路洋， 樂紹林， 柴培宏， 熊偉

（武漢二航路橋特種工程有限責任公司， 武漢 430071）

目前， 我國正在大力推行水環(huán)境整治， 底泥是河湖主要的內源污染， 在水體環(huán)境發(fā)生變化后， 污染物會通過交換作用重新釋放， 對水體造成二次污染［1-2］。 疏浚是去除河湖內源污染的主要技術手段，但是會產生大量高含水率的淤泥， 長期堆置不僅占用土地資源， 而且還會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境， 必須對其進行脫水干化處理。 河湖底泥的脫水干化技術主要包括自然干化和機械脫水干化， 自然干化由于需要占用大量的場地， 且干化周期長， 容易對環(huán)境造成二次污染， 已經受到限制［3-5］。 常用的機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， 其中離心機占地面積小， 生產效率高， 尤其適合在受場地限制的城市中心地帶使用， 越來越多的城市水環(huán)境治理項目對施工機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。 該項目毗鄰市政府， 施工用地受到很大限制。 因此， 選用了目前國內最大的LW900 型臥螺離心機進行疏浚淤泥的脫水干化現(xiàn)場試驗， 研究了轉鼓轉速、 溢流板直徑以及轉差速等工藝參數對離心機運行效果的影響， 以便更好地掌握離心機的運行性能和處理效果， 同時為后續(xù)移動式脫水干化設備的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗工藝流程

疏浚淤泥首先通過管道輸送至脫水干化場地的淤泥存儲池， 以保證系統(tǒng)的連續(xù)運轉， 避免出現(xiàn)機等料的情況。 淤泥經過振動篩的預處理， 將較大粒徑的碎石、 磚塊、 生活垃圾用振動篩攔截下來， 雜物經收集后集中處理。 將大顆粒分離后， 淤泥進入濃縮均質池， 以保證離心機進料的均勻性和穩(wěn)定性。 濃縮好的淤泥和預先配制好的絮凝劑溶液在離心機進料口通過管道混合器進行強制混合， 絮凝好的漿料進入高速旋轉的離心機， 由于離心力作用，大的絮團進入轉鼓外側， 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%， 保證運輸途中不發(fā)生滲水和滴漏。 漿液中的水進入轉鼓內側， 在重力作用下由尾水口排出。 試驗工藝流程如圖1 所示， 選用的離心機主要技術參數如表1 所示。

圖1 試驗工藝流程Fig. 1 Process flow of experiment

表1 LW900 型臥螺離心機主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of LW900 horizontal screw decanter centrifuge

1.2 試驗器材與藥劑

（1） 試 驗 儀 器。 ZX1526 型 直 線 振 動 篩、LW900 型臥螺離心機、 TJHB10 型三腔全自動加藥機、 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） 試驗藥劑。 市售聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑，陰離子型， 相對分子質量為400 萬～1 600 萬； 陽離子型， 相對分子質量為800 萬～1 200 萬。

1.3 試驗方法

（1） 絮凝劑選型試驗。 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， 制備成質量分數為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抱團情況， 綜合評選效果最佳的絮凝劑。

（2） 上機中試試驗。 在絮凝劑選型試驗的基礎上， 采用三腔全自動加藥機配置0.1% 的絮凝劑溶液， 將配置好的溶液添加至淤泥均質池進行濃縮，調節(jié)其質量濃度為65 g／L、 密度為1.04 g／cm3， 絮凝好的泥漿連續(xù)給入離心機進行淤泥脫水干化中試試驗。 采用單因素試驗方法， 依次研究轉鼓轉速、溢流板直徑和轉差速對離心機出渣含水率、 余水懸浮物濃度及處理量的影響。 單因素試驗設備連續(xù)運行不少于30 min。

1.4 分析方法

淤泥含水率依據土工試驗方法標準［9］中含水率試驗方法測定。 pH 值、 SS、 COD、 TN 及TP 等水質指標均采用國家標準方法測定［10］。

2 結果與討論

2.1 絮凝劑選型試驗結果分析

絮凝劑選型試驗結果表明， 對于本河道淤泥，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， 且絮凝團不牢固， 利用燒杯互相傾倒便可明顯打散絮凝團。 此外， 陽離子型絮凝劑相對分子質量越高絮凝層厚度越厚， 上清液越清澈。 來彥彬［11］對不同種類的淤泥進行了絮凝試驗研究， 結果顯示， 我國大部分地區(qū)的河道屬于生活污染， 淤泥顆粒本身帶負電， 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， 強化絮凝效果。 周海楊等［12］研究了多種化學調理劑對淤泥的絮凝作用， 結果表明高分子絮凝劑離子度越高， 絮凝團越緊密， 相對分子質量越大， 碳氫鏈就越長， 官能團越多， 能吸附的微粒量就越大， 但在配置水溶液時也越難溶解。 此外， 陽離子型絮凝劑的離子度越高， 材料價格也越高。 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， 結合絮凝劑選型試驗結果， 最終選擇相對分子質量為800 萬的陽離子型絮凝劑。

