臥螺離心機脫水改濃縮結構改造

周成蹊

(上海市離心機械研究所有限公司)

臥螺離心機脫水改濃縮結構改造

周成蹊

(上海市離心機械研究所有限公司)

臥螺離心機因無法直接達到污泥含固要求而正在退出污水處理領域。將臥螺離心機進行脫水改濃縮的結構改造，使系統完成濃縮工序，不僅降低了污水廠改造成本，而且有效再利用了廠區原有的設備資源。

臥螺離心機 脫水 濃縮 改造 再利用

目前，隨著我國對環保產業的重視和投入，對機械設備脫水的污泥比例要求提高很快[1]。臥螺離心機作為一種可連續運行的高自動化水處理設備在國內的水處理廠得到了廣泛的應用。但伴隨著城市的發展，對污水處理廠產生的污泥提出了更高的要求。根據國家環保部辦公廳2010年發布的環辦[2010]《關于加強城鎮污水處理廠污泥污染防治工作的通知》中的規定，要求“污水處理廠以貯存(即不處理處置)為目的將污泥運出廠界的，必須將污泥脫水至含水率50%以下”。常規情況下，城市污水采用臥螺離心機分離出的污泥含固率在23%左右，無法達到通知要求。因此，為滿足處理要求，污水處理廠必須改進原有的處理工藝。如果直接采用板框代替離心機，對污水處理廠而言會產生：臥螺離心機淘汰，直接造成固定資產損失；污水直接進入板框處理系統，由于濃度變化不均勻，板框自適應程度較差，設備需要不斷進行人工調整，如果為板框系統建造濃縮池，則需要再投入較大成本。采用濃縮離心機對污水進行濃縮，既能解決污水濃度波動的問題，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設備的脫水沉降功能改為為板框系統服務的濃縮功能，則既能實現原有資產(臥螺離心機)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滿足了板框系統的污水濃度穩定需求，使板框系統的污水處理優勢得到發揮。

1 臥螺離心機性能因素

1.1 分離因數

分離因數是臥螺離心機的核心性能指標，離心機在高速旋轉過程中產生離心力，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)，固體快速粘附到轉鼓壁形成固體層[2]，實現固液分離。理論上分離因數越高，物體沉降速度也就越快，但分離因數受離心機自身材料性能、承載力及配套元件局限性等因素的限制，不可能無限增大。在實際應用中，根據被分離物料的自身性質，設備旋轉產生過高的分離因數可能使物料內部分子間內力發生變化，在分離過程中出現反彈，在高分離因數狀態下分離效果反而不明顯，甚至出現反混現象。分離因數Fr(設備離心力與重力加速度的比值)的計算公式如下：

Fr=rω2/g=r(2πn/60)2/g

(1)

式中g——重力加速度；

n——機器的轉速，r/min；

r——臥螺離心機轉鼓半徑，mm。

1.2 螺旋螺距

在臥螺離心機內，被分離的物料經過螺旋與轉鼓的相對運動，貼近轉鼓壁的污泥在螺旋葉片的推動下向轉鼓小端固相出料口前進，而遠離轉鼓壁的液體則隨著葉片間形成的螺旋空間在溢流狀態下從轉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。根據分離物料性質的不同采用的螺距也有所差別[3]。

1.3 差速

轉鼓、螺旋因差速齒輪箱的作用而形成的相對轉速Δn稱為臥螺離心機的差速。由于差速的存在螺旋葉片對被分離的物料產生攪拌作用，已經沉降于轉鼓壁的微細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。差速的計算公式如下：

Δn=qm/Vm

(2)

式中 Δn——相對轉速，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，離心機的差速由差速器輸入流量確定。差速越大，物料在離心機內停留的時間就越短，離心機處理能力也就越大，但分離后的固相因物料停留時間較短沒有充分實現固液分離，因此含固率會較低；差速越小，物料停留時間越長，螺旋對分離物料的攪動越小，分離后的固相含固率也就越高，因此也容易造成輸出扭矩無法滿足高濃度固體需要移動臨界扭矩而出現螺旋抱死、設備堵機的問題。

1.4 清液口高度

分離后的清液依靠溢流作用由轉鼓大法蘭的清液口流出，流出口徑向距離離旋轉軸越近，流出的液體就越清。如果清液口設置高度越高，離心機內部存儲的物料量就越多，同時，因為內部液面升高，留給固相的干燥區也就越小，可能造成設備承載過大、分離后的固相含水率較大的問題。通過對清液口高度的調節，能實現清液的澄清度根據用戶要求而調節的目的[5]，滿足用戶的實際需求。

