1 前言

隨著我國國民經濟的發展，工業廢水、生活污水的排放量日益增加，為了保護生態環境，保護人民的身體健康，提高水環境質量，污水必須經過凈化處理達標后才能排放。目前我國的污水處理量和處理規模在近10多年內迅速增長。在一個標準的污水處理廠或企業的污水處理系統中，工藝所需的機械設備有很多，主要包括格柵、刮泥機、攪拌機、輸送機、鼓風機、各種輸送泵、脫水機等等。其中，目前國內污水處理系統中所選用的污泥脫水設備，以板框壓濾機、帶式壓濾機和離心機為主。本文通過對離心機各種機型，以及主要機型的結構介紹，并結合污泥的性質，來講述在污水處理系統中如何結合實際工藝，更好的選擇適用的離心機。

2 臥式沉降螺旋卸料離心機的分類

按應用領域主要分為兩大類：

一類是：水處理領域中的應用。市政上水、下水，各類工業生產廢水，垃圾處理廠滲濾液，土木、隧道的泥水，造紙排放水，化學工廠排放水等等。在這類領域中，應用較為廣泛的是臥式沉降螺旋卸料離心機的基本通用型。其結構的通用優勢，使得該類機型應用在基本的固液分離工藝中非常的廣泛。

另一類是：制造工序中的應用。由于不同制造工藝、不同的物料特性、不同的離心要求，對離心機本身的要求就有各種特殊要求了。其中再細分一下，可分為三類：

（1）礦鋼業：礦渣、黏土、高嶺土、銅粉、鐵粉、煤粉等。該類機型需要對離心機的耐磨性有非常高的要求。針對螺旋葉片、螺旋出料口、轉鼓出料口等關鍵部位進行耐磨的優化設計。采用安裝特制的陶瓷和硬質合金。

（2）食品、藥品工業：淀粉（玉米淀粉、馬鈴薯、甘薯）、酵母、果汁、飲料、各類藥品等。該類機型對轉鼓和螺旋的加工要求比較高，有些需要有特殊的鏡面處理工藝，以及轉鼓內留停機殘液的自動排放，并在罩殼內裝備了完整的洗凈機構來滿足醫藥行業規范。

（3）化學工業：合成樹脂、棕櫚油、廢油、聚合物、電子、半導體生產排放水工程等。化工領域工藝的復雜性和生產工藝的特殊性，機型結構分類很多，包括其中分離油、水、固體在同一分離過程中實現的三相分離機；以及分離因數達到8000以上的超高轉速的臥式沉降螺旋卸料離心機來實現高黏度液、微小離子的分離。

臥式沉降螺旋卸料離心機根據分離的對象不同，其在結構上也非常多樣，用行業內的一句話定論是：“一料一機”。換句話說就是針對不同的物料，需要選用不同結構的離心機。在此，我們圍繞在水處理環保領域中，主要以生活污水、工業污水為例，結合污水的特點，通過對離心機結構的分析，進行論述離心機的選用。

3 污泥處理的現狀及背景

在污水處理過程中，產生的大量污泥，其數量約占處理水量的0.3%～0.5%左右（以含水率為97%計）。污泥的處理在污水處理廠中占的建設費用和運行費用比重都很高，所以污泥的處理是污水處理系統非常重要的組成部分。關于污泥處理的工藝已經比較成熟，通過對生污泥（生污泥包括：初次沉淀污泥、剩余活性污泥和腐殖污泥）采用濃縮、消化、機械脫水、自然干化、堆肥、干燥焚燒等工藝方案的不同組合，來實現對污泥的處置。主要有三類方案：

第一類，以消化處理為主，通過消化過程中產生的生物能即沼氣，來作為能源利用，可以用做燃料或發電。這種消化方案在國外應用很多，而在國內，我們往往在對污泥進行濃縮完以后，直接進行機械脫水處理，很少有污水處理廠進行消化處理，即便采用了消化工藝，其實際運營又受消化過程中的工藝數據（如溫度控制、營養控制、混合等因素）影響，使得實際效果也相差很遠，而且所產生的沼氣，國內污水處理廠也很少有進行能源利用的。因此該類方案，在我國沒有充分發揮好其能源再利用的優勢。

