污泥管道輸送沿程阻力影響因素

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污泥管道輸送沿程阻力影響因素

第45卷第6期

2013年6月

哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)

JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY

Vol.45No.6

June．2013

污泥管道輸送沿程阻力影響因素分析

陸

1，2

海，尹

1112

軍，袁一星，王建輝，林英姿，吳

磊

（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱；2．吉林建筑大學(xué)松遼流域水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

130118長(zhǎng)春）

摘要：為識(shí)別污泥管道輸送過程中沿程阻力的變化及影響因素，以長(zhǎng)春市某污水處理廠濃縮后儲(chǔ)泥池污泥為對(duì)象，考

察污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、減阻劑用量、平均流速等因素對(duì)污泥管道輸送過程沿程阻力的影響效應(yīng)，并進(jìn)行機(jī)理分析．結(jié)果3.94%，5.39%時(shí)，表明：污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)沿程阻力影響顯著，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.38%，沿程阻力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，輸送過程中控制污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.38%可達(dá)最佳輸送效果；溫度對(duì)沿程阻力有顯著影響，適當(dāng)升溫或采取保溫措施有利于減小沿程阻力；減阻劑用量對(duì)沿程阻力影響顯著，用量過低減阻效果不明顯，用量過高會(huì)降低減阻效果，實(shí)際使用中需測(cè)算減阻劑最佳用量，污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.94%時(shí)的減阻劑最佳用量為0.588%；污泥管道輸送應(yīng)在平均流速略高于3.94%，5.39%的3種污泥的輸送平均流速分別為1.35～1.45，1.20～不淤流速的紊流條件下進(jìn)行，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.38%，1.30及1.10～1.20m/s．

關(guān)鍵詞：污泥；管道輸送；沿程阻力；影響因素；減阻中圖分類號(hào)：TU990.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0367－6234（2013）06－0029－04

Influencingf大學(xué)網(wǎng)actorsofon-wayresistanceinsludgetransportationpipelines

LUHai1，2，YINJun1，YUANYixing1，WANGJianhui1，LINYingzi2，WULei1

（1．SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，HarbinInstituteofTechnology，150090Harbin，China；2．KeyLaboratoryof

SongliaoAquaticEnvironment，MinistryofEducation，JilinJianzhuUniversity，130118Changchun，China）

Abstract：Tounderstandthechangesandinfluencingfactorsofon-wayresistanceinsludgetransportationpipelines，theinfluenceeffectsofsludgeconcentration，temperature，dragreductionagentdosageandmeanvelocityonon-wayresistancewereinvestigatedandthemechanismswereanalyzedusingthesludgeconcentratedinstoragebasininawastewatertreatmentplantinChangchunCityasobject．Theresultsshowedthatthesludgeconcentrationsignificantlyaffectedtheon-wayresistance，andwhentheconcentrationswere2.38%，3.94%and5.39%，theresistanceincreasedastheconcentrationincreased，therefore，toachievethebestconveyingeffect，thesludgeconcentrationshouldbecontrolledlessthan2.38%duringtransportationprocess．Temperaturehassignificanteffectontheon-wayresistance，therefore，appropriateheatingorinsulationmeasureswillbebeneficialtothereducingofresistance；Dragreductionagentdosagesignificantlyaffectstheon-wayresistance．Thedragreductioneffectwillbothbereducedwhenthedragreductionagentdosageistoolowortoohigh，therefore，thedragreductionagentoptimumdosageshouldbecalculatedintheactualuse，andthebestdosagefor3.94%concentrationsludgeis0.588%；Themeantransportationvelocityofsludgeshouldbeslightlyhigherthanthenon-depositionvelocitiesunderturbulentconditionswhicharedeterminedtobe1.35－1.45m/s，1.20－1.30m/sand1.10－1.20m/sfor2.38%，3.94%and5.39%concentrationsludgerespectively．Keywords：sludge；pipelinetransportation；on-wayresistance；influencingfactors；dragreduction

收稿日期：2012－06－12．

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50978118）．作者簡(jiǎn)介：陸海（1981—），男，講師，博士研究生；

