工業(yè)水力旋流器預(yù)處理疏浚含泥海水模擬試驗(yàn)研究

翟自芹，趙 琢，王 華，張 園，楊 磊，左玥華，李秀蘋，王晨光，劉 偉，柳 明，張令品，張 乾

(1.天津海關(guān)工業(yè)產(chǎn)品安全技術(shù)中心，天津 300308；2.自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

海上疏浚是一項(xiàng)復(fù)雜的海洋作業(yè)工程，在港口建設(shè)、航道清淤、海上油氣管線敷設(shè)、船廠建設(shè)、海上機(jī)場(chǎng)建設(shè)、跨海大橋建設(shè)等方面必不可少。中國(guó)年疏浚量已超10億m3，是少數(shù)幾個(gè)掌握疏浚前沿技術(shù)、能夠自主開展大規(guī)模吹填造陸和航道疏浚工程的國(guó)家之一，裝備規(guī)模、資金優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)能收入等更成為了世界第一疏浚大國(guó)。

疏浚工程船舶需要長(zhǎng)期在海上作業(yè)，對(duì)淡水需求量很大，因占空間原因?qū)е麓吧蠠o法攜帶大型儲(chǔ)水設(shè)備，并且淡水儲(chǔ)存量受船舶規(guī)模的限制，儲(chǔ)存量少影響航行時(shí)間，儲(chǔ)存太多又時(shí)間太長(zhǎng)，容易滋生細(xì)菌，并不能很好地解決在輪船上的飲水問題。因此，海水淡化設(shè)備成為了疏浚船舶上的必備裝置。疏浚船舶在施工過程中不可避免地引起懸浮物，并在潮流等動(dòng)力因素作用下發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致周圍海水泥沙含量顯著增大，對(duì)海洋環(huán)境質(zhì)量造成一定影響[1]?，F(xiàn)在常用船舶上安裝的海水淡化裝置均采用常規(guī)預(yù)處理工藝，設(shè)備穩(wěn)定性和耐用性較差，備件更換頻繁，在疏浚船舶上的適用性存在較大問題[2]。

水力旋流器是一種在礦業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的分離設(shè)備，利用旋轉(zhuǎn)離心力的作用，分離相互不摻和、難于溶解的液固混合物的機(jī)械分離設(shè)備，在冶金、建材、煤炭、化工等工業(yè)領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用[3]。探索將此設(shè)備應(yīng)用于疏浚含泥海水預(yù)處理方面，考察其分離性能能否滿足后續(xù)淡化工藝的使用要求具有一定意義。

2 試驗(yàn)裝置及流程

試驗(yàn)流程示意如圖1所示，系統(tǒng)主要由水箱、水泵、閥門、壓力表和水力旋流器組成。模擬配置的含泥海水在水箱內(nèi)進(jìn)行充分混合之后，通過水泵進(jìn)入旋流器內(nèi)，可通過閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。旋流器處理完的清液經(jīng)溢流口返回水箱進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，清液可以從出口處進(jìn)行取樣。旋流器底流口設(shè)有排污閥，可定時(shí)進(jìn)行取樣測(cè)量。水箱內(nèi)的水采用機(jī)械攪拌，防止固體在水箱里沉降以保證其混合的均勻性。

水力旋流原理如圖2。污液由濁液進(jìn)口進(jìn)入旋流器濁液腔，然后通過切線入口進(jìn)入旋流子內(nèi)，形成高速旋轉(zhuǎn)。濁液在旋流子內(nèi)實(shí)現(xiàn)固液分離。每個(gè)旋流子的底流凈水匯集到凈水腔從凈水出口流出，濃液由排污口進(jìn)行排出，該過濾器可分離5 μm～100 μm的顆粒，工作壓力0.6 MPa～2.5 MPa。

其它實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器包括變頻高壓自吸泵、儲(chǔ)罐、分析天平、吸濾瓶、配套吸濾漏斗、混合濾膜(0.45 μm)、鑷子、燒杯、真空泵。

