河道底泥原位消減裝置開發與試驗

陳東風，薛明明，郭云書，王 逸，張 波

（1.鎮江市防汛防旱搶險中心，江蘇鎮江 212002；2.江蘇大學環境與安全工程學院，江蘇鎮江 212016）

近年來，隨著對水污染問題認識的加深，水環境的內源污染（底泥）問題也逐漸被人熟知。河道底泥是水體環境氮、磷、重金屬等污染物的蓄積地，污染物質會通過底泥的“源”“匯”特性發生遷移、擴散和轉化，對水體造成二次污染，對水生生態環境造成嚴重威脅［1-2］。底泥的過度淤積也會造成河道、水庫的蓄水量減小，水位升高，影響河湖泄洪［3］給防洪防汛工作增加壓力?，F行的異位處理方法主要通過疏浚設備將淺層底泥疏浚到岸邊，對底泥進行脫水處理以達到減少底泥污染物釋放的技術措施［4］，包括攪拌固化法、機械脫水法、物理脫水固結法及熱處理等方式［5］。但是，異位修復處理技術有工程量較大、價格昂貴、易對當地土壤、地下水及空氣造成二次污染等缺點。為減少底泥處理過程中對周圍環境造成的污染，許多研究［6-7］開始著重于底泥的就地消解即原位修復技術。原位修復技術可以將被污染的河道底泥就地處理，避免了沉積污染物在疏浚過程中再沉降、傳輸過程中造成的二次污染，配合使用物理、化學、生物等技術方法，達到底泥減量，控制淤泥底泥中的污染物溶解度、遷移性以及毒性的目的?，F有底泥處理技術有許多不足之處［8-9］：如向水體中投加藥劑的化學修復方法，雖然操作簡單，但是藥品投加量難以控制，投加量過少則處理效果不明顯，投加量過多則會對水體生態環境造成不必要的破壞；如種植水生植物的生物修復技術，雖然安全環保，但其修復速度緩慢，時間周期過長。針對上述現狀，亟需提出更高效、更便捷、更安全的底泥處理方式，從而改善河道水環境健康。

臭氧具有很強的氧化性，可以破壞微生物的細胞壁，殺死生物體，使胞內物質溶出，可用于底泥的減量化和無害化處理［10］。但在工程應用中，氣體難以和底泥均勻混合，單獨使用臭氧氧化難以保證最佳濃度，減量效果往往有限［11-12］。于是，本研究提出并設計了一種將旋流切割與臭氧氧化技術相融合的底泥原位消減裝置（圖1）。臭氧氣體經渦流空化器后產生臭氧微氣泡，底泥流經渦流空化器后被剪切破碎成污泥細顆粒，臭氧微氣泡高效溶解于底泥細顆粒流中，一部分臭氧直接與底泥中的溶解物質反應并礦化，一部分臭氧與經潛水泵破碎后的底泥顆粒反應，底泥顆粒被進一步氧化分解為更小的顆粒物，強氧化性的臭氧再對底泥小顆粒破壁溶胞，使胞內的有機質（蛋白質、核酸、多聚糖等）釋放進液相，臭氧再與溶解到液相中的物質反應并礦化，使有機物轉化為無機物，從而使污泥溶液TCOD 下降［13-14］。通過裝置不斷循環，持續運行一段時間后，實現了底泥就地減量。同時，利用計算流體力學（CFD）技術對裝置進行應力分析后得出最佳的裝置設計參數。通過對實驗水體中臭氧濃度的檢測與底泥中有機質含量的測定明確裝置的底泥減量性能，為實際工程應用提供參考。

圖1 底泥減量裝置技術思路

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

20 g 臭氧發生器（RF-Y20）；750 W 潛水泵；旋流桶；外絲變徑管；內絲活接；聚四氟乙烯氣管；卡盤；卡箍；不銹鋼管；90°彎頭；角鋼；蓋板；金屬網；法蘭；螺栓；U型管卡；卡箍式快接；吊環。

