量越大， 碳?xì)滏溇驮介L(zhǎng)， 官能團(tuán)越多， 能吸附的微粒量就越大， 但在配置水溶液時(shí)也越難溶解。 此外， 陽(yáng)離子型絮凝劑的離子度越高， 材料價(jià)格也越高。 綜合考慮絮凝劑配制和供料的需要， 以及有效控制施工中的材料成本， 結(jié)合絮凝劑選型試驗(yàn)結(jié)果， 最終選擇相對(duì)分子質(zhì)量為800 萬(wàn)的陽(yáng)離子型絮凝劑。

2.2 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)離心機(jī)運(yùn)行效果的影響

固定離心機(jī)進(jìn)漿質(zhì)量濃度為65 g／L、 溢流板直徑為260 mm 以及轉(zhuǎn)差速為8 r／min， 依次調(diào)節(jié)離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速， 考察離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)其出渣含水率和干固體負(fù)荷的影響， 結(jié)果如圖2 所示。

圖2 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)出渣含水率和干固體負(fù)荷的影響Fig. 2 Influence of drum speed of centrifuge on moisture content of slag and dry solid load

從圖2 可以看出， 隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加， 離心機(jī)出渣的含水率呈先降后升的趨勢(shì)， 在1 200 r／min 時(shí)達(dá)到最低。 離心機(jī)的干固體負(fù)荷呈先升后降的趨勢(shì)， 在1 400 r／min 時(shí)達(dá)到最高。 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速低時(shí)， 進(jìn)料流量小， 離心機(jī)負(fù)荷小， 淤泥在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的軸向流速大， 使得其在機(jī)器內(nèi)停留時(shí)間短， 因此分離效果差， 出渣含水率高； 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速增加時(shí)， 進(jìn)料流量增大， 軸向流速降低， 淤泥在機(jī)器內(nèi)停留時(shí)間增加， 分離效果提高， 出渣含水率降低。 當(dāng)離心機(jī)干固體負(fù)荷達(dá)到一定值時(shí)， 受到螺旋排渣能力的限制， 分離后的沉渣不能及時(shí)排出而引起轉(zhuǎn)鼓堵料，影響分離效果， 導(dǎo)致出渣含水率上升， 在極端狀態(tài)下甚至不能實(shí)現(xiàn)分離， 造成機(jī)器堵料故障［13］。 因此， 確定LW900 型臥螺離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1 200 r／min， 此時(shí)離心機(jī)的出渣含水率達(dá)到最低值， 生產(chǎn)效率也較高。

2.3 溢流板直徑對(duì)離心機(jī)運(yùn)行效果的影響

調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓大端溢流板直徑可以改變轉(zhuǎn)鼓沉降區(qū)和干燥區(qū)的有效長(zhǎng)度， 溢流板直徑小， 則沉降區(qū)增大， 干燥區(qū)減少， 轉(zhuǎn)鼓的液池深度增加， 分離后液相中含固率可降低， 但干渣沉渣的含水率增加； 反之溢流板直徑增大， 沉降區(qū)長(zhǎng)度減少， 干燥區(qū)長(zhǎng)度增加， 分離后液相中含固率將增加， 分離效果變差， 而干渣含水率會(huì)減少［14］。 固定離心機(jī)進(jìn)漿質(zhì)量濃度為65 g／L、 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1 200 r／min 以及轉(zhuǎn)差速為8 r／min， 依次調(diào)節(jié)離心機(jī)的溢流板直徑， 考察溢流板直徑對(duì)離心機(jī)出渣含水率和尾水懸浮物濃度的影響， 結(jié)果如圖3 所示。

圖3 溢流板直徑對(duì)出渣含水率和尾水水質(zhì)的影響Fig. 3 Influence of overflow plate diameter on moisture content of slag and tailing water quality

從圖3 可以看出， 隨著溢流板直徑的增加， 離心機(jī)出渣的含水率呈不斷降低的趨勢(shì)， 而尾水懸浮物濃度呈不斷上升的的趨勢(shì)。 高濃度的懸浮物會(huì)造成尾水處理濕地的負(fù)荷過(guò)大， 從而影響排水的水質(zhì)， 因此， 確定LW900 型臥螺離心機(jī)的溢流板直徑為270 mm， 此時(shí)離心機(jī)的出渣含水率滿足干渣外運(yùn)含水率不超過(guò)50% 的要求， 尾水懸浮物濃度也滿足濕地進(jìn)水水質(zhì)的要求。

