河道底泥原位消減裝置開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)

陳東風(fēng)，薛明明，郭云書(shū)，王 逸，張 波

（1.鎮(zhèn)江市防汛防旱搶險(xiǎn)中心，江蘇鎮(zhèn)江 212002；2.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212016）

近年來(lái)，隨著對(duì)水污染問(wèn)題認(rèn)識(shí)的加深，水環(huán)境的內(nèi)源污染（底泥）問(wèn)題也逐漸被人熟知。河道底泥是水體環(huán)境氮、磷、重金屬等污染物的蓄積地，污染物質(zhì)會(huì)通過(guò)底泥的“源”“匯”特性發(fā)生遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化，對(duì)水體造成二次污染，對(duì)水生生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅［1-2］。底泥的過(guò)度淤積也會(huì)造成河道、水庫(kù)的蓄水量減小，水位升高，影響河湖泄洪［3］給防洪防汛工作增加壓力?，F(xiàn)行的異位處理方法主要通過(guò)疏浚設(shè)備將淺層底泥疏浚到岸邊，對(duì)底泥進(jìn)行脫水處理以達(dá)到減少底泥污染物釋放的技術(shù)措施［4］，包括攪拌固化法、機(jī)械脫水法、物理脫水固結(jié)法及熱處理等方式［5］。但是，異位修復(fù)處理技術(shù)有工程量較大、價(jià)格昂貴、易對(duì)當(dāng)?shù)赝寥?、地下水及空氣造成二次污染等缺點(diǎn)。為減少底泥處理過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境造成的污染，許多研究［6-7］開(kāi)始著重于底泥的就地消解即原位修復(fù)技術(shù)。原位修復(fù)技術(shù)可以將被污染的河道底泥就地處理，避免了沉積污染物在疏浚過(guò)程中再沉降、傳輸過(guò)程中造成的二次污染，配合使用物理、化學(xué)、生物等技術(shù)方法，達(dá)到底泥減量，控制淤泥底泥中的污染物溶解度、遷移性以及毒性的目的?，F(xiàn)有底泥處理技術(shù)有許多不足之處［8-9］：如向水體中投加藥劑的化學(xué)修復(fù)方法，雖然操作簡(jiǎn)單，但是藥品投加量難以控制，投加量過(guò)少則處理效果不明顯，投加量過(guò)多則會(huì)對(duì)水體生態(tài)環(huán)境造成不必要的破壞；如種植水生植物的生物修復(fù)技術(shù)，雖然安全環(huán)保，但其修復(fù)速度緩慢，時(shí)間周期過(guò)長(zhǎng)。針對(duì)上述現(xiàn)狀，亟需提出更高效、更便捷、更安全的底泥處理方式，從而改善河道水環(huán)境健康。

臭氧具有很強(qiáng)的氧化性，可以破壞微生物的細(xì)胞壁，殺死生物體，使胞內(nèi)物質(zhì)溶出，可用于底泥的減量化和無(wú)害化處理［10］。但在工程應(yīng)用中，氣體難以和底泥均勻混合，單獨(dú)使用臭氧氧化難以保證最佳濃度，減量效果往往有限［11-12］。于是，本研究提出并設(shè)計(jì)了一種將旋流切割與臭氧氧化技術(shù)相融合的底泥原位消減裝置（圖1）。臭氧氣體經(jīng)渦流空化器后產(chǎn)生臭氧微氣泡，底泥流經(jīng)渦流空化器后被剪切破碎成污泥細(xì)顆粒，臭氧微氣泡高效溶解于底泥細(xì)顆粒流中，一部分臭氧直接與底泥中的溶解物質(zhì)反應(yīng)并礦化，一部分臭氧與經(jīng)潛水泵破碎后的底泥顆粒反應(yīng)，底泥顆粒被進(jìn)一步氧化分解為更小的顆粒物，強(qiáng)氧化性的臭氧再對(duì)底泥小顆粒破壁溶胞，使胞內(nèi)的有機(jī)質(zhì)（蛋白質(zhì)、核酸、多聚糖等）釋放進(jìn)液相，臭氧再與溶解到液相中的物質(zhì)反應(yīng)并礦化，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物，從而使污泥溶液TCOD 下降［13-14］。通過(guò)裝置不斷循環(huán)，持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，實(shí)現(xiàn)了底泥就地減量。同時(shí)，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)裝置進(jìn)行應(yīng)力分析后得出最佳的裝置設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)水體中臭氧濃度的檢測(cè)與底泥中有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定明確裝置的底泥減量性能，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