尹軍（1954—），男，教授，博士生導(dǎo)師；袁一星（1957—），男，教授，博士生導(dǎo)師．

通信作者：尹軍，hitjunyin@163．com．

活性污泥法因其高效、低耗等優(yōu)點(diǎn)而成為城市污水處理最主要的方法，但隨之產(chǎn)生的大量剩余污泥是污水處理廠面臨的一大難題

［1］

．這些污

水處理過程的副產(chǎn)物降低了污水處理系統(tǒng)的有效

處理能力，若未經(jīng)恰當(dāng)處置進(jìn)入環(huán)境后，將直接污

水體和大氣生態(tài)系統(tǒng)，并對(duì)人類活動(dòng)造成染土壤、

［2］

嚴(yán)重威脅．一般而言，剩余污泥需經(jīng)過濃縮、消化、脫水后進(jìn)行最終處置．但對(duì)中小型污水處理

粒粒徑為3.3μ

m．

頻度分布/%

200

400

600

粒徑/滋m

800

1000

消化池占地面積大，運(yùn)行成本高，因此，將污水廠，

能有效減小廠污泥外運(yùn)并進(jìn)行集中處理與處置，

中小型污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用，減少城市周邊占地

［3］

面積，并降低對(duì)環(huán)境的污染．污水廠污泥有壓管道輸送方式因其運(yùn)行費(fèi)用省、自動(dòng)化控制程度高及清潔、衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)成為污泥輸送方式的最佳選擇．日本、美國(guó)、英國(guó)以及荷

［4］

將污蘭等國(guó)均已修建了若干條污泥輸送管道，泥輸送至固定地點(diǎn)統(tǒng)一處置．污泥管道輸送過程

［5－7］

，屬于復(fù)雜的固液兩相流問題沿程阻力是該

［8－10］

．因此，輸送過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題需探討

污泥沿程阻力的影響因素，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)污泥流動(dòng)

圖2污泥粒徑頻度分布

1.21.2.1

實(shí)驗(yàn)方法

壓差的測(cè)定

開啟污泥泵，通過控制閥門調(diào)節(jié)測(cè)試管段中

待水銀壓差計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后讀取壓差值．污泥流速，

1.2.2流量的測(cè)定

每次調(diào)節(jié)流在回流管路上安裝渦街流量計(jì)，

速后待流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后讀取流量值．1.2.3污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

先取干燥坩堝稱質(zhì)量m1，盛裝待測(cè)污泥液并稱質(zhì)量m2，然后將待測(cè)樣品在水浴蒸鍋上蒸干，并于105℃下在烘箱中烘干2h，最后在干燥皿中干燥1h后稱質(zhì)量m3，污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=（m3－m1）/（m2－m1）×100%．1.2.4

減阻劑的投加

減阻劑用量由電子分析天平秤取，保持緩慢投加并充分?jǐn)嚢瑁?.2.5

溫度的控制

實(shí)驗(yàn)過程中污泥溫度由溫度計(jì)讀取，控制污

溫度高出0.5℃時(shí)泥溫度波動(dòng)范圍為±0.5℃，

停泵冷卻，待溫度下降回所需溫度時(shí)繼續(xù)試驗(yàn)．

1.3實(shí)驗(yàn)儀器

AUY－220型）、包括電子分析天平（島津，激

SALD－2201型）、光粒度儀（島津，旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)（上海精密，NDJ－7型）、GZX－烘箱（上海博迅，

9146MBE型）等．

阻力規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)污泥輸送管道的運(yùn)行參數(shù)，從而節(jié)省輸送費(fèi)用．本研究以長(zhǎng)春市某污水處理廠考察污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫儲(chǔ)泥池中污泥為研究對(duì)象，

度、減阻劑用量、平均流速等因素對(duì)污泥沿程阻力并進(jìn)行機(jī)理分析．的影響，

1.1

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，污泥泵型號(hào)QW40－

15，流量40m/h，揚(yáng)程15m，從污泥泵底部及四周吸泥，保證污泥箱中污泥混合均勻．污泥箱為PVC材質(zhì)，有效容積500L；控制閥門為銅球閥，控制管道中流量；測(cè)試管段為不銹鋼管材，長(zhǎng)度5.0m，內(nèi)徑35mm，長(zhǎng)徑比為143∶1；水銀壓差計(jì)以硅膠管與壓力測(cè)試點(diǎn)連接，測(cè)試管段的壓差；回流管采用PPR管材，內(nèi)徑51mm；用渦街流量計(jì)

3計(jì)量管道中的污泥流量，最大量程50m/h，最小

精度0.01m/h．

476

2.1

結(jié)果與分析

污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)沿程阻力的影響在常溫（25℃）條件下，考察質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

