大型卧螺离心机用于疏浚淤泥处理试验研究

路洋， 乐绍林， 柴培宏， 熊伟

（武汉二航路桥特种工程有限责任公司， 武汉 430071）

目前， 我国正在大力推行水环境整治， 底泥是河湖主要的内源污染， 在水体环境发生变化后， 污染物会通过交换作用重新释放， 对水体造成二次污染［1-2］。 疏浚是去除河湖内源污染的主要技术手段，但是会产生大量高含水率的淤泥， 长期堆置不仅占用土地资源， 而且还会严重破坏生态环境， 必须对其进行脱水干化处理。 河湖底泥的脱水干化技术主要包括自然干化和机械脱水干化， 自然干化由于需要占用大量的场地， 且干化周期长， 容易对环境造成二次污染， 已经受到限制［3-5］。 常用的机械脱水主要包括板框压滤脱水、 带式压滤脱水以及离心脱水， 其中离心机占地面积小， 生产效率高， 尤其适合在受场地限制的城市中心地带使用， 越来越多的城市水环境治理项目对施工机械的集成度和灵活性提出更高要求［6-8］。

湖州市潜山港疏浚工程河道全长1.3 km， 水域面积4.74 万m2左右， 平均疏浚深度0.3 m， 总疏浚方量约1.4 万m3。 该项目毗邻市政府， 施工用地受到很大限制。 因此， 选用了目前国内最大的LW900 型卧螺离心机进行疏浚淤泥的脱水干化现场试验， 研究了转鼓转速、 溢流板直径以及转差速等工艺参数对离心机运行效果的影响， 以便更好地掌握离心机的运行性能和处理效果， 同时为后续移动式脱水干化设备的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验工艺流程

疏浚淤泥首先通过管道输送至脱水干化场地的淤泥存储池， 以保证系统的连续运转， 避免出现机等料的情况。 淤泥经过振动筛的预处理， 将较大粒径的碎石、 砖块、 生活垃圾用振动筛拦截下来， 杂物经收集后集中处理。 将大颗粒分离后， 淤泥进入浓缩均质池， 以保证离心机进料的均匀性和稳定性。 浓缩好的淤泥和预先配制好的絮凝剂溶液在离心机进料口通过管道混合器进行强制混合， 絮凝好的浆料进入高速旋转的离心机， 由于离心力作用，大的絮团进入转鼓外侧， 在螺旋叶片的作用下被送至排渣口， 连续排出， 分离后干渣含水率小于50%， 保证运输途中不发生渗水和滴漏。 浆液中的水进入转鼓内侧， 在重力作用下由尾水口排出。 试验工艺流程如图1 所示， 选用的离心机主要技术参数如表1 所示。

图1 试验工艺流程Fig. 1 Process flow of experiment

表1 LW900 型卧螺离心机主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of LW900 horizontal screw decanter centrifuge

1.2 试验器材与药剂

（1） 试 验 仪 器。 ZX1526 型 直 线 振 动 筛、LW900 型卧螺离心机、 TJHB10 型三腔全自动加药机、 PSF-180 泥浆泵、 NL100-11 渣浆泵、 QY25-17-2.2 清水泵、 85-4A 型恒温磁力搅拌器、 YYM型液体比重仪等。

（2） 试验药剂。 市售聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂，阴离子型， 相对分子质量为400 万～1 600 万； 阳离子型， 相对分子质量为800 万～1 200 万。

1.3 试验方法

（1） 絮凝剂选型试验。 量取100 mL 的自来水置于250 mL 烧杯中， 称取0.1 g 的絮凝剂， 置于磁力搅拌器持续搅拌60 min， 制备成质量分数为0.1%的絮凝剂溶液。 利用若干500 mL 的烧杯量取400 mL 含水率为98% 的原泥， 统一添加20 mL 配置好的絮凝剂溶液， 添加量为2 kg／t［DS］， 观察泥浆的絮凝沉降速率和絮凝团抱团情况， 综合评选效果最佳的絮凝剂。

