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

哈爾濱工業大學學報

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．哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱；2．吉林建筑大學松遼流域水環境教育部重點實驗室，

130118長春）

摘要：為識別污泥管道輸送過程中沿程阻力的變化及影響因素，以長春市某污水處理廠濃縮后儲泥池污泥為對象，考

察污泥質量分數、溫度、減阻劑用量、平均流速等因素對污泥管道輸送過程沿程阻力的影響效應，并進行機理分析．結果3.94%，5.39%時，表明：污泥質量分數對沿程阻力影響顯著，質量分數分別為2.38%，沿程阻力隨質量分數增加而增大，輸送過程中控制污泥質量分數小于2.38%可達最佳輸送效果；溫度對沿程阻力有顯著影響，適當升溫或采取保溫措施有利于減小沿程阻力；減阻劑用量對沿程阻力影響顯著，用量過低減阻效果不明顯，用量過高會降低減阻效果，實際使用中需測算減阻劑最佳用量，污泥質量分數為3.94%時的減阻劑最佳用量為0.588%；污泥管道輸送應在平均流速略高于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行，質量分數為2.38%，1.30及1.10～1.20m/s．

關鍵詞：污泥；管道輸送；沿程阻力；影響因素；減阻中圖分類號：TU990.3

文獻標志碼：A

文章編號：0367－6234（2013）06－0029－04

Influencingf大學網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．

基金項目：國家自然科學基金資助項目（50978118）．作者簡介：陸海（1981—），男，講師，博士研究生；

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

通信作者：尹軍，hitjunyin@163．com．

活性污泥法因其高效、低耗等優點而成為城市污水處理最主要的方法，但隨之產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

水處理過程的副產物降低了污水處理系統的有效

處理能力，若未經恰當處置進入環境后，將直接污

水體和大氣生態系統，并對人類活動造成染土壤、

［2］

嚴重威脅．一般而言，剩余污泥需經過濃縮、消化、脫水后進行最終處置．但對中小型污水處理

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，運行成本高，因此，將污水廠，

能有效減小廠污泥外運并進行集中處理與處置，

中小型污水處理廠運行費用，減少城市周邊占地

［3］

面積，并降低對環境的污染．污水廠污泥有壓管道輸送方式因其運行費用省、自動化控制程度高及清潔、衛生等優點成為污泥輸送方式的最佳選擇．日本、美國、英國以及荷

［4］

將污蘭等國均已修建了若干條污泥輸送管道，泥輸送至固定地點統一處置．污泥管道輸送過程

［5－7］

，屬于復雜的固液兩相流問題沿程阻力是該

［8－10］

．因此，輸送過程中的一個關鍵問題需探討

污泥沿程阻力的影響因素，進一步認識污泥流動

圖2污泥粒徑頻度分布

1.21.2.1

實驗方法

壓差的測定

開啟污泥泵，通過控制閥門調節測試管段中

待水銀壓差計讀數穩定后讀取壓差值．污泥流速，

1.2.2流量的測定

每次調節流在回流管路上安裝渦街流量計，

速后待流量計讀數穩定后讀取流量值．1.2.3污泥質量分數的測定

先取干燥坩堝稱質量m1，盛裝待測污泥液并稱質量m2，然后將待測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后稱質量m3，污泥質量分數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攪拌．1.2.5

溫度的控制

實驗過程中污泥溫度由溫度計讀取，控制污

溫度高出0.5℃時泥溫度波動范圍為±0.5℃，

停泵冷卻，待溫度下降回所需溫度時繼續試驗．

1.3實驗儀器

AUY－220型）、包括電子分析天平（島津，激

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

9146MBE型）等．

阻力規律，優化設計污泥輸送管道的運行參數，從而節省輸送費用．本研究以長春市某污水處理廠考察污泥質量分數、溫儲泥池中污泥為研究對象，

度、減阻劑用量、平均流速等因素對污泥沿程阻力并進行機理分析．的影響，

1.1

實驗

實驗材料

實驗裝置如圖1所示，污泥泵型號QW40－

15，流量40m/h，揚程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，有效容積500L；控制閥門為銅球閥，控制管道中流量；測試管段為不銹鋼管材，長度5.0m，內徑35mm，長徑比為143∶1；水銀壓差計以硅膠管與壓力測試點連接，測試管段的壓差；回流管采用PPR管材，內徑51mm；用渦街流量計

3計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

結果與分析

污泥質量分數對沿程阻力的影響在常溫（25℃）條件下，考察質量分數為

1—污泥泵；2—污泥箱；3—控制閥門；4—測試管段；

5—壓力測試點；6—水銀壓差計；7—回流管；8—渦街流量計．

2.38%，3.94%，5.39%的3種污泥對沿程阻力的影響．3種質量分數污泥的基本物理屬性如表1所示，隨污泥質量分數的增大，密度略有增加，動力黏度和運動黏度增加較大．沿程阻力試驗結果如圖3所示．

由圖3可知，質量分數分別為2.38%，3.94%及5.39%時，沿程阻力隨質量分數增加而增大，污泥質量分數對沿程阻力影響顯著．采用的

圖1實驗裝置示意圖

實驗所用污泥直接取自長春市某污水處理廠

儲泥池，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，體積分數為4.31%，污泥最大顆粒粒徑為992.2μm，最小顆

