路洋, 樂紹林, 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m2左右, 平均疏浚深度0.3 m, 總疏浚方量約1.4 萬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。
疏浚淤泥首先通過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, 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) 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 萬~1 600 萬; 陽離子型, 相對(duì)分子質(zhì)量為800 萬~1 200 萬。
(1) 絮凝劑選型試驗(yàn)。 量取100 mL 的自來水置于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。
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]。
絮凝劑選型試驗(yàn)結(jié)果表明, 對(duì)于本河道淤泥,陽離子型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 萬的陽離子型絮凝劑。
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。
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。
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。
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
(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)地受限的問題, 尤其是在城市水環(huán)境治理項(xiàng)目中, 亟需開發(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。