水葫芦固液分离机脱水参数优化及中试运行效果

杜 静，奚永兰，靳红梅，钱玉婷，常志州，叶小梅

水葫芦固液分离机脱水参数优化及中试运行效果

杜 静，奚永兰，靳红梅，钱玉婷，常志州，叶小梅※

（江苏省农业科学院循环农业研究中心；江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京 210014）

为了获得低成本、高效率的水葫芦规模化处理处置技术参数,该研究基于50 t/d处理能力的工况，以自主研发的SHJ-400型水葫芦固液分离机和卧式甩刀粉碎机为基础，通过单因素试验研究了粉碎粗细、进料量和挤压脱水停留时间对水葫芦规模化脱水效果的影响，同时获得了脱水残渣与挤压汁液中的干物质、氮磷钾养分分布规律，为水葫芦脱水作业后残渣及汁液的资源化利用提供参考。结果表明，适宜的水葫芦固液分离技术参数，即水葫芦适宜粉碎粗细为20～30 mm、进料量为8 t/h和挤压脱水停留时间为3 min；水葫芦脱水残渣和挤压汁液中的干物质分布比例分别为61.67%～65.48%和34.52%～38.33%，而大部分氮磷钾养分保留于挤压汁液中，水葫芦粉碎和固液分离环节的减容率分别为50.25%和93.70%。此外，以处理能力50 t/d示范工程为试验平台，获得了实际运行工况的脱水作业运行效果参数，即在水葫芦初始含水率95.08%条件下，经固液分离后水葫芦脱水残渣含水率为83.21%，脱水率为78.59%，水葫芦固液分离机处理能力为6.25 t/h，并通过成本测算得到水葫芦固液分离成本为4.40元/t。该研究所获得低成本、高效率的水葫芦规模化处理脱水作业技术方案，为形成水葫芦规模化处理处置工程整体解决方案提供技术支撑。

脱水；优化；成本；水葫芦；技术参数；中试运行

0 引 言

水葫芦()繁殖能力强，易于扩散，取代土著植物群，并在水库、渔业、灌溉和水上方面造成严重影响。因此，水葫芦被列为地球上繁殖能力最高的植物之一，也被认为是世界上最难治理的水生植物之一[1]。通常对水葫芦采用的管理控制策略主要以防治为主，为控制其扩散，各国采取了各种方法，例如物理去除、化学方法(使用除草剂)和释放生物控制剂。过去几十年，世界上许多生态学家都在研究水葫芦控制技术，但这些方法通常费用昂贵[2]。然而，水葫芦具有很好的利用价值。由于水葫芦对污水中养分和重金属具有较好的吸收和去除能力，使得在污水净化处理中被广泛应用[3-7]；水葫芦可以用作生产乙醇和沼气等可再生能源的原料[8-9]；此外，水葫芦还可以用来制作有机肥和动物饲料。因此，如何高效合理地利用水葫芦，实现水葫芦资源的综合利用，变废为宝，成为当前迫切需要解决的问题。

研究表明，栽种并将水葫芦收获使其离开水体，是从污染废水或富营养化湖泊中去除营养物质的一种有效技术途径[10]，水葫芦如果打捞不及时，死亡后的残体腐烂分解过程中将释放大量的氮、磷等物质，导致水体二次污染[11]。水葫芦植株的含水率通常大于95%，由于纤维组织的中空结构，使其体积较大，增加了运输成本和利用难度，这些弊端严重阻碍了水葫芦后续的资源化利用。目前国内外对水葫芦利用的脱水或干燥技术研究较多，Innocent等[12]采用直接烘干方式研究了水葫芦烘干脱水特性，而Solly等[13]将初始含水率为95.8%的水葫芦在25 ℃、相对湿度68%条件下自然晾干处理15 d后，其含水率降低至72%。可见，采用自然晾干与直接烘干等方式，可以有效降低水葫芦水分，且水葫芦中氮、磷等养分损失有限，但因其脱水时间长或成本高均难在实践中大规模应用。与传统的风干、自然晾晒相比，机械脱水不仅占地小、效率高、处理及时，而且产生的水葫芦汁便于收集，不会产生二次污染。王岩等[14]将辊轮式压榨机应用于水葫芦脱水，经3次挤压后水葫芦渣含水率为65%～68%，季文杰等[11]研究机械压滤对水葫芦脱水效果的影响，结果表明水葫芦含水率随压力和时间增加而降低，8 MPa压力条件下水葫芦含水率为66.35%；而Cifuentes等[10]设计了一种螺旋压榨脱水方法，经过试验得出最优限压600 kPa 条件下，水葫芦残渣含水率为84%。然而，以上关于水葫芦脱水方式和效果的研究大多基于实验室规模，难以为水葫芦规模化处理工程提供可靠的脱水技术参数。