1.2 方法

1.2.1 裝置運行過程的數值模擬及應力分析

設計采用Autodesk Inventor 軟件建立模型，并用Autodesk CFD 軟件進行流體仿真模擬。同時，利用Autodesk Inventor 軟件中的應力分析技術，對該裝置的各個構件和部位進行應力校核，并計算出位移情況、安全系數、第一主應力、第三主應力以及Mises等效應力。

1.2.2 水力旋流切割器設計參數優化

水力旋流切割器的結構對微泡產生的性能有決定性作用。研究設置10 mm、15 mm、20 mm 3 種出水口孔徑的水力旋流切割器，利用Autodesk CFD軟件分別進行流體壓力的仿真模擬，通過對比3 種孔徑的內外壓差，選擇最適孔徑。

1.2.3 臭氧溶解率測定

將臭氧測定儀電極頭放置到試驗水體中，測定裝置運行開始30 min 內試驗水體中臭氧溶解度，1 min記錄1次數據。

1.2.4 底泥減量效果分析

于河流底部取沉積的底泥145 kg 投入長寬高均為1.2 m 的污泥處理箱內，將裝置放置其中運行一周（每日運行2 h），每日運行裝置前在處理箱平均分布的4個點位取底泥在0～4 ℃保存待測。

泥樣采集完畢去除石塊、草木等雜質后于烘箱中80 ℃烘干至恒重，研磨過100目篩網。稱重后于馬弗爐內600 ℃燃燒4 h，降溫后稱重得到有機質消減質量。進行數據處理分析底泥減量效果。

2 結果與討論

2.1 裝置運行過程的數值模擬及應力分析

2.1.1 模型建立

該流體模型采用AutodeskInventor軟件建立，其模型簡化圖如圖2 所示。該流體模型進口直徑為28 mm，切向進入到直徑為98 mm的旋流通道，最后在直徑為15 mm 的出水口流出。河道底泥在旋流通道和出水口中產生空化效應，與臭氧氣體充分反應，有效降解了河道污染底泥。

圖2 流體模型

2.1.2 網格劃分

網格劃分示意圖如圖3 所示，使用Autodesk CFD 模擬計算將空間上的連續區域劃分為若干子區域，并確定區域節點來劃分網格。

2.1.3 流體模型參數

設計主要針對流體在流場中所產生的渦流空化效應，因此主要探究的問題是流場中的壓力分布、流場線分布以及速度分布情況。由于河道污染底泥性質復雜多樣，為了便于進行仿真模擬，由水流體來代替河道污染底泥與臭氧的水氣混合物進行求解，水流體參數按照默認值設置。

2.1.4 邊界條件設置

入口設置為速度入口邊界，入口流體速度v。

式中：Q為進口流量，L/h；S進口截面面積，m2。

根據所選用的潛水泵型號可知Q 為9 m3/h，入口直徑d為28 mm。

計算得

出口壓力假設為0 Pa。

2.1.5 求解結果

本次求解結果主要分為3個部分：（1）流場線的分布情況；（2）各處流體的絕對速度；（3）壓力分布情況。

（1）流場線的分布情況

如圖4 水流體流場線分布情況所示，流體在進入旋流通道之后高速旋轉，沿著旋流筒外壁朝著另一側的出口流出，在此過程中，流體能夠產生充分的渦流，其壓力分布圖將在下文進行敘述，并產生渦流空化作用。

圖4 水流體流場線分布

（2）各處流體的絕對速度

如圖5進水截面的流體速度分布圖和圖6旋流通道截面的流體速度分布圖所示，進口速度由潛水泵流量Q 決定，進水截面流體速度為4.06 m/s，在進水管道中，流體速度隨著在進水管道的流動逐漸增大，在進入旋流通道中的瞬間達到最高速度5.29 m/s。原因是相對于進水管道，旋流筒中的流體壓強相對較小，因此流體迅速朝著旋流筒中移動，造成了速度逐漸增加的現象。

