一种河道淤泥控污调理装置及方法与流程

本发明涉及一种淤泥控污装置及方法，特别涉及一种河道淤泥控污调理装置及方法，属于环保工程技术领域。

背景技术：

据《2018年中国生态环境状况公报》，全国地表水监测的1935个水质断面(点位)中，ⅰ～ⅲ类比例为71.0％，比2017年上升3.1％，劣ⅴ类比例为6.7％，比2017年下降1.6％。因此，水环境污染治理作为环境污染治理的重要内容之一，在肯定前期治理成效的基础上，整体水环境问题依然严峻，河湖水环境的污染治理仍刻不容缓。

河道水环境污染治理除了严控外部污染排入外，还应清除河道的内源污染，清淤便是河道污染治理的最常用工程措施之一。河道淤泥是水体大量外源性污染物未经降解而长期直接沉积的结果，其中的污染物经过一系列物理生化作用后逐渐沉积，使河道淤泥变成营养物、持久有机物及重金属等污染物的聚集库。当河道水体外源污染被切断后，淤泥中积累的大量污染物会重新释放到水中体，成为河道污染的内源。

我国主要通过环保清淤技术治理河道内源污染，取得了较显著的社会和环境效益，但同时也存在一些问题，其中清淤底泥的脱水干化处理是环保清淤中的一大难题。在脱水干化处理前对河道淤泥进行快速有效的控污调理改善其污染程度和脱水性能有利于提高淤泥的后续处理效率。

目前主要的淤泥调理方法有化学法、物理法、生物法及联合法。其中化学法和物理法应用较为广泛。化学法使用的调理药剂主要为有机高分子絮凝剂、无机絮凝机(铝盐和铁盐)以及部分表面活性剂，但絮凝剂本身成本较高，且化学药剂调理本身成本较高，且化学药剂调理投加量较大，易使淤泥脱水性能急剧降低，同时产生二次污染；物理法是指通过外加能量或应力改变污泥性能的方法，当前应用较为广泛的物理法有微波加热和超声波调理。超声波用于淤泥控污调理是利用超声波的空化效应改变水中液态和固态物质的特性，同时产生的热作用和海绵作用等能加快固液分离速度，从而提高淤泥的脱水效果，但是采用超声波技术调整淤泥的能耗较大；联合法是用两种及两种以上技术组合调理，与单独的化学法和物理法相比，联合法能减少絮凝剂用量，另一方面可降低物理调理中的能耗。

在生化污泥脱水与减量化研究领域，利用超声波对污泥脱水有较多的研究报道，其在水中超声的空化作用能破解污泥絮体，甚至是菌胶团和细胞体，可使污泥中的结合水转化为易于用机械方式脱除的自由水，并以其稳定、清洁、安全等性能备受关注，但在河道淤泥污控、脱水和减量化研究领域中却鲜有报道。公开号为cn102120682a的专利提供了一种在污泥管道输送过程中先加入絮凝剂再进行超声波处理最后用土工管袋脱水的方法，具有处理量大、成本低的效果，但是此方法中超声波处理将会破解之前投加絮凝剂形成的重质淤泥絮体，没有考虑河道淤泥调理过程中释放溶出的重金属离子等污染，降低了调理效果。公开号为cn1016189336a的专利提供了一种超声结合聚合硫酸铝絮凝剂促使污泥脱水的方法，达到了较好的脱水效果，但是此方法未针对河道淤泥性质，而且间歇操作不利于大量河道淤泥的连续调理处理。

因此，如何既能实现高效泥水分离，同时又能对河道淤泥脱水中的污染物进行控制，这也是本领域技术人员解决淤泥高效脱水和控制二次污染所面临的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实现高效泥水分离的河道淤泥控污调理装置，解决背景技术中所述的问题。

本发明的另一目的在于提供一种实现高效泥水分离的河道淤泥控污调理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种河道淤泥控污调理装置，包括具有内腔的外壳体和套设于外壳体内腔的超声调理器，所述外壳体和超声调理器之间的内腔设有沿外壳体轴向设置的分区隔板，超声调理器和分区隔板将外壳体内腔由内向外依次划分为超声调理区、药剂调理区和泥水分离区，所述超声调理器包括内壳体和超声波换能器，内壳体沿外壳体轴向设置，内壳体环绕超声调理区，内壳体顶部设有溢流口，内壳体上部设有进料管，内壳体底部设有底流口，底流口与外壳体内腔腔底之间形成淤泥浓缩区，超声波换能器设于内壳体壳壁内，超声波换能器的输出端朝向超声调理区。

