王少英 李永祥 王明旭

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市人口的增加，工業(yè)廢水和城市生活污水的排放量增加，污泥的排放量也將隨之增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年全國廢水排放總量超過400×108t，全國的污泥產(chǎn)量（千重計(jì)）產(chǎn)量約為130萬t，而且還以每年大約10%的速度增長［1］。此外，我國地域廣闊，城市河道縱橫，每一條河道及湖泊均承擔(dān)著城市的飲用、行洪、排澇、旅游、航運(yùn)等功能，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源利用粗放，各種工業(yè)、生活垃圾不經(jīng)處理隨意排放的現(xiàn)象屢見不鮮，再加上水土流失，導(dǎo)致河道淤積，不僅影響了河道的基本功能，長此以往，加大了城市的安全衛(wèi)生隱患［2］。大量污泥沉積在城市河床上，這種情況將在一定時(shí)期內(nèi)長期存在。受污染河道的河水滯流，河道淤積，水體渾濁甚至?xí)r常出現(xiàn)黑臭的現(xiàn)象。原來作為生活和工業(yè)用水水源的河道水，其功能已受到嚴(yán)重影響。河道水所具有的美化環(huán)境、調(diào)節(jié)城區(qū)小氣候、景觀旅游等功能也大大下降。河道的積泥、淤塞使航運(yùn)、防洪功能顯著退化，而且入湖河道污染還是大多數(shù)湖泊污染及富營養(yǎng)化的主因。由于河道水環(huán)境的惡化不但使城市生活環(huán)境和景觀受到了破壞，而且嚴(yán)重破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)原有的功能和穩(wěn)定性。因此，對城市河道以清淤疏浚為重點(diǎn)，全面開展水環(huán)境綜合整治，已刻不容緩。2012年國家發(fā)布的《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)到2015年，直轄市、省會(huì)城市和計(jì)劃單列市的污泥無害化處理處置率達(dá)到80%，其他設(shè)市城市達(dá)到70%，縣城及重點(diǎn)鎮(zhèn)達(dá)到30%［3］。

對于城市大型河道來說，主要通過將挖掘機(jī)械置于浮船上，利用浮船在水面上進(jìn)行挖掘，清淤施工。這種方式技術(shù)要求比較低，但是這樣的挖泥船不僅制造成本很高而且它只能應(yīng)用在工作面積大的場合，不適合在中小型水域工作?，F(xiàn)階段，城市小型河道主要的清污方式為人工清污和挖掘機(jī)清污。人工清污雖然成本比較低，但清理效率相對較低；挖掘機(jī)清污主要通過停靠在河岸邊的挖掘機(jī)對河道進(jìn)行清理，但是清理的污泥直接放在岸邊。這樣做不僅會(huì)影響城市環(huán)境，而且也會(huì)對河流產(chǎn)生二次污染［4］。鑒于目前的情況，高效、綠色、環(huán)保的城市對河道污泥清理脫水一體化設(shè)備的研究就變得尤為重要。

1 城市河道污泥清理脫水一體設(shè)備的工作原理和主體結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

如圖1為城市河道污泥清理脫水一體化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，此設(shè)備通過前部雙列葉片式取料裝置2 把污泥扒進(jìn)其底部的儲(chǔ)泥槽里，然后通過螺旋輸送裝置3 把污泥向上輸送，從出料口落入固、液分離裝置5內(nèi)，再由固、液分離裝置5 對污泥進(jìn)行固體和液體的分離，分離出的清水直接流出，污泥從分離裝置的出泥口排出后輸送到岸上再進(jìn)行后序的處理。