第二類，以堆肥、農用為主，這受污泥條件限制，發展規模也是相當有限。

第三類，以干燥焚燒為主，該方案現在在國內屬于大家追捧的寵兒。國內目前在建的項目，很多均以此方案為主，但是污泥并不是簡單能通過焚燒解決了事。此類方案不光要考慮污泥的可燃值，更要考慮燃燒后的環保處理，并且能夠實現將焚燒產生的熱能再利用。但更重要的是，工藝過程中的關鍵技術和設備我們還是主要依賴于進口，在投資和運行成本上需要值得斟酌。

所以污泥處理的方案還是應該以綜合處理為主。尤其污泥的處置要考慮污泥性質，當地的環境特點和投資運行管理情況等綜合因素，需要以填埋、堆肥、干化、焚燒相結合。據有關資料介紹，包括美、英、法、德、日、澳和北歐國家在內，目前污泥處置手段的綜合比例約為：填埋處置占39%；堆肥處置占12%；干化處置占21%；焚燒處置占23%；其他方法占5%。

無論污泥如何處理，污泥的脫水問題一直是污水處理系統中重要的一個環節。因為污泥脫水的好壞將影響到后續污泥的處理，其污泥的含水率的高低，對污泥處理的成本影響非常之大。尤其對需要進行后續干化或焚燒的污泥，其含水率將直接影響熱能平衡所需要投入的運行成本。即便是進行填埋等其他處置方法，污泥的含水率也將影響污泥的體積和重量，對處置的成本也是影響很大。目前在國內污水處理廠中，絮凝劑投加的運行成本也是脫水系統所占比重較大的。再者，在“節能減排”的大環境下，能耗的使用也成為污水處理系統中的一個熱門問題。影響這些因素較直接的就是臥式沉降螺旋卸料離心機的合理選用和正確應用。

4 離心機結構與工作原理

臥式沉降螺旋卸料離心機是依靠固液兩相的密度差，在離心力場的作用下，加快固相顆粒的沉降速度來實現固液分離。

轉鼓前方設計有一個錐段，根據物料性質的不同，按照設定的速度高速旋轉。物料在轉鼓內壁以設定的轉速旋轉，沿著轉鼓殼體形成同心液層，稱為液環層。物料內所含的固體在離心力的作用下沉積到轉鼓壁上，再通過螺旋的運轉將固體干料推出轉鼓。轉鼓的運轉速度直接決定分離因數，一般講轉速高，分離因數大，固體中的含水率低，而螺旋的速差則直接影響到轉送到轉鼓外的固體含水率，它對處理量、停留時間和固體排出都有直接影響。

這種結構也是我們所說的基本通用型離心機。然而污泥處理往往圍繞著這幾個主要問題展開：

（1）脫水后的污泥含水率要低。

（2）上清液的回收率要高。

（3）單位絕干泥所需要添加的絮凝劑量要少。

（4）離心機的能耗要降低。

這幾個問題的解決，直接有效的就是通過離心機的合理選型、結構的合理設計和選擇合適的配置等多種因素進行改善。而且這些問題都是相互關聯，互相影響。

5 應用于污泥脫水中離心機的關鍵技術

5.1 選用合適的分離因數

通常為實現更好的分離效果，大多采用提高離心機的分離因素，即提高離心機轉子的轉速來達到目的。但是，并不是說分離因數越高，分離的效果越好。有一個很關鍵的問題在于我們所分離的對象是污泥絮體。在20世紀70年代，開發出的低速離心機（也就是目前廣泛應用的通用型臥式沉降螺旋卸料離心機）專門用于污泥脫水，該離心機與應用于其他行業和領域中的離心機區別在于分離因數。其分界點是分離因數3000，也就是離心力為3000G（G為重力加速度）。應用于對絮凝的污泥進行脫水的離心機的分離因數必須≤3000，因污泥絮體較輕并且疏松，如采用高速離心機很容易被甩碎。而低速離心機由于轉速低，其動力消耗、機械磨損、噪聲等都比較低，所以在污泥脫水領域中廣泛推廣起來，逐步在取代帶式壓濾機的板框壓濾機。其一關鍵是，污泥絮體在收到離心力的作用下，不會因為過大的摩擦力（污泥絮體由離心力所產生的與轉鼓內壁的摩擦力）而受到螺旋葉片推進時，將絮凝好的大污泥絮體攪碎，使效果適得其反。其二關鍵是，低轉速使得泥餅在向前推進時，在不斷被離心壓密而不會因受到螺旋的旋轉推進所引起進泥的攪動（泥餅的攪動主要受離心機的差速影響，下文有進一步詳細介紹）而影響分離效果。此外轉鼓內的水深容積比較大，有利于提高水力負荷和固體負荷，更能適量節省絮凝劑的用量。