2.2 轉鼓轉速對離心機運行效果的影響

固定離心機進漿質量濃度為65 g／L、 溢流板直徑為260 mm 以及轉差速為8 r／min， 依次調節(jié)離心機的轉鼓轉速， 考察離心機轉鼓轉速對其出渣含水率和干固體負荷的影響， 結果如圖2 所示。

圖2 離心機轉鼓轉速對出渣含水率和干固體負荷的影響Fig. 2 Influence of drum speed of centrifuge on moisture content of slag and dry solid load

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

2.3 溢流板直徑對離心機運行效果的影響

調節(jié)轉鼓大端溢流板直徑可以改變轉鼓沉降區(qū)和干燥區(qū)的有效長度， 溢流板直徑小， 則沉降區(qū)增大， 干燥區(qū)減少， 轉鼓的液池深度增加， 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)長度減少， 干燥區(qū)長度增加， 分離后液相中含固率將增加， 分離效果變差， 而干渣含水率會減少［14］。 固定離心機進漿質量濃度為65 g／L、 轉鼓轉速為1 200 r／min 以及轉差速為8 r／min， 依次調節(jié)離心機的溢流板直徑， 考察溢流板直徑對離心機出渣含水率和尾水懸浮物濃度的影響， 結果如圖3 所示。

圖3 溢流板直徑對出渣含水率和尾水水質的影響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， 離心機出渣的含水率呈不斷降低的趨勢， 而尾水懸浮物濃度呈不斷上升的的趨勢。 高濃度的懸浮物會造成尾水處理濕地的負荷過大， 從而影響排水的水質， 因此， 確定LW900 型臥螺離心機的溢流板直徑為270 mm， 此時離心機的出渣含水率滿足干渣外運含水率不超過50% 的要求， 尾水懸浮物濃度也滿足濕地進水水質的要求。

2.4 轉差速對離心機運行效果的影響

離心機轉差速是指離心機轉鼓和轉鼓內部的卸渣螺旋之間的轉速差。 固定離心機進漿質量濃度為65 g／L、 轉鼓轉速為1 200 r／min 以及溢流板直徑為270 mm， 依次調節(jié)離心機的轉差速， 考察轉差速對離心機出渣含水率和淤泥處理量的影響， 結果如圖4 所示。

圖4 轉差速對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， 隨著離心機轉差速增加， 離心機出渣的含水率和淤泥處理量均呈不斷上升的趨勢。 這是因為當離心機轉差速較小時， 螺旋對轉鼓內流體的擾動小， 同時轉鼓內的沉渣在干燥區(qū)的停留時間也長， 干渣的含水率較低。 反之， 離心機的轉差速大， 螺旋對流體的擾動加大， 在轉鼓中沉降停留時間減少， 導致干渣的含水率增大， 但干渣排渣能力增加， 使得離心機的處理效率增加［15-16］。 因此， 在滿足出渣含水率要求的基礎上， 提高離心機的轉差速對提高生產效率有利， 確定LW900 型臥螺離心機的最佳轉差速值為9 r／min 左右。

3 現(xiàn)場應用效果

湖州潛山港疏浚項目施工共計2 個多月， 采用1 臺LW900 型臥螺離心機對潛山港底泥進行脫水干化處理， 主要工藝參數為絮凝劑添加量2 kg／t［DS］、 進漿質量濃度65 g／L、 轉鼓轉速1 200 r／min、溢流板直徑270 mm 以及轉差速9 r／min。 在上述條件下， 平均每天可以處理淤泥約1 000 m3， 總計處理淤泥64 000 m3， 生產干渣8 360 m3， 減容率達到87%， 并且有效去除了底泥中的污染物。 LW900 型臥螺離心機對底泥污染物去除效果如表2 所示。

表2 LW900 型臥螺離心機對底泥污染物去除效果Tab. 2 Removal of sediment pollutants by LW900 horizontal screw decanter centrifuge

4 結論

（1） 影響臥螺離心機運行效果的因素主要包括進料流量、 轉鼓轉速、 溢流板直徑以及轉差速。 本試驗研究中， LW900 型臥螺離心機的最佳工藝參數為離心機進漿質量濃度65 g／L、 轉鼓轉速1 200 r／min、 溢流板直徑270 mm、 轉差速9 r／min。

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

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

（4） 大型臥螺離心機用于疏浚項目可有效解決施工場地受限的問題， 尤其是在城市水環(huán)境治理項目中， 亟需開發(fā)移動式的淤泥脫水干化系統(tǒng)， 研究結果可為疏浚項目的設計和施工提供技術參考。