國(guó)產(chǎn)大型污泥脫水臥螺離心機(jī)組的研發(fā)應(yīng)用

摘 要：根據(jù)上海某污水處理廠二期擴(kuò)建工程的要求，研究開(kāi)發(fā)LW850 X 3700型臥式離心機(jī)，設(shè)備污水處理量達(dá)到150.6 m3/h，污水處理能力高于國(guó)外同水平進(jìn)口機(jī)器。并針對(duì)進(jìn)泥濃度的變化，對(duì)絮凝劑制備投加設(shè)備及流程、離心機(jī)主體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與數(shù)值測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后的臥螺離心機(jī)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，污水處理能力和分離效果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：臥螺離心機(jī);污泥脫水;國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì);污水處理;現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

中圖分類(lèi)號(hào)：X741 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）34-0035-05

Abstract： According to the requirements of the second phase expansion project of a sewage treatment plant in Shanghai， the LW850 X 3700 horizontal centrifuge was developed. The sewage treatment capacity of the equipment reaches 150.6 m3/h， and the sewage treatment capacity is higher than that of imported foreign machines of the same level. In view of the change of inlet sludge concentration， the flocculant preparation and dosing equipment and process， the main structure and control system of the centrifuge were optimized and improved. On-site debugging and numerical test results show that the optimized horizontal screw centrifuge unit operates stably， and the sewage treatment capacity and separation effect meet the design requirements.

Keywords： horizontal screw centrifuge; sludge dewatering; domestic design; sewage treatment; on-site debugging

中國(guó)的污水處理行業(yè)起步較晚，新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)對(duì)污水處理的需求較小，只在國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)較為突出。改革開(kāi)放之后，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平及生活質(zhì)量有了明顯的提升，對(duì)污水處理的需要也就變得越來(lái)越迫在眉睫。在市政污水的處理過(guò)程中，為避免污泥產(chǎn)生的二次污染，污泥的處理與處置成為了非常重要的一環(huán)。上海市某污水處理廠污泥處置二期工程，選址位于浦東新區(qū)合慶鎮(zhèn)長(zhǎng)江口南岸，占地面積約15.92 hm2。處理對(duì)象為提標(biāo)到一級(jí)A后280萬(wàn)m3/d污水處理產(chǎn)生的污泥，采用離心脫水的工藝對(duì)進(jìn)入01地塊和02地塊儲(chǔ)泥池的污泥進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)規(guī)模為378 tDS/d，其中01地塊設(shè)計(jì)規(guī)模為150 tDS/d，02地塊設(shè)計(jì)規(guī)模為228 tDS/d。出于簡(jiǎn)化工藝流程的考慮，綜合考慮某污水處理的實(shí)際需求，需要使用大處理量的臥螺離心機(jī)以減少設(shè)備數(shù)量。然而由于我國(guó)臥螺離心機(jī)起步較晚，現(xiàn)階段高性能-大處理量的臥螺離心機(jī)尚需進(jìn)口，為了降低生產(chǎn)成本，需要對(duì)臥螺離心機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫。

另一方面，由于工藝的調(diào)整，離心機(jī)的進(jìn)口污水濃度由1.4%提高到了4%，加大了脫水難度。再加上實(shí)際使用過(guò)程中污水進(jìn)泥濃度不穩(wěn)定，增加了工藝控制的難度。

基于上述問(wèn)題，筆者針對(duì)臥螺離心機(jī)的絮凝劑制備投加設(shè)備及流程、機(jī)組主體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 優(yōu)化對(duì)象介紹

1.1 臥螺離心機(jī)的介紹

臥螺離心機(jī)主要部件有：轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送軸、進(jìn)料管、差速器、主電機(jī)、副電機(jī)、機(jī)座和機(jī)罩等，如圖1所示。

臥螺離心機(jī)可用于固-液或固-液-液物料的脫水、濃縮和分離的工藝，對(duì)經(jīng)絮凝處理的物料進(jìn)行脫水或濃縮脫水。分離的目的是使混合液中的固體從液體中分離出來(lái)，或者是把2種互不相溶且比重不同的混合液分離開(kāi)。當(dāng)混合液體進(jìn)入離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓并隨轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)起來(lái)后，這個(gè)分層過(guò)程的速度由于離心力場(chǎng)的作用會(huì)比重力作用下分層過(guò)程的速度大幾千倍加快進(jìn)行（分離因數(shù)是向心加速度與重力加速度的比值）。混合液中的固體顆粒比重較大，受到的離心力也大，迅速沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，而液體則被擠向轉(zhuǎn)鼓中心，液體若是有輕、重二相，則重相靠近轉(zhuǎn)鼓壁，輕相靠近轉(zhuǎn)鼓中心，在二相分離機(jī)中設(shè)置了液相溢流口和固餅出口，在三相分離中設(shè)置了輕相液體和重相液體排出口和固餅出口，并設(shè)置了進(jìn)料口、螺旋推料器，使整個(gè)分離過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。

