1 臥螺離心脫水機簡介及影響因素

臥螺離心機全稱是臥式螺旋卸料離心機，它有沉降和過濾兩種形式，可以連續裝卸料運轉，目前應用較多的是沉降式。因此，常用的臥螺離心機也稱臥式螺旋卸料沉降離心機，其主要作用是利用離心力的作用將固體從液體中分離出來（即兩相分離）。

1.1 臥螺離心機的發展和優勢

目前，國內的大部分污水處理廠都使用帶式壓濾機進行污泥脫水，而臥螺離心機的使用卻比較少。其原因是離心式脫水機的噪音大、能耗高。近年來，由于臥螺離心脫水機具有獨特的優勢，使得它在國內的應用越來越廣泛。臥螺離心脫水機已經成為繼板框壓濾機和帶式壓濾機之后，又一代新型的污泥脫水設備。

與帶式壓濾機相比，臥螺式離心脫水機具有如下優點：

（1）維護簡單。臥螺式離心脫水機利用離心沉降原理進行固液分離，不使用濾網，減少了沖洗濾網工作，也不用定期更換濾網。

（2）操作簡單，自動化程度高。臥螺離心脫水機在進行污泥脫水時，隨著進泥濃度和進泥量的變化，離心機的差速和扭矩值能夠適時自動做出調整以適應進料量的變化，不需要操作人員進行調控。與之相反的是帶式機在脫水過程中需要有專人根據進泥情況進行調控，且對操作人員要求較高。

（3）節省絮凝劑投加量。臥螺離心機利用離心原理進行脫水，細小的污泥也可以與水分離，所以絮凝劑的投加量較少，一般為：1.2kg/tDS。而帶式壓濾機由于濾帶孔徑限制，所以需投加較多的絮凝劑使污泥形成較大絮團才能避免污泥透過濾帶，一般投加量為3kg/tDS。

（4）占用面積小，對工作車間污染小。與帶式脫水機相比，臥螺離心式脫水機對工作空間要求比較小，與之配套的機械設備少，在運行的過程中無污水、污泥和臭氣外溢，運行時對所在空間的污染少，能夠更好保證操作人員的身體健康。

從上面幾點可以看出，臥螺式離心機在維護保養、運行調試、絮凝劑使用量及對工作環境的影響方面比帶式壓濾機有明顯的優勢。

1.2 臥螺離心機原理

臥螺離心機，是污水處理廠中一種廣泛應用的污泥脫水處理設備。雖然不同生產廠家的不同規格或型號的臥螺離心機具有不同的設備結構、設備材質、規格和運行調整機構等，但是其基本設備原理是相似的。

臥螺離心機的工作原理是，污泥溶液在轉鼓中旋轉，受到離心力的作用，由于污泥溶液中固體物質和液體的密度不同，在離心力的作用下密度大的固體顆粒加速沉降，從而達到固相與液相分離。在污泥脫水的過程中，污泥溶液與絮凝劑溶液同時被輸入到轉鼓內，在轉鼓內兩者充分混合絮凝（根據絮凝劑加入的位置不同，絮凝反應發生的位置也不同，也可能是在進入轉鼓之前已經發生絮凝反應），在螺旋與轉鼓的高速旋轉和摩擦阻力作用下，污泥溶液會在轉鼓內壁形成一個液環層，而密度較大的污泥顆粒則在離心力的作用下沉積在轉鼓內壁形成固環層（泥層），由于螺旋的轉速和轉鼓轉速不同，兩者之間有一定的相對轉速差，沉淀在轉鼓腔體內壁的泥就會被螺旋推送到轉鼓的錐角端，推出液面后（干燥區）的污泥被脫水干燥，從污泥排出口排出，上清液從轉鼓另一端（大端）排出，污泥實現固相與液相的分離。

