工业水力旋流器预处理疏浚含泥海水模拟试验研究

翟自芹，赵 琢，王 华，张 园，杨 磊，左玥华，李秀苹，王晨光，刘 伟，柳 明，张令品，张 乾

(1.天津海关工业产品安全技术中心，天津 300308；2.自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

1 前言

海上疏浚是一项复杂的海洋作业工程，在港口建设、航道清淤、海上油气管线敷设、船厂建设、海上机场建设、跨海大桥建设等方面必不可少。中国年疏浚量已超10亿m3，是少数几个掌握疏浚前沿技术、能够自主开展大规模吹填造陆和航道疏浚工程的国家之一，装备规模、资金优势、产能收入等更成为了世界第一疏浚大国。

疏浚工程船舶需要长期在海上作业，对淡水需求量很大，因占空间原因导致船舶上无法携带大型储水设备，并且淡水储存量受船舶规模的限制，储存量少影响航行时间，储存太多又时间太长，容易滋生细菌，并不能很好地解决在轮船上的饮水问题。因此，海水淡化设备成为了疏浚船舶上的必备装置。疏浚船舶在施工过程中不可避免地引起悬浮物，并在潮流等动力因素作用下发生扩散，导致周围海水泥沙含量显著增大，对海洋环境质量造成一定影响[1]。现在常用船舶上安装的海水淡化装置均采用常规预处理工艺，设备稳定性和耐用性较差，备件更换频繁，在疏浚船舶上的适用性存在较大问题[2]。

水力旋流器是一种在矿业生产领域应用的分离设备，利用旋转离心力的作用，分离相互不掺和、难于溶解的液固混合物的机械分离设备，在冶金、建材、煤炭、化工等工业领域也有较为广泛的应用[3]。探索将此设备应用于疏浚含泥海水预处理方面，考察其分离性能能否满足后续淡化工艺的使用要求具有一定意义。

2 试验装置及流程

试验流程示意如图1所示，系统主要由水箱、水泵、阀门、压力表和水力旋流器组成。模拟配置的含泥海水在水箱内进行充分混合之后，通过水泵进入旋流器内，可通过阀门进行流量调节。旋流器处理完的清液经溢流口返回水箱进行循环测试，清液可以从出口处进行取样。旋流器底流口设有排污阀，可定时进行取样测量。水箱内的水采用机械搅拌，防止固体在水箱里沉降以保证其混合的均匀性。

水力旋流原理如图2。污液由浊液进口进入旋流器浊液腔，然后通过切线入口进入旋流子内，形成高速旋转。浊液在旋流子内实现固液分离。每个旋流子的底流净水汇集到净水腔从净水出口流出，浓液由排污口进行排出，该过滤器可分离5 μm～100 μm的颗粒，工作压力0.6 MPa～2.5 MPa。

其它实验设备及仪器包括变频高压自吸泵、储罐、分析天平、吸滤瓶、配套吸滤漏斗、混合滤膜(0.45 μm)、镊子、烧杯、真空泵。

3 试验材料及方法

3.1 试验材料

实验中所用实验材料主要采用高岭土。我国的河口与海岸多属于淤泥质类型，高岭土是一种常见的粘土矿物，是河口泥沙的主要成分之一，因此实验采用高岭土来模拟真实的海水中泥沙。

为探究旋流器对泥浆的分离效果和不同粒径的分级性能，实验采用不同固相比例下的分离效果，分别配备固含量为500 mg/kg、1 000 mg/kg、2 000 mg/kg的泥浆混合液。采用的高岭土平均粒径分别为40 μm、30 μm以及40 μm和30 μm 1 ∶1的配比，还开展了加入絮凝剂和未加絮凝剂的实验对比。

3.2 试验方法

(1)准备工作。将旋流器及相关设备用清水清洗干净，然后将仪表、阀门和管线连接好，待用。

(2)溶液的配置。按照上述粒度要求购买高岭土，然后分别称取一定量高岭土，加入水中，配置成1 g/L或2 g/L的高岭土溶液，搅拌均匀，待用。

(3)分离实验。打开旋流器入口阀门，通过调节变频器缓慢启动供液泵，调整旋流器入口压力，待稳定一段时间后，缓慢打开底排口阀门，观察底排口溶液情况，然后取一定量的入口溶液、上清液出口溶液和底排口溶液，先通过沉淀来初步估看分离效果，最终通过测量各溶液中的固含量来确认分离效果。

4 试验结果与讨论

4.1 截留率分析

采用微滤膜过滤的方法对含泥水进行固含量测定，选用的微滤膜过滤精度为0.45 μm，过滤后将滤纸烘干称重，计算溶液中悬浮固体含量，结果如表1与表2。固体颗粒由40 μm变为30 μm，即粒径由大变小后，去除率明显下降，说明处理粒径的大小直接影响截留率。在此分析基础上，考察添加絮凝剂的效果，发现絮凝剂的添加对截留率的提高并无明显效果，说明其未引起颗粒粒径的变化。

表1 单粒径固含量测定

表2 混合粒径固含量测定(各50%)

4.2 截留粒径分析

对实验中原料液与清液中的固体颗粒进行粒径分析，如图3所示。

30 μm的原液与清液对比显示，在相对较低的去除率(76.13%)下，清液中剩余颗粒粒径明显小于原液颗粒粒径，且小粒径占比明显升高，说明对主粒径的截留效果较好，但对次主粒径和更小颗粒的截留效果一般。相对于30 μm但粒径测试，40 μm+30 μm的混合粒径测试结果，除了去除率显著提高以外，对于大粒径颗粒的截留效果对比也更加明显，清液中占比高的粒径已降低至10 μm左右，大颗粒的裹挟吸附对小颗粒的去除也起到了明显的促进作用。

5 结论

水力旋流器对于海上疏浚船作业海域高含泥沙量的海水预处理模拟试验结果表明，其对粒径大于30 μm的颗粒去除率可达76%以上，对粒径大于40 μm的颗粒去除率可达83%以上，混合粒径更有利于小粒径颗粒去除率的提高。以后需要在提高去除率方面开展更为深入与广泛的研究。