（2） 上机中试试验。 在絮凝剂选型试验的基础上， 采用三腔全自动加药机配置0.1% 的絮凝剂溶液， 将配置好的溶液添加至淤泥均质池进行浓缩，调节其质量浓度为65 g／L、 密度为1.04 g／cm3， 絮凝好的泥浆连续给入离心机进行淤泥脱水干化中试试验。 采用单因素试验方法， 依次研究转鼓转速、溢流板直径和转差速对离心机出渣含水率、 余水悬浮物浓度及处理量的影响。 单因素试验设备连续运行不少于30 min。

1.4 分析方法

淤泥含水率依据土工试验方法标准［9］中含水率试验方法测定。 pH 值、 SS、 COD、 TN 及TP 等水质指标均采用国家标准方法测定［10］。

2 结果与讨论

2.1 絮凝剂选型试验结果分析

絮凝剂选型试验结果表明， 对于本河道淤泥，阳离子型PAM 的絮凝效果明显优于阴离子型， 阴离子型PAM 絮凝速率慢， 且絮凝团不牢固， 利用烧杯互相倾倒便可明显打散絮凝团。 此外， 阳离子型絮凝剂相对分子质量越高絮凝层厚度越厚， 上清液越清澈。 来彦彬［11］对不同种类的淤泥进行了絮凝试验研究， 结果显示， 我国大部分地区的河道属于生活污染， 淤泥颗粒本身带负电， 使用阳离子型絮凝剂可以与其发生电中和及吸附桥架作用， 强化絮凝效果。 周海杨等［12］研究了多种化学调理剂对淤泥的絮凝作用， 结果表明高分子絮凝剂离子度越高， 絮凝团越紧密， 相对分子质量越大， 碳氢链就越长， 官能团越多， 能吸附的微粒量就越大， 但在配置水溶液时也越难溶解。 此外， 阳离子型絮凝剂的离子度越高， 材料价格也越高。 综合考虑絮凝剂配制和供料的需要， 以及有效控制施工中的材料成本， 结合絮凝剂选型试验结果， 最终选择相对分子质量为800 万的阳离子型絮凝剂。

2.2 转鼓转速对离心机运行效果的影响

固定离心机进浆质量浓度为65 g／L、 溢流板直径为260 mm 以及转差速为8 r／min， 依次调节离心机的转鼓转速， 考察离心机转鼓转速对其出渣含水率和干固体负荷的影响， 结果如图2 所示。

图2 离心机转鼓转速对出渣含水率和干固体负荷的影响Fig. 2 Influence of drum speed of centrifuge on moisture content of slag and dry solid load

从图2 可以看出， 随着转鼓转速的增加， 离心机出渣的含水率呈先降后升的趋势， 在1 200 r／min 时达到最低。 离心机的干固体负荷呈先升后降的趋势， 在1 400 r／min 时达到最高。 转鼓转速低时， 进料流量小， 离心机负荷小， 淤泥在转鼓内的轴向流速大， 使得其在机器内停留时间短， 因此分离效果差， 出渣含水率高； 转鼓转速增加时， 进料流量增大， 轴向流速降低， 淤泥在机器内停留时间增加， 分离效果提高， 出渣含水率降低。 当离心机干固体负荷达到一定值时， 受到螺旋排渣能力的限制， 分离后的沉渣不能及时排出而引起转鼓堵料，影响分离效果， 导致出渣含水率上升， 在极端状态下甚至不能实现分离， 造成机器堵料故障［13］。 因此， 确定LW900 型卧螺离心机的转鼓转速为1 200 r／min， 此时离心机的出渣含水率达到最低值， 生产效率也较高。

2.3 溢流板直径对离心机运行效果的影响

调节转鼓大端溢流板直径可以改变转鼓沉降区和干燥区的有效长度， 溢流板直径小， 则沉降区增大， 干燥区减少， 转鼓的液池深度增加， 分离后液相中含固率可降低， 但干渣沉渣的含水率增加； 反之溢流板直径增大， 沉降区长度减少， 干燥区长度增加， 分离后液相中含固率将增加， 分离效果变差， 而干渣含水率会减少［14］。 固定离心机进浆质量浓度为65 g／L、 转鼓转速为1 200 r／min 以及转差速为8 r／min， 依次调节离心机的溢流板直径， 考察溢流板直径对离心机出渣含水率和尾水悬浮物浓度的影响， 结果如图3 所示。

