城市河道污泥清理脫水一體化設備

王少英 李永祥 王明旭

（河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450007）

隨著全球經濟的高速發展，城市人口的增加，工業廢水和城市生活污水的排放量增加，污泥的排放量也將隨之增多。據統計，2003年全國廢水排放總量超過400×108t，全國的污泥產量（千重計）產量約為130萬t，而且還以每年大約10%的速度增長［1］。此外，我國地域廣闊，城市河道縱橫，每一條河道及湖泊均承擔著城市的飲用、行洪、排澇、旅游、航運等功能，隨著經濟的快速發展，資源利用粗放，各種工業、生活垃圾不經處理隨意排放的現象屢見不鮮，再加上水土流失，導致河道淤積，不僅影響了河道的基本功能，長此以往，加大了城市的安全衛生隱患［2］。大量污泥沉積在城市河床上，這種情況將在一定時期內長期存在。受污染河道的河水滯流，河道淤積，水體渾濁甚至時常出現黑臭的現象。原來作為生活和工業用水水源的河道水，其功能已受到嚴重影響。河道水所具有的美化環境、調節城區小氣候、景觀旅游等功能也大大下降。河道的積泥、淤塞使航運、防洪功能顯著退化，而且入湖河道污染還是大多數湖泊污染及富營養化的主因。由于河道水環境的惡化不但使城市生活環境和景觀受到了破壞，而且嚴重破壞了河流生態系統原有的功能和穩定性。因此，對城市河道以清淤疏浚為重點，全面開展水環境綜合整治，已刻不容緩。2012年國家發布的《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》強調到2015年，直轄市、省會城市和計劃單列市的污泥無害化處理處置率達到80%，其他設市城市達到70%，縣城及重點鎮達到30%［3］。

對于城市大型河道來說，主要通過將挖掘機械置于浮船上，利用浮船在水面上進行挖掘，清淤施工。這種方式技術要求比較低，但是這樣的挖泥船不僅制造成本很高而且它只能應用在工作面積大的場合，不適合在中小型水域工作。現階段，城市小型河道主要的清污方式為人工清污和挖掘機清污。人工清污雖然成本比較低，但清理效率相對較低；挖掘機清污主要通過停靠在河岸邊的挖掘機對河道進行清理，但是清理的污泥直接放在岸邊。這樣做不僅會影響城市環境，而且也會對河流產生二次污染［4］。鑒于目前的情況，高效、綠色、環保的城市對河道污泥清理脫水一體化設備的研究就變得尤為重要。

1 城市河道污泥清理脫水一體設備的工作原理和主體結構

1.1 工作原理

如圖1為城市河道污泥清理脫水一體化設備的結構示意圖，此設備通過前部雙列葉片式取料裝置2 把污泥扒進其底部的儲泥槽里，然后通過螺旋輸送裝置3 把污泥向上輸送，從出料口落入固、液分離裝置5內，再由固、液分離裝置5 對污泥進行固體和液體的分離，分離出的清水直接流出，污泥從分離裝置的出泥口排出后輸送到岸上再進行后序的處理。

圖1 城市河道污泥脫水一體設備結構總圖

本設備通過控制液壓裝置4的伸縮可以實現雙列葉片式取料裝置2 和螺旋輸送裝置3 的伸出和收起。當設備工作時液壓裝置縮回，使取料裝置2 的前部深入河道污泥一定深度后開始工作。當工作結束，用過液壓缸伸長，把雙列葉片式取料裝置2和螺旋輸送裝置3收起。考慮到河床底部污泥的特點選用履帶式行走機構，車體還可以實現360°無死角旋轉，給污泥的收集提供了很大的便利。

對于傳統的清污方式來說，污泥的收集和處理工序之間往往是不連續的，這樣就導致了清污效率降低。城市小型河流在進行污泥清理時，常用的挖掘機清理的優點是能夠在短時間內疏通河道，清理污泥。但是經過清理后的污泥大部分都被直接放在岸邊，黑臭的污泥對城市的環境會產生很大的影響。另外城市污泥的含水量高，易腐爛，成分復雜，不僅含有大量的基質、N、P、K等營養元素，而且含有大量的病原菌、細菌、寄生蟲卵及重金屬、二英噁等有害物質及致癌物質，并伴有強烈惡臭［5-8］。直接被放在岸邊的污泥就會對河水產生二次污染。此設備旨在將污泥的收集、輸送、脫水合為一體，使污泥在處理過程中避免對環境造成污染，同時這些處理工序的一體化也使得工作效率有所提高。圖2為一體化設備的污泥處理流程圖。

