周成蹊

(上海市離心機(jī)械研究所有限公司)

臥螺離心機(jī)脫水改濃縮結(jié)構(gòu)改造

周成蹊

(上海市離心機(jī)械研究所有限公司)

臥螺離心機(jī)因無法直接達(dá)到污泥含固要求而正在退出污水處理領(lǐng)域。將臥螺離心機(jī)進(jìn)行脫水改濃縮的結(jié)構(gòu)改造，使系統(tǒng)完成濃縮工序，不僅降低了污水廠改造成本，而且有效再利用了廠區(qū)原有的設(shè)備資源。

臥螺離心機(jī) 脫水 濃縮 改造 再利用

目前，隨著我國對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重視和投入，對(duì)機(jī)械設(shè)備脫水的污泥比例要求提高很快[1]。臥螺離心機(jī)作為一種可連續(xù)運(yùn)行的高自動(dòng)化水處理設(shè)備在國內(nèi)的水處理廠得到了廣泛的應(yīng)用。但伴隨著城市的發(fā)展，對(duì)污水處理廠產(chǎn)生的污泥提出了更高的要求。根據(jù)國家環(huán)保部辦公廳2010年發(fā)布的環(huán)辦[2010]《關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知》中的規(guī)定，要求“污水處理廠以貯存(即不處理處置)為目的將污泥運(yùn)出廠界的，必須將污泥脫水至含水率50%以下”。常規(guī)情況下，城市污水采用臥螺離心機(jī)分離出的污泥含固率在23%左右，無法達(dá)到通知要求。因此，為滿足處理要求，污水處理廠必須改進(jìn)原有的處理工藝。如果直接采用板框代替離心機(jī)，對(duì)污水處理廠而言會(huì)產(chǎn)生：臥螺離心機(jī)淘汰，直接造成固定資產(chǎn)損失；污水直接進(jìn)入板框處理系統(tǒng)，由于濃度變化不均勻，板框自適應(yīng)程度較差，設(shè)備需要不斷進(jìn)行人工調(diào)整，如果為板框系統(tǒng)建造濃縮池，則需要再投入較大成本。采用濃縮離心機(jī)對(duì)污水進(jìn)行濃縮，既能解決污水濃度波動(dòng)的問題，也可有效防止污泥中氮磷的析出[1]，降低二次污染。

基于上述問題考慮，如果將原有臥螺離心機(jī)設(shè)備的脫水沉降功能改為為板框系統(tǒng)服務(wù)的濃縮功能，則既能實(shí)現(xiàn)原有資產(chǎn)(臥螺離心機(jī))的再利用，又免除了為解決污水濃度變化問題而投入的濃縮池建造支出。改造后的濃縮臥螺離心機(jī)滿足了板框系統(tǒng)的污水濃度穩(wěn)定需求，使板框系統(tǒng)的污水處理優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮。

1 臥螺離心機(jī)性能因素

1.1 分離因數(shù)

分離因數(shù)是臥螺離心機(jī)的核心性能指標(biāo)，離心機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，使需要被分離的物料在幾千倍于重力加速度的環(huán)境下，依靠物料自身所含成分密度的不同(泥、水)，固體快速粘附到轉(zhuǎn)鼓壁形成固體層[2]，實(shí)現(xiàn)固液分離。理論上分離因數(shù)越高，物體沉降速度也就越快，但分離因數(shù)受離心機(jī)自身材料性能、承載力及配套元件局限性等因素的限制，不可能無限增大。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被分離物料的自身性質(zhì)，設(shè)備旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過高的分離因數(shù)可能使物料內(nèi)部分子間內(nèi)力發(fā)生變化，在分離過程中出現(xiàn)反彈，在高分離因數(shù)狀態(tài)下分離效果反而不明顯，甚至出現(xiàn)反混現(xiàn)象。分離因數(shù)Fr(設(shè)備離心力與重力加速度的比值)的計(jì)算公式如下：

Fr=rω2/g=r(2πn/60)2/g

(1)

