太湖清淤底泥离心脱水处理技术的可行性研究

苏 华 倪守高 马伟峰 王俊泽

（1.无锡市水利基建工程质量监督站，江苏无锡 214031；2.中船重工集团公司第七〇二研究所，江苏 无锡 214082）

0 引言

太湖清淤工程中，如何处置清淤上岸的淤泥一直是困扰大家的一大难题。采用堆场把淤泥堆放在指定的位置等其自然干燥是目前主要的处理方式，但堆场存放会占用大量土地资源，同时大量的淤泥长期堆放还会污染空气、水源，引发二次污染。此外，类似太湖的大规模清淤很多，巨大数量的淤泥依赖长达数年的堆放处置是不现实的，因此，如何快速有效地对清淤泥浆进行减容化处理成为清淤工程的一个现实问题。

当前，国内外淤泥处理技术主要有化学固化法、自然风干法及真空脱水干化法，但从已有应用的实例来看，不仅大多仍需堆场，而且处置周期长，总体上仍难以控制二次污染。采用离心技术快速处理淤泥的应用在国内外还不多见，本研究根据太湖生态清淤及淤泥快速处理示范工程的实践经验，针对清淤底泥的特性，探讨离心机转鼓转速、差转速及工作压力等工艺参数对淤泥脱水效果影响的变化规律。

1 项目概况

无锡市太湖贡湖水源地水域处于太湖下风口，近几年来聚集了大量的蓝藻，导致湖水水质污染与湖泊富营养化问题日益突出。本区域淤泥沉积严重，据相关环境监测数据，底泥中营养物OM、TP、TN 含量普遍较高，水质中TN、COD 均不能达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅲ类标准，高锰酸钾指数处于Ⅲ类水平，总磷处于Ⅳ类水平，总氮劣于Ⅴ类标准，对水厂取水安全影响较大，为确保水域水体质量安全，需要清除湖泊内源污染底泥。同时，由于本区域是人口较为密集的居民区，难以找到大面积淤泥堆场，故需要对清淤泥浆进行快速脱水减容处理。

本工程采用生态清淤与离心脱水一体化技术工艺，在清淤区岸边设立淤泥处理站对清淤泥浆进行快速脱水处理。本文主要介绍离心脱水一体化技术。

2 主要工艺介绍

2.1 工艺流程

清淤底泥离心脱水系统主要由离心机、提升泵、集泥池、加药系统及干泥输送系统组成。本技术的整体集成系统优良，絮凝剂投加装置、絮凝剂泵、淤泥泵等均与离心机配套供应，在自控系统的支持下，组成了一个有机整体，其系统配置及工艺流程如图1 所示。

离心脱水技术工艺流程简单、易操作，主要流程如下：清淤泥浆在船上经过初级筛除杂后进入泥浆调节池，均匀调质后经提升泵进入离心机脱水系统，同时加入环保絮凝剂，泥浆经离心脱水后实现泥水分离，干泥经输送系统装车外运，余水进入沉淀池净化处理后排放。

图1 离心脱水技术工艺流程示意图

整个工艺流程采用计算机控制，对淤泥脱水系统中所有设备的运行情况、控制参数等实现连续监控，通过控制屏幕可以实时观察到集泥池液位、淤泥泵的运行状况、淤泥流量、絮凝剂泵的运行状态、絮凝剂流量、螺旋速度、转鼓速度、速差、速差曲线、工作压力等，并可根据需要进行实时调整。

离心机脱水的工作原理是：淤泥从空心转轴的分配孔进入离心机，依靠转筒高速旋转产生的离心力分离出固体。螺旋输送器与转筒的旋转方向相同，但转速稍慢。两者之间的速差，可将脱水淤泥送出离心机，分离液则从另一端排出，离心脱水可以连续进行。离心脱水设备主要技术参数见表1。