作为优选，所述外壳体底端设有淤泥出料口，外壳体上部侧壁设有出水口，外壳体顶端设有排气口，所述泥水分离区顶部设有泥位计和排气阀。

作为优选，所述内壳体包括上段壳体、中段壳体和下段壳体，上段壳体和下段壳体为端部开口的圆锥体，中段壳体为圆筒体，超声波换能器呈环形均匀布置于中段壳体壳壁和下段壳体壳壁内。

作为优选，所述上段壳体壳壁与水平面夹角为30°～45°，下段壳体壳壁与水平面夹角为60°～80°。

作为优选，所述内壳体溢流口处设有朝向超声调理区的溢流短管，所述溢流短管直径与溢流短管在内壳体内的插入深度之比为0.65～0.75，所述内壳体高度与溢流短管在内壳体内的插入深度之比为3.5～4.0，所述底流口直径与溢流短管直径之比为1.1～1.2。

作为优选，所述进料管呈切向连接内壳体壳壁并连通超声调理区，所述内壳体顶部设有聚合氯化铝环形加药管和聚丙烯酰胺环形加药管，所述内壳体底部外侧设有重金属离子螯合剂环形加药管。

作为优选，所述药剂调理区和泥水分离区底部设有均匀布置的若干环形导流斜板，所述环形导流斜板朝向淤泥浓缩区。

作为优选，所述环形导流斜板与水平面夹角为50°～70°。

一种采用所述河道淤泥控污调理装置进行河道淤泥控污调理的方法，该方法具体步骤为：

(1)将初步筛选过滤后的待调理河道淤泥在0.2～0.3mpa的操作压力下，以8.0～12.0m/s的入口流速通过进料管泵入超声调理区，启动超声波换能器进行超声调理，淤泥在超声波空化和机械作用下破解为淤泥絮体，淤泥中的内部结合水和毛细结合水转化为自由水，同时氧化降解释放出的部分有机物，脱附出附着在淤泥颗粒表面的部分重金属离子和氮磷元素，超声调理区内的较大颗粒淤泥在旋流场作用下被抛向内壳体内壁并沿内壁向下运动，挤压聚集后从底流口排出为重质淤泥进入淤泥浓缩区，超声调理区内的较小颗粒淤泥沿径向移至内壳体内腔中央并向上运动，从溢流口排出为轻质淤泥进入药剂调理区；

(2)向药剂调理区顶部投加聚合氯化铝和聚丙烯酰胺，轻质淤泥经溢流口进入药剂调理区后扩流降速向下运动，先后与聚合氯化铝和聚丙烯酰胺混合絮凝，形成较大颗粒的重质淤泥，沉降后进入淤泥浓缩区；

(3)向药剂调理区底部投机重金属离子螯合剂，固定淤泥浊液中的重金属离子；

(4)淤泥浊液进入泥水分离区进行泥水分离，出水从泥水分离区上部排出装置，淤泥从淤泥浓缩区底部排出装置。

作为优选，所述步骤(1)中，超声波换能器的频率为20～60khz，超声波换能器的功率为0.02～3kw，超声波换能器的声能密度为0.15～0.5w/ml，超声波换能器的作用时间为0.2～2.0min，所述步骤(2)中，聚合氯化铝的投加量为1～2g/l，聚丙烯酰胺的投加量为20～30mg/l。

本发明的有益效果是：

本发明的一种河道淤泥控污调理装置及方法，与现有技术相比，具有以下优点，

(1)本发明利用超声波调理器旋流场作用分离不同范围粒径的淤泥颗粒，较大颗粒淤泥在旋流场作用下沿内壁聚集向下运动，较小颗粒淤泥向心移到中央并向上运动，实现淤泥含水率和粒径差异化预分离；