式中g(shù)——重力加速度；

n——機(jī)器的轉(zhuǎn)速，r/min；

r——臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓半徑，mm。

1.2 螺旋螺距

在臥螺離心機(jī)內(nèi)，被分離的物料經(jīng)過螺旋與轉(zhuǎn)鼓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，貼近轉(zhuǎn)鼓壁的污泥在螺旋葉片的推動(dòng)下向轉(zhuǎn)鼓小端固相出料口前進(jìn)，而遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)鼓壁的液體則隨著葉片間形成的螺旋空間在溢流狀態(tài)下從轉(zhuǎn)鼓的大端清液口被排出，螺旋葉片的螺距有等螺距、漸變螺距和混合螺距。根據(jù)分離物料性質(zhì)的不同采用的螺距也有所差別[3]。

1.3 差速

轉(zhuǎn)鼓、螺旋因差速齒輪箱的作用而形成的相對(duì)轉(zhuǎn)速Δn稱為臥螺離心機(jī)的差速。由于差速的存在螺旋葉片對(duì)被分離的物料產(chǎn)生攪拌作用，已經(jīng)沉降于轉(zhuǎn)鼓壁的微細(xì)顆粒又重新被液體攪起，使得懸浮液再次混濁，從而降低了臥螺離心機(jī)的分離澄清效果[4]。因此，差速的選擇直接影響分離效果。差速的計(jì)算公式如下：

Δn=qm/Vm

(2)

式中 Δn——相對(duì)轉(zhuǎn)速，r/min；

qm——差速器輸入流量，mL/s；

Vm——差速器排量，m3/r。

在差速器排量不變的情況下，離心機(jī)的差速由差速器輸入流量確定。差速越大，物料在離心機(jī)內(nèi)停留的時(shí)間就越短，離心機(jī)處理能力也就越大，但分離后的固相因物料停留時(shí)間較短沒有充分實(shí)現(xiàn)固液分離，因此含固率會(huì)較低；差速越小，物料停留時(shí)間越長，螺旋對(duì)分離物料的攪動(dòng)越小，分離后的固相含固率也就越高，因此也容易造成輸出扭矩?zé)o法滿足高濃度固體需要移動(dòng)臨界扭矩而出現(xiàn)螺旋抱死、設(shè)備堵機(jī)的問題。

1.4 清液口高度

分離后的清液依靠溢流作用由轉(zhuǎn)鼓大法蘭的清液口流出，流出口徑向距離離旋轉(zhuǎn)軸越近，流出的液體就越清。如果清液口設(shè)置高度越高，離心機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的物料量就越多，同時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部液面升高，留給固相的干燥區(qū)也就越小，可能造成設(shè)備承載過大、分離后的固相含水率較大的問題。通過對(duì)清液口高度的調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)清液的澄清度根據(jù)用戶要求而調(diào)節(jié)的目的[5]，滿足用戶的實(shí)際需求。

1.5 推料扭矩

推料扭矩是在螺旋推動(dòng)分離后的固相物料向著錐段干燥區(qū)移動(dòng)的過程中產(chǎn)生的。推料扭矩T的計(jì)算公式如下：

(3)

式中pi——差速器液壓輸入口壓力，Pa；

po——差速器液壓輸出口壓力，Pa；

η——機(jī)械效率。

物料經(jīng)過離心機(jī)旋轉(zhuǎn)分離后的固相越緊實(shí)，臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓錐段角度越傾斜、干燥區(qū)越長，則設(shè)備需要的推料扭矩也就越大。在螺旋和轉(zhuǎn)鼓相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，如果相對(duì)速度較大、物料在離心機(jī)內(nèi)停留時(shí)間較短，則推料扭矩也就相對(duì)較小，但分離后的固相含固率也比較低；如果相對(duì)速度較小，物料停留時(shí)間也就較長，固相更緊實(shí)，分離效果更好，但固相含固率的上升必然導(dǎo)致推料扭矩的增加。