在市政污泥的處理過(guò)程中，臥螺離心機(jī)自身的性能、絮凝劑制備與混合程度以及臥螺離心機(jī)系統(tǒng)在不同工況下的精準(zhǔn)調(diào)控是十分重要的。但是國(guó)產(chǎn)設(shè)備在這類(lèi)關(guān)鍵問(wèn)題上的解決有待提高，大多數(shù)優(yōu)質(zhì)臥螺離心機(jī)尚依賴進(jìn)口，因此對(duì)臥螺離心機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)是十分重要的。

1.2 污泥脫水工藝流程的介紹

脫水系統(tǒng)主要由LW850 X 3700型臥式離心機(jī)、全自動(dòng)絮凝劑制備投加裝置、污泥切割機(jī)、進(jìn)泥泵、稀釋裝置、加藥泵、污泥螺桿泵、流量計(jì)和全自動(dòng)控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

待處理的污泥由管道接入污泥進(jìn)料系統(tǒng)輸入端，經(jīng)污泥切割機(jī)切碎雜質(zhì)和長(zhǎng)纖維，由污泥進(jìn)料泵進(jìn)料，流量變頻無(wú)級(jí)可調(diào)，通過(guò)流量計(jì)計(jì)量后輸入污泥脫水機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)，沉降分離，達(dá)到最佳進(jìn)料量;絮凝劑（粉劑）在配藥箱中按照比例配制并充分溶解攪拌均勻后，進(jìn)入儲(chǔ)藥箱，由加藥泵根據(jù)脫水工藝要求確定的流量進(jìn)入脫水機(jī)與待處理污泥混合，絮凝成礬花;污泥經(jīng)脫水機(jī)離心分離后，澄清的污水由濾液管道排出;而泥餅則源源不斷地從主機(jī)排渣口排出，再由泥泵輸送至指定的料倉(cāng);待處理的污泥連續(xù)不斷輸入，澄清液及脫水污泥源源不斷連續(xù)排出、輸送是一個(gè)全自動(dòng)處理過(guò)程。上海某單機(jī)工藝流程圖如圖2所示。

2 采取的優(yōu)化方法及措施

2.1 全自動(dòng)絮凝劑制備投加裝置的優(yōu)化

2.1.1 提高絮凝劑的配置效率與效果的措施

針對(duì)污泥進(jìn)料濃度高，影響絮凝劑與污泥的充分混合與充分絮凝反應(yīng)，增加藥劑消耗量等情況。從藥劑入水、混合、分散和溶脹等環(huán)節(jié)著手，制定相應(yīng)的針對(duì)措施，提高絮凝劑的配置效率與效果，其措施包括以下內(nèi)容。

1）改變傳統(tǒng)絮凝劑制備投加裝置粉劑入水的方式，采用真空強(qiáng)制吸入絮凝劑藥粉，使得粉末藥劑入水前得到充分分散，不凝結(jié)、不凝連;其表面得到充分的浸潤(rùn)。

2）溶解箱采用特別設(shè)計(jì)的攪拌裝置，該裝置在攪拌過(guò)程中很少產(chǎn)生剪切力，不會(huì)破壞已經(jīng)溶脹伸展的藥劑高分子鏈，同時(shí)充分地?cái)嚢瓒沟梦茨艹浞秩苊浀乃巹┎粫?huì)沉淀。

3）藥劑溶脹后進(jìn)入熟化階段，為保證藥劑溶脹的時(shí)序性，在熟化箱內(nèi)安裝了全自動(dòng)絮凝劑制備投加裝置，使藥劑按進(jìn)入“熟化箱”時(shí)先后排成隊(duì)列，這樣保證了藥劑配置的熟化程度，還保證了藥劑的品質(zhì)。

2.1.2 全自動(dòng)絮凝劑制備投加裝置的特點(diǎn)

1）藥液配比濃度恒定：0.2%～0.4%，雖然流量不斷變化，但配比濃度保持不變。

2）粉不結(jié)塊，在干粉定量系統(tǒng)中配備了螺旋管道加熱器，可定時(shí)自動(dòng)加熱，從而防止干粉受潮結(jié)塊而卡住傳動(dòng)齒輪，造成設(shè)備損壞。