笔者在前期工作中针对水葫芦脱水方式、螺旋式固液分离养分损失规律以及不同粉碎度等影响因素[15-18]已开展了相关研究，同时还进行了水葫芦规模化处理过程中的粉碎预处理中试方案比选[19]。上述研究主要基于小试平台对脱水环节进行了效果、处理效率及成本分析，同时也基于中试规模比选了水葫芦粉碎作业环节的技术方案，着重探讨了粉碎作业技术方案对脱水效果的影响及运行成本分析，但对于规模化处理方式下水葫芦脱水环节的技术参数尚缺乏相关研究。因此，本文开展了水葫芦规模化处理工况下脱水作业的技术参数比选研究，并通过物料减容率、脱水前后干物质及养分分布、残渣含水率等脱水效果分析，以期获得低成本、高效率的水葫芦规模化处理脱水作业技术方案，为形成水葫芦规模化处理处置工程整体解决方案提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜水葫芦采自江苏省常州武进水葫芦示范基地，其基本性状见表1。

表1 新鲜水葫芦基本性状（养分以干基计）

1.2 试验设备

1.2.1 水葫芦机械打捞船

采用张家港市海丰水面环保机械有限公司生产的HF226B-PT型水葫芦机械打捞船。船上配备有粉碎设备，即江苏省农业科学院自行研发的漂浮植物高效减容装置[20]。

1.2.2 水葫芦布料设备及传输生产线

采用江苏省农业科学院委托常州市苏风机械厂订制生产的水葫芦粗粉碎料布料装置，以便供给2条传输粉碎生产线均匀喂料作业，其布料原理采用双轴异向螺旋绞龙方式向两侧均匀供料。传输生产线采用不锈钢链条网带，并配合地下嵌入式安装，传送带长度=10 m。

1.2.3 水葫芦二次粉碎机

采用自行研制的水生植物专用粉碎机，即卧式甩刀粉碎机[21]，型号SHJ-400型，处理能力20～30 t/h，电动机功率=7.5 kW。通过调节水葫芦粉碎机的作业转速来获得不同粉碎粗细效果的水葫芦。

1.2.4 固液分离机

试验所用的水葫芦脱水设备采用自主研发的SHJ-400型水葫芦固液分离机，功率=11 kW，螺旋挤压通道有效直径=400 mm，处理量为6～10 t/h，如图1所示。

1.3 试验设计

1.3.1 水葫芦脱水处理各环节及工艺说明

1）水葫芦打捞及水上运输方式：试验采用机械打捞船进行水葫芦打捞，然后将水葫芦粗粉碎物料（粉碎粗细约5～10 cm）装入1 m3尼龙袋并通过运输船运送到岸（通常1艘运输船单趟运送12袋）。

1. 电动机2. 变速箱3. 螺旋挤压装置4. 出液通道5. 过滤筛网6.机架 7. 出料机构8. 进料装置9. 系统控制柜

2）水葫芦转驳方式：采用岸基航吊转驳。

3）水葫芦粉碎方式：水葫芦经打捞船粗粉碎后再经水生植物专用粉碎机[21]进行二次粉碎处理。

4）水葫芦脱水工艺：采用即时粉碎即时脱水方式，即新鲜水葫芦粗粉碎料经二次粉碎处理后被投入调节池，然后加水混合（仅初次加水，后续则采取汁液回用）后经立式潜污泵[22]抽吸入螺旋式固液分离机进行脱水处理，挤压汁液一部分回用至调节池（回用量以调节粉碎水葫芦与水比例为1∶0.6），多余部分则进入挤压汁贮存池，作为后续资源化利用环节的原料。

1.3.2 水葫芦脱水效果及设备性能影响研究

为了获得水葫芦固液分离机最佳的脱水效果，以固液分离机处理能力、脱水残渣含水率和能耗为脱水效果指标，针对水葫芦粉碎粗细程度、进料量和挤压持续时间3个影响因素，分别开展了单因素脱水效果优化研究，每次试验按照处理能力50 t/d计，每批次试验重复3次，记录相关参数并采集水葫芦粉碎前后样品、固液分离残渣及挤压汁样品，进行含水率、悬浮物（mixed liquid suspended solids, MLSS）、化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)、氮磷钾养分等分析。