目前的污泥種類主要分初次沉淀污泥、活性污泥、腐殖污泥、消化污泥均由親水性帶負電荷的膠體顆粒組成，揮發性固體含量高、比阻值大（比阻值越大，脫水越困難）。特別是活性污泥的有機分散包括平均顆粒在1.0～100u之間的超膠體顆粒及由膠體顆粒聚集的大顆粒所組成，所以其比阻值較大，脫水較為困難。所以絮凝劑的作用就是有效降低了比阻值，改善了脫水性能。以我們市政污水處理的經驗總結，不同的污泥，只有進行合適的分離因素選擇，合適的加藥量的投加才能達到較佳的效果。過高的分離因數帶來的實際效果與分離因數的增加比例不明顯，而且會更容易破壞污泥絮體。所以在參數選擇時可以根據下表數據進行調整。

5.2 增加離心機的長徑比

長徑比：離心機轉子的有效工作長度與轉鼓工作內徑的比值。通常來說，長徑比對于污泥脫水應用中，其數值越大其帶來的分離效果越好。但是，長徑比越大的離心機，其轉速的提升就非常困難。目前在國內市場應用于污泥脫水中的離心機，主流的長徑比在3.7～4.4左右。隨著離心機應用技術的提高，裝備制造加工設備的提升和材料科學的迅速發展，使得分離因數達到3000，長徑比為5.0的臥式沉降螺旋卸料離心機成為可能，國際許多離心機生產廠商和國內少數離心機生產廠商將此技術開始應用于污泥脫水中。長徑比的優點是：增加了泥餅在轉鼓內的脫水段的停留時間和清液在轉鼓內的沉降段的停留時間。停留時間的長短將直接影響泥餅脫水后的含水率和上清液的回收率。

以同樣的分離因數、同樣的轉鼓錐角設計、同樣的轉鼓水深容積設計，在達到相同的分離效果前提下，長徑比每增加0.1，其絮凝劑的投加量將減少5～8%。其對實際運行的成本影響是非常可觀的。

5.3 轉鼓的錐角和清液的溢流口的設計

離心機的轉鼓錐角大小的設計和清液的溢流口高低設計，將很明顯的影響污泥脫水的效果。在同樣的液池深的前提下，對不同錐角設計的離心機進行比較，可以看出，12°錐角的脫水段小于8°錐角的脫水段，而12°錐角的沉降段大于8°錐角的沉降段。從以上比較可知：12°錐角的離心機由于沉降段較長更有利于上清液回收率的提高，8°錐角的離心機由于脫水段較長其更有利于獲得較低的泥餅含水率。

以同樣的錐角為標準，通過調節轉鼓上的溢流口高低，從而來改變液池深度的大小，達到調整脫水段和沉降段的大小，通過此技術的調整，可以滿足不同要求的分離效果。當液池深度較低時，其脫水段就比較長，對提高泥餅干度有較大影響。反之，則可以得到更高的上清液回收率。溢流口的調整往往都是通過離心機廠家在現場調試時，實現該功能的較佳狀態。