1.3 臥螺離心機影響因素

影響臥螺式離心機脫水效果的因素很多，且這些參數間的關系也比較復雜。一般來說，可以將影響因素分為兩類，一類是不可調節因素，一類是可調節因素。不可調節因素是指轉鼓的直徑、有效長度和錐角，帶有螺旋片的轉子螺距等固定幾何參數。不可調節的因素不能在運行過程中進行調整和優化，這些參數只與設備的型號有關。設備的可調因素是指那些在進行污泥脫水的過程中可以根據進泥量和脫水效果進行調質的參數，這些參數包括轉速、扭矩、差速、絮凝劑投加位置和投配率等。這些參數可根據需要調節變化。另外，污泥的性質如污泥顆粒的大小及分布、表面電荷情況、進泥含水率、糖類含量、蛋白質含量、污泥齡及絲狀菌長度等也都影響污泥的脫水性能。在污泥本身的性質當中，污泥顆粒的大小及分布是影響污泥脫水的重要因素。但其主要因素是轉筒轉速（決定分離因數）、污泥投配速率與停留時間（即分離時間）。

1.4 臥螺離心式脫水機參數因素與脫水效果之間的關系

（1）固定參數因素

①轉鼓的大小

臥螺離心式脫水機轉鼓的大小主要由其直徑和長度決定。增加轉鼓直徑和長度能夠提高臥螺離心機污泥處理能力。在相同轉速條件下，污泥的脫水效果與轉鼓的大小成正比。但轉鼓直徑不能無限增加，因為在轉速一定的條件下，轉鼓直徑越大對制造材質的堅固度要求越高，所以，受材質強度的限制，直徑大的轉鼓轉速必須降低，從而導致離心力降低。通常轉鼓直徑為200～1000mm，長徑比為3～4。

另外，由于大直徑轉鼓的螺旋輸渣能力較大，所以在處理量相同的情況下，大直徑轉鼓離心機可以在較低的速差下運行。但是差速越小，污泥在轉鼓中的沉降作用越充分，脫水后泥餅的含水率越低，濾液澄清液也越好。

②轉鼓錐側傾角（半錐角）

轉鼓錐角越大，脫水濾液的質量越好；而從排泥速度和脫水效果來講，轉鼓錐角越小，排泥越好，污泥含水率越低。

③螺距

螺距是相鄰兩螺旋葉片間的距離，螺距的大小會對排泥效果有一定影響。螺距大污泥堵塞的機會就大，螺距小則有利于排泥。

（2）可調節的機械因素

①轉鼓轉速

轉鼓轉速可以通過變頻電機或液壓馬達來調節。離心力的大小與轉鼓的轉速成正比，高的轉速能夠提供大的離心力，有利于降低脫水后泥餅的含水率。但是提高轉鼓轉速必然需要消耗更大的動力，也會影響機械的使用壽命。

②轉鼓與螺旋的差速

臥螺離心機差速的大小對污泥脫水效率和脫水效果都有影響。差速小，濾液質量比較好，脫水處理后泥餅的含水率比較低，但是同時也會降低污泥的處理效率，引起污泥堵塞；但是差速過大，會使濾液質量和脫水效果變差。所以，在對脫水機進行運行調控的時候必須要兼顧進泥量和脫水效果之間的關系。

③液環層

臥螺離心機在進行污泥脫水時，沿著轉鼓殼體形成的同心液層，稱為液環層。液環層厚度是臥螺離心機進行工藝優化時的一項重要參數。液環層的厚度一般是在停機狀態下通過手動調節液位擋板的高低來改變的。通過調節液環層的厚度可以改變轉鼓內干燥區的長度，增加液環層厚度，可以提高濾液質量，但是泥餅含水率也隨之增加；相反，降低液環層厚度，濾液的含固量增加，但是泥餅含水率會降低。所以在對離心脫水機運行調控時必須要兼顧泥餅含水率和濾液濃度兩個方面。

1.5 污泥性質對臥螺離心式脫水機運行效果影響

（1）水分布對污泥脫水的影響

隨著技術的發展，污泥脫水已經實現了機械化和自動化。目前，常用的污泥脫水設備有板框壓濾機、帶式壓濾機、臥螺離心機等。雖然這些機械化的設備大大提高了污泥的脫水效率，但使用這些脫水機進行脫水也只能將污泥的含水率下降到約80%，很難再將其含水率降得更低。很多研究結論發現，水在污泥中分布特征直接影響了污泥脫水效果。國外學者做了大量研究工作來分析污泥中所含有水的形態和分布情況。近年來，研究者們通常將水簡單地分為自由水和束縛水兩類，自由水可以通過機械力（如離心脫水、壓濾脫水等）去除，去除率可以通過脫水設備和工藝來改進；束縛水與污泥中的固體顆粒有較強的結合力，不能被常規的機械力分離，很難通過機械法降低泥餅的含水率。