2 設(shè)備系統(tǒng)改造

臥螺離心機(jī)應(yīng)用于脫水環(huán)節(jié)時(shí)，相對(duì)于設(shè)備單機(jī)處理能力、液相固體回收率等指標(biāo)而言，提升固相含固率是更重要的指標(biāo)。而對(duì)于污水處理行業(yè)的濃縮環(huán)節(jié)來說，更偏重設(shè)備單機(jī)處理能力、液相固體回收率等性能指標(biāo)，而為使板框系統(tǒng)充分發(fā)揮高干度優(yōu)勢(shì)，只要保持進(jìn)入板框系統(tǒng)的固相含固率穩(wěn)定即可。因此，為使原有臥螺離心機(jī)滿足污水處理濃縮要求，根據(jù)影響離心機(jī)性能的相關(guān)因素對(duì)離心機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。設(shè)備的改造主要涉及5個(gè)方面：設(shè)備轉(zhuǎn)速調(diào)整、差速控制調(diào)整、提升轉(zhuǎn)鼓出料口耐磨性能、螺旋葉片改造和控制系統(tǒng)調(diào)整。

2.1 設(shè)備轉(zhuǎn)速調(diào)整

臥螺離心機(jī)采用三角皮帶連接電機(jī)帶輪和設(shè)備旋轉(zhuǎn)總成上的帶輪進(jìn)行傳動(dòng)，輸入速度與輸出速度的比值由帶輪直徑?jīng)Q定，而旋轉(zhuǎn)總成的帶輪與設(shè)備是一體加工制造的，為減少原有設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的改動(dòng)量，在設(shè)備改造過程中，針對(duì)速度的調(diào)整只對(duì)電機(jī)帶輪進(jìn)行更換，同時(shí)根據(jù)離心機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，考慮將設(shè)備運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制在設(shè)備最高轉(zhuǎn)速的0.7～0.8倍進(jìn)行傳動(dòng)帶輪的再設(shè)計(jì)，更換后的電機(jī)帶輪與總成帶輪直徑比為45∶49。

2.2 差速控制調(diào)整

為防止改造后的設(shè)備因?yàn)樘幚砹康脑龃?、進(jìn)料濃縮的波動(dòng)不穩(wěn)定而出現(xiàn)設(shè)備堵機(jī)，在濃縮離心機(jī)系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中增加了三點(diǎn)反饋排堵設(shè)置，依靠推料扭矩的變化適時(shí)調(diào)整設(shè)備差速系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。需要將液壓系統(tǒng)壓力從小到大設(shè)置3個(gè)警戒壓力點(diǎn)，即p0、p1、p2(圖1)，當(dāng)液壓超過p0時(shí)，說明物料分離后濃度過高，推料扭矩增加，此時(shí)反饋系統(tǒng)發(fā)出指令，自動(dòng)增加差速以確保離心機(jī)不堵機(jī)；當(dāng)液壓超過p1時(shí)，說明增大差速仍不能有效避免設(shè)備發(fā)生堵機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)反饋系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止進(jìn)泥泵、加藥泵和切割機(jī)，如果壓力又恢復(fù)到p0以下，則控制系統(tǒng)將再次開啟進(jìn)泥泵、加藥泵和切割機(jī)；當(dāng)液壓超過p2時(shí)，說明設(shè)備堵機(jī)，離心機(jī)主系統(tǒng)停止，控制系統(tǒng)啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，通過控制進(jìn)出油口的流向進(jìn)行自動(dòng)排堵。

圖1 差速與壓力關(guān)系

2.3 提升轉(zhuǎn)鼓出料口耐磨性能

因濃縮處理量的增大，轉(zhuǎn)鼓出料口與污泥的摩擦相應(yīng)增加，需要在出料口進(jìn)行耐磨處理，采用可拆卸的耐磨刮刀(圖2)。它與物料接觸的部分噴涂4mm硬質(zhì)合金，耐磨刮刀與出料法蘭采用螺栓連接。增加耐磨刮刀不僅能在物料生產(chǎn)過程中發(fā)生磨損時(shí)方便地進(jìn)行刀具更換，而且可有效降低因磨損而更換出料法蘭的直接成本。

