環保疏浚余水處理混合攪拌裝置設計

王苗苗，胡保安，顧平

（1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300457；2.天津大學環境科學與工程學院，天津 300072）

0 引言

環保疏浚是清除內河湖泊內源污染的重要工程技術手段，在國內的環保疏浚工程中，普遍采用絞吸式挖泥船進行水力疏浚，污染底泥呈泥漿狀態輸送到堆場，經堆場自然沉淀后多余的水從堆場溢流排放，該余水中含大量的有機物、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，水質復雜等特點，國內外對余水處理技術與工藝的研究表明[4-7]，混凝-沉淀工藝具有較好的處理效果，但關于混凝工藝的工程實施研究鮮見報道。本研究基于竺山湖及西沿岸區北段生態清淤工程，對混合攪拌裝置進行研究設計。

1 余水處理工程現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重要因素，混凝過程可以分為2個階段：混合和反應，這兩個階段在水力條件上的配合非常重要?；旌想A段的要求是使藥劑迅速均勻地擴散到全部水中以創造良好的水解和聚合條件，使水中膠體脫穩并借顆粒的布朗運動和紊動水流進行凝聚。

竺山湖及西沿岸區北段生態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，施工時段排放余水流量約650～700m3/h。由于沒有專用設備或構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，同時節省混凝劑的用量，針對混合攪拌的作用初步進行了小型試驗探討。

采用太湖底泥和太湖水混合，其中底泥體積占15%。泥水混合物靜置過夜后，取上清液，測濁度和CODMn。取上清液分3組，每組2個水樣，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2個水樣的濁度和CODMn，結果見表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行迅速有效的混合，提高污染物的去除效率，對混凝效果有較大影響，在環保疏浚余水的凈化處理中，攪拌是必不可少的環節。

表1 水樣水質結果Table 1 Water quality of samples

2 設計理論及攪拌裝置相關參數試驗研究

2.1 設計理論

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，截面見圖1。攪拌器轉軸垂直于水流方向，混凝劑在渠道內與疏浚水快速混合后，依靠水流的動力完成絮凝過程。

1）混合池體積

式中：t為混合時間，s；Q為流量，m3/s。

2）混合池的直徑

式中：L為混合池長度，m；D0為混合池直徑，mm。

3）混合攪拌器直徑

依據有關資料，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為混合時間，s；Q為流量，m3/s；G為速度梯度，s-1。

在混合階段，對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，故混合時間t在10～30 s，至多不超過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；CD為繞流阻力系數，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 攪拌裝置相關參數試驗研究

針對混合攪拌裝置進行試驗研究，確定其相關參數。采用太湖底泥和太湖水混合，其中底泥體積約占15%。泥水混合物靜置過夜后，取上清液，測濁度和CODMn。將上清液分5份，每個燒杯400mL，各加PAC 50mg/L，攪拌轉速分別為0 r/min，200 r/min，400 r/min，600 r/min，800 r/min，攪拌時間取10 s，20 s，30 s分別進行，然后70 r/min慢攪10min，靜置30min后分別測5個水樣的濁度和CODMn。

采用六聯攪拌機進行燒杯試驗，六聯攪拌機攪拌槳攪拌半徑約28mm，槳葉高度約8mm，槳葉數量為2，轉速與G值關系見表2。

表2 攪拌機G值Table 2 Velocity gradient of agitator

2.3 試驗結果分析

不同的轉速對應不同的速度梯度，攪拌時間為10 s，20 s，30 s時，對污染物的去除率關系見圖2和圖3。

圖2 不同速度梯度對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，污染物都有較好的去除效果，濁度的去除率能達到98%，CODMn的去除率能達到50%；攪拌20 s時，污染物去除效果最好。這是因為混凝時間不足導致混合不充分，水中的顆粒物質不能很好的凝聚形成絮體，影響了污染物的去除；混凝時間過長時，由于強烈的攪拌作用，破壞了剛形成的絮體，降低了污染物的去除率。

3 混合攪拌裝置設計

3.1 設計參數

設計參數[9-10]包括：

1）設計流量

根據工程實際情況，設計流量Q采用700 m3/h。混合攪拌裝置設計為2座，單座攪拌裝置的處理能力為350m3/h。

2）混合池尺寸

考慮到設備的加工，混合池直徑宜取在600～1200mm，對應的攪拌時間為5～20 s，攪拌器直徑為400～1000mm。

混合池長度根據現場實際情況取L=1.5m。3）槳葉數的確定

混合池長度為1.5m，可以選擇每隔25～30 cm安裝2片槳葉，故槳葉總數為8～10個。

4）槳葉寬度

對于平直葉槳板，攪拌槳葉寬度與攪拌器直徑比一般為0.15～0.3。本設計取100mm、150mm進行計算。

5）轉速

考慮到疏浚余水的水質，混合攪拌目的和攪拌器尺寸大小，設計采用50～100 r/min的轉速。

6）槳板折角

考慮攪拌器加工的難易程度，設計采用折角為90°的平直槳板。

3.2 混合攪拌裝置計算結果

根據上述設計參數進行計算，計算結果如表3所示。

表3 混合攪拌裝置設計參數值Table 3 Design parameters of mixing device

3.3 混合攪拌裝置設計取值

根據混合攪拌裝置的計算結果以及燒杯試驗確定的參數范圍，攪拌裝置最終設計取值如下：混合池直徑為1.2m，攪拌器直徑1.0m，槳葉寬度取0.15m，槳葉數量10片，轉速50 r/min，在該條件下，混合時間為19.8 s，速度梯度為509 s-1，滿足燒杯試驗確定的參數范圍，可以有效提高余水中污染物的去除效果。

4 結語

1）對于余水凈化的混凝-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）燒杯試驗結果表明，混合攪拌裝置的速度梯度范圍為258.82～732.06 s-1時，污染物都有較好的去除效果，攪拌混合時間為20 s時，濁度的去除率能達到98%，CODMn的去除率能達到50%。

3）根據試驗確定的參數范圍及工程現場工況條件，攪拌裝置設計取值為：混合池直徑1.2m，攪拌器直徑1.0m，槳葉寬度取0.15m，槳葉數量10片，轉速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] 李進軍.污染底泥環保疏浚技術[J].中國港灣建設，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.環保疏浚余水處理試驗研究[J].環境科學研究，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.環保疏浚堆場余水處理生產性試驗研究[J].環境科學研究，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.環保疏浚底泥堆場污染物擴散防治研究[J].北京工業大學學報，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.環保疏浚底泥堆場余水處理方法及實施裝置研究[J].水資源與水工程學報，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] 嚴煦世，范瑾初.給水工程[M].第四版.北京：中國建筑工業出版社，1999.YAN Xu-shi，FAN Jin-chu.Water supply engineering[M].4th edition.Beijing：China Architecture&Building Press，1999.

[9] 王凱，虞軍.化工設備設計全書——攪拌設備[M].北京：化學工業出版社，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.攪拌與混合設備設計選用手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.CHEN Zhi-ping，ZHANG Xu-wen，LIN Xing-hua.Agitation and mixing equipment design manual[M].Beijing：Chemical Industry Press，2004.