1.4 测试方法

水葫芦粉碎粗细测定：以10、20、30、40 mm为分界，将粉碎后水葫芦按照长度大小分类称取质量，然后采用各部分质量占总质量的百分比分布来表示粗细程度，试验重复5次，取平均值；电耗：采用单相电子式电能表DDSY879-D测定；残渣质量：用保衡电子秤TCS-100称质量；悬浮物浓度和挤压汁养分分析：参照《水和废水监测分析方法》第三版[23]；残渣养分测定：参照《土壤农化分析》[24]。采用Excel 2003进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 水葫芦固液分离机脱水技术参数优化

水葫芦固液分离机脱水技术参数优化的试验结果见表2。结果表明，当设定试验进料量8 t/h，挤压持续时间3 min，随着水葫芦粉碎粗细程度由10至40 mm逐渐增大，水葫芦固液分离机的处理能力呈先增大后减小趋势，而脱水残渣含水率呈逐渐增加趋势，分析其原因可能是由于较大颗粒的水葫芦粉碎料容易漂浮，难以与水混合均匀，造成吸料泵难以吸入更多有效的水葫芦粉碎物料，从而导致固液分离处理能力下降。而从单位处理能力能耗角度分析发现，粉碎环节能耗随着水葫芦粉碎物料粗细程度的增加而逐渐降低，固液分离环节能耗则呈现先降低后增加趋势。综合考虑处理能力、脱水残渣含水率以及单位处理能力能耗等指标，得出水葫芦适宜的粉碎粗细程度为20～30 mm。

表2 水葫芦固液分离机脱水工艺技术参数优化

注：相同因素下同列数据不同小写字母表示差异显著（<0.05），不同大写字母表示差异极显著（<0.01）,=3

Note: There was significant difference between different lowercase letters in the same column data under the same factors (< 0.05), and significant differences in different capital letters (< 0.01),=3.

在水葫芦进料量对比试验中，设定水葫芦粉碎粗细为20～30 mm, 挤压持续时间3 min，结果表明，随着单位时间水葫芦进料量增加，固液分离机的处理能力先逐渐增加后降低，水葫芦脱水残渣含水率呈逐渐增加趋势，单位处理能力能耗在粉碎环节不变的条件下，固液分离环节能耗呈先降低后增加趋势。综合考虑处理能力、脱水残渣含水率以及单位处理能力能耗等指标，得出水葫芦适宜的进料量为8 t/h。

在水葫芦挤压持续时间对比试验中，设定试验进料量8 t/h, 水葫芦粉碎粗细为20～30 mm，结果表明，水葫芦处理能力呈先增加后逐渐降低趋势，水葫芦脱水残渣含水率则呈逐渐减低趋势，单位处理能力能耗在粉碎环节基本不变的条件下，固液分离环节能耗呈先降低后增加趋势。综合考虑处理能力、脱水残渣含水率以及单位处理能力能耗等指标，得出水葫芦适宜的挤压停留时间为3 min。

2.2 水葫芦固液分离过程中的干物质及养分分布

为了考察水葫芦专用固液分离机规模化工程应用中的分离效果，在2.1中所优化出的参数指标中优选水葫芦粉碎粗细程度为20～30 mm，进料量为8 t/h，挤压停留时间为3 min，试验的水葫芦量为50 t，试验重复3个批次。表3和表4分别为固液分离过程中干物质和养分在脱水残渣和挤压汁液中的分布情况。

如表3所示，在本次试验中，所用水葫芦粉碎渣含水率为95.94%，高于前述脱水技术参数比选试验所用水葫芦的含水率，导致水葫芦脱水残渣的含水率在82.67%～85.23%之间波动，水葫芦挤压汁混合液悬浮固形物含量在8.76～9.12 g/L之间波动；从干物质分布角度分析，其中61.67%～65.48%的干物质分布于水葫芦脱水残渣中，而34.52%～38.33%的干物质分布于挤压汁中。从表4中氮磷钾养分分布来看，氮、磷、钾在脱水残渣中的分布比例分别为26.74%～37.83%、24.62%～26.27%和11.40%～15.94%，而大部分的氮磷钾养分均分布于挤压汁液中。此外，脱水残渣的氮磷钾随着脱水残渣含水率的降低而降低，可能由于随着固液分离过程挤压程度增加和脱水效果的提升，使得水葫芦组织细胞破裂比例增加，导致更多的胞内氮磷钾养分被释放并转移至挤压汁中，这一结果与笔者之前的研究相一致[22-23]。