（2）化學組成對污泥脫水的影響

污泥的化學組成影響脫水效果。污泥中的蛋白質、脂肪、碳水化合物和核酸等有機物對水分具有吸附能力。有研究結果表明，污泥中每克蛋白質可吸附約4～5克水。另外，在微生物表面包裹的大分子胞外聚合物（EPS）對水分也有很強的吸附能力。由此可見，降低污泥中有機物含量可以提高污泥的脫水性能。

1.6 絮凝劑及添加劑作用

采用活性污泥工藝的污水處理廠產生的污泥主要是由帶負電荷的親水性膠體顆粒組成，有機物含量高，脫水困難。改善污泥的脫水性能是污泥脫水的關鍵，比較常用的方法就是通過向污泥中投加絮凝劑（調理劑）來對污泥進行調理。絮凝劑對污泥進行調理的原理是絮凝劑（無機或有機絮凝劑）投加到剩余污泥中后，污泥顆粒本身所帶的負電荷被絮凝劑所攜帶的正電荷中和，中和后污泥顆粒之間的排斥力減弱，彼此之間在碰撞的作用下相互聚集而形成大的絮團，這些絮團的形成降低了污泥的比阻，改善了污泥的脫水性能。在污水處理廠中用來對污泥進行調質的絮凝劑分為無機類和有機類兩種，其中無機高分子絮凝劑主要是聚鋁和聚鐵，其優點是價格低廉，但其絮凝效果和絮凝效率均低于有機絮凝劑。有機高分子絮凝劑具有產品穩定性好，適用范圍廣、絮凝效果好、投藥量少、絮凝速度快，形成的絮體過濾性好等優點，因而應用越來越廣泛。

2 污泥脫水效果影響因素分析

北京市某污水處理廠一直存在污泥難脫水，泥餅含水率超過城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB 18919-2002）的要求，無法穩定低于80%，為解決此問題，首先分析了該廠的歷史數據，并找出與泥餅含水率相關的指標和運行參數。

2.1 運行工藝及脫水設備介紹

北京市某污水處理廠處理規模10萬噸/日，工藝采用改良倒置式A2/O工藝，主要以除碳脫磷為目標，輔以一定程度的脫氮，以加強生物除磷和利于保障沉淀池正常運轉；污泥處理采用離心脫水，縮短剩余污泥停留時間，防止厭氧和磷的重新釋放；處理后的出水經消毒（季節性）排放。

剩余污泥經貯泥池通過破碎機將大顆粒泥渣破碎成小顆粒，而后經螺桿泵輸送至離心脫水機進行脫水處理，脫水后泥餅外運處理，濾液回流至粗格柵前。

設計選用3臺離心機，兩用一備，型號為ALDEC606離心式脫水機，單機負荷≥500kgDS/h，出泥含水率＜80%，功率75kW，轉速2900rpm。進脫水機前投加陽離子絮凝劑對污泥脫水性能進行調理，并在脫水機前設置前后兩個加藥點，以便對藥劑和污泥混合時間進行調節，設計兩套PAM溶藥系統，一用一備，型號為Polyrex4.0，制備能力7.7～10kg/h/臺，溶液濃度0.5%，功率3.0kW，熟化時間40～60min。

2.2 污泥性質對脫水效果的影響

污泥性質影響污泥的脫水效果，本節主要分析污泥中有機物含量與脫水效果的關系以及影響污泥性質的因素。

通過對2006年至2010年歷史數據的分析發現，泥餅含水率與泥餅有機物含量有很大的相關性，在泥餅有機物含量高時，泥餅含水率也較高，并且當泥餅有機物含量高于70%時，泥餅含水率很難達標（＜80%）。