3）整個(gè)進(jìn)料、進(jìn)水、混合攪拌過(guò)程均為全自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人工，省時(shí)省力，節(jié)約高效。整套裝置內(nèi)設(shè)有流量計(jì)，液位和料位傳感器，在液位和料位低時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)，防止設(shè)備和使用現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)不必要的損壞和損失。

4）系統(tǒng)為連續(xù)配置，即外輸泵工作時(shí)，系統(tǒng)仍可啟動(dòng)配藥過(guò)程，保證外輸泵連續(xù)工作不間斷。

5）藥液的熟化時(shí)間可達(dá)到30 min。

2.2 泥藥混合的優(yōu)化

項(xiàng)目初期設(shè)計(jì)脫水系統(tǒng)進(jìn)泥平均含水率為98.6%，后經(jīng)前端工藝改進(jìn)，平均含水率降低至96%。為應(yīng)對(duì)進(jìn)泥濃度不穩(wěn)定，活性污泥占大部分等問(wèn)題，做出先稀釋再絮凝、在進(jìn)料管中加入混合器等措施，使污泥能夠與絮凝劑充分混合，從而讓污泥固相和液相分離后更易于脫水。如圖3所示，進(jìn)料管內(nèi)腔設(shè)置了螺旋葉片加速器，實(shí)現(xiàn)絮凝劑等添加物的充分預(yù)混合，結(jié)合側(cè)向出料口，給予物料一定離心加速度，提高分離效率。通過(guò)分析應(yīng)用分離物料特性的研究，并設(shè)計(jì)了進(jìn)料管可移動(dòng)機(jī)構(gòu)和多個(gè)螺旋體筒體進(jìn)料腔，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料管在筒體各進(jìn)料腔的定點(diǎn)移動(dòng)，滿足不同物料沉降分離所需投料點(diǎn)，提高離心機(jī)處理能力。

為驗(yàn)證藥泥混合優(yōu)化后的流場(chǎng)情況，基于優(yōu)化前后的進(jìn)料管內(nèi)腔真實(shí)三維結(jié)構(gòu)，開(kāi)展數(shù)值模擬研究，將原有結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)情況作對(duì)比分析，探究?jī)?yōu)化后臥螺離心機(jī)進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)合理性。

圖4為有無(wú)添加螺旋葉片加速器的進(jìn)料管的流場(chǎng)湍流強(qiáng)度對(duì)比情況圖。由該圖可知，添加螺旋葉片后的局部湍流強(qiáng)度更大，湍流強(qiáng)度提高了流場(chǎng)的紊亂性，進(jìn)而使絮凝劑的混合更充分。

圖5為有無(wú)添加螺旋葉片的進(jìn)料管的優(yōu)化前后絮凝劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)比。由圖可知，添加螺旋葉片前，絮凝劑在進(jìn)入進(jìn)料管后，其在中心處濃度大，在管程中流動(dòng)時(shí)，絮凝劑在向前流動(dòng)的同時(shí)向管壁擴(kuò)散，直至結(jié)束，但是由于管程長(zhǎng)度不足，絮凝劑的混合度尚不理想。絮凝劑在進(jìn)料管末尾底部濃度高于頂部是由于重力作用絮凝劑有所沉降導(dǎo)致的。在添加螺旋葉片后，絮凝劑在進(jìn)入進(jìn)料管時(shí)的分布情況與優(yōu)化前的分布情況是相同的。但是在經(jīng)過(guò)添加螺旋葉片加速器時(shí)，絮凝劑被打散。在混流元件的作用下，絮凝劑被打散、混流直至分布均勻。在絮凝劑流過(guò)螺旋葉片后，其基本已經(jīng)均勻分布于進(jìn)料管中。這與圖4分析所得的結(jié)論相同。

2.3 離心機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3.1 出料口優(yōu)化

設(shè)計(jì)了螺旋體直筒體水滴形出料口，如圖6所示，出料口繞直筒體呈螺旋狀流線型分布，即沿徑向等角度分布，并沿軸向等節(jié)距分布。轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)出料時(shí)，形成旋轉(zhuǎn)流線型出料，減小原正圓形出料口直噴出料時(shí)對(duì)沉降分離區(qū)域流體的擾動(dòng)影響，提高離心分離效果。

2.3.2 擋泥板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

轉(zhuǎn)鼓的堰板高度（液池深度h）越高，離心機(jī)的固體回收率越高，液相含固率越低，效果越好。大錐角加擋泥板結(jié)構(gòu)可使堰板高度增高，大大提高了分離效果及離心機(jī)的處理能力。在轉(zhuǎn)鼓直筒段與錐形段間的螺旋體直筒體上設(shè)置圓環(huán)擋泥板，如圖7所示，旋轉(zhuǎn)時(shí)擋泥板外輪廓呈阿基米德螺旋線式增大，阻擋懸浮液并對(duì)污泥進(jìn)行擠壓，降低含水率，其優(yōu)點(diǎn)如下。