表1 淤泥离心脱水技术参数

2.2 工艺运行参数

脱水泥饼的含固率是评价淤泥脱水效果的重要指标之一。实践证明，离心机的转速、固体负荷、液环层厚度、速差等运行参数对淤泥脱水效果均有不同程度的影响。

2.2.1 转鼓转速（n）

图2 转鼓转速对泥饼含固率的影响

转鼓转速对淤泥脱水效果影响显著，离心机的设计转鼓转速可在1500～2700 r ／min 之间进行调节，脱水泥饼的含固率与转鼓转速的关系如图2 所示。随着离心机转鼓转速的增加，作用在淤泥上的离心力也相应增加，脱水泥饼含固率也在增加；当转鼓转速达到2400 r ／ min 时，脱水泥饼含固率不再增加，当转鼓转速达到2500 r ／ min 时，脱水泥饼含固率反而下降，这是因为如果作用力太大，可能导致淤泥絮体分解破碎，反而影响脱水效果。并且，随着转速的增加，设备的机械磨损也大大增加，影响机器寿命。综合上述因素，转鼓转速设定为2000～2400 r ／ min。本次实际应用中离心机的工作转速为2300 r ／ min，其分离因数Fr（Fr=1.12×10-3Rn2）为2167。

2.2.2 干固体负荷（进泥量Q）

所谓干固体负荷是指每小时处理的不挥发固体重量。调整离心机的干固体负荷，对淤泥脱水效果有很大影响，当进泥量Q 达到一定程度，所带入的悬浮物含量超过了离心机所能承受的最大干固体负荷时，会造成泥饼含水率增加，上清液带泥增多，此时应该减少进泥流量，使离心机脱出的上清液清澈。

在实际运行中，必须在测量淤泥浆含固率的前提下，通过调整进泥流量，来保证进入离心机的干固体负荷不超过离心机的最大承受能力，否则，多余的干固体将从上清液中排出，上清液的悬浮物会急剧增多，而脱水泥饼的产量却并没有增加。运行中发现，当转鼓转速达到2500 r/min、进泥浓度为65 g/L 时，离心机运行的干固体负荷可达2625 kg/h。当离心机转鼓转速增加时，干固体负荷也会相应增加，图3 是最大干固体负荷随离心机转鼓转速变化的曲线。

图3 干固体负荷随离心机转鼓转速变化曲线

2.2.3 液环层厚度（溢流板直径D）

卧螺离心机在进行淤泥脱水时，在离心力的作用下转鼓内会形成固环层、液环层和岸区（岸区是指淤泥离开液环层至排出口的距离），为转鼓锥体的一部分，如图4 所示。

图4 液环层厚度与岸区长度的关系示意图

当进泥量一定时，如果液环层厚度较大，淤泥在离心机内的停留时间长，淤泥在液环层内进行分离的时间越长，会有更多的淤泥被分离出来，并能够降低某些小颗粒受扰动而随分离液流失的可能性，但液环层厚度过大，会造成水随脱水后的淤泥从淤泥出口溢出；如果离心机内的液环层厚度较小，淤泥在离心机内的停留时间短，工作压力不容易提高，脱水后的淤泥含固率也较低。综合以上两方面因素，液环层增厚一般会提高脱水的固体回收率，但液环层增厚，相应会使岸区缩短，如图4 所示，使脱离液环层的淤泥没有充足的时间被甩干，因此，泥饼含固率将下降。控制液环层厚度、脱水时间应在固体回收率与泥饼含固率之间权衡。本工程中淤泥脱水后不进行焚烧处置，无需追求过高的泥饼含固率，而固体回收率则越高越好，因此，液环层厚度应尽可能调大一些。

通过改变溢流板直径D的大小可以调整离心机的液环层厚度。离心机的溢流板直径D 调整十分重要，直接影响脱水效果和离心机的振动程度，调整时必须确保所有的液位板都在相同的高度上，否则将会导致离心机因不平衡而产生剧烈振动，并应保证液位板高度的公差为±0.25 mm。本研究中不同溢流板直径D 脱水时效果如表2 所示。

2.2.4 速差

速差是转鼓转速与螺旋转速之差，即两者之间的相对转速，增加或减小速差，淤泥在转鼓内的停留时间将发生改变，对处理效果有着十分重要的影响。当进泥量一定时，如果速差比较低，淤泥在离心机中停留时间较长，脱水后的泥饼含固率高，但处理能力较低；如果速差比较高，淤泥在离心机中停留时间较短，脱水后的泥饼含固率低，处理能力较强；速差越大，转鼓与螺旋之间的相对运动越大，必然会增加对液环层的扰动程度，固环层内被分离出来的污泥会被重新泛至液环层，并有可能随分离液流失。