圖1 底泥減量裝置技術(shù)思路

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

20 g 臭氧發(fā)生器（RF-Y20）；750 W 潛水泵；旋流桶；外絲變徑管；內(nèi)絲活接；聚四氟乙烯氣管；卡盤；卡箍；不銹鋼管；90°彎頭；角鋼；蓋板；金屬網(wǎng)；法蘭；螺栓；U型管卡；卡箍式快接；吊環(huán)。

1.2 方法

1.2.1 裝置運(yùn)行過(guò)程的數(shù)值模擬及應(yīng)力分析

設(shè)計(jì)采用Autodesk Inventor 軟件建立模型，并用Autodesk CFD 軟件進(jìn)行流體仿真模擬。同時(shí)，利用Autodesk Inventor 軟件中的應(yīng)力分析技術(shù)，對(duì)該裝置的各個(gè)構(gòu)件和部位進(jìn)行應(yīng)力校核，并計(jì)算出位移情況、安全系數(shù)、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及Mises等效應(yīng)力。

1.2.2 水力旋流切割器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

水力旋流切割器的結(jié)構(gòu)對(duì)微泡產(chǎn)生的性能有決定性作用。研究設(shè)置10 mm、15 mm、20 mm 3 種出水口孔徑的水力旋流切割器，利用Autodesk CFD軟件分別進(jìn)行流體壓力的仿真模擬，通過(guò)對(duì)比3 種孔徑的內(nèi)外壓差，選擇最適孔徑。

1.2.3 臭氧溶解率測(cè)定

將臭氧測(cè)定儀電極頭放置到試驗(yàn)水體中，測(cè)定裝置運(yùn)行開(kāi)始30 min 內(nèi)試驗(yàn)水體中臭氧溶解度，1 min記錄1次數(shù)據(jù)。

1.2.4 底泥減量效果分析

于河流底部取沉積的底泥145 kg 投入長(zhǎng)寬高均為1.2 m 的污泥處理箱內(nèi)，將裝置放置其中運(yùn)行一周（每日運(yùn)行2 h），每日運(yùn)行裝置前在處理箱平均分布的4個(gè)點(diǎn)位取底泥在0～4 ℃保存待測(cè)。

泥樣采集完畢去除石塊、草木等雜質(zhì)后于烘箱中80 ℃烘干至恒重，研磨過(guò)100目篩網(wǎng)。稱重后于馬弗爐內(nèi)600 ℃燃燒4 h，降溫后稱重得到有機(jī)質(zhì)消減質(zhì)量。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析底泥減量效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置運(yùn)行過(guò)程的數(shù)值模擬及應(yīng)力分析

2.1.1 模型建立

該流體模型采用AutodeskInventor軟件建立，其模型簡(jiǎn)化圖如圖2 所示。該流體模型進(jìn)口直徑為28 mm，切向進(jìn)入到直徑為98 mm的旋流通道，最后在直徑為15 mm 的出水口流出。河道底泥在旋流通道和出水口中產(chǎn)生空化效應(yīng)，與臭氧氣體充分反應(yīng)，有效降解了河道污染底泥。

圖2 流體模型

2.1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分示意圖如圖3 所示，使用Autodesk CFD 模擬計(jì)算將空間上的連續(xù)區(qū)域劃分為若干子區(qū)域，并確定區(qū)域節(jié)點(diǎn)來(lái)劃分網(wǎng)格。

2.1.3 流體模型參數(shù)