1—污泥泵；2—污泥箱；3—控制閥門；4—測(cè)試管段；

5—壓力測(cè)試點(diǎn)；6—水銀壓差計(jì)；7—回流管；8—渦街流量計(jì)．

2.38%，3.94%，5.39%的3種污泥對(duì)沿程阻力的影響．3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)污泥的基本物理屬性如表1所示，隨污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，密度略有增加，動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度增加較大．沿程阻力試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示．

由圖3可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.38%，3.94%及5.39%時(shí)，沿程阻力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)沿程阻力影響顯著．采用的

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)所用污泥直接取自長(zhǎng)春市某污水處理廠

儲(chǔ)泥池，為初沉池污泥與二沉池剩余污泥混合體，污泥粒徑頻度分布如圖2所示．污泥中粒徑為204.5μm顆粒所占比例最大，體積分?jǐn)?shù)為4.31%，污泥最大顆粒粒徑為992.2μm，最小顆

3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的污泥均屬賓漢流體，污泥顆粒之間結(jié)成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)而使污泥具有較大的屈服應(yīng)力，從而產(chǎn)生較大的沿程阻力．同時(shí)，隨污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，污泥內(nèi)部的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固，屈服應(yīng)力和沿程阻力也隨之迅速增大．污泥流動(dòng)過程中的屈服

即應(yīng)力可用白金漢方程表示，

τw8v4τ01τ0

=1－+．（1）D3τw3τwμB

m/s；D為管道內(nèi)徑，m；τw為式中：v為平均流速，

Pa；μB為剛度系數(shù)或動(dòng)力黏度系管壁處剪應(yīng)力，

結(jié)構(gòu)變松散，固體顆粒間的相互作用因其間距增

固體顆粒易于擺脫周圍顆粒的引力作大而減弱，

用而實(shí)現(xiàn)在一定空間范圍內(nèi)的自由運(yùn)動(dòng)，污泥的

黏度降低，進(jìn)而沿程阻力減小

．

水力坡度（/kPa·m-1）

2v/(m·s)

-1

[()()]

Pa·s；τ0為污泥的屈服應(yīng)力，Pa．?dāng)?shù)，

表1

序號(hào)123

345

各質(zhì)量分?jǐn)?shù)污泥25℃時(shí)的基本物理屬性

密度/（kg·m

－3

圖4

）

溫度對(duì)5.39%

質(zhì)量分?jǐn)?shù)污泥沿程阻力的影響

%2.383.945.39

）（mPa·s）1.922.804.85

（m·s

2－1

水力坡度（/kPa·m-1）

質(zhì)量分?jǐn)?shù)/動(dòng)力黏度/運(yùn)動(dòng)黏度/

5310

2v/(m·s)

-1

100310071012

1.912.784.

水力坡度（/kPa·m-1）

75310

345

圖5溫度對(duì)3.94%質(zhì)量分?jǐn)?shù)污泥沿程阻力的影響

2.3

2v/(m·s)

-1

減阻劑用量對(duì)沿程阻力的影響

常溫（25℃）條件下，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．94%的

345

圖3污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)沿程阻力的影響

污泥進(jìn)行減阻實(shí)驗(yàn)．減阻劑采用325目（45μm）礦物質(zhì)材料綠泥石粉末，減阻劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別0.588%及0.882%，為0.294%，結(jié)果如圖6所示．減阻劑用量為0.294%時(shí)達(dá)不到減阻目的，用量為0.588%和0.882%時(shí)均有明顯減阻效果，減阻劑最佳用量為0.588%

．

由管道內(nèi)污泥的受力平衡關(guān)系可知

J=4τw/γD．

式中：γ為污泥容重，N·m；J為水力坡度．

（2）

J=由式（1）及（2）可知，當(dāng)v=0時(shí)，τw=τ0，4τ04τw

，J≠0；只有當(dāng)J＞，即在污泥靜止時(shí)，污泥γDγD污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)才能克服屈服應(yīng)力τ0后產(chǎn)生流動(dòng)，

增加，屈服應(yīng)力τ0也隨之增大，從而使沿程阻力也隨之增大．因此，為減小污泥中的屈服應(yīng)力，應(yīng)盡量控制污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低．2.2溫度對(duì)沿程阻力的影響

分別對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.39%的污泥在27和37℃條件下及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.94%的污泥在19和39℃條件下的沿程阻力進(jìn)行測(cè)定，5結(jié)果如圖4、所示．

由圖4可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.39%的污泥在27℃時(shí)的沿程阻力小于37℃時(shí)．由圖5可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.94%的污泥在19℃時(shí)的沿程阻力小