图3 溢流板直径对出渣含水率和尾水水质的影响Fig. 3 Influence of overflow plate diameter on moisture content of slag and tailing water quality

从图3 可以看出， 随着溢流板直径的增加， 离心机出渣的含水率呈不断降低的趋势， 而尾水悬浮物浓度呈不断上升的的趋势。 高浓度的悬浮物会造成尾水处理湿地的负荷过大， 从而影响排水的水质， 因此， 确定LW900 型卧螺离心机的溢流板直径为270 mm， 此时离心机的出渣含水率满足干渣外运含水率不超过50% 的要求， 尾水悬浮物浓度也满足湿地进水水质的要求。

2.4 转差速对离心机运行效果的影响

离心机转差速是指离心机转鼓和转鼓内部的卸渣螺旋之间的转速差。 固定离心机进浆质量浓度为65 g／L、 转鼓转速为1 200 r／min 以及溢流板直径为270 mm， 依次调节离心机的转差速， 考察转差速对离心机出渣含水率和淤泥处理量的影响， 结果如图4 所示。

图4 转差速对出渣含水率和处理量的影响Fig. 4 Influence of slip speed on moisture content of slag and treatment capacity

从图4 可以看出， 随着离心机转差速增加， 离心机出渣的含水率和淤泥处理量均呈不断上升的趋势。 这是因为当离心机转差速较小时， 螺旋对转鼓内流体的扰动小， 同时转鼓内的沉渣在干燥区的停留时间也长， 干渣的含水率较低。 反之， 离心机的转差速大， 螺旋对流体的扰动加大， 在转鼓中沉降停留时间减少， 导致干渣的含水率增大， 但干渣排渣能力增加， 使得离心机的处理效率增加［15-16］。 因此， 在满足出渣含水率要求的基础上， 提高离心机的转差速对提高生产效率有利， 确定LW900 型卧螺离心机的最佳转差速值为9 r／min 左右。

3 现场应用效果

湖州潜山港疏浚项目施工共计2 个多月， 采用1 台LW900 型卧螺离心机对潜山港底泥进行脱水干化处理， 主要工艺参数为絮凝剂添加量2 kg／t［DS］、 进浆质量浓度65 g／L、 转鼓转速1 200 r／min、溢流板直径270 mm 以及转差速9 r／min。 在上述条件下， 平均每天可以处理淤泥约1 000 m3， 总计处理淤泥64 000 m3， 生产干渣8 360 m3， 减容率达到87%， 并且有效去除了底泥中的污染物。 LW900 型卧螺离心机对底泥污染物去除效果如表2 所示。

表2 LW900 型卧螺离心机对底泥污染物去除效果Tab. 2 Removal of sediment pollutants by LW900 horizontal screw decanter centrifuge

4 结论

（1） 影响卧螺离心机运行效果的因素主要包括进料流量、 转鼓转速、 溢流板直径以及转差速。 本试验研究中， LW900 型卧螺离心机的最佳工艺参数为离心机进浆质量浓度65 g／L、 转鼓转速1 200 r／min、 溢流板直径270 mm、 转差速9 r／min。

（2） 利用LW900 型卧螺离心机对淤泥进行脱水处理， 在最佳工艺条件下离心机出渣含水率可以降至46%， 处理量达到55 m3／h。 尾水中悬浮物、COD、 TP、 TN 的去除率分别达到99.79%、 93.33%、99.39%、 78.15%。

（3） 卧螺离心机用于处理疏浚淤泥， 可连续运行， 处理效率高， 能够快速实现疏浚淤泥的减容，同时有效去除河湖底泥中的污染物。

（4） 大型卧螺离心机用于疏浚项目可有效解决施工场地受限的问题， 尤其是在城市水环境治理项目中， 亟需开发移动式的淤泥脱水干化系统， 研究结果可为疏浚项目的设计和施工提供技术参考。