設(shè)計(jì)主要針對(duì)流體在流場(chǎng)中所產(chǎn)生的渦流空化效應(yīng)，因此主要探究的問(wèn)題是流場(chǎng)中的壓力分布、流場(chǎng)線分布以及速度分布情況。由于河道污染底泥性質(zhì)復(fù)雜多樣，為了便于進(jìn)行仿真模擬，由水流體來(lái)代替河道污染底泥與臭氧的水氣混合物進(jìn)行求解，水流體參數(shù)按照默認(rèn)值設(shè)置。

2.1.4 邊界條件設(shè)置

入口設(shè)置為速度入口邊界，入口流體速度v。

式中：Q為進(jìn)口流量，L/h；S進(jìn)口截面面積，m2。

根據(jù)所選用的潛水泵型號(hào)可知Q 為9 m3/h，入口直徑d為28 mm。

計(jì)算得

出口壓力假設(shè)為0 Pa。

2.1.5 求解結(jié)果

本次求解結(jié)果主要分為3個(gè)部分：（1）流場(chǎng)線的分布情況；（2）各處流體的絕對(duì)速度；（3）壓力分布情況。

（1）流場(chǎng)線的分布情況

如圖4 水流體流場(chǎng)線分布情況所示，流體在進(jìn)入旋流通道之后高速旋轉(zhuǎn)，沿著旋流筒外壁朝著另一側(cè)的出口流出，在此過(guò)程中，流體能夠產(chǎn)生充分的渦流，其壓力分布圖將在下文進(jìn)行敘述，并產(chǎn)生渦流空化作用。

圖4 水流體流場(chǎng)線分布

（2）各處流體的絕對(duì)速度

如圖5進(jìn)水截面的流體速度分布圖和圖6旋流通道截面的流體速度分布圖所示，進(jìn)口速度由潛水泵流量Q 決定，進(jìn)水截面流體速度為4.06 m/s，在進(jìn)水管道中，流體速度隨著在進(jìn)水管道的流動(dòng)逐漸增大，在進(jìn)入旋流通道中的瞬間達(dá)到最高速度5.29 m/s。原因是相對(duì)于進(jìn)水管道，旋流筒中的流體壓強(qiáng)相對(duì)較小，因此流體迅速朝著旋流筒中移動(dòng)，造成了速度逐漸增加的現(xiàn)象。

圖5 進(jìn)水管截面的流體速度分布

圖6 旋流通道截面的流體速度分布

隨后，進(jìn)入到旋流通道的流體速度開(kāi)始緩慢降低，如圖6 旋流通道截面的流體速度分布圖中的顏色區(qū)域可以看出，沿旋流筒外壁的流體速度較旋流筒中心線的流體速度大，其中沿旋流筒外壁的流體速度最大可達(dá)到2.41 m/s，而旋流筒中心線（出口處不納入中心線）的流體速度最大只有0.27 m/s。

如圖6 旋流通道截面的流體速度分布圖所示，由于旋流筒出口處直徑急劇縮小，因此流體速度迅速增大，出口截面的流體最大速度為16.39 m/s，最小速度為12.46 m/s。

（3）壓力分布情況

如圖7進(jìn)水管截面的流體壓力分布圖和圖5旋流通道截面的流體壓力分布圖可以分析出流體在整個(gè)旋流過(guò)程中的壓力分布情況。

圖7 進(jìn)水管截面的流體壓力分布

流體在進(jìn)水管進(jìn)口處的壓強(qiáng)為193 kPa，隨后沿著進(jìn)水管中心線的方向逐漸降低，在流體抵達(dá)旋流筒時(shí)流體壓強(qiáng)減小到了191 kPa，原因是旋流筒相對(duì)于進(jìn)水管來(lái)說(shuō)體積非常大，因此旋流筒中的流體壓強(qiáng)相對(duì)較小，所以沿著進(jìn)水管中心線的方向流體壓強(qiáng)逐漸減小。