圖1 城市河道污泥脫水一體設(shè)備結(jié)構(gòu)總圖

本設(shè)備通過控制液壓裝置4的伸縮可以實(shí)現(xiàn)雙列葉片式取料裝置2 和螺旋輸送裝置3 的伸出和收起。當(dāng)設(shè)備工作時(shí)液壓裝置縮回，使取料裝置2 的前部深入河道污泥一定深度后開始工作。當(dāng)工作結(jié)束，用過液壓缸伸長，把雙列葉片式取料裝置2和螺旋輸送裝置3收起?？紤]到河床底部污泥的特點(diǎn)選用履帶式行走機(jī)構(gòu)，車體還可以實(shí)現(xiàn)360°無死角旋轉(zhuǎn)，給污泥的收集提供了很大的便利。

對于傳統(tǒng)的清污方式來說，污泥的收集和處理工序之間往往是不連續(xù)的，這樣就導(dǎo)致了清污效率降低。城市小型河流在進(jìn)行污泥清理時(shí)，常用的挖掘機(jī)清理的優(yōu)點(diǎn)是能夠在短時(shí)間內(nèi)疏通河道，清理污泥。但是經(jīng)過清理后的污泥大部分都被直接放在岸邊，黑臭的污泥對城市的環(huán)境會(huì)產(chǎn)生很大的影響。另外城市污泥的含水量高，易腐爛，成分復(fù)雜，不僅含有大量的基質(zhì)、N、P、K等營養(yǎng)元素，而且含有大量的病原菌、細(xì)菌、寄生蟲卵及重金屬、二英噁等有害物質(zhì)及致癌物質(zhì)，并伴有強(qiáng)烈惡臭［5-8］。直接被放在岸邊的污泥就會(huì)對河水產(chǎn)生二次污染。此設(shè)備旨在將污泥的收集、輸送、脫水合為一體，使污泥在處理過程中避免對環(huán)境造成污染，同時(shí)這些處理工序的一體化也使得工作效率有所提高。圖2為一體化設(shè)備的污泥處理流程圖。

圖2 一體化設(shè)備污泥處理流程圖

1.2 主體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述基本原理和污泥處理流程設(shè)計(jì)的城市河道污泥清理脫水一體化設(shè)備如上圖1所示。與傳統(tǒng)的人工清理、挖掘機(jī)清理不同，本設(shè)備將雙列葉片式取料裝置和螺旋輸送裝置合二為一組成污泥收集輸送一體裝置，收集到的污泥直接經(jīng)過固、液分離裝置進(jìn)行分離。所以本設(shè)備與傳統(tǒng)清污方式相比能夠提高工作效率，避免河流的二次污染。

從圖1可以看出，本設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括四部分：履帶車體6、雙列葉片式取料裝置2、螺旋輸送裝置3、固、液分離裝置5、液壓裝置4。

1.2.1 履帶車體

針對城市河道空間相對較為狹小的特點(diǎn)，本設(shè)備采用了可以360°無死角旋轉(zhuǎn)的履帶車體，而且小車驅(qū)動(dòng)采用雙向驅(qū)動(dòng)，當(dāng)小車掉頭或需要轉(zhuǎn)一個(gè)角度收集污泥時(shí)，只需要旋轉(zhuǎn)車體就能完成。這種方法對于城市河道的污泥清理提供了較容易的操作性，而且提高了工作效率。

1.2.2 雙列葉片式取料裝置和螺旋輸送裝置［9-11］

在污泥的收集方面，本設(shè)備將雙列葉片式取料裝置和螺旋輸送裝置相結(jié)合，使得污泥的收集和輸送能夠合二為一。這樣的設(shè)計(jì)不僅使得污泥的處理工序得到優(yōu)化，而且整個(gè)設(shè)備的工作效率也會(huì)有很大的提高。河床上的污泥在葉片的扒動(dòng)作用下進(jìn)入到取料裝置的儲(chǔ)泥槽內(nèi)，在螺旋輸送裝置的輸送下進(jìn)入到固、液分離裝置進(jìn)行固液分離。如圖3 為污泥收集輸送一體裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 污泥收集輸送一體裝置

