河道底泥原位消减装置开发与试验

陈东风，薛明明，郭云书，王 逸，张 波

（1.镇江市防汛防旱抢险中心，江苏镇江 212002；2.江苏大学环境与安全工程学院，江苏镇江 212016）

近年来，随着对水污染问题认识的加深，水环境的内源污染（底泥）问题也逐渐被人熟知。河道底泥是水体环境氮、磷、重金属等污染物的蓄积地，污染物质会通过底泥的“源”“汇”特性发生迁移、扩散和转化，对水体造成二次污染，对水生生态环境造成严重威胁［1-2］。底泥的过度淤积也会造成河道、水库的蓄水量减小，水位升高，影响河湖泄洪［3］给防洪防汛工作增加压力。现行的异位处理方法主要通过疏浚设备将浅层底泥疏浚到岸边，对底泥进行脱水处理以达到减少底泥污染物释放的技术措施［4］，包括搅拌固化法、机械脱水法、物理脱水固结法及热处理等方式［5］。但是，异位修复处理技术有工程量较大、价格昂贵、易对当地土壤、地下水及空气造成二次污染等缺点。为减少底泥处理过程中对周围环境造成的污染，许多研究［6-7］开始着重于底泥的就地消解即原位修复技术。原位修复技术可以将被污染的河道底泥就地处理，避免了沉积污染物在疏浚过程中再沉降、传输过程中造成的二次污染，配合使用物理、化学、生物等技术方法，达到底泥减量，控制淤泥底泥中的污染物溶解度、迁移性以及毒性的目的。现有底泥处理技术有许多不足之处［8-9］：如向水体中投加药剂的化学修复方法，虽然操作简单，但是药品投加量难以控制，投加量过少则处理效果不明显，投加量过多则会对水体生态环境造成不必要的破坏；如种植水生植物的生物修复技术，虽然安全环保，但其修复速度缓慢，时间周期过长。针对上述现状，亟需提出更高效、更便捷、更安全的底泥处理方式，从而改善河道水环境健康。

臭氧具有很强的氧化性，可以破坏微生物的细胞壁，杀死生物体，使胞内物质溶出，可用于底泥的减量化和无害化处理［10］。但在工程应用中，气体难以和底泥均匀混合，单独使用臭氧氧化难以保证最佳浓度，减量效果往往有限［11-12］。于是，本研究提出并设计了一种将旋流切割与臭氧氧化技术相融合的底泥原位消减装置（图1）。臭氧气体经涡流空化器后产生臭氧微气泡，底泥流经涡流空化器后被剪切破碎成污泥细颗粒，臭氧微气泡高效溶解于底泥细颗粒流中，一部分臭氧直接与底泥中的溶解物质反应并矿化，一部分臭氧与经潜水泵破碎后的底泥颗粒反应，底泥颗粒被进一步氧化分解为更小的颗粒物，强氧化性的臭氧再对底泥小颗粒破壁溶胞，使胞内的有机质（蛋白质、核酸、多聚糖等）释放进液相，臭氧再与溶解到液相中的物质反应并矿化，使有机物转化为无机物，从而使污泥溶液TCOD 下降［13-14］。通过装置不断循环，持续运行一段时间后，实现了底泥就地减量。同时，利用计算流体力学（CFD）技术对装置进行应力分析后得出最佳的装置设计参数。通过对实验水体中臭氧浓度的检测与底泥中有机质含量的测定明确装置的底泥减量性能，为实际工程应用提供参考。

图1 底泥减量装置技术思路

1 材料与方法

1.1 仪器与材料

20 g 臭氧发生器（RF-Y20）；750 W 潜水泵；旋流桶；外丝变径管；内丝活接；聚四氟乙烯气管；卡盘；卡箍；不锈钢管；90°弯头；角钢；盖板；金属网；法兰；螺栓；U型管卡；卡箍式快接；吊环。

1.2 方法

1.2.1 装置运行过程的数值模拟及应力分析

设计采用Autodesk Inventor 软件建立模型，并用Autodesk CFD 软件进行流体仿真模拟。同时，利用Autodesk Inventor 软件中的应力分析技术，对该装置的各个构件和部位进行应力校核，并计算出位移情况、安全系数、第一主应力、第三主应力以及Mises等效应力。

1.2.2 水力旋流切割器设计参数优化

水力旋流切割器的结构对微泡产生的性能有决定性作用。研究设置10 mm、15 mm、20 mm 3 种出水口孔径的水力旋流切割器，利用Autodesk CFD软件分别进行流体压力的仿真模拟，通过对比3 种孔径的内外压差，选择最适孔径。

1.2.3 臭氧溶解率测定

将臭氧测定仪电极头放置到试验水体中，测定装置运行开始30 min 内试验水体中臭氧溶解度，1 min记录1次数据。

1.2.4 底泥减量效果分析

于河流底部取沉积的底泥145 kg 投入长宽高均为1.2 m 的污泥处理箱内，将装置放置其中运行一周（每日运行2 h），每日运行装置前在处理箱平均分布的4个点位取底泥在0～4 ℃保存待测。