表2 不同溢流板直径D 脱水效果表

如果上清液含固量较多，表明在此速差下离心机的干固体负荷较大，因此要相应增大速差，速差增大后，减少淤泥在离心机中的停留时间，将已经脱水的干淤泥快速地从离心机中推出来，使其没有机会回到液相中，这样会增加干污泥产量，也会使上清液的含固量降低。如果螺旋压力过高，表明在此速差下淤泥在离心机内的停留时间过长，淤泥含固率过高，因此要相应增大速差，减少干淤泥停留时间，以降低螺旋压力。

速差通过综合控制柜来进行精确调节，这种极精确的调节可使各种不同浓度的淤泥都能获得最佳的处理效果。根据淤泥浓度的不同，将脱水效果最佳时的速差和工作压力设定成不同的速差曲线，贮存在综合控制柜中，设备操作人员可根据所处理的淤泥特性进行选择。本工程中的速差在5～7 r/min 之间。

2.2.5 调试运行

离心机的调试原则是：在固定一个参数（进泥流量或者絮凝剂投加量）的情况下，调整速差和另外一个工作参数（絮凝剂投加量或者进泥流量）。

具体操作时，初始阶段在保持絮凝剂投加量固定不变的前提下，通过调整淤泥螺杆泵的转速，按最大流量进泥，从低到高逐渐提高速差，直至上清液完全清澈，如果速差已经提高到7 r/min 以上，上清液的悬浮物含量仍然较多，说明进泥量已超过离心机的最大干固体负荷，此时按100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%的梯度逐渐降低进泥流量，直到出现良好的泥饼含固率和上清液含固率为止。本工程离心脱水稳定运行的工艺参数见表3。

3 运行效果

太湖贡湖水源地生态清淤及淤泥离心脱水快速处理工程历时4个月，日处理能力达到4000 m3，由于清淤区域内源污染较为严重，采用生态清淤吸取上来的淤泥浆含水率（97.5%）及污染程度均较高，通过对泥浆脱水处理进行跟踪监测，结果如表4 所示。

由表4 可以看出，离心脱水技术处理高含水率清淤泥浆时，脱水泥饼含固率达到了63.6%，出水SS（固体悬浮物浓度）只有8 mg/L，处理效果显著。清淤泥浆中总磷的去除效果十分明显，达到了97.07%，总氮及化学需氧量去除率较低，分别只有37.86%、21.92%，但出水总氮及化学需氧量值也相对较低。此种情况可能是水中总氮及化学需氧量含量较高，难以用物理法去除。

为了更好解释上述现象，在同样的工况下对低含水率淤泥浆进行了处理，监测结果如表5 所示，处理效果如图5 所示。

由表5 可以看出，离心脱水技术处理高、低含水率清淤泥浆时，脱水泥饼含固率达到了65.2%，出水SS为7 mg/L，清淤泥浆中SS、总磷、总氮及化学需氧量的去除效果均十分明显，出水总氮及化学需氧量值与高含水率清淤泥浆处理结果相差不大，这说明底泥中的有机物大部分被去除了，清淤区域水质污染十分严重，富营养化程度较高。

4 结语

（1）离心脱水技术处理淤泥可连续运行，处理效率高，能快速地对清淤泥浆进行减容脱水，有效解决了淤泥堆场紧张的难题，避免了清淤泥浆造成的二次污染，实现了清淤与脱水处理一体化。

表3 清淤泥浆离心脱水运行参数

表4 高含水率（97.5%）淤泥浆处理后的监测结果

表5 低含水率（84.6%）淤泥浆处理后的监测结果

图5 淤泥离心脱水处理效果

（2）通过对工艺参数的调试，设定离心机转鼓转速在适当的范围内（2000～2400 r ／ min），可以取得良好的淤泥脱水效果，减少设备的机械磨损；离心机的干固体负荷接近并小于其在使用转速下的最大干固体负荷，才能取得最高的淤泥处理效率和最好的污泥脱水效果；通过改变溢流板的直径来调整离心机的液环层厚度，对离心机淤泥脱水效果的影响非常大，将液环层厚度设定在合适的水平，可以保证泥饼的含水率降低，并且有较高的泥饼产量。

（3）淤泥离心脱水技术应用于生态清淤工程，取得了初步成功，具有较为明显的环境、社会和经济效益，有很大的推广应用价值，特别是在城市河道清淤及治理工作中具有更重要的积极意义。