国产大型污泥脱水卧螺离心机组的研发应用

摘 要：根据上海某污水处理厂二期扩建工程的要求，研究开发LW850 X 3700型卧式离心机，设备污水处理量达到150.6 m3/h，污水处理能力高于国外同水平进口机器。并针对进泥浓度的变化，对絮凝剂制备投加设备及流程、离心机主体结构和控制系统进行优化改进设计。现场调试与数值测试结果表明，优化后的卧螺离心机机组运行稳定，污水处理能力和分离效果均达到设计要求。

关键词：卧螺离心机;污泥脱水;国产化设计;污水处理;现场调试

中图分类号：X741 文献标志码：A 文章编号：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

中国的污水处理行业起步较晚，新中国成立以来，我国对污水处理的需求较小，只在国防和工业领域表现较为突出。改革开放之后，随着国民经济的快速发展，人民生活水平及生活质量有了明显的提升，对污水处理的需要也就变得越来越迫在眉睫。在市政污水的处理过程中，为避免污泥产生的二次污染，污泥的处理与处置成为了非常重要的一环。上海市某污水处理厂污泥处置二期工程，选址位于浦东新区合庆镇长江口南岸，占地面积约15.92 hm2。处理对象为提标到一级A后280万m3/d污水处理产生的污泥，采用离心脱水的工艺对进入01地块和02地块储泥池的污泥进行处理。设计规模为378 tDS/d，其中01地块设计规模为150 tDS/d，02地块设计规模为228 tDS/d。出于简化工艺流程的考虑，综合考虑某污水处理的实际需求，需要使用大处理量的卧螺离心机以减少设备数量。然而由于我国卧螺离心机起步较晚，现阶段高性能-大处理量的卧螺离心机尚需进口，为了降低生产成本，需要对卧螺离心机进行优化设计，实现关键技术国产化迫在眉睫。

另一方面，由于工艺的调整，离心机的进口污水浓度由1.4%提高到了4%，加大了脱水难度。再加上实际使用过程中污水进泥浓度不稳定，增加了工艺控制的难度。

基于上述问题，笔者针对卧螺离心机的絮凝剂制备投加设备及流程、机组主体结构和控制系统进行了优化设计，经现场试验验证，达到设计要求。

1 优化对象介绍

1.1 卧螺离心机的介绍

卧螺离心机主要部件有：转鼓、螺旋输送轴、进料管、差速器、主电机、副电机、机座和机罩等，如图1所示。

卧螺离心机可用于固-液或固-液-液物料的脱水、浓缩和分离的工艺，对经絮凝处理的物料进行脱水或浓缩脱水。分离的目的是使混合液中的固体从液体中分离出来，或者是把2种互不相溶且比重不同的混合液分离开。当混合液体进入离心机转鼓并随转鼓高速旋转起来后，这个分层过程的速度由于离心力场的作用会比重力作用下分层过程的速度大几千倍加快进行（分离因数是向心加速度与重力加速度的比值）。混合液中的固体颗粒比重较大，受到的离心力也大，迅速沉降到转鼓内壁，而液体则被挤向转鼓中心，液体若是有轻、重二相，则重相靠近转鼓壁，轻相靠近转鼓中心，在二相分离机中设置了液相溢流口和固饼出口，在三相分离中设置了轻相液体和重相液体排出口和固饼出口，并设置了进料口、螺旋推料器，使整个分离过程连续进行。

在市政污泥的处理过程中，卧螺离心机自身的性能、絮凝剂制备与混合程度以及卧螺离心机系统在不同工况下的精准调控是十分重要的。但是国产设备在这类关键问题上的解决有待提高，大多数优质卧螺离心机尚依赖进口，因此对卧螺离心机设备及系统的优化改进是十分重要的。

1.2 污泥脱水工艺流程的介绍

脱水系统主要由LW850 X 3700型卧式离心机、全自动絮凝剂制备投加装置、污泥切割机、进泥泵、稀释装置、加药泵、污泥螺杆泵、流量计和全自动控制系统等构成。

待处理的污泥由管道接入污泥进料系统输入端，经污泥切割机切碎杂质和长纤维，由污泥进料泵进料，流量变频无级可调，通过流量计计量后输入污泥脱水机，高速旋转，沉降分离，达到最佳进料量;絮凝剂（粉剂）在配药箱中按照比例配制并充分溶解搅拌均匀后，进入储药箱，由加药泵根据脱水工艺要求确定的流量进入脱水机与待处理污泥混合，絮凝成矾花;污泥经脱水机离心分离后，澄清的污水由滤液管道排出;而泥饼则源源不断地从主机排渣口排出，再由泥泵输送至指定的料仓;待处理的污泥连续不断输入，澄清液及脱水污泥源源不断连续排出、输送是一个全自动处理过程。上海某单机工艺流程图如图2所示。