泥样采集完毕去除石块、草木等杂质后于烘箱中80 ℃烘干至恒重，研磨过100目筛网。称重后于马弗炉内600 ℃燃烧4 h，降温后称重得到有机质消减质量。进行数据处理分析底泥减量效果。

2 结果与讨论

2.1 装置运行过程的数值模拟及应力分析

2.1.1 模型建立

该流体模型采用AutodeskInventor软件建立，其模型简化图如图2 所示。该流体模型进口直径为28 mm，切向进入到直径为98 mm的旋流通道，最后在直径为15 mm 的出水口流出。河道底泥在旋流通道和出水口中产生空化效应，与臭氧气体充分反应，有效降解了河道污染底泥。

图2 流体模型

2.1.2 网格划分

网格划分示意图如图3 所示，使用Autodesk CFD 模拟计算将空间上的连续区域划分为若干子区域，并确定区域节点来划分网格。

2.1.3 流体模型参数

设计主要针对流体在流场中所产生的涡流空化效应，因此主要探究的问题是流场中的压力分布、流场线分布以及速度分布情况。由于河道污染底泥性质复杂多样，为了便于进行仿真模拟，由水流体来代替河道污染底泥与臭氧的水气混合物进行求解，水流体参数按照默认值设置。

2.1.4 边界条件设置

入口设置为速度入口边界，入口流体速度v。

式中：Q为进口流量，L/h；S进口截面面积，m2。

根据所选用的潜水泵型号可知Q 为9 m3/h，入口直径d为28 mm。

计算得

出口压力假设为0 Pa。

2.1.5 求解结果

本次求解结果主要分为3个部分：（1）流场线的分布情况；（2）各处流体的绝对速度；（3）压力分布情况。

（1）流场线的分布情况

如图4 水流体流场线分布情况所示，流体在进入旋流通道之后高速旋转，沿着旋流筒外壁朝着另一侧的出口流出，在此过程中，流体能够产生充分的涡流，其压力分布图将在下文进行叙述，并产生涡流空化作用。

图4 水流体流场线分布

（2）各处流体的绝对速度

如图5进水截面的流体速度分布图和图6旋流通道截面的流体速度分布图所示，进口速度由潜水泵流量Q 决定，进水截面流体速度为4.06 m/s，在进水管道中，流体速度随着在进水管道的流动逐渐增大，在进入旋流通道中的瞬间达到最高速度5.29 m/s。原因是相对于进水管道，旋流筒中的流体压强相对较小，因此流体迅速朝着旋流筒中移动，造成了速度逐渐增加的现象。

图5 进水管截面的流体速度分布

图6 旋流通道截面的流体速度分布

随后，进入到旋流通道的流体速度开始缓慢降低，如图6 旋流通道截面的流体速度分布图中的颜色区域可以看出，沿旋流筒外壁的流体速度较旋流筒中心线的流体速度大，其中沿旋流筒外壁的流体速度最大可达到2.41 m/s，而旋流筒中心线（出口处不纳入中心线）的流体速度最大只有0.27 m/s。

如图6 旋流通道截面的流体速度分布图所示，由于旋流筒出口处直径急剧缩小，因此流体速度迅速增大，出口截面的流体最大速度为16.39 m/s，最小速度为12.46 m/s。

（3）压力分布情况

如图7进水管截面的流体压力分布图和图5旋流通道截面的流体压力分布图可以分析出流体在整个旋流过程中的压力分布情况。

图7 进水管截面的流体压力分布

流体在进水管进口处的压强为193 kPa，随后沿着进水管中心线的方向逐渐降低，在流体抵达旋流筒时流体压强减小到了191 kPa，原因是旋流筒相对于进水管来说体积非常大，因此旋流筒中的流体压强相对较小，所以沿着进水管中心线的方向流体压强逐渐减小。

如图8 旋流通道截面的流体压力分布图可知，流体进入旋流筒后流体压强进一步减小，然而旋流筒中的流体产生了涡流，即流体绕旋流筒的外壁旋转流向出口。上图中的结果显示可知，旋流筒外壁的流体压强为208 kPa，而旋流筒中心线靠压强为191 kPa，此时可以看出旋流筒中心处的压强较小，可以达到涡流效应的要求。

图8 旋流通道截面的流体压力分布

在理想情况下，如果不考虑流体的能量损失并且流体的流动始终处于层流中，则流体从切线方向流入水力旋流切割器的内部，力矩保持恒定，由于该点更接近中心，因此其旋转半径较小且切向速度较大。随着切向速度的不断变化，从伯努利方程可知，压力能量转化为动能，点越接近中心，切向速度越大，压力越来越小。在水力旋流切割器的中轴线附近会产生负压区。在负压下，混合物由喷嘴出口流出，负压值在两边也是不同的，这样就会在中轴产生一个压力梯度。吸入的污泥流体中的臭氧将被破碎成微泡，然后从混合物出口喷出。