1.5 推料扭矩

推料扭矩是在螺旋推動分離后的固相物料向著錐段干燥區移動的過程中產生的。推料扭矩T的計算公式如下：

(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——機械效率。

物料經過離心機旋轉分離后的固相越緊實，臥螺離心機轉鼓錐段角度越傾斜、干燥區越長，則設備需要的推料扭矩也就越大。在螺旋和轉鼓相對運動過程中，如果相對速度較大、物料在離心機內停留時間較短，則推料扭矩也就相對較小，但分離后的固相含固率也比較低；如果相對速度較小，物料停留時間也就較長，固相更緊實，分離效果更好，但固相含固率的上升必然導致推料扭矩的增加。

2 設備系統改造

臥螺離心機應用于脫水環節時，相對于設備單機處理能力、液相固體回收率等指標而言，提升固相含固率是更重要的指標。而對于污水處理行業的濃縮環節來說，更偏重設備單機處理能力、液相固體回收率等性能指標，而為使板框系統充分發揮高干度優勢，只要保持進入板框系統的固相含固率穩定即可。因此，為使原有臥螺離心機滿足污水處理濃縮要求，根據影響離心機性能的相關因素對離心機設備的結構進行改造。設備的改造主要涉及5個方面：設備轉速調整、差速控制調整、提升轉鼓出料口耐磨性能、螺旋葉片改造和控制系統調整。

2.1 設備轉速調整

臥螺離心機采用三角皮帶連接電機帶輪和設備旋轉總成上的帶輪進行傳動，輸入速度與輸出速度的比值由帶輪直徑決定，而旋轉總成的帶輪與設備是一體加工制造的，為減少原有設備機械結構的改動量，在設備改造過程中，針對速度的調整只對電機帶輪進行更換，同時根據離心機運行經驗，考慮將設備運行轉速控制在設備最高轉速的0.7～0.8倍進行傳動帶輪的再設計，更換后的電機帶輪與總成帶輪直徑比為45∶49。

2.2 差速控制調整

為防止改造后的設備因為處理量的增大、進料濃縮的波動不穩定而出現設備堵機，在濃縮離心機系統的液壓控制系統中增加了三點反饋排堵設置，依靠推料扭矩的變化適時調整設備差速系統運行狀態。需要將液壓系統壓力從小到大設置3個警戒壓力點，即p0、p1、p2(圖1)，當液壓超過p0時，說明物料分離后濃度過高，推料扭矩增加，此時反饋系統發出指令，自動增加差速以確保離心機不堵機；當液壓超過p1時，說明增大差速仍不能有效避免設備發生堵機風險，此時反饋系統會自動停止進泥泵、加藥泵和切割機，如果壓力又恢復到p0以下，則控制系統將再次開啟進泥泵、加藥泵和切割機；當液壓超過p2時，說明設備堵機，離心機主系統停止，控制系統啟動液壓系統，通過控制進出油口的流向進行自動排堵。

圖1 差速與壓力關系

2.3 提升轉鼓出料口耐磨性能

因濃縮處理量的增大，轉鼓出料口與污泥的摩擦相應增加，需要在出料口進行耐磨處理，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過程中發生磨損時方便地進行刀具更換，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

為增加旋轉總成內液相的流出速度并加快進料處理，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，螺旋外形結構如圖3所示。

圖3 螺旋外形結構

為減少對螺旋小段物料區的影響，開孔葉片一直到螺旋、轉鼓柱錐交接處的前一片。因改變了螺旋原有強度，為防止改造后出現設備自身強度性能無法滿足的問題，在孔徑大小和開孔數量上，通過計算機三維模擬繪圖軟件，對開孔后的螺旋進行模擬受力強度分析，結果表明在增加了小段葉片支撐筋后，螺旋受力均控制在強度允許范圍內。

2.5 控制系統調整

根據濃縮后需滿足固相含固率為8%的分離要求，離心機控制系統采用恒扭矩控制模式，自動控制反饋系統的實現原理為：濃縮離心機系統在經過設備啟動、達到運行轉速后，液壓系統根據差速器輸出的扭矩來控制輸入液壓油流量和壓力，當濃縮系統進料濃度增大(變小)、物料沉降變多時，導致推料扭矩變大(減小)，此時液壓系統就會根據反饋信號增大(減小)壓力和流量輸入，加大(減小)螺旋轉鼓差速實現物料分離，達到穩定分離并防止設備發生堵料的目的。