2 采取的优化方法及措施

2.1 全自动絮凝剂制备投加装置的优化

2.1.1 提高絮凝剂的配置效率与效果的措施

针对污泥进料浓度高，影响絮凝剂与污泥的充分混合与充分絮凝反应，增加药剂消耗量等情况。从药剂入水、混合、分散和溶胀等环节着手，制定相应的针对措施，提高絮凝剂的配置效率与效果，其措施包括以下内容。

1）改变传统絮凝剂制备投加装置粉剂入水的方式，采用真空强制吸入絮凝剂药粉，使得粉末药剂入水前得到充分分散，不凝结、不凝连;其表面得到充分的浸润。

2）溶解箱采用特别设计的搅拌装置，该装置在搅拌过程中很少产生剪切力，不会破坏已经溶胀伸展的药剂高分子链，同时充分地搅拌而使得未能充分溶胀的药剂不会沉淀。

3）药剂溶胀后进入熟化阶段，为保证药剂溶胀的时序性，在熟化箱内安装了全自动絮凝剂制备投加装置，使药剂按进入“熟化箱”时先后排成队列，这样保证了药剂配置的熟化程度，还保证了药剂的品质。

2.1.2 全自动絮凝剂制备投加装置的特点

1）药液配比浓度恒定：0.2%～0.4%，虽然流量不断变化，但配比浓度保持不变。

2）粉不结块，在干粉定量系统中配备了螺旋管道加热器，可定时自动加热，从而防止干粉受潮结块而卡住传动齿轮，造成设备损坏。

3）整个进料、进水、混合搅拌过程均为全自动运行，无需人工，省时省力，节约高效。整套装置内设有流量计，液位和料位传感器，在液位和料位低时输出报警信号，防止设备和使用现场出现不必要的损坏和损失。

4）系统为连续配置，即外输泵工作时，系统仍可启动配药过程，保证外输泵连续工作不间断。

5）药液的熟化时间可达到30 min。

2.2 泥药混合的优化

项目初期设计脱水系统进泥平均含水率为98.6%，后经前端工艺改进，平均含水率降低至96%。为应对进泥浓度不稳定，活性污泥占大部分等问题，做出先稀释再絮凝、在进料管中加入混合器等措施，使污泥能够与絮凝剂充分混合，从而让污泥固相和液相分离后更易于脱水。如图3所示，进料管内腔设置了螺旋叶片加速器，实现絮凝剂等添加物的充分预混合，结合侧向出料口，给予物料一定离心加速度，提高分离效率。通过分析应用分离物料特性的研究，并设计了进料管可移动机构和多个螺旋体筒体进料腔，实现进料管在筒体各进料腔的定点移动，满足不同物料沉降分离所需投料点，提高离心机处理能力。

为验证药泥混合优化后的流场情况，基于优化前后的进料管内腔真实三维结构，开展数值模拟研究，将原有结构与优化后结构的流场情况作对比分析，探究优化后卧螺离心机进料管的结构合理性。

图4为有无添加螺旋叶片加速器的进料管的流场湍流强度对比情况图。由该图可知，添加螺旋叶片后的局部湍流强度更大，湍流强度提高了流场的紊乱性，进而使絮凝剂的混合更充分。

图5为有无添加螺旋叶片的进料管的优化前后絮凝剂体积分数对比。由图可知，添加螺旋叶片前，絮凝剂在进入进料管后，其在中心处浓度大，在管程中流动时，絮凝剂在向前流动的同时向管壁扩散，直至结束，但是由于管程长度不足，絮凝剂的混合度尚不理想。絮凝剂在进料管末尾底部浓度高于顶部是由于重力作用絮凝剂有所沉降导致的。在添加螺旋叶片后，絮凝剂在进入进料管时的分布情况与优化前的分布情况是相同的。但是在经过添加螺旋叶片加速器时，絮凝剂被打散。在混流元件的作用下，絮凝剂被打散、混流直至分布均匀。在絮凝剂流过螺旋叶片后，其基本已经均匀分布于进料管中。这与图4分析所得的结论相同。