(2)本发明利用超声波空化和机械作用，破解河道淤泥中絮体和胶体，使其内部结合水和毛细结合水转化为自由水，同时超声波能量使淤泥黏性降低，脱水性能增加；

(3)本发明利用超声波空化效应能破解河道淤泥中的微生物、天然絮体和胶体，释放淤泥中有机污染物、氨氮、磷酸根子和重金属离子，通过投加药剂，去除水中溶出离子和污染物，达到为后续脱水过程控制二次污染目的；

(4)本发明利用旋流场特性可保证淤泥在超声调理腔内处于旋流状态，替代了机械搅拌功能，同时淤泥在调理腔内水平方向上的速度、压力和固体体积分布特性与超声波声强和驻波特性耦合，无需外部改变声强即可实现不同位置声强变化，在相同调理效果下可节省能量30～40％；

(5)本发明利用超声波耦合药剂调理河道淤泥可明显改善淤泥脱水性能，将较难脱水的河道淤泥(污泥比阻值为1.00×10⁹～1.00×10¹⁰s²/g)转变为较易脱水(污泥比阻值为0.50×10⁹～1.00×10⁹s²/g)和容易脱水的淤泥(污泥比阻值小于0.40×10⁹s²/g)，便于淤泥后续进一步脱水干化处理，

(6)本发明利用超声波耦合药剂调理可将固态淤泥中附带的重金属离子、磷酸根离子等部分污染物质重新释放进入液态水中，与投加药剂结合后生成固态物质析出，既能降低出水的污染程度，又能避免污染物质在淤泥脱水滤出液的溶出，起到了控污作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是图1中a-a截面剖视结构示意图；

图3是本发明超声调理器的结构示意图。

图中：10、进料口，11、进料管，13、溢流短管，14、溢流口，15、底流口，17、淤泥出料口，16、出水口，18、排气口，20、聚合氯化铝加药口，21、聚丙烯酰胺加药口，22、重金属离子螯合剂加药口，23、聚合氯化铝环形加药管，24、聚丙烯酰胺环形加药管，25、重金属离子螯合剂环形加药管，26、锥形导流板，27、环形导流斜板，30、外壳体，31、支架，32、分区隔板，40、超声调理器，42、内壳体，43、超声波换能器，110、泥位计，111、排气阀，112、控制箱，421、上段壳体，422、中段壳体，423、下段壳体，α、上段壳体壳壁与水平面夹角，β、下段壳体壳壁与水平面夹角，γ、环形导流斜板与水平面夹角，a、超声调理区，b、药剂调理区，c、泥水分离区，d、淤泥浓缩区，d1、溢流短管直径，d2、底流口直径，l、溢流短管在内壳体内的插入深度，h、内壳体高度。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。下述实施例中的部件或设备如无特别说明，均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

实施例：

如图1和图2所示的一种河道淤泥控污调理装置，包括具有内腔的外壳体30和套设于外壳体内腔的超声调理器40，外壳体底部设有起支撑作用的支架31，外壳体和超声调理器之间的内腔设有沿外壳体轴向设置的分区隔板32，超声调理器和分区隔板将外壳体内腔由内向外依次划分为超声调理区a、药剂调理区b和泥水分离区c，超声调理器包括内壳体42和超声波换能器43，内壳体沿外壳体轴向设置，内壳体环绕超声调理区，内壳体顶部设有溢流口14，内壳体上部设有进料管11，进料管伸出外壳体外的端部为进料口10。内壳体底部设有底流口15，底流口与外壳体内腔腔底之间形成淤泥浓缩区d，超声调理区通过溢流口与药剂调理区连通，超声调理区通过底流口与淤泥浓缩区连通。超声波换能器设于内壳体壳壁内，按等间距沿环形布置，间距为10～15cm，超声波换能器的输出端朝向超声调理区。

外壳体底端设有淤泥出料口17，外壳体上部侧壁设有出水口16，外壳体顶端设有排气口18，泥水分离区顶部设有泥位计110和排气阀111。

如图3所示，内壳体包括上段壳体421、中段壳体422和下段壳体423，上段壳体和下段壳体为端部开口的圆锥体，中段壳体为圆筒体，超声波换能器呈环形均匀布置于中段壳体壳壁和下段壳体壳壁内。上段壳体壳壁与水平面夹角α为30°～45°，本实施例中选择为30°，下段壳体壳壁与水平面夹角β为60°～80°，本实施例中选择为80°。