表3 水葫芦固液分离过程中的干物质分布

2.3 水葫芦粉碎和固液分离环节减容率分析

试验中对水葫芦粉碎和固液分离环节的减容率进行了研究，设定试验进料量8 t/h，水葫芦粉碎粗细为20～30 mm, 挤压持续时间3 min，在此工况下，水葫芦粉碎和固液分离环节的减容率分别为50.25%和93.70%。举例如下：水葫芦的高度为100～120 cm，体积为5 m3/t，粉碎后的体积约为2.48 m3，脱水后的体积仅为0.3 m3。可见，开展水葫芦粉碎和固液分离环节的规模化处理技术为后续资源化利用提供了便利，大大节省了运输和堆放场地等成本。

2.4 水葫芦规模化处理工况下脱水作业效果分析

为了考察水葫芦固液分离设备的规模化运行可靠性及实际运行效果，本研究基于50 t/d处理能力条件下模拟试验所优化的脱水作业运行效果参数，并进行了成本测算。结果表明，经固液分离后水葫芦脱水残渣含水率为83.21%，脱水率为78.59%（即水葫芦脱水过程中被挤压并进入挤压汁液中的水葫芦水分与水葫芦原料所含有水分之间的比值），水葫芦专用固液分离机处理能力为6.25 t/h，水葫芦固液分离的成本为4.4元/t（表5），这一结果可为水葫芦规模化处理处置工程设计提供数据支撑。

利用水葫芦提取富营养化水体中氮磷等养分资源，并运用实用的规模化处理处置技术，最终实现氮磷养分资源高值化利用，既减轻水体污染，又起到了变废为宝的目的。有关水葫芦修复污染水体效果与机理方面的研究已取得众多成果，但有关水葫芦生态修复污染水体工程化技术，特别是规模化安全种养技术、机械化打捞技术、工厂化加工处置技术和资源化利用技术方面的研究较为缺乏。因此，今后的研究应着重围绕以下几个方面：从技术研究层面上，后续还将围绕水葫芦脱水作业规模化运行的相关技术参数开展组合优化研究，从政策层面上，一是建议政府部门加大对富营养化水体的治理力度，推广运用水葫芦修复水体及资源化利用技术，二是建议完善生态补偿政策，尽快建立生态补偿机制，吸引社会资本参与污染水体治理工作。

表4 固液分离过程中的养分分布

表5 水葫芦规模化处理工况下脱水作业效果分析

注：固液分离机处理能力按照1 d处理50 t水葫芦需要运行8 h进行计算得出；固液分离环节处理成本计算方法：整套设备（粉碎+脱水）总能耗约为100 kW·h，折合120元（以工业用电1.2元/kW·h计）；每天运行需人工1人，折合100元（以用工成本100元/d计），即日处理50 t水葫芦的固液分离成本为4.40元。

Note：The treatment capacity of the solid-liquid separator is calculated according to the operation time of 50 tons of water hyacinth in one day, and the calculation method of the treatment cost of the solid-liquid separation link is as follows: the total energy consumption of the whole equipment (crushing and dehydration) is about 100 kW ·h, equivalent to 120 yuan (measured by industrial electricity consumption of 1.2 yuan / kW ·h). It takes 1 person to run every day, equivalent to 100 yuan (based on the labor cost of 100 yuan / d), that is, the solid-liquid separation cost of 50 tons of water hyacinth per day is 4.40 yuan.