5.4 螺旋結構的特殊設計

離心機的螺旋設計，是整臺離心機的核心部分，分離不同的物料和應用于其他行業中，螺旋是至關重要的。在螺旋設計中，應用于污泥脫水中，有兩點技術比較重要：

（1）螺旋的進料腔（也可以稱其為布料腔）的合理設計。該進料腔的作用是將從進料管中出來的污泥進行分布，讓污泥均勻的進入到受離心力作用下的分離腔內，實現固液分離。其腔體的設計有多種多種方式，可采用導流式、空腔式、多孔式等，其各種方式針對的污泥特性也不一樣，這需要進行設計微調或者進行二次設計。

（2）特殊的螺旋葉片結構。由于污泥的特性不同，污泥的進料濃度變化也很大，從進料濃度0.6～4%都有。所以在進行螺旋葉片設計時就需要考慮污泥的進料濃度，通過對固液分層的理論計算，可得到較合理的開孔大小。螺旋葉片開孔適用于濃度較稀的有機物含量較高的污泥脫水，其優點在于：污泥濃度較稀的時候，在離心機選型時需要考慮離心機的水力負荷能力，而非固體負荷。在正常運轉時，在離心機轉子內，單位的通水量增加，從而對離心機轉子內的液體的流速就大為提高，通常會影響已沉降的固體層，進而導致上清液回收率增加。而螺旋葉片這一改進，大大減少了因流體在離心力的作用下對已沉降的固體層的攪動，并且縮短了澄清液的流通時間。

5.5 離心機的差速

泥餅在離心機轉鼓內是通過螺旋的輸送，實現連續不斷的出泥。其泥餅在離心機內停留時間除了受長徑比的影響，主要的是由離心機的差轉速決定。差速大，泥餅推進速度快，在轉鼓內的脫水段停留時間短，脫水后泥餅含水率高；反之，差速小，泥餅推進速度慢，在轉鼓內的脫水段停留時間長，脫水后泥餅含水率低。

更重要的是差速大的話，螺旋的攪動力大，對污泥絮體的攪動和剪切力都增大，使得絮凝效果變差，不僅浪費絮凝劑，也使得分離效果變差；反之，差速小的話，螺旋的攪動力小，對污泥絮體的攪動和剪切力都變小，對絮凝效果影響不大，也提高了分離效果。

為了實現小差速就必須要有更大的扭矩為前提保證，所以選擇合適的差速器則成為關鍵。瑞士Viscotherm公司將液壓差速技術應用于離心機上，開發出其他公司專利的應用于各種離心機上的液壓差速器，其特點就是具有高扭矩、小差速，推料扭矩自動補償，差速自動調整等特性，來保證離心機分離泥餅的恒干度。當這一技術得到實現，在差速器的應用上，各離心機廠家也進行了一番技術革新。通過學習液壓差速這一顯著的特點，設計了雙變頻雙電機的驅動方式，從而改變了原有的通過更換皮帶輪來調節差速的機械差速系統。目前在市場上常見的差速驅動方式有：雙變頻雙電機液壓差速系統、雙變頻雙電機機械差速系統。

這兩種差速通過比較，我們可以得出，液壓差速器的驅動形式擁有所有差速器（行星、擺線等）公認的特點：

（1）具有高扭矩，是一般機械差速器扭矩輸出的2～4倍（與同等體積的差速器相比）》

（2）具有差速自動調整，推料功率（扭矩）自動補償。在離心力及錐端雙向擠壓力下，提高了脫水固體的輸出量。

（3）能在小差速下輸送，一般液壓小差速可達0.3r/min，而機械差速器小差速3～5r/min，相差10余倍，即污泥在分離過程停留時間多增加10余倍，使物料停留時間更長，出泥更干。

（4）轉筒與螺旋輸送器在小差速下工作使物料在螺旋推料面上磨損更小，延長了螺旋使用壽命。

應用了液壓差速系統，該技術突破了離心機的傳統的設計理念。在離心機錐角設計和螺旋葉片的設計過程中，原有的技術為防止錐段物料架橋的現象出現，通常都采用控制固體負荷，來避免架橋而引起的堵料現象。而應用了液壓差速系統，其大扭矩、小差速的技術，改善了這一情況，并使得污泥在錐部可以同時受到離心力作用，還同時受到前后葉片的雙向擠壓力作用，這樣可以進一步提高污泥脫水的干度。當污泥進料濃度發生變化時，液壓差速系統的推料扭矩自動補償，差速自動調整，從而保證了污泥脫水的恒干度效果。