圖5 進水管截面的流體速度分布

圖6 旋流通道截面的流體速度分布

隨后，進入到旋流通道的流體速度開始緩慢降低，如圖6 旋流通道截面的流體速度分布圖中的顏色區域可以看出，沿旋流筒外壁的流體速度較旋流筒中心線的流體速度大，其中沿旋流筒外壁的流體速度最大可達到2.41 m/s，而旋流筒中心線（出口處不納入中心線）的流體速度最大只有0.27 m/s。

如圖6 旋流通道截面的流體速度分布圖所示，由于旋流筒出口處直徑急劇縮小，因此流體速度迅速增大，出口截面的流體最大速度為16.39 m/s，最小速度為12.46 m/s。

（3）壓力分布情況

如圖7進水管截面的流體壓力分布圖和圖5旋流通道截面的流體壓力分布圖可以分析出流體在整個旋流過程中的壓力分布情況。

圖7 進水管截面的流體壓力分布

流體在進水管進口處的壓強為193 kPa，隨后沿著進水管中心線的方向逐漸降低，在流體抵達旋流筒時流體壓強減小到了191 kPa，原因是旋流筒相對于進水管來說體積非常大，因此旋流筒中的流體壓強相對較小，所以沿著進水管中心線的方向流體壓強逐漸減小。

如圖8 旋流通道截面的流體壓力分布圖可知，流體進入旋流筒后流體壓強進一步減小，然而旋流筒中的流體產生了渦流，即流體繞旋流筒的外壁旋轉流向出口。上圖中的結果顯示可知，旋流筒外壁的流體壓強為208 kPa，而旋流筒中心線靠壓強為191 kPa，此時可以看出旋流筒中心處的壓強較小，可以達到渦流效應的要求。

圖8 旋流通道截面的流體壓力分布

在理想情況下，如果不考慮流體的能量損失并且流體的流動始終處于層流中，則流體從切線方向流入水力旋流切割器的內部，力矩保持恒定，由于該點更接近中心，因此其旋轉半徑較小且切向速度較大。隨著切向速度的不斷變化，從伯努利方程可知，壓力能量轉化為動能，點越接近中心，切向速度越大，壓力越來越小。在水力旋流切割器的中軸線附近會產生負壓區。在負壓下，混合物由噴嘴出口流出，負壓值在兩邊也是不同的，這樣就會在中軸產生一個壓力梯度。吸入的污泥流體中的臭氧將被破碎成微泡，然后從混合物出口噴出。

2.2 水力旋流切割器應力校核

所設計的水力旋流切割器為不銹鋼材質，其材料的旋流筒屈服強度高達250 MPa，極限拉伸強度高達540 MPa，在該裝置運行過程中，旋流筒除了受流體的沖擊作用以外，還受到了重力的作用，由于流體沖擊的校核比較復雜，因此本次校核主要校核重力所帶來的影響。

本次應力校核采用AutodeskInventor 軟件中的應力分析技術。在應力校核的分析過程中，計算出了位移情況的最大值和最小值分別為0.000185649 mm 和0 mm，安全系數的最大值和最小值都是15 ul，第一主應力的最大值和最小值分別為0.203321 MPa 和-0.0560891 MPa，第三主應力的最大值和最小值分別為0.0733293 MPa和-0.17811 MPa，Mises等效應力的最大值和最小值分別為0.151758 MPa 和0.0000443972 MPa，旋流筒所受最大應力為0.203 MPa，遠遠小于250 MPa，因此滿足應力校核要求。

2.3 水力旋流切割器設計參數優化

本設計采用的水力旋流切割器如圖9 所示，由一個圓筒側面切向連接進水口，在圓筒內部形成旋流腔，進水管與圓柱面側面切向連接，采用焊接。

圖9 水力旋流切割器

進水管通底泥流，當底泥從進水管進入后，內部的水利切割葉片在具有一定初速度的進水作用下，產生渦流，在渦流中心形成負壓區，側向進入的水流同臭氧通過渦流中心，底泥被剪切為超細污泥顆粒，臭氧氣柱被剪切為臭氧微氣泡，相互混合反應，最后從出口處噴出。