泥餅有機物含量的高低會影響到泥餅含水率的高低，這和有機物自身結合水含量的高低有關，微生物細胞內水分是不能通過擠壓脫除的。泥餅有機物含量的高低主要與水處理工藝控制有關。

2.3 污泥性能與離心脫水效果的關系

本節試通過具體的污泥性能指標（SVI、污泥齡以及出水SS濃度）的分析來討論其與離心脫水效果的關系。

2.3.1 泥餅含水率與污泥體積指數的關系

泥餅含水率與污泥體積指數呈一定的正相關關系，尤其是污泥體積指數有較大幅度變化的期間，在污泥體積指數低于100mL/g時，這種相關關系不明顯，此時的泥餅含水率主要與脫水設備的運行管理有關。

污泥體積指數代表污泥的沉降性能，體積指數越大，其沉降性能越差，脫水后泥餅含水率也越高。

2.3.2 泥餅含水率與污泥齡的關系

泥餅含水率與污泥齡存在較好的反比關系，即污泥齡長，泥餅含水率低；污泥齡短，泥餅含水率高。根據研究可知，維持相對較長的污泥齡對改善污泥的脫水性能有很大好處。

2.3.3 泥餅含水率與出水SS濃度的關系

出水SS濃度可以用來表征污泥的絮凝性能，通過泥餅含水率與出水SS濃度的對比來分析污泥絮凝性能與脫水性能的關系。

出水SS增加原因可能是LB（松散附著物）增加，污泥與水分子之間的極性作用增強，污泥絮體內間隙水增加，絮體的Zeta電位增加，相互間的靜電斥力增大，與水分離的難度增加，沉降性能降低，故微小絮體增多。

出水SS與泥齡存在一定的負相關關系，而泥齡與LB質量成反比關系，故LB質量與出水SS呈正相關。即污泥絮凝效果不好時，出水SS濃度增加，污泥也較難脫水，泥餅含水率相應增加。

2.4 絮凝劑投加與離心脫水效果的關系

污泥中的固體物質主要是膠質微粒，與水的親和力強，很難脫水，所以需要添加化學藥劑，對污泥進行調理，改變污泥的膠體結構，減少其與水的親和力，從而改善其脫水性能。在多數時間，運行結果是泥餅含水率高時，對應的絮凝劑投配率也高，原因在泥餅含水率高時，該廠在脫水機系統調整時加大了絮凝劑投配率，企圖通過增加絮凝劑投配率來提高泥餅質量。由2009年12月的數據可以看到，在泥餅含水率高于80%以后，通過提高絮凝劑投配率很難降低泥餅含水率，可以說明兩點，一是絮凝劑的投配率并不是越高越好；二是絮凝劑的性質要與污泥性質相匹配，否則也達不到理想的調質效果。

通過2.2節和2.3節的討論，如要改善離心脫水效果，都涉及曝氣池工藝的調整，此調整還涉及到水質達標和運行成本等多項因素，比較復雜。所以，可以從絮凝劑的選擇方面入手，通過找到與泥質相匹配的絮凝劑來提高脫水效果。根據2.2節的分析結果（污泥的脫水性能主要與泥餅有機物含量有關），計劃在不同的泥餅有機物含量條件下，進行絮凝劑的招標工作，目的是找到不同泥質條件下較優的絮凝劑型號來改善脫水效果。

2.5 小結

通過對歷史數據的分析發現：

（1）泥餅有機物含量和泥餅含水率呈正相關，并且當泥餅有機物含量高于70%時，泥餅含水率很難達標（＜80%），泥餅有機物含量主要與曝氣池工藝控制有關，其與曝氣池食微比F/M存在一定的正相關關系，但是污水處理廠工藝控制還與很多其他方面的因素有關，比較復雜，不能僅考慮降低有機物含量而做出調整。

（2）曝氣池污泥的SVI越低、污泥齡越長、出水SS濃度越低，越有利于污泥脫水。

（3）單純靠提高絮凝劑投配率的方法不能使脫水后污泥的含水率降低到80%以下，需要尋找與污泥泥質相匹配的絮凝劑，才能有效改善脫水效果。

3 臥螺離心脫水機調控分析

針對該污水處理廠污泥難脫水的現狀，首先對脫水機進行調控分析，研究合理的脫水機調控方法以及脫水機可調參數的選擇方法。提高脫水設備的操作調控水平是改善脫水效果的重要前提和關鍵控制點。本章主要通過對調控過程記錄數據的分析，來討論脫水機調整方式的改進機會，進而提高脫水機的運行效果。