如圖8 旋流通道截面的流體壓力分布圖可知，流體進(jìn)入旋流筒后流體壓強(qiáng)進(jìn)一步減小，然而旋流筒中的流體產(chǎn)生了渦流，即流體繞旋流筒的外壁旋轉(zhuǎn)流向出口。上圖中的結(jié)果顯示可知，旋流筒外壁的流體壓強(qiáng)為208 kPa，而旋流筒中心線靠壓強(qiáng)為191 kPa，此時(shí)可以看出旋流筒中心處的壓強(qiáng)較小，可以達(dá)到渦流效應(yīng)的要求。

圖8 旋流通道截面的流體壓力分布

在理想情況下，如果不考慮流體的能量損失并且流體的流動(dòng)始終處于層流中，則流體從切線方向流入水力旋流切割器的內(nèi)部，力矩保持恒定，由于該點(diǎn)更接近中心，因此其旋轉(zhuǎn)半徑較小且切向速度較大。隨著切向速度的不斷變化，從伯努利方程可知，壓力能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，點(diǎn)越接近中心，切向速度越大，壓力越來(lái)越小。在水力旋流切割器的中軸線附近會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)。在負(fù)壓下，混合物由噴嘴出口流出，負(fù)壓值在兩邊也是不同的，這樣就會(huì)在中軸產(chǎn)生一個(gè)壓力梯度。吸入的污泥流體中的臭氧將被破碎成微泡，然后從混合物出口噴出。

2.2 水力旋流切割器應(yīng)力校核

所設(shè)計(jì)的水力旋流切割器為不銹鋼材質(zhì)，其材料的旋流筒屈服強(qiáng)度高達(dá)250 MPa，極限拉伸強(qiáng)度高達(dá)540 MPa，在該裝置運(yùn)行過(guò)程中，旋流筒除了受流體的沖擊作用以外，還受到了重力的作用，由于流體沖擊的校核比較復(fù)雜，因此本次校核主要校核重力所帶來(lái)的影響。

本次應(yīng)力校核采用AutodeskInventor 軟件中的應(yīng)力分析技術(shù)。在應(yīng)力校核的分析過(guò)程中，計(jì)算出了位移情況的最大值和最小值分別為0.000185649 mm 和0 mm，安全系數(shù)的最大值和最小值都是15 ul，第一主應(yīng)力的最大值和最小值分別為0.203321 MPa 和-0.0560891 MPa，第三主應(yīng)力的最大值和最小值分別為0.0733293 MPa和-0.17811 MPa，Mises等效應(yīng)力的最大值和最小值分別為0.151758 MPa 和0.0000443972 MPa，旋流筒所受最大應(yīng)力為0.203 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于250 MPa，因此滿足應(yīng)力校核要求。

2.3 水力旋流切割器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

本設(shè)計(jì)采用的水力旋流切割器如圖9 所示，由一個(gè)圓筒側(cè)面切向連接進(jìn)水口，在圓筒內(nèi)部形成旋流腔，進(jìn)水管與圓柱面?zhèn)让媲邢蜻B接，采用焊接。

圖9 水力旋流切割器

進(jìn)水管通底泥流，當(dāng)?shù)啄鄰倪M(jìn)水管進(jìn)入后，內(nèi)部的水利切割葉片在具有一定初速度的進(jìn)水作用下，產(chǎn)生渦流，在渦流中心形成負(fù)壓區(qū)，側(cè)向進(jìn)入的水流同臭氧通過(guò)渦流中心，底泥被剪切為超細(xì)污泥顆粒，臭氧氣柱被剪切為臭氧微氣泡，相互混合反應(yīng)，最后從出口處噴出。