2.2 水力旋流切割器应力校核

所设计的水力旋流切割器为不锈钢材质，其材料的旋流筒屈服强度高达250 MPa，极限拉伸强度高达540 MPa，在该装置运行过程中，旋流筒除了受流体的冲击作用以外，还受到了重力的作用，由于流体冲击的校核比较复杂，因此本次校核主要校核重力所带来的影响。

本次应力校核采用AutodeskInventor 软件中的应力分析技术。在应力校核的分析过程中，计算出了位移情况的最大值和最小值分别为0.000185649 mm 和0 mm，安全系数的最大值和最小值都是15 ul，第一主应力的最大值和最小值分别为0.203321 MPa 和-0.0560891 MPa，第三主应力的最大值和最小值分别为0.0733293 MPa和-0.17811 MPa，Mises等效应力的最大值和最小值分别为0.151758 MPa 和0.0000443972 MPa，旋流筒所受最大应力为0.203 MPa，远远小于250 MPa，因此满足应力校核要求。

2.3 水力旋流切割器设计参数优化

本设计采用的水力旋流切割器如图9 所示，由一个圆筒侧面切向连接进水口，在圆筒内部形成旋流腔，进水管与圆柱面侧面切向连接，采用焊接。

图9 水力旋流切割器

进水管通底泥流，当底泥从进水管进入后，内部的水利切割叶片在具有一定初速度的进水作用下，产生涡流，在涡流中心形成负压区，侧向进入的水流同臭氧通过涡流中心，底泥被剪切为超细污泥颗粒，臭氧气柱被剪切为臭氧微气泡，相互混合反应，最后从出口处喷出。

本设计中，进水口内径为28 mm，出水口直径为15 mm，旋流腔内径为102 mm。由图7 和图8 中的流体各处的压力分布情况可以看出，旋流筒外壁的流体压强比旋流筒中心线（出口处不纳入中心线）处的流体压强大，但效果并不是特别显著，因此仅对出口直径的大小进行探究，即将出口直径分别设置为10 mm、15 mm 和20 mm 3 种不同的情况，分别进行流体压力的仿真模拟，其中出口直径为10 mm的流体压力分布情况，旋流筒外壁的流体压强为981 kPa，旋流筒中心线（出口处不纳入中心线）处的压强为980.1 kPa，因此在此条件下旋流筒中的内外压差ΔP10=0.9 kPa，而出口直径为15 mm的流体压力分布情况，其中旋流筒外壁的流体压强为192 kPa，旋流筒中心线（出口处不纳入中心线）处的压强为189.2 kPa，因此在此条件下旋流筒中的内外压差ΔP15=1.8 kPa，另外出口直径为20 mm的流体压力分布情况，其中旋流筒外壁的流体压强为58.1 kPa，旋流筒中心线（出口处不纳入中心线）处的压强为57.5 kPa，因此在此条件下旋流筒中的内外压差ΔP20=0.6 kPa，综上，ΔP20＜ΔP10＜ΔP15，因此出口直径选择15 mm最佳。

2.4 底泥减量效果分析

2.4.1 水体臭氧浓度

如图10 水体中臭氧浓度随时间变化的折线图所示，在20 min 内水体中臭氧浓度升至4.42 mg/L。大幅提升了水体的臭氧溶解度，为后续底泥减量提供了良好基础。

图10 水体中臭氧浓度随时间变化折线

2.4.2 底泥消减成果

将装置运行一周前后（每日运行2 h）的污泥处理箱内的运行情况与底泥情况对比后发现水质与底泥状况有明显改变。水质与底泥不再呈炭黑色，初步判定有机质得到较好的消解。为证实此猜想，将每日取样的底泥样品进行了有机质测定实验。

如图11 所示，使用装置对不同两地底泥进行处理，同时取样进行有机质含量测定。明显看出取样点一的底泥有机质的含量由6.79%降至4.08%，取样点二的底泥有机质含量由8.39%降至5.47%。两个取样点有机质消解率分别为39.94%和34.8%，均呈明显下降趋势。

图11 底泥有机质含量变化

3 结 语

本装置利用计算流体力学（CFD）技术模拟在不同参数条件下水力旋流切割器的内部压力分布、流速情况，确认可在旋流切割器内部产生充分涡流。同时，旋流筒所受最大应力为0.203321 MPa，远小于旋流筒屈服强度高达250 MPa，满足应力校核要求。旋流桶设计参数值为进水口内径28 mm，旋流腔内径102 mm，出水口直径15 mm，可达到最好的臭氧微气泡产生效果。最后，通过试验效果证明装置运行30 min 内水体臭氧浓度升至5.65 mg/L，能得到良好水体净化效果。通过两次试验，装置运行7 d（每日2 h）后的底泥削减率分别达到39.94%和34.8%，证明具有良好的底泥原位消减效果。

本装置通过旋流切割器恰当的结构设计，大大提高了臭氧利用率同时，利用臭氧的强氧化性更有效地降解破碎底泥中的有机污染物，从而实现了旋流切割与臭氧氧化协同作用进行底泥减量，大大提高了底泥减量效率。