1）更大的處理量。

2）更長(zhǎng)的澄清段，上清液更清。

3）更高的液池深度，物料停留時(shí)間長(zhǎng)且對(duì)沉降層沖擊小，絮凝團(tuán)不易破碎，上清液更清。

4）更高的液池深度，加大了對(duì)濾餅的壓榨力，排出的固體渣更干。

5）增加離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的當(dāng)量沉降面積，提高了處理量。

2.4 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)離心機(jī)參數(shù)應(yīng)對(duì)污泥濃度的變化

2.4.1 恒扭矩控制系統(tǒng)

污泥濃度的變化直接導(dǎo)致螺旋扭矩的變化，副電機(jī)變頻器自動(dòng)連續(xù)測(cè)量計(jì)算螺旋推料扭矩，該扭矩信號(hào)送到模塊處理中心，將實(shí)際測(cè)量值和設(shè)定值進(jìn)行比較，得到誤差，該誤差按預(yù)先編制好的程序運(yùn)行。模塊處理中心輸出控制信號(hào)，該信號(hào)輸入被控制的副電機(jī)變頻器，改變其輸出頻率，從而調(diào)整了離心機(jī)的運(yùn)行差轉(zhuǎn)速，利用差轉(zhuǎn)速的變化，從而改變離心機(jī)內(nèi)部的存積物料的多少，使推料螺旋相對(duì)穩(wěn)定地工作在一定的扭矩上，最終離心機(jī)會(huì)工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工況上，從離心機(jī)出渣口排出的物料的含水率也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上。在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可以相對(duì)應(yīng)地提高副電機(jī)的工作扭矩，就會(huì)得到一個(gè)相對(duì)較低且穩(wěn)定的含水率的物料。

恒扭矩控制系統(tǒng)（圖8）的運(yùn)行，使螺旋推料扭矩始終保持穩(wěn)定，使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉泥不產(chǎn)生任何堆積現(xiàn)象，避免了堵料、拉稀的現(xiàn)象發(fā)生。

2.4.2 藥劑精確控制系統(tǒng)

離心機(jī)入口的污泥濃度的變化及污泥流量的變化，會(huì)導(dǎo)致污泥跟絮凝劑的配比發(fā)生改變，使配比達(dá)不到最理想的狀態(tài)，產(chǎn)生了浪費(fèi)藥劑或藥劑不夠的現(xiàn)象。為了解決此問(wèn)題，增加了藥劑精確控制系統(tǒng)，利用污泥濃度計(jì)實(shí)時(shí)采集離心機(jī)進(jìn)出口的污泥濃度，傳送至控制中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、運(yùn)算，計(jì)算出絮凝劑的實(shí)時(shí)需求數(shù)據(jù)，并控制絮凝劑添加泵，對(duì)絮凝劑的添加量進(jìn)行控制，以達(dá)到最理想的藥劑配比狀態(tài)，使脫水系統(tǒng)得到相對(duì)理想的產(chǎn)品及藥劑損耗。

3 效果及應(yīng)用情況

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

由表1可知，進(jìn)泥含水率在96%左右的條件下，每臺(tái)機(jī)組的處理能力在87～90 m3/h;每噸絕干基藥劑消耗為3.36～3.56 kg，出泥含水率小于80%等，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)備性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好。

3.2 處理量的標(biāo)定

經(jīng)浙江省機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)所有限公司檢測(cè)/標(biāo)定，在進(jìn)料濃度1.4%時(shí)，機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行，振動(dòng)小，噪聲小，固相含水率77.2%，排液含固率787 mg/L，處理能力150.6 m3/h。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)大型LW850 X 3700臥式離心機(jī)組在上海市某污水處理公司的優(yōu)化調(diào)試過(guò)程表明，經(jīng)自主改良設(shè)計(jì)，優(yōu)化后機(jī)組的污水處理能力與在惡劣工況下的性能有顯著提高，基本滿足了設(shè)計(jì)需求，為上海某污水處理廠的穩(wěn)定高效運(yùn)行提供了有力保障，其優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程可為同類(lèi)設(shè)備提供借鑒。

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基金項(xiàng)目：浙江省“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2023C03146）

作者簡(jiǎn)介：周凌峰（1973-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榄h(huán)保裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)。