環(huán)保疏浚余水處理混合攪拌裝置設(shè)計(jì)

王苗苗，胡保安，顧平

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300457；2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072）

0 引言

環(huán)保疏浚是清除內(nèi)河湖泊內(nèi)源污染的重要工程技術(shù)手段，在國(guó)內(nèi)的環(huán)保疏浚工程中，普遍采用絞吸式挖泥船進(jìn)行水力疏浚，污染底泥呈泥漿狀態(tài)輸送到堆場(chǎng)，經(jīng)堆場(chǎng)自然沉淀后多余的水從堆場(chǎng)溢流排放，該余水中含大量的有機(jī)物、氮、磷、重金屬等污染物，必須處理后才能排放[1-3]。余水具有流量大，懸浮物含量多，水質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)余水處理技術(shù)與工藝的研究表明[4-7]，混凝-沉淀工藝具有較好的處理效果，但關(guān)于混凝工藝的工程實(shí)施研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究基于竺山湖及西沿岸區(qū)北段生態(tài)清淤工程，對(duì)混合攪拌裝置進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

1 余水處理工程現(xiàn)狀及混合攪拌的必要性探討

混凝效果的影響因素較多，水力條件是其中一個(gè)重要因素，混凝過(guò)程可以分為2個(gè)階段：混合和反應(yīng)，這兩個(gè)階段在水力條件上的配合非常重要。混合階段的要求是使藥劑迅速均勻地?cái)U(kuò)散到全部水中以創(chuàng)造良好的水解和聚合條件，使水中膠體脫穩(wěn)并借顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)和紊動(dòng)水流進(jìn)行凝聚。

竺山湖及西沿岸區(qū)北段生態(tài)清淤工程施工船舶為絞吸式挖泥船，余水處理工藝采用管道滴流式加藥，工程中余水采用泄水口溢流排放方式，施工時(shí)段排放余水流量約650～700m3/h。由于沒(méi)有專(zhuān)用設(shè)備或構(gòu)筑物保障混凝劑攪拌混合的水力條件，致使藥劑與余水之間混合程度較差，藥劑的混凝效果得不到保障。為了提升混凝劑的使用效果，同時(shí)節(jié)省混凝劑的用量，針對(duì)混合攪拌的作用初步進(jìn)行了小型試驗(yàn)探討。

采用太湖底泥和太湖水混合，其中底泥體積占15%。泥水混合物靜置過(guò)夜后，取上清液，測(cè)濁度和CODMn。取上清液分3組，每組2個(gè)水樣，均投加聚合氯化鋁（PAC）50mg/L，一水樣加藥后不攪拌，靜置30min；另一水樣加藥后用玻璃棒攪拌，然后靜置30min。分別測(cè)2個(gè)水樣的濁度和CODMn，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出：加藥后攪拌水樣的濁度去除率從21%提高到39%，CODMn去除率從41%提高到53%，分別提高了18%和12%。攪拌可以使得藥劑與水樣進(jìn)行迅速有效的混合，提高污染物的去除效率，對(duì)混凝效果有較大影響，在環(huán)保疏浚余水的凈化處理中，攪拌是必不可少的環(huán)節(jié)。

表1 水樣水質(zhì)結(jié)果Table 1 Water quality of samples

2 設(shè)計(jì)理論及攪拌裝置相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)研究

2.1 設(shè)計(jì)理論

圖1 混合攪拌裝置示意圖Fig.1 Sketch diagram of mixing device

混合攪拌池為半圓形渠道，截面見(jiàn)圖1。攪拌器轉(zhuǎn)軸垂直于水流方向，混凝劑在渠道內(nèi)與疏浚水快速混合后，依靠水流的動(dòng)力完成絮凝過(guò)程。

1）混合池體積

式中：t為混合時(shí)間，s；Q為流量，m3/s。

2）混合池的直徑

式中：L為混合池長(zhǎng)度，m；D0為混合池直徑，mm。

3）混合攪拌器直徑

依據(jù)有關(guān)資料，凈水廠的攪拌器葉輪距水面0.3m，距池底0.3～0.5m，距邊壁0.2m。因本例中疏浚水處理規(guī)模低于凈水廠，攪拌器尺寸很小，故攪拌器葉輪距池底、邊壁及水面均取最小值0.1m，故攪拌器的直徑為：