2.3 离心机内部结构优化

2.3.1 出料口优化

设计了螺旋体直筒体水滴形出料口，如图6所示，出料口绕直筒体呈螺旋状流线型分布，即沿径向等角度分布，并沿轴向等节距分布。转鼓高速旋转出料时，形成旋转流线型出料，减小原正圆形出料口直喷出料时对沉降分离区域流体的扰动影响，提高离心分离效果。

2.3.2 挡泥板结构优化

转鼓的堰板高度（液池深度h）越高，离心机的固体回收率越高，液相含固率越低，效果越好。大锥角加挡泥板结构可使堰板高度增高，大大提高了分离效果及离心机的处理能力。在转鼓直筒段与锥形段间的螺旋体直筒体上设置圆环挡泥板，如图7所示，旋转时挡泥板外轮廓呈阿基米德螺旋线式增大，阻挡悬浮液并对污泥进行挤压，降低含水率，其优点如下。

1）更大的处理量。

2）更长的澄清段，上清液更清。

3）更高的液池深度，物料停留时间长且对沉降层冲击小，絮凝团不易破碎，上清液更清。

4）更高的液池深度，加大了对滤饼的压榨力，排出的固体渣更干。

5）增加离心机转鼓的当量沉降面积，提高了处理量。

2.4 实时调节离心机参数应对污泥浓度的变化

2.4.1 恒扭矩控制系统

污泥浓度的变化直接导致螺旋扭矩的变化，副电机变频器自动连续测量计算螺旋推料扭矩，该扭矩信号送到模块处理中心，将实际测量值和设定值进行比较，得到误差，该误差按预先编制好的程序运行。模块处理中心输出控制信号，该信号输入被控制的副电机变频器，改变其输出频率，从而调整了离心机的运行差转速，利用差转速的变化，从而改变离心机内部的存积物料的多少，使推料螺旋相对稳定地工作在一定的扭矩上，最终离心机会工作在一个相对稳定的工况上，从离心机出渣口排出的物料的含水率也会相对稳定在一个数值上。在系统调试时，可以相对应地提高副电机的工作扭矩，就会得到一个相对较低且稳定的含水率的物料。

恒扭矩控制系统（图8）的运行，使螺旋推料扭矩始终保持稳定，使转鼓内沉泥不产生任何堆积现象，避免了堵料、拉稀的现象发生。

2.4.2 药剂精确控制系统

离心机入口的污泥浓度的变化及污泥流量的变化，会导致污泥跟絮凝剂的配比发生改变，使配比达不到最理想的状态，产生了浪费药剂或药剂不够的现象。为了解决此问题，增加了药剂精确控制系统，利用污泥浓度计实时采集离心机进出口的污泥浓度，传送至控制中心，进行数据比较、运算，计算出絮凝剂的实时需求数据，并控制絮凝剂添加泵，对絮凝剂的添加量进行控制，以达到最理想的药剂配比状态，使脱水系统得到相对理想的产品及药剂损耗。

3 效果及应用情况

3.1 现场测试数据及分析

由表1可知，进泥含水率在96%左右的条件下，每台机组的处理能力在87～90 m3/h;每吨绝干基药剂消耗为3.36～3.56 kg，出泥含水率小于80%等，各项指标均满足设计要求，设备性能稳定，运行良好。

3.2 处理量的标定

经浙江省机电产品质量检测所有限公司检测/标定，在进料浓度1.4%时，机器稳定运行，振动小，噪声小，固相含水率77.2%，排液含固率787 mg/L，处理能力150.6 m3/h。

4 结束语

国产大型LW850 X 3700卧式离心机组在上海市某污水处理公司的优化调试过程表明，经自主改良设计，优化后机组的污水处理能力与在恶劣工况下的性能有显著提高，基本满足了设计需求，为上海某污水处理厂的稳定高效运行提供了有力保障，其优化设计过程可为同类设备提供借鉴。

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基金项目：浙江省“领雁”研发攻关计划项目（2023C03146）

作者简介：周凌峰（1973-），男，高级工程师。研究方向为环保装备的研发设计。