圖2 一體化設備污泥處理流程圖

1.2 主體結構

根據上述基本原理和污泥處理流程設計的城市河道污泥清理脫水一體化設備如上圖1所示。與傳統的人工清理、挖掘機清理不同，本設備將雙列葉片式取料裝置和螺旋輸送裝置合二為一組成污泥收集輸送一體裝置，收集到的污泥直接經過固、液分離裝置進行分離。所以本設備與傳統清污方式相比能夠提高工作效率，避免河流的二次污染。

從圖1可以看出，本設備結構主要包括四部分：履帶車體6、雙列葉片式取料裝置2、螺旋輸送裝置3、固、液分離裝置5、液壓裝置4。

1.2.1 履帶車體

針對城市河道空間相對較為狹小的特點，本設備采用了可以360°無死角旋轉的履帶車體，而且小車驅動采用雙向驅動，當小車掉頭或需要轉一個角度收集污泥時，只需要旋轉車體就能完成。這種方法對于城市河道的污泥清理提供了較容易的操作性，而且提高了工作效率。

1.2.2 雙列葉片式取料裝置和螺旋輸送裝置［9-11］

在污泥的收集方面，本設備將雙列葉片式取料裝置和螺旋輸送裝置相結合，使得污泥的收集和輸送能夠合二為一。這樣的設計不僅使得污泥的處理工序得到優化，而且整個設備的工作效率也會有很大的提高。河床上的污泥在葉片的扒動作用下進入到取料裝置的儲泥槽內，在螺旋輸送裝置的輸送下進入到固、液分離裝置進行固液分離。如圖3 為污泥收集輸送一體裝置結構示意圖。

圖3 污泥收集輸送一體裝置

1.2.3 固、液分離裝置

污泥脫水的本質在于將水分和污泥進行分離。本設備所采用的固、液分離裝置為臥螺離心機，其主要作用是利用離心力的作用將固體從液體中分離出來（即兩相分離）。表1為幾種不同類型的污泥脫水機情況表，通過對比得出在進行污泥脫水時，臥螺旋離心機和一般常用的脫水機相比具有維護簡單、操作簡單、自動化程度高、節省絮凝劑投加量、占用面積小、對工作車間污染小等明顯優勢［15］。

表1 幾種不同類型的污泥脫水機比較［12-14］

1.2.4 液壓裝置

本設備采用兩組相互平行并且與地面成60 度夾角的液壓缸來實現污泥收集輸送一體設備的外伸和內收。

2 工作效率分析

下圖4為弧形葉片的三維圖

圖4 弧形葉片三維圖

弧形葉片的外邊緣半徑d=665mm，內部小圓直徑D=75mm，葉片高度h=200mm。葉片扒泥的體積公式如下：

式中：

V——體積；

r——半徑；

H——高度。

弧形扒泥葉片旋轉一周扒泥的體積為V，由于扒泥時每次泥的高度不同，則去扒泥高度則：

現設定弧形扒泥葉片的轉速n=20r/min，則每小時扒泥機的工作量為V1

由于扒泥機上面帶有兩個弧形扒泥葉片，每小時的扒泥量為332m3。若以人工進行清淤，不但工作環境惡劣，而且有些雜物污泥并不能依靠人工來完成，人工清淤每人一天的工作量最多為3m3，若人工每天工作8 h，每小時清淤量0.375m3。因此，用一體車進行清淤，工作效率是人工的800多倍。由此可以看出一體車的工作效率是比較高的。

3 城市河道污泥清理脫水一體設備的特點

3.1 靈活、穩定。設備整體尺寸不大，履帶式的行走機構保證了它在河床底部能夠靈活穩定地工作，機身可以實現360 度旋轉，對于城市河道來說具有比較強的適應性。

3.2 綠色、環保。通過污泥收集輸送設備收集的污泥，直接經過分離設備進行固體和液體的分離，減少了對城市生活環境的影響，避免了對河流的二次污染。脫水后的污泥在后續處理之后可以充當植物花肥，建筑材料和新能源材料等。

3.3 高效。通過理論計算之后可知，在相同工作條件下，整臺設備的工作效率比傳統的清污方式要高。

4 結論

本文通過介紹了城市河道污泥清理脫水一體化設備的工作原理和主體結構，履帶式行走機構和可旋轉車體保證了設備能夠靈活、快速地工作，污泥收集輸送一體裝置提高了污泥處理的效率，固、液分離裝置處理之后的污泥經過后續的工序可以作為建筑材料、燃燒發電原料、植物肥料等。通過與傳統清污方式對比說明了本設備對于城市河道清污具有很好的適應性，十分適合在城市河道污泥清理和脫水領域的應用，有理由成為我國城市河道污泥清理和脫水方面的首選設備。

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