圖2 耐磨刮刀

2.4 螺旋葉片改造

為增加旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)液相的流出速度并加快進(jìn)料處理，在原有的螺旋葉片上采用了開孔方式，從螺旋大段起沿螺旋軸線向螺旋小段開孔，螺旋外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 螺旋外形結(jié)構(gòu)

為減少對(duì)螺旋小段物料區(qū)的影響，開孔葉片一直到螺旋、轉(zhuǎn)鼓柱錐交接處的前一片。因改變了螺旋原有強(qiáng)度，為防止改造后出現(xiàn)設(shè)備自身強(qiáng)度性能無法滿足的問題，在孔徑大小和開孔數(shù)量上，通過計(jì)算機(jī)三維模擬繪圖軟件，對(duì)開孔后的螺旋進(jìn)行模擬受力強(qiáng)度分析，結(jié)果表明在增加了小段葉片支撐筋后，螺旋受力均控制在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

2.5 控制系統(tǒng)調(diào)整

根據(jù)濃縮后需滿足固相含固率為8%的分離要求，離心機(jī)控制系統(tǒng)采用恒扭矩控制模式，自動(dòng)控制反饋系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理為：濃縮離心機(jī)系統(tǒng)在經(jīng)過設(shè)備啟動(dòng)、達(dá)到運(yùn)行轉(zhuǎn)速后，液壓系統(tǒng)根據(jù)差速器輸出的扭矩來控制輸入液壓油流量和壓力，當(dāng)濃縮系統(tǒng)進(jìn)料濃度增大(變小)、物料沉降變多時(shí)，導(dǎo)致推料扭矩變大(減小)，此時(shí)液壓系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)反饋信號(hào)增大(減小)壓力和流量輸入，加大(減小)螺旋轉(zhuǎn)鼓差速實(shí)現(xiàn)物料分離，達(dá)到穩(wěn)定分離并防止設(shè)備發(fā)生堵料的目的。

3 現(xiàn)場(chǎng)濃縮分離效果

在城市污水處理過程中，需要對(duì)進(jìn)入污水處理廠的生活污水進(jìn)行初步沉淀，經(jīng)過沉淀后的污泥呈現(xiàn)為帶水的粒狀或絮狀物質(zhì)的疏松結(jié)構(gòu)，含固率一般在0.2%～4.0%。由于污泥固體少、含水量大，如果不經(jīng)過濃縮處理直接進(jìn)行板框系統(tǒng)擠壓脫水，則會(huì)因物料濃度不穩(wěn)定，而影響板框系統(tǒng)處理的連續(xù)性，且需要更大處理量的系統(tǒng)，其處理成本和場(chǎng)地占用也十分龐大。未經(jīng)濃縮的待處理污泥水如果長期暴露在空氣中還會(huì)因?yàn)槎紊磻?yīng)釋放刺激難聞的有害氣體。采用臥螺離心機(jī)濃縮處理系統(tǒng)來逐步代替初沉池和反混池的濃縮工序，可有效解決濃縮池占地大、處理效率低、固定投資成本高、建造工期長和管理控制難的問題。

在某城市污水處理廠，經(jīng)過和廠區(qū)管理部門、技術(shù)支持部門和現(xiàn)場(chǎng)操作人員的共同努力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)用戶方提供的廠區(qū)結(jié)構(gòu)、結(jié)合原離心機(jī)系統(tǒng)脫水流程處理效果和目前的需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行流程改造(圖4)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)摸索、上述臥螺離心機(jī)系統(tǒng)脫水改濃縮的設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制邏輯的修改后，臥螺離心機(jī)(LW530濃縮機(jī))的相關(guān)主要參數(shù)如下：

