工业水力旋流器预处理疏浚含泥海水模拟试验研究

2021-10-14翟自芹左玥华李秀苹王晨光张令品

盐科学与化工 2021年9期

翟自芹，赵琢，王华，张园，杨磊，左玥华，李秀苹，王晨光，刘伟，柳明，张令品，张乾

(1.天津海关工业产品安全技术中心，天津 300308；2.自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

1 前言

海上疏浚是一项复杂的海洋作业工程，在港口建设、航道清淤、海上油气管线敷设、船厂建设、海上机场建设、跨海大桥建设等方面必不可少。中国年疏浚量已超10亿m3，是少数几个掌握疏浚前沿技术、能够自主开展大规模吹填造陆和航道疏浚工程的国家之一，装备规模、资金优势、产能收入等更成为了世界第一疏浚大国。

疏浚工程船舶需要长期在海上作业，对淡水需求量很大，因占空间原因导致船舶上无法携带大型储水设备，并且淡水储存量受船舶规模的限制，储存量少影响航行时间，储存太多又时间太长，容易滋生细菌，并不能很好地解决在轮船上的饮水问题。因此，海水淡化设备成为了疏浚船舶上的必备装置。疏浚船舶在施工过程中不可避免地引起悬浮物，并在潮流等动力因素作用下发生扩散，导致周围海水泥沙含量显著增大，对海洋环境质量造成一定影响[1]。现在常用船舶上安装的海水淡化装置均采用常规预处理工艺，设备稳定性和耐用性较差，备件更换频繁，在疏浚船舶上的适用性存在较大问题[2]。

水力旋流器是一种在矿业生产领域应用的分离设备，利用旋转离心力的作用，分离相互不掺和、难于溶解的液固混合物的机械分离设备，在冶金、建材、煤炭、化工等工业领域也有较为广泛的应用[3]。探索将此设备应用于疏浚含泥海水预处理方面，考察其分离性能能否满足后续淡化工艺的使用要求具有一定意义。

2 试验装置及流程

试验流程示意如图1所示，系统主要由水箱、水泵、阀门、压力表和水力旋流器组成。模拟配置的含泥海水在水箱内进行充分混合之后，通过水泵进入旋流器内，可通过阀门进行流量调节。旋流器处理完的清液经溢流口返回水箱进行循环测试，清液可以从出口处进行取样。旋流器底流口设有排污阀，可定时进行取样测量。水箱内的水采用机械搅拌，防止固体在水箱里沉降以保证其混合的均匀性。

水力旋流原理如图2。污液由浊液进口进入旋流器浊液腔，然后通过切线入口进入旋流子内，形成高速旋转。浊液在旋流子内实现固液分离。每个旋流子的底流净水汇集到净水腔从净水出口流出，浓液由排污口进行排出，该过滤器可分离5 μm～100 μm的颗粒，工作压力0.6 MPa～2.5 MPa。

其它实验设备及仪器包括变频高压自吸泵、储罐、分析天平、吸滤瓶、配套吸滤漏斗、混合滤膜(0.45 μm)、镊子、烧杯、真空泵。

3 试验材料及方法

3.1 试验材料

实验中所用实验材料主要采用高岭土。我国的河口与海岸多属于淤泥质类型，高岭土是一种常见的粘土矿物，是河口泥沙的主要成分之一，因此实验采用高岭土来模拟真实的海水中泥沙。

为探究旋流器对泥浆的分离效果和不同粒径的分级性能，实验采用不同固相比例下的分离效果，分别配备固含量为500 mg/kg、1 000 mg/kg、2 000 mg/kg的泥浆混合液。采用的高岭土平均粒径分别为40 μm、30 μm以及40 μm和30 μm 1 ∶1的配比，还开展了加入絮凝剂和未加絮凝剂的实验对比。

3.2 试验方法

(1)准备工作。将旋流器及相关设备用清水清洗干净，然后将仪表、阀门和管线连接好，待用。

(2)溶液的配置。按照上述粒度要求购买高岭土，然后分别称取一定量高岭土，加入水中，配置成1 g/L或2 g/L的高岭土溶液，搅拌均匀，待用。

(3)分离实验。打开旋流器入口阀门，通过调节变频器缓慢启动供液泵，调整旋流器入口压力，待稳定一段时间后，缓慢打开底排口阀门，观察底排口溶液情况，然后取一定量的入口溶液、上清液出口溶液和底排口溶液，先通过沉淀来初步估看分离效果，最终通过测量各溶液中的固含量来确认分离效果。

4 试验结果与讨论

4.1 截留率分析

采用微滤膜过滤的方法对含泥水进行固含量测定，选用的微滤膜过滤精度为0.45 μm，过滤后将滤纸烘干称重，计算溶液中悬浮固体含量，结果如表1与表2。固体颗粒由40 μm变为30 μm，即粒径由大变小后，去除率明显下降，说明处理粒径的大小直接影响截留率。在此分析基础上，考察添加絮凝剂的效果，发现絮凝剂的添加对截留率的提高并无明显效果，说明其未引起颗粒粒径的变化。

表1 单粒径固含量测定

表2 混合粒径固含量测定(各50%)

4.2 截留粒径分析

对实验中原料液与清液中的固体颗粒进行粒径分析，如图3所示。

30 μm的原液与清液对比显示，在相对较低的去除率(76.13%)下，清液中剩余颗粒粒径明显小于原液颗粒粒径，且小粒径占比明显升高，说明对主粒径的截留效果较好，但对次主粒径和更小颗粒的截留效果一般。相对于30 μm但粒径测试，40 μm+30 μm的混合粒径测试结果，除了去除率显著提高以外，对于大粒径颗粒的截留效果对比也更加明显，清液中占比高的粒径已降低至10 μm左右，大颗粒的裹挟吸附对小颗粒的去除也起到了明显的促进作用。