内壳体溢流口处设有朝向超声调理区的溢流短管13，溢流短管为薄壁直圆管结构，溢流短管底部端口位置低于进料管进料口位置。溢流短管直径d1与溢流短管在内壳体内的插入深度l之比d1/l为0.65～0.75，本实施例中选择为0.70，内壳体高度h与溢流短管在内壳体内的插入深度l之比h/l为3.5～4.0，本实施例中选择为4.0，底流口直径d2与溢流短管直径d1之比d2/d1为1.1～1.2，本实施例中选择为1.2。

进料管呈切向连接内壳体壳壁并连通超声调理区，内壳体顶部设有聚合氯化铝环形加药管23和聚丙烯酰胺环形加药管24，内壳体底部外侧设有重金属离子螯合剂环形加药管25。聚合氯化铝环形加药管和聚丙烯酰胺环形加药管分别与溢流短管同心水平架设在上段壳体表面，上段壳体表面形成锥形导流板26。聚合氯化铝环形加药管通过一段水平加药管伸出外壳体外，端部设有聚合氯化铝加药口20，聚丙烯酰胺环形加药管通过一段水平加药管伸出外壳体外，端部设有聚丙烯酰胺加药口21。重金属离子螯合剂环形加药管与底流口同心水平架设在下述环形导流斜板底端。重金属离子螯合剂环形加药管通过一段竖向加药管伸出外壳体外，端部设有重金属离子螯合剂加药口22。上述所有环形加药管的横断面下半圆周上对称开孔，沿断面环形等间距布置孔位，间距10～15cm，孔隙直径4～6mm。

药剂调理区和泥水分离区底部设有均匀布置的若干环形导流斜板27，环形导流斜板朝向淤泥浓缩区，环形导流斜板与水平面夹角γ为50°～70°。

该河道淤泥控污调理装置还设有控制箱112，用于控制进料泵、加药泵、超声波发生器的启停与调节。

一种采用所述河道淤泥控污调理装置进行河道淤泥控污调理的方法，该方法具体步骤为：

(1)将初步筛选过滤后的待调理河道淤泥在0.2～0.3mpa的操作压力下，以8.0～12.0m/s的入口流速通过进料管泵入超声调理区，启动超声波换能器进行超声调理，淤泥在超声波空化和机械作用下破解为淤泥絮体，淤泥中的内部结合水和毛细结合水转化为自由水，同时氧化降解释放出的部分有机物，脱附出附着在淤泥颗粒表面的部分重金属离子和氮磷元素，超声调理区内的较大颗粒淤泥在旋流场作用下被抛向内壳体内壁并沿内壁向下运动，挤压聚集后从底流口排出为重质淤泥进入淤泥浓缩区，超声调理区内的较小颗粒淤泥沿径向移至内壳体内腔中央并向上运动，从溢流口排出为轻质淤泥进入药剂调理区；

(2)向药剂调理区顶部投加聚合氯化铝和聚丙烯酰胺，轻质淤泥经溢流口进入药剂调理区后扩流降速向下运动，先后与聚合氯化铝和聚丙烯酰胺混合絮凝，形成较大颗粒的重质淤泥，沉降后进入淤泥浓缩区；

(3)向药剂调理区底部投机重金属离子螯合剂，固定淤泥浊液中的重金属离子；

(4)淤泥浊液进入泥水分离区进行泥水分离，出水从泥水分离区上部排出装置，淤泥从淤泥浓缩区底部排出装置。

步骤(1)中，超声波换能器的频率为20～60khz，超声波换能器的功率为0.02～3kw，超声波换能器的声能密度为0.15～0.5w/ml，超声波换能器的作用时间为0.2～2.0min，所述步骤(2)中，聚合氯化铝的投加量为1～2g/l，聚丙烯酰胺的投加量为20～30mg/l。重金属离子螯合剂为二异丙基二硫代磷酸钾，投加量为2％。

本实施例对于河道淤泥进行控污调理后的效果如表1所示。

表1河道淤泥控污调理效果

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。