3 現場濃縮分離效果

在城市污水處理過程中，需要對進入污水處理廠的生活污水進行初步沉淀，經過沉淀后的污泥呈現為帶水的粒狀或絮狀物質的疏松結構，含固率一般在0.2%～4.0%。由于污泥固體少、含水量大，如果不經過濃縮處理直接進行板框系統擠壓脫水，則會因物料濃度不穩定，而影響板框系統處理的連續性，且需要更大處理量的系統，其處理成本和場地占用也十分龐大。未經濃縮的待處理污泥水如果長期暴露在空氣中還會因為二次生化反應釋放刺激難聞的有害氣體。采用臥螺離心機濃縮處理系統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，經過和廠區管理部門、技術支持部門和現場操作人員的共同努力，根據現場用戶方提供的廠區結構、結合原離心機系統脫水流程處理效果和目前的需求，對系統進行流程改造(圖4)。經過實驗數據摸索、上述臥螺離心機系統脫水改濃縮的設備機械結構和電氣控制邏輯的修改后，臥螺離心機(LW530濃縮機)的相關主要參數如下：

轉鼓最高轉速 3 000r/min

轉鼓有效長度 2 270mm

轉鼓大端內徑 530mm

差速 2～30r/min

最高分離因數 2 666

差速器形式 液壓差速器+變頻可調

圖4 濃縮系統流程圖

在現場調試階段，對臥螺離心機的轉速、差速、內液池高度進行調整后，系統數據見表1。

表1 濃縮系統運行數據

分析表1數據可知：只改變離心機旋轉速度時，隨著速度的提高，分離因數增大，但濃縮后的污泥含固率不升反降，說明對不同的污水處理需要不同的分離因數，過高的分離因數反而會達不到預期效果；增大污水進料量，提高旋轉體內液池高度，在加快差速的同時，扭矩隨之也有所上升，經測試分離后的污泥含固率穩定在7%～9%，說明將設備轉速降低使分離因數控制在1 150～1 300之間后，提高設備差速、加大擠壓扭矩、提升液池高度，就能使污水的濃縮效果達到用戶對含固率的要求。在實際使用中，臥螺離心機(LW530濃縮機)的設備參數設定如下：

轉鼓轉速 2 100r/min

轉鼓有效長度 2 270mm

轉鼓攔液板高度 294mm

轉鼓出液口數 6

差速 10～15r/min

分離因數 1 306

差速器輸出壓力 1.85MPa

差速器液壓輸入頻率 30Hz

螺旋、轉鼓錐角 8°

進料流量 70～75m3/h

臥螺離心機的結構改動包括：為提高設備單機處理能力，調整螺旋結構，開設中心孔增大液體流量；調整設備差速，加速推料；轉鼓清液口增加，提升清液口高度，解決清液內污泥逃離問題；轉鼓出料口角度調整，降低污泥擠壓壓力；控制系統采用恒扭矩控制，解決進料濃度變化導致的出泥濃度波動過大，防止影響下道處理環節；通過設備改造，使濃縮系統達到了預期的目標，滿足了生產需求。

4 結束語

臥螺離心機系統的改造，使污水處理廠(設備使用)原來可能直接廢棄的設備得到了重新使用的價值，防止了資產簡單粗放的流失。同時，因為系統具備了濃縮功能，直接節省了為板框系統增加濃縮系統的工序。對臥螺離心機生產廠商，開拓了設備在污水處理廠的應用領域，防止了因為國家政策法規的變化而帶來應用領域消失的問題，避免了臥螺離心機大面積退出城市污水處理領域的尷尬處境。因為臥螺離心機控制系統的高自動化、設備分離處理過程全密封性及連續運行的高效率等特點，有效防止了在污水處理過程中異味的排放，減少了對周邊環境以及居民生產生活的影響。

[1] 席瑩本，趙揚.用于城市污水處理用濃縮脫水一體機[J].過濾與分離，2004，14(3)：18～20.

[2] 荊寶德，劉京廣，王彬，等.臥螺離心機轉鼓錐角結構設計及參數優化[J].機械工程學報，2013，49(4)：168～173.

[3] 施震榮.工業離心機選用手冊[M].北京：化學工業出版社，1999：134～138.

[4] 辛舟，尚鴻昊.臥螺離心機離合差動組合機構設計計算[J].機械設計，2009，26(3)：59～61.

[5] 吳培鈞，莫珉珉，馬心如，等.濃縮型離心機用于厭氧污泥無藥澄清與濃縮[J].過濾與分離，2009，19(2)：40～42.

周成蹊(1983-)，工程師，從事機械設計制造及其自動控制工作，chengxi_zhou2010@163.com。

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