3種質量分數的污泥均屬賓漢流體，污泥顆粒之間結成絮網結構而使污泥具有較大的屈服應力，從而產生較大的沿程阻力．同時，隨污泥質量分數的增加，污泥內部的絮網結構加固，屈服應力和沿程阻力也隨之迅速增大．污泥流動過程中的屈服

即應力可用白金漢方程表示，

τw8v4τ01τ0

=1－+．（1）D3τw3τwμB

m/s；D為管道內徑，m；τw為式中：v為平均流速，

Pa；μB為剛度系數或動力黏度系管壁處剪應力，

結構變松散，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，

用而實現在一定空間范圍內的自由運動，污泥的

黏度降低，進而沿程阻力減小

．

水力坡度（/kPa·m-1）

2v/(m·s)

-1

[()()]

Pa·s；τ0為污泥的屈服應力，Pa．數，

表1

序號123

345

各質量分數污泥25℃時的基本物理屬性

密度/（kg·m

－3

圖4

）

溫度對5.39%

質量分數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）

質量分數/動力黏度/運動黏度/

5310

2v/(m·s)

-1

100310071012

1.912.784.

水力坡度（/kPa·m-1）

75310

345

圖5溫度對3.94%質量分數污泥沿程阻力的影響

2.3

2v/(m·s)

-1

減阻劑用量對沿程阻力的影響

常溫（25℃）條件下，對質量分數為3．94%的

345

圖3污泥質量分數對沿程阻力的影響

污泥進行減阻實驗．減阻劑采用325目（45μm）礦物質材料綠泥石粉末，減阻劑的質量分數分別0.588%及0.882%，為0.294%，結果如圖6所示．減阻劑用量為0.294%時達不到減阻目的，用量為0.588%和0.882%時均有明顯減阻效果，減阻劑最佳用量為0.588%

．

由管道內污泥的受力平衡關系可知

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v=0時，τw=τ0，4τ04τw

，J≠0；只有當J＞，即在污泥靜止時，污泥γDγD污泥質量分數才能克服屈服應力τ0后產生流動，

增加，屈服應力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力，應盡量控制污泥質量分數最低．2.2溫度對沿程阻力的影響

分別對質量分數為5.39%的污泥在27和37℃條件下及質量分數為3.94%的污泥在19和39℃條件下的沿程阻力進行測定，5結果如圖4、所示．

由圖4可知，質量分數為5.39%的污泥在27℃時的沿程阻力小于37℃時．由圖5可知，質量分數為3.94%的污泥在19℃時的沿程阻力小

對于不同質量分數的污泥，沿程于39℃時．因此，

阻力均隨溫度升高而明顯降低，溫度的影響效應

顯著．隨溫度的升高，污泥體積膨脹，污泥中絮網

水力坡度（/kPa·m-1）

12v/(m·s)

-1

345

圖6減阻劑用量對3.94%質量分數污泥沿程阻力的影響

結合圖2可知，采用的減阻劑顆粒與污泥顆減阻劑的投加事實上增加了粒相比屬于細顆粒，

污泥中細顆粒的含量．用量為0.294%時，減阻劑

投加前后污泥自身屬性未發生明顯改變，不產生減阻效果；用量為0.588%時，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，起到了潤滑作用，能夠提高污泥的流動性并減小沿程阻力；但當減阻劑用量污泥中固體顆粒含量增加，污泥黏達0.882%時，

性隨之迅速增大，降低了污泥的流動性，同時增加

沿程阻力．因此，減阻劑用量對沿程阻力影響顯

用量過低減阻效果不明顯，用量過高會降低減著，

阻效果，實際使用中需測算減阻劑最佳用量，3.94%質量分數的污泥減阻劑最佳用量為0.588%．2.4

平均流速對沿程阻力的影響

不同流速下的沿程阻力測試結果見圖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%質量分際使用中需測算減阻劑最佳用量，

數的污泥減阻劑最佳用量為0.588%．

4）污泥管道輸送應在平均流速略高于不淤流速的紊流條件下進行，質量分數為2.38%，3.94%，5.39%的3種污泥的實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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flow

highly

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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，長度，

m/s；CH為哈森－威廉姆斯系數，其值取決于污泥質量分數．

隨著流速的增加，污泥內部的絮網結構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，導致黏滯力的增加，即沿程阻力的增加．實際輸送過程中，層流條件下，由于屈服應同時，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生淤積，不利于污污泥顆粒因保持懸浮狀態泥的輸送；紊流條件下，而利于長距離輸送，但應避免因流速過高而導致較大的輸送阻力．因此，污泥管道輸送應在平均流速略高于不淤流速的紊流條件下進行．根據污泥管道不淤流速關系式，結合試驗中管長、管徑、污泥密度、污泥質量分數、粒徑級配、黏度及雷諾數3.94%，5.39%質量分數等數據，計算出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結論

1）污泥質量分數對沿程阻力影響顯著，沿程阻力隨質量分數增加而增大，輸送過程中污泥質量分數小于2.38%可達最佳輸送效果．

2）溫度對沿程阻力的影響效應明顯，升高溫度可提高污泥的流動性，有利于減小沿程阻力．在寒冷地區應對污泥輸送管道采取適當的升溫及保溫措施．

3）減阻劑用量對沿程阻力影響顯著，用量過

用量過高會降低減阻效果，實低減阻效果不明顯，

(編輯劉彤)

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