1.2.3 固、液分離裝置

污泥脫水的本質(zhì)在于將水分和污泥進(jìn)行分離。本設(shè)備所采用的固、液分離裝置為臥螺離心機(jī)，其主要作用是利用離心力的作用將固體從液體中分離出來（即兩相分離）。表1為幾種不同類型的污泥脫水機(jī)情況表，通過對比得出在進(jìn)行污泥脫水時(shí)，臥螺旋離心機(jī)和一般常用的脫水機(jī)相比具有維護(hù)簡單、操作簡單、自動(dòng)化程度高、節(jié)省絮凝劑投加量、占用面積小、對工作車間污染小等明顯優(yōu)勢［15］。

表1 幾種不同類型的污泥脫水機(jī)比較［12-14］

1.2.4 液壓裝置

本設(shè)備采用兩組相互平行并且與地面成60 度夾角的液壓缸來實(shí)現(xiàn)污泥收集輸送一體設(shè)備的外伸和內(nèi)收。

2 工作效率分析

下圖4為弧形葉片的三維圖

圖4 弧形葉片三維圖

弧形葉片的外邊緣半徑d=665mm，內(nèi)部小圓直徑D=75mm，葉片高度h=200mm。葉片扒泥的體積公式如下：

式中：

V——體積；

r——半徑；

H——高度。

弧形扒泥葉片旋轉(zhuǎn)一周扒泥的體積為V，由于扒泥時(shí)每次泥的高度不同，則去扒泥高度則：

現(xiàn)設(shè)定弧形扒泥葉片的轉(zhuǎn)速n=20r/min，則每小時(shí)扒泥機(jī)的工作量為V1

由于扒泥機(jī)上面帶有兩個(gè)弧形扒泥葉片，每小時(shí)的扒泥量為332m3。若以人工進(jìn)行清淤，不但工作環(huán)境惡劣，而且有些雜物污泥并不能依靠人工來完成，人工清淤每人一天的工作量最多為3m3，若人工每天工作8 h，每小時(shí)清淤量0.375m3。因此，用一體車進(jìn)行清淤，工作效率是人工的800多倍。由此可以看出一體車的工作效率是比較高的。

3 城市河道污泥清理脫水一體設(shè)備的特點(diǎn)

3.1 靈活、穩(wěn)定。設(shè)備整體尺寸不大，履帶式的行走機(jī)構(gòu)保證了它在河床底部能夠靈活穩(wěn)定地工作，機(jī)身可以實(shí)現(xiàn)360 度旋轉(zhuǎn)，對于城市河道來說具有比較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3.2 綠色、環(huán)保。通過污泥收集輸送設(shè)備收集的污泥，直接經(jīng)過分離設(shè)備進(jìn)行固體和液體的分離，減少了對城市生活環(huán)境的影響，避免了對河流的二次污染。脫水后的污泥在后續(xù)處理之后可以充當(dāng)植物花肥，建筑材料和新能源材料等。

3.3 高效。通過理論計(jì)算之后可知，在相同工作條件下，整臺(tái)設(shè)備的工作效率比傳統(tǒng)的清污方式要高。

4 結(jié)論

本文通過介紹了城市河道污泥清理脫水一體化設(shè)備的工作原理和主體結(jié)構(gòu)，履帶式行走機(jī)構(gòu)和可旋轉(zhuǎn)車體保證了設(shè)備能夠靈活、快速地工作，污泥收集輸送一體裝置提高了污泥處理的效率，固、液分離裝置處理之后的污泥經(jīng)過后續(xù)的工序可以作為建筑材料、燃燒發(fā)電原料、植物肥料等。通過與傳統(tǒng)清污方式對比說明了本設(shè)備對于城市河道清污具有很好的適應(yīng)性，十分適合在城市河道污泥清理和脫水領(lǐng)域的應(yīng)用，有理由成為我國城市河道污泥清理和脫水方面的首選設(shè)備。

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