式中：D為攪拌器葉輪直徑，mm。

4）理論混合攪拌功率式中：μ為水的動(dòng)力黏度，Pa·s，取20℃水的黏度μ＝0.00101 Pa·s；Nth為混合理論攪拌功率，kW；t為混合時(shí)間，s；Q為流量，m3/s；G為速度梯度，s-1。

在混合階段，對(duì)水流劇烈攪拌的目的，主要是藥劑快速均勻地分散于水中以利于混凝劑快速水解、聚合及顆粒脫穩(wěn)，故混合時(shí)間t在10～30 s，至多不超過(guò)2min。

5）混合攪拌器功率[8]

式中：N為混合器攪拌功率，kW；n為槳葉數(shù)；CD為繞流阻力系數(shù)，取0.2～0.5；ρ為水的密度，kg/m3；b為槳葉寬度，m；ω為角速度，rad/s；D為攪拌器葉輪直徑，mm。

2.2 攪拌裝置相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)研究

針對(duì)混合攪拌裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定其相關(guān)參數(shù)。采用太湖底泥和太湖水混合，其中底泥體積約占15%。泥水混合物靜置過(guò)夜后，取上清液，測(cè)濁度和CODMn。將上清液分5份，每個(gè)燒杯400mL，各加PAC 50mg/L，攪拌轉(zhuǎn)速分別為0 r/min，200 r/min，400 r/min，600 r/min，800 r/min，攪拌時(shí)間取10 s，20 s，30 s分別進(jìn)行，然后70 r/min慢攪10min，靜置30min后分別測(cè)5個(gè)水樣的濁度和CODMn。

采用六聯(lián)攪拌機(jī)進(jìn)行燒杯試驗(yàn)，六聯(lián)攪拌機(jī)攪拌槳攪拌半徑約28mm，槳葉高度約8mm，槳葉數(shù)量為2，轉(zhuǎn)速與G值關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 攪拌機(jī)G值Table 2 Velocity gradient of agitator

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同的速度梯度，攪拌時(shí)間為10 s，20 s，30 s時(shí)，對(duì)污染物的去除率關(guān)系見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 不同速度梯度對(duì)CODMn去除效果的影響Fig.2 CODMn removal efficiency in different velocity gradient

圖3 不同速度梯度對(duì)濁度去除效果的影響Fig.3 Turbidity removal efficiency in different velocity gradient

從圖中可以看出，投藥攪拌后，濁度和CODMn的去除率都有較大的提高，攪拌對(duì)污染物去除效果作用明顯；速度梯度在258.82～732.06 s-1范圍內(nèi)，污染物都有較好的去除效果，濁度的去除率能達(dá)到98%，CODMn的去除率能達(dá)到50%；攪拌20 s時(shí)，污染物去除效果最好。這是因?yàn)榛炷龝r(shí)間不足導(dǎo)致混合不充分，水中的顆粒物質(zhì)不能很好的凝聚形成絮體，影響了污染物的去除；混凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，由于強(qiáng)烈的攪拌作用，破壞了剛形成的絮體，降低了污染物的去除率。

3 混合攪拌裝置設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)[9-10]包括：

1）設(shè)計(jì)流量

根據(jù)工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)流量Q采用700 m3/h。混合攪拌裝置設(shè)計(jì)為2座，單座攪拌裝置的處理能力為350m3/h。

2）混合池尺寸

考慮到設(shè)備的加工，混合池直徑宜取在600～1200mm，對(duì)應(yīng)的攪拌時(shí)間為5～20 s，攪拌器直徑為400～1000mm。

混合池長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況取L=1.5m。3）槳葉數(shù)的確定

混合池長(zhǎng)度為1.5m，可以選擇每隔25～30 cm安裝2片槳葉，故槳葉總數(shù)為8～10個(gè)。

4）槳葉寬度

對(duì)于平直葉槳板，攪拌槳葉寬度與攪拌器直徑比一般為0.15～0.3。本設(shè)計(jì)取100mm、150mm進(jìn)行計(jì)算。

5）轉(zhuǎn)速

考慮到疏浚余水的水質(zhì)，混合攪拌目的和攪拌器尺寸大小，設(shè)計(jì)采用50～100 r/min的轉(zhuǎn)速。

6）槳板折角

考慮攪拌器加工的難易程度，設(shè)計(jì)采用折角為90°的平直槳板。

3.2 混合攪拌裝置計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 混合攪拌裝置設(shè)計(jì)參數(shù)值Table 3 Design parameters of mixing device