本設計中，進水口內徑為28 mm，出水口直徑為15 mm，旋流腔內徑為102 mm。由圖7 和圖8 中的流體各處的壓力分布情況可以看出，旋流筒外壁的流體壓強比旋流筒中心線（出口處不納入中心線）處的流體壓強大，但效果并不是特別顯著，因此僅對出口直徑的大小進行探究，即將出口直徑分別設置為10 mm、15 mm 和20 mm 3 種不同的情況，分別進行流體壓力的仿真模擬，其中出口直徑為10 mm的流體壓力分布情況，旋流筒外壁的流體壓強為981 kPa，旋流筒中心線（出口處不納入中心線）處的壓強為980.1 kPa，因此在此條件下旋流筒中的內外壓差ΔP10=0.9 kPa，而出口直徑為15 mm的流體壓力分布情況，其中旋流筒外壁的流體壓強為192 kPa，旋流筒中心線（出口處不納入中心線）處的壓強為189.2 kPa，因此在此條件下旋流筒中的內外壓差ΔP15=1.8 kPa，另外出口直徑為20 mm的流體壓力分布情況，其中旋流筒外壁的流體壓強為58.1 kPa，旋流筒中心線（出口處不納入中心線）處的壓強為57.5 kPa，因此在此條件下旋流筒中的內外壓差ΔP20=0.6 kPa，綜上，ΔP20＜ΔP10＜ΔP15，因此出口直徑選擇15 mm最佳。

2.4 底泥減量效果分析

2.4.1 水體臭氧濃度

如圖10 水體中臭氧濃度隨時間變化的折線圖所示，在20 min 內水體中臭氧濃度升至4.42 mg/L。大幅提升了水體的臭氧溶解度，為后續底泥減量提供了良好基礎。

圖10 水體中臭氧濃度隨時間變化折線

2.4.2 底泥消減成果

將裝置運行一周前后（每日運行2 h）的污泥處理箱內的運行情況與底泥情況對比后發現水質與底泥狀況有明顯改變。水質與底泥不再呈炭黑色，初步判定有機質得到較好的消解。為證實此猜想，將每日取樣的底泥樣品進行了有機質測定實驗。

如圖11 所示，使用裝置對不同兩地底泥進行處理，同時取樣進行有機質含量測定。明顯看出取樣點一的底泥有機質的含量由6.79%降至4.08%，取樣點二的底泥有機質含量由8.39%降至5.47%。兩個取樣點有機質消解率分別為39.94%和34.8%，均呈明顯下降趨勢。

圖11 底泥有機質含量變化

3 結 語

本裝置利用計算流體力學（CFD）技術模擬在不同參數條件下水力旋流切割器的內部壓力分布、流速情況，確認可在旋流切割器內部產生充分渦流。同時，旋流筒所受最大應力為0.203321 MPa，遠小于旋流筒屈服強度高達250 MPa，滿足應力校核要求。旋流桶設計參數值為進水口內徑28 mm，旋流腔內徑102 mm，出水口直徑15 mm，可達到最好的臭氧微氣泡產生效果。最后，通過試驗效果證明裝置運行30 min 內水體臭氧濃度升至5.65 mg/L，能得到良好水體凈化效果。通過兩次試驗，裝置運行7 d（每日2 h）后的底泥削減率分別達到39.94%和34.8%，證明具有良好的底泥原位消減效果。

本裝置通過旋流切割器恰當的結構設計，大大提高了臭氧利用率同時，利用臭氧的強氧化性更有效地降解破碎底泥中的有機污染物，從而實現了旋流切割與臭氧氧化協同作用進行底泥減量，大大提高了底泥減量效率。