通過上述五方面的技術提高，我們可以將污泥脫水調整到一個較佳的狀態。然而同樣都是污泥處理，但由于污泥受其類別、成分和工藝的影響，污泥的脫水特性都不一樣，所以應用于污泥脫水的臥式沉降螺旋卸料離心機也可以用“一料一機”進行定論，雖然離心機的整體結構沒有太大變化，但對于上文所提到的五個關鍵技術的應用就非常重要。我們這里就通過對目前污水處理廠中較為常見的活性污泥進行分析。

6 離心機在活性污泥中的應用

活性污泥的比阻值是我們在污水廠所見的污泥中較大的，而且其揮發性固體含量高，有機物的比率一般占到了60～70%，更甚者達到70～80%含量，有機物愈大，非游離水愈多，污泥脫水性更差，設計微調離心機結構及合理的長徑比轉差速就顯得尤為重要。

（1）由于活性污泥中的揮發性固體含量高、比阻值大。特別是其的有機分散的平均顆粒在1.0～100u之間的超膠體顆粒及由膠體顆粒聚集的大顆粒很多，所以預處理這一過程非常關鍵，在聚丙烯酰胺（簡稱PAM）的充分熟化和稀釋（與污泥混合的稀釋濃度為0.8～1‰）的前提下，PAM與污泥的混合點的選擇很重要，對于活性污泥的混合點目前實際應用中均設置在離心機的進料口前端。而離心機的螺旋進料腔的設計就很關鍵，上文所講述的進料腔的優化設計就提高了污泥絮凝效果。因為在離心機的螺旋進料腔內，雖然是時間很短，但是其是一個高離心力的動態絮凝過程，加速了絮凝反應的時間。我們螺旋進料腔的優化設計，可以使得污泥絮凝在不受外力破壞的作用下達到一個較佳的效果。

（2）由于活性污泥的進料濃度不同，對離心機螺旋結構的設計也影響很大。目前，國內從二次沉淀池輸送進離心機進行脫水的污泥主要有三種：一種是進行過濃縮、均質，其污泥的濃度在2～4%之間。另一種是直接進均質池，其污泥的濃度一般在0.6～1%。第三種是與一部分初次沉淀池來的污泥在均質池內混合，其污泥濃度一般在1～2%之間。這三種不同污泥進離心機進行脫水，其同樣的離心機工藝參數得到的效果將大為不同。為了適應不同的情況，離心機的螺旋在設計過程中進行了改良，就如上文所講述的葉片開孔設計，開孔的高低，需要根據污泥的進料濃度和污泥的特性進行二次設計。螺旋葉片這一改進，大大減少了因流體在離心力的作用下對已沉降的固體層的攪動，并且縮短了澄清液的流通時間，防止因液體的高速水流帶走一部分污泥，而影響分離的上清液的回收率。

（3）對于活性污泥來說，盡可能的選用大長徑比離心機。毋庸置疑，大長徑比的離心機在污水處理領域中的優勢是顯著的。更長的沉降段和脫水段，為保證污泥的含水率和上清液的回收率都起到直接有效的作用。

（4）選用合適的差速系統。差速系統是離心機的心臟。液壓差速優勢也已經得到國際上廣泛的認可，雖然其比機械差速較高的成本投入，但通過日常的運營中得到更多的回報。

（5）綜合因素。各離心機廠家所實際應用的離心機結構技術不同，在污泥脫水中的實際應用情況也有很多不同。我們只能通過客觀的分析來定論離心機的適用性。但是在污水行業中對污泥分離要求不斷在提高，對于離心機的技術改進需要“因人而異”。

7 結束語

臥式沉降螺旋卸料離心機的應用有著其特有的定性“一料一機”，不僅是應用于制造工序還是應用于水處理系統中。關于對臥式沉降螺旋卸料離心機其中每個關鍵技術均有很多的論述，本文僅以在污泥脫水工序中，所適用的離心分離技術進行了介紹。