對(duì)于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的污泥，沿程于39℃時(shí)．因此，

阻力均隨溫度升高而明顯降低，溫度的影響效應(yīng)

顯著．隨溫度的升高，污泥體積膨脹，污泥中絮網(wǎng)

水力坡度（/kPa·m-1）

12v/(m·s)

-1

345

圖6減阻劑用量對(duì)3.94%質(zhì)量分?jǐn)?shù)污泥沿程阻力的影響

結(jié)合圖2可知，采用的減阻劑顆粒與污泥顆減阻劑的投加事實(shí)上增加了粒相比屬于細(xì)顆粒，

污泥中細(xì)顆粒的含量．用量為0.294%時(shí)，減阻劑

投加前后污泥自身屬性未發(fā)生明顯改變，不產(chǎn)生減阻效果；用量為0.588%時(shí)，減阻劑顆粒在表面吸附水膜后分散于污泥顆粒之間，能夠阻止污泥顆粒間的碰撞和聚集，起到了潤(rùn)滑作用，能夠提高污泥的流動(dòng)性并減小沿程阻力；但當(dāng)減阻劑用量污泥中固體顆粒含量增加，污泥黏達(dá)0.882%時(shí)，

性隨之迅速增大，降低了污泥的流動(dòng)性，同時(shí)增加

沿程阻力．因此，減阻劑用量對(duì)沿程阻力影響顯

用量過低減阻效果不明顯，用量過高會(huì)降低減著，

阻效果，實(shí)際使用中需測(cè)算減阻劑最佳用量，3.94%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的污泥減阻劑最佳用量為0.588%．2.4

平均流速對(duì)沿程阻力的影響

不同流速下的沿程阻力測(cè)試結(jié)果見圖3～6．可以看出，污泥沿程阻力隨流速的增大呈非線性規(guī)律增加，可用哈森－威廉姆斯（Hazen－Williams）紊流公式表示，即

hf=6.82

3.94%質(zhì)量分際使用中需測(cè)算減阻劑最佳用量，

數(shù)的污泥減阻劑最佳用量為0.588%．

4）污泥管道輸送應(yīng)在平均流速略高于不淤流速的紊流條件下進(jìn)行，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.38%，3.94%，5.39%的3種污泥的實(shí)際輸送平均流速分別確定為1.35～1.45，1.20～1.30，1.10～1.20m/s．

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(D)()

1.17

1.85

．（3）

m；L為輸泥管式中：hf為輸泥管沿程水頭損失，

m；D為輸泥管管徑，m；v為污泥平均流速，長(zhǎng)度，

m/s；CH為哈森－威廉姆斯系數(shù)，其值取決于污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

隨著流速的增加，污泥內(nèi)部的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭受破壞的程度加劇，污泥顆粒間及顆粒與管壁間的碰撞概率加大，導(dǎo)致黏滯力的增加，即沿程阻力的增加．實(shí)際輸送過程中，層流條件下，由于屈服應(yīng)同時(shí)，輸送流速較小容易力的存在而使阻力很大，

引起污泥顆粒的分選沉降并產(chǎn)生淤積，不利于污污泥顆粒因保持懸浮狀態(tài)泥的輸送；紊流條件下，而利于長(zhǎng)距離輸送，但應(yīng)避免因流速過高而導(dǎo)致較大的輸送阻力．因此，污泥管道輸送應(yīng)在平均流速略高于不淤流速的紊流條件下進(jìn)行．根據(jù)污泥管道不淤流速關(guān)系式，結(jié)合試驗(yàn)中管長(zhǎng)、管徑、污泥密度、污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑級(jí)配、黏度及雷諾數(shù)3.94%，5.39%質(zhì)量分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù)，計(jì)算出2.38%，

的3種污泥的不淤流速分別為1.32，1.19及1.06m/s，因此，實(shí)際輸送平均流速分別確定為1.35～1.45，1.20～1.30，1.10～1.20m/s．

3結(jié)論

1）污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)沿程阻力影響顯著，沿程阻力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，輸送過程中污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.38%可達(dá)最佳輸送效果．

2）溫度對(duì)沿程阻力的影響效應(yīng)明顯，升高溫度可提高污泥的流動(dòng)性，有利于減小沿程阻力．在寒冷地區(qū)應(yīng)對(duì)污泥輸送管道采取適當(dāng)?shù)纳郎丶氨卮胧?/p>

3）減阻劑用量對(duì)沿程阻力影響顯著，用量過

用量過高會(huì)降低減阻效果，實(shí)低減阻效果不明顯，

(編輯劉彤)

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