本設(shè)計(jì)中，進(jìn)水口內(nèi)徑為28 mm，出水口直徑為15 mm，旋流腔內(nèi)徑為102 mm。由圖7 和圖8 中的流體各處的壓力分布情況可以看出，旋流筒外壁的流體壓強(qiáng)比旋流筒中心線（出口處不納入中心線）處的流體壓強(qiáng)大，但效果并不是特別顯著，因此僅對(duì)出口直徑的大小進(jìn)行探究，即將出口直徑分別設(shè)置為10 mm、15 mm 和20 mm 3 種不同的情況，分別進(jìn)行流體壓力的仿真模擬，其中出口直徑為10 mm的流體壓力分布情況，旋流筒外壁的流體壓強(qiáng)為981 kPa，旋流筒中心線（出口處不納入中心線）處的壓強(qiáng)為980.1 kPa，因此在此條件下旋流筒中的內(nèi)外壓差ΔP10=0.9 kPa，而出口直徑為15 mm的流體壓力分布情況，其中旋流筒外壁的流體壓強(qiáng)為192 kPa，旋流筒中心線（出口處不納入中心線）處的壓強(qiáng)為189.2 kPa，因此在此條件下旋流筒中的內(nèi)外壓差ΔP15=1.8 kPa，另外出口直徑為20 mm的流體壓力分布情況，其中旋流筒外壁的流體壓強(qiáng)為58.1 kPa，旋流筒中心線（出口處不納入中心線）處的壓強(qiáng)為57.5 kPa，因此在此條件下旋流筒中的內(nèi)外壓差ΔP20=0.6 kPa，綜上，ΔP20＜ΔP10＜ΔP15，因此出口直徑選擇15 mm最佳。

2.4 底泥減量效果分析

2.4.1 水體臭氧濃度

如圖10 水體中臭氧濃度隨時(shí)間變化的折線圖所示，在20 min 內(nèi)水體中臭氧濃度升至4.42 mg/L。大幅提升了水體的臭氧溶解度，為后續(xù)底泥減量提供了良好基礎(chǔ)。

圖10 水體中臭氧濃度隨時(shí)間變化折線

2.4.2 底泥消減成果

將裝置運(yùn)行一周前后（每日運(yùn)行2 h）的污泥處理箱內(nèi)的運(yùn)行情況與底泥情況對(duì)比后發(fā)現(xiàn)水質(zhì)與底泥狀況有明顯改變。水質(zhì)與底泥不再呈炭黑色，初步判定有機(jī)質(zhì)得到較好的消解。為證實(shí)此猜想，將每日取樣的底泥樣品進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

如圖11 所示，使用裝置對(duì)不同兩地底泥進(jìn)行處理，同時(shí)取樣進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定。明顯看出取樣點(diǎn)一的底泥有機(jī)質(zhì)的含量由6.79%降至4.08%，取樣點(diǎn)二的底泥有機(jī)質(zhì)含量由8.39%降至5.47%。兩個(gè)取樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)消解率分別為39.94%和34.8%，均呈明顯下降趨勢(shì)。

圖11 底泥有機(jī)質(zhì)含量變化

3 結(jié) 語(yǔ)

本裝置利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)模擬在不同參數(shù)條件下水力旋流切割器的內(nèi)部壓力分布、流速情況，確認(rèn)可在旋流切割器內(nèi)部產(chǎn)生充分渦流。同時(shí)，旋流筒所受最大應(yīng)力為0.203321 MPa，遠(yuǎn)小于旋流筒屈服強(qiáng)度高達(dá)250 MPa，滿足應(yīng)力校核要求。旋流桶設(shè)計(jì)參數(shù)值為進(jìn)水口內(nèi)徑28 mm，旋流腔內(nèi)徑102 mm，出水口直徑15 mm，可達(dá)到最好的臭氧微氣泡產(chǎn)生效果。最后，通過(guò)試驗(yàn)效果證明裝置運(yùn)行30 min 內(nèi)水體臭氧濃度升至5.65 mg/L，能得到良好水體凈化效果。通過(guò)兩次試驗(yàn)，裝置運(yùn)行7 d（每日2 h）后的底泥削減率分別達(dá)到39.94%和34.8%，證明具有良好的底泥原位消減效果。

本裝置通過(guò)旋流切割器恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大提高了臭氧利用率同時(shí)，利用臭氧的強(qiáng)氧化性更有效地降解破碎底泥中的有機(jī)污染物，從而實(shí)現(xiàn)了旋流切割與臭氧氧化協(xié)同作用進(jìn)行底泥減量，大大提高了底泥減量效率。