3.3 混合攪拌裝置設(shè)計(jì)取值

根據(jù)混合攪拌裝置的計(jì)算結(jié)果以及燒杯試驗(yàn)確定的參數(shù)范圍，攪拌裝置最終設(shè)計(jì)取值如下：混合池直徑為1.2m，攪拌器直徑1.0m，槳葉寬度取0.15m，槳葉數(shù)量10片，轉(zhuǎn)速50 r/min，在該條件下，混合時(shí)間為19.8 s，速度梯度為509 s-1，滿足燒杯試驗(yàn)確定的參數(shù)范圍，可以有效提高余水中污染物的去除效果。

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于余水凈化的混凝-沉淀工藝，混合攪拌作用是十分必要的，可以有效提高污染物的去除率，提高藥劑的利用率。

2）燒杯試驗(yàn)結(jié)果表明，混合攪拌裝置的速度梯度范圍為258.82～732.06 s-1時(shí)，污染物都有較好的去除效果，攪拌混合時(shí)間為20 s時(shí)，濁度的去除率能達(dá)到98%，CODMn的去除率能達(dá)到50%。

3）根據(jù)試驗(yàn)確定的參數(shù)范圍及工程現(xiàn)場(chǎng)工況條件，攪拌裝置設(shè)計(jì)取值為：混合池直徑1.2m，攪拌器直徑1.0m，槳葉寬度取0.15m，槳葉數(shù)量10片，轉(zhuǎn)速50 r/min。

[1] ANDREW M LONHRER，JENNIFER JARRELLWETZ.Dredginginduced nutrient release from sediments to the water column in a southeastern saltmarsh tidal creek[J].Marine Pollution Bulletin，2003，46（9）：1156-1163.

[2] MARIACLAUDIABARBOSA，MARCIODESOUZASOARESDE ALMEIDA.Dredged and disposal of fine sediments in the state of Rio de Janeiro，Brazil[J].Journal of Hazardous Materials，2001，85：15-38.

[3] 李進(jìn)軍.污染底泥環(huán)保疏浚技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2005（6）：46-47.LI Jin-jun.Environmental dredging technology of sediment pollution[J].China Harbour Engineering，2005（6）：46-47.

[4] 霍守亮，荊一鳳，程靜.環(huán)保疏浚余水處理試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2005，18（1）：49-52.HUO Shou-liang，JING Yi-feng，CHENG Jing.Experimental research on residual water treatment for environmental dredging[J].Research of Environmental Sciences，2005，18（1）：49-52.

[5] 霍守亮，荊一鳳，席北斗，等.環(huán)保疏浚堆場(chǎng)余水處理生產(chǎn)性試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2007，20（1）：75-79.HUO Shou-liang，JING Yi-feng，XI Bei-dou，etal.Full-scale experimental research on residual water treatment for environmental dredging[J].Research of Environmental Sciences，2007，20（1）：75-79.

[6] 呂鑑，霍守亮，荊一鳳，等.環(huán)保疏浚底泥堆場(chǎng)污染物擴(kuò)散防治研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（3）：229-234.LV Jian，HUO Shou-liang，JING Yi-feng，etal.Research on pollutant diffusion contril of contaminated dredged material on the mud dumping site[J].Journal of Beijing University of Technology，2006，32（3）：229-234.

[7] 王琦，李中華.環(huán)保疏浚底泥堆場(chǎng)余水處理方法及實(shí)施裝置研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2012，23（2）：179-181.WANG Qi，LI Zhong-hua.Study on treatment device and method to residual water at environmental dredging sediment storage area[J].Journal of Water Resources&Water Engineering，2012，23（2）：179-181.

[8] 嚴(yán)煦世，范瑾初.給水工程[M].第四版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.YAN Xu-shi，F(xiàn)AN Jin-chu.Water supply engineering[M].4th edition.Beijing：China Architecture&Building Press，1999.

[9] 王凱，虞軍.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)——攪拌設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.WANG Kai，YU Jun.Chemical equipment design book—Mixing equipment[M].Beijing：Chemical Industry Press，2003.

[10] 陳志平，章序文，林興華.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.CHEN Zhi-ping，ZHANG Xu-wen，LIN Xing-hua.Agitation and mixing equipment design manual[M].Beijing：Chemical Industry Press，2004.