轉(zhuǎn)鼓最高轉(zhuǎn)速 3 000r/min

轉(zhuǎn)鼓有效長度 2 270mm

轉(zhuǎn)鼓大端內(nèi)徑 530mm

差速 2～30r/min

最高分離因數(shù) 2 666

差速器形式 液壓差速器+變頻可調(diào)

圖4 濃縮系統(tǒng)流程圖

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段，對(duì)臥螺離心機(jī)的轉(zhuǎn)速、差速、內(nèi)液池高度進(jìn)行調(diào)整后，系統(tǒng)數(shù)據(jù)見表1。

表1 濃縮系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

分析表1數(shù)據(jù)可知：只改變離心機(jī)旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，隨著速度的提高，分離因數(shù)增大，但濃縮后的污泥含固率不升反降，說明對(duì)不同的污水處理需要不同的分離因數(shù)，過高的分離因數(shù)反而會(huì)達(dá)不到預(yù)期效果；增大污水進(jìn)料量，提高旋轉(zhuǎn)體內(nèi)液池高度，在加快差速的同時(shí)，扭矩隨之也有所上升，經(jīng)測(cè)試分離后的污泥含固率穩(wěn)定在7%～9%，說明將設(shè)備轉(zhuǎn)速降低使分離因數(shù)控制在1 150～1 300之間后，提高設(shè)備差速、加大擠壓扭矩、提升液池高度，就能使污水的濃縮效果達(dá)到用戶對(duì)含固率的要求。在實(shí)際使用中，臥螺離心機(jī)(LW530濃縮機(jī))的設(shè)備參數(shù)設(shè)定如下：

轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速 2 100r/min

轉(zhuǎn)鼓有效長度 2 270mm

轉(zhuǎn)鼓攔液板高度 294mm

轉(zhuǎn)鼓出液口數(shù) 6

差速 10～15r/min

分離因數(shù) 1 306

差速器輸出壓力 1.85MPa

差速器液壓輸入頻率 30Hz

螺旋、轉(zhuǎn)鼓錐角 8°

進(jìn)料流量 70～75m3/h

臥螺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)改動(dòng)包括：為提高設(shè)備單機(jī)處理能力，調(diào)整螺旋結(jié)構(gòu)，開設(shè)中心孔增大液體流量；調(diào)整設(shè)備差速，加速推料；轉(zhuǎn)鼓清液口增加，提升清液口高度，解決清液內(nèi)污泥逃離問題；轉(zhuǎn)鼓出料口角度調(diào)整，降低污泥擠壓壓力；控制系統(tǒng)采用恒扭矩控制，解決進(jìn)料濃度變化導(dǎo)致的出泥濃度波動(dòng)過大，防止影響下道處理環(huán)節(jié)；通過設(shè)備改造，使?jié)饪s系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，滿足了生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語

臥螺離心機(jī)系統(tǒng)的改造，使污水處理廠(設(shè)備使用)原來可能直接廢棄的設(shè)備得到了重新使用的價(jià)值，防止了資產(chǎn)簡單粗放的流失。同時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)具備了濃縮功能，直接節(jié)省了為板框系統(tǒng)增加濃縮系統(tǒng)的工序。對(duì)臥螺離心機(jī)生產(chǎn)廠商，開拓了設(shè)備在污水處理廠的應(yīng)用領(lǐng)域，防止了因?yàn)閲艺叻ㄒ?guī)的變化而帶來應(yīng)用領(lǐng)域消失的問題，避免了臥螺離心機(jī)大面積退出城市污水處理領(lǐng)域的尷尬處境。因?yàn)榕P螺離心機(jī)控制系統(tǒng)的高自動(dòng)化、設(shè)備分離處理過程全密封性及連續(xù)運(yùn)行的高效率等特點(diǎn)，有效防止了在污水處理過程中異味的排放，減少了對(duì)周邊環(huán)境以及居民生產(chǎn)生活的影響。

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周成蹊(1983-)，工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)控制工作，chengxi_zhou2010@163.com。

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0254-6094(2017)02-0216-05

2016-05-18，

2016-12-01)