2.4 轉(zhuǎn)差速對(duì)離心機(jī)運(yùn)行效果的影響

離心機(jī)轉(zhuǎn)差速是指離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的卸渣螺旋之間的轉(zhuǎn)速差。 固定離心機(jī)進(jìn)漿質(zhì)量濃度為65 g／L、 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1 200 r／min 以及溢流板直徑為270 mm， 依次調(diào)節(jié)離心機(jī)的轉(zhuǎn)差速， 考察轉(zhuǎn)差速對(duì)離心機(jī)出渣含水率和淤泥處理量的影響， 結(jié)果如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)差速對(duì)出渣含水率和處理量的影響Fig. 4 Influence of slip speed on moisture content of slag and treatment capacity

從圖4 可以看出， 隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)差速增加， 離心機(jī)出渣的含水率和淤泥處理量均呈不斷上升的趨勢(shì)。 這是因?yàn)楫?dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)差速較小時(shí)， 螺旋對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體的擾動(dòng)小， 同時(shí)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的沉渣在干燥區(qū)的停留時(shí)間也長(zhǎng)， 干渣的含水率較低。 反之， 離心機(jī)的轉(zhuǎn)差速大， 螺旋對(duì)流體的擾動(dòng)加大， 在轉(zhuǎn)鼓中沉降停留時(shí)間減少， 導(dǎo)致干渣的含水率增大， 但干渣排渣能力增加， 使得離心機(jī)的處理效率增加［15-16］。 因此， 在滿足出渣含水率要求的基礎(chǔ)上， 提高離心機(jī)的轉(zhuǎn)差速對(duì)提高生產(chǎn)效率有利， 確定LW900 型臥螺離心機(jī)的最佳轉(zhuǎn)差速值為9 r／min 左右。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

湖州潛山港疏浚項(xiàng)目施工共計(jì)2 個(gè)多月， 采用1 臺(tái)LW900 型臥螺離心機(jī)對(duì)潛山港底泥進(jìn)行脫水干化處理， 主要工藝參數(shù)為絮凝劑添加量2 kg／t［DS］、 進(jìn)漿質(zhì)量濃度65 g／L、 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速1 200 r／min、溢流板直徑270 mm 以及轉(zhuǎn)差速9 r／min。 在上述條件下， 平均每天可以處理淤泥約1 000 m3， 總計(jì)處理淤泥64 000 m3， 生產(chǎn)干渣8 360 m3， 減容率達(dá)到87%， 并且有效去除了底泥中的污染物。 LW900 型臥螺離心機(jī)對(duì)底泥污染物去除效果如表2 所示。

表2 LW900 型臥螺離心機(jī)對(duì)底泥污染物去除效果Tab. 2 Removal of sediment pollutants by LW900 horizontal screw decanter centrifuge

4 結(jié)論

（1） 影響臥螺離心機(jī)運(yùn)行效果的因素主要包括進(jìn)料流量、 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、 溢流板直徑以及轉(zhuǎn)差速。 本試驗(yàn)研究中， LW900 型臥螺離心機(jī)的最佳工藝參數(shù)為離心機(jī)進(jìn)漿質(zhì)量濃度65 g／L、 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速1 200 r／min、 溢流板直徑270 mm、 轉(zhuǎn)差速9 r／min。

（2） 利用LW900 型臥螺離心機(jī)對(duì)淤泥進(jìn)行脫水處理， 在最佳工藝條件下離心機(jī)出渣含水率可以降至46%， 處理量達(dá)到55 m3／h。 尾水中懸浮物、COD、 TP、 TN 的去除率分別達(dá)到99.79%、 93.33%、99.39%、 78.15%。

（3） 臥螺離心機(jī)用于處理疏浚淤泥， 可連續(xù)運(yùn)行， 處理效率高， 能夠快速實(shí)現(xiàn)疏浚淤泥的減容，同時(shí)有效去除河湖底泥中的污染物。

（4） 大型臥螺離心機(jī)用于疏浚項(xiàng)目可有效解決施工場(chǎng)地受限的問(wèn)題， 尤其是在城市水環(huán)境治理項(xiàng)目中， 亟需開(kāi)發(fā)移動(dòng)式的淤泥脫水干化系統(tǒng)， 研究結(jié)果可為疏浚項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)參考。