3 结 论

1）通过水葫芦固液分离效果单因素优化研究，获得了较适宜的固液分离技术参数，即水葫芦粉碎粗细程度为20～30 mm，进料量为8 t/h，挤压停留时间为3 min。

2）获得了基于50 t/d处理能力工况下的水葫芦脱水干物质和养分分布规律，水葫芦脱水残渣和挤压汁液中的干物质分布比例分别为61.67%～65.48%和34.52%～38.33%，而氮磷钾养分在脱水残渣中的分布比例分别为26.74%～37.83%、24.62%～26.27%和11.40%～15.94%，大部分养分保留于挤压汁液中。此外，水葫芦粉碎和固液分离环节的减容率分别为50.25%和93.70%。

3）以处理能力50 t/d 示范工程为试验平台，获得了实际运行工况的脱水作业运行效果参数, 水葫芦脱水残渣含水率为83.21%，脱水率为78.59%，水葫芦固液分离机处理能力为6.25 t/h，并通过成本测算得到水葫芦固液分离成本为4.40元/t，这些参数为水葫芦规模化处理处置工程设计提供了数据支撑。

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Dehydration parameters optimization of water hyacinth solid-liquid separator and pilot operation effect

Du Jing, Xi Yonglan, Jin Hongmei, Qian Yuting, Chang Zhizhou, Ye Xiaomei※

(210014,)

Water hyacinth is one of the most fertile plants in the world and is considered to be one of the most difficult aquatic plants to control because of its strong reproductive ability and easy diffusion. As the moisture content of water hyacinth plant is up to 95%, the dewatering of water hyacinth becomes the key technical link to realize its subsequent resource and harmless utilization, and the degree of dehydration becomes the bottleneck restricting its subsequent treatment. In the previous work, the influence factors such as dehydration mode of water hyacinth, nutrient loss rule of spiral solid-liquid separation and different degree of comminution are studied. At the same time, the pilot-scale pretreatment scheme of water hyacinth in large-scale treatment is compared, but research on the technical parameters of water hyacinth dehydration in large-scale treatment is limited. In order to obtain the technical parameters of large-scale treatment and disposal of water hyacinth with low cost and high efficiency, this study was based on the working condition of 50 t/d processing ability, based on the SHJ- 400 water hyacinth solid-liquid separator and horizontal cutter shaker developed independently. The effects of crushing size, feed amount and extrusion dewatering residence time on the large-scale dehydration effect of water hyacinth were studied by single factor test, and the distribution of dry matter, nitrogen, phosphorus and potassium nutrients in dewatering residue and extruded juice were obtained at the same time. The results showed that the suitable solid-liquid separation technical parameters of water hyacinth were obtained, that was, the suitable comminution diameter of water hyacinth was 20 - 30 mm, the feed quantity was 8 t / h, and the retention time of extrusion and dehydration was 3 min. The percentage of dry matter in dewatered residue and extruded juice of hyacinth was 61.67% - 65.48% and 34.52%-38.33%, respectively, while most nitrogen, phosphorus and potassium nutrients remained in extruded juice. The capacity reduction rates of water hyacinth crushing and solid-liquid separation were 50.25% and 93.70%, respectively. In addition, taking the treatment capacity 50 t/d demonstration project as the test platform, the operating effect parameters of the dehydration operation under the actual operation condition were obtained, that was, under the condition of the initial moisture content of the water hyacinth 95.08%, after solid-liquid separation, the moisture content of dewatered residue of water hyacinth was 83.21%, the dewatering rate was 78.59%, and the treatment capacity of water hyacinth solid-liquid separator was 6.25 t / h. The cost of solid-liquid separation of water hyacinth was 4.40 yuan/t. We obtained low cost and high efficiency water hyacinth large-scale treatment dewatering operation technical scheme, and provided the technical support for forming the whole solution of the water hyacinth large-scale treatment and disposal project.

dehydration; optimization; cost; water hyacinth; technical parameter; pilot run

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.024

X705

A

1002-6819(2019)-13-0204-06

2018-12-08

2019-04-22

国家重点研发计划项目（2017YFD0800802-02）; 江苏省农业自主创新项目（CX(18)3060）

杜 静，男（汉族），四川眉山人，副研究员，主要从事农业废弃物资源循环利用技术研究。Email：dj1982111@126.com

叶小梅，女（汉族），福建长汀人，研究员，主要从事农业废弃物资源化及循环利用模式研究。Email：yexiaomei610@126.com

杜静，奚永兰，靳红梅，钱玉婷，常志州，叶小梅.水葫芦固液分脱水离机参数优化及中试运行效果[J]. 农业工程学报，2019，35(13)：204－209. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.024 http://www.tcsae.org

Du Jing, Xi Yonglan, Jin Hongmei, Qian Yuting, Chang Zhizhou, Ye Xiaomei.Dehydration parameters optimization of water hyacinth solid-liquid separator and pilot operation effect[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 204-209. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.024 http://www.tcsae.org