3 試驗(yàn)材料及方法

3.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用實(shí)驗(yàn)材料主要采用高嶺土。我國(guó)的河口與海岸多屬于淤泥質(zhì)類型，高嶺土是一種常見的粘土礦物，是河口泥沙的主要成分之一，因此實(shí)驗(yàn)采用高嶺土來模擬真實(shí)的海水中泥沙。

為探究旋流器對(duì)泥漿的分離效果和不同粒徑的分級(jí)性能，實(shí)驗(yàn)采用不同固相比例下的分離效果，分別配備固含量為500 mg/kg、1 000 mg/kg、2 000 mg/kg的泥漿混合液。采用的高嶺土平均粒徑分別為40 μm、30 μm以及40 μm和30 μm 1 ∶1的配比，還開展了加入絮凝劑和未加絮凝劑的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

3.2 試驗(yàn)方法

(1)準(zhǔn)備工作。將旋流器及相關(guān)設(shè)備用清水清洗干凈，然后將儀表、閥門和管線連接好，待用。

(2)溶液的配置。按照上述粒度要求購買高嶺土，然后分別稱取一定量高嶺土，加入水中，配置成1 g/L或2 g/L的高嶺土溶液，攪拌均勻，待用。

(3)分離實(shí)驗(yàn)。打開旋流器入口閥門，通過調(diào)節(jié)變頻器緩慢啟動(dòng)供液泵，調(diào)整旋流器入口壓力，待穩(wěn)定一段時(shí)間后，緩慢打開底排口閥門，觀察底排口溶液情況，然后取一定量的入口溶液、上清液出口溶液和底排口溶液，先通過沉淀來初步估看分離效果，最終通過測(cè)量各溶液中的固含量來確認(rèn)分離效果。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 截留率分析

采用微濾膜過濾的方法對(duì)含泥水進(jìn)行固含量測(cè)定，選用的微濾膜過濾精度為0.45 μm，過濾后將濾紙烘干稱重，計(jì)算溶液中懸浮固體含量，結(jié)果如表1與表2。固體顆粒由40 μm變?yōu)?0 μm，即粒徑由大變小后，去除率明顯下降，說明處理粒徑的大小直接影響截留率。在此分析基礎(chǔ)上，考察添加絮凝劑的效果，發(fā)現(xiàn)絮凝劑的添加對(duì)截留率的提高并無明顯效果，說明其未引起顆粒粒徑的變化。

表1 單粒徑固含量測(cè)定

表2 混合粒徑固含量測(cè)定(各50%)

4.2 截留粒徑分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)中原料液與清液中的固體顆粒進(jìn)行粒徑分析，如圖3所示。

30 μm的原液與清液對(duì)比顯示，在相對(duì)較低的去除率(76.13%)下，清液中剩余顆粒粒徑明顯小于原液顆粒粒徑，且小粒徑占比明顯升高，說明對(duì)主粒徑的截留效果較好，但對(duì)次主粒徑和更小顆粒的截留效果一般。相對(duì)于30 μm但粒徑測(cè)試，40 μm+30 μm的混合粒徑測(cè)試結(jié)果，除了去除率顯著提高以外，對(duì)于大粒徑顆粒的截留效果對(duì)比也更加明顯，清液中占比高的粒徑已降低至10 μm左右，大顆粒的裹挾吸附對(duì)小顆粒的去除也起到了明顯的促進(jìn)作用。

5 結(jié)論

水力旋流器對(duì)于海上疏浚船作業(yè)海域高含泥沙量的海水預(yù)處理模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，其對(duì)粒徑大于30 μm的顆粒去除率可達(dá)76%以上，對(duì)粒徑大于40 μm的顆粒去除率可達(dá)83%以上，混合粒徑更有利于小粒徑顆粒去除率的提高。以后需要在提高去除率方面開展更為深入與廣泛的研究。