3.1 概述

2010年12月，對該污水處理廠臥螺離心脫水機運行進行了調試，目標是在濾液可接受（認為濾液含固量小于500mg/L是可接受的）的前提下，監測不同投配率、進泥量時的泥餅含水率等數據，并分析各參數間的關系。

3.2 數據分析

測試期間，泥餅有機物含量平均值為76.4%，標準差1.2%，有機物含量較穩定。原始數據經整理，計算參數間的相關系數，見下表：

注：相關系數為正表示，兩個變量正相關，即變化趨勢相同；

    相關系數為負表示，兩個變量負相關，即變化趨勢相反；

    相關系數的 值越大表示兩個變量的相關性越強。

3.2.1 泥餅含水率與各參數之間關系的定性說明

在濾液可接受的前提下，從監測的數據可知，泥餅含水率與投配率、差速、進泥濃度、進泥量均存在一定相關性；但是，泥餅含水率與扭矩的相關性較弱。

（1）投配率增加，含水率降低。

此關系可以從絮凝劑理論的角度來解釋。隨著投配率的增加，原泥的絮凝速度會增加，絮體也會更密實一些，這都有利于降低含水率。適當提高投配率可以獲得更好質量的泥餅。

（2）差速降低，含水率降低。

此關系可以理解為，在假設泥環高度一定的情況下，差速越低，污泥在轉鼓內的停留時間越長，這也就意味著污泥在高離心力狀態下的停留時間增加，有利于脫水效果的提高。降低差速可以獲得更好質量的泥餅。

（3）進泥量增加，含水率增加。

此關系可以理解為，假設泥環高度是一定的，當進泥量增大時，要獲得同樣好的濾液就意味著單位時間在轉鼓上沉積更多的污泥，這樣就需要更高的差速將沉積污泥推出轉鼓，否則污泥就會從濾液跑掉，污泥在轉鼓內的停留時間降低，污泥含水率增加。適當降低進泥量可以獲得更好質量的泥餅，但是在實際生產中進泥量的調整不能以脫水機的運行控制為出發點，而是要根據工藝運行情況來確定。

（4）進泥濃度增加，含水率增加。

對于此關系，有兩個原因。 ，進泥濃度高時，為了獲得同樣好的濾液就意味著單位時間在轉鼓上沉積更多的污泥，這樣就需要更高的差速將沉積污泥推出轉鼓，污泥在轉鼓內停留時間減少，泥餅含水率增加。第二，調試數據進泥濃度較高是出現在較高進泥量（50m3/h和60m3/h）的時候，此時泥餅含水率又較高，所以進泥濃度與含水率的關系也可能是巧合。如需證明此點還需要再做進一步的實驗，本次調試由于受到水廠工藝運行的限制，未能執行后續實驗。

3.2.2 差速與各參數之間關系的定性說明

由監測數據可以看出，差速與進泥量、絮凝劑投配率以及進泥濃度都有一定的相關關系，具體說明如下：

（1）進泥量增加，差速升高。

存在此關系主要有兩個原因： ，因為這次調試的前提是獲得可接受的濾液，假設泥環高度是一定的。當進泥量增大時，就需要提高差速來維持濾液含固量。第二，隨著流量的增大，轉鼓內的流體可能發生更大的震動，這就破壞了絮體影響其密實性，就需要更高的差速來維持合格的濾液含固量。

（2）投配率降低，差速增大。

存在此關系的原因是，投配率低，絮體的沉降速度慢，密實性差，這樣可能使泥環很容易維持較厚（高）的狀態，所以只有增大差速才能維持濾液含固量。

（3）進泥濃度增加，差速升高。

此關系可以理解為，在假設泥環高度是一定的前提下，當進泥濃度增加時，就需要更高的差速才能維持濾液含固量，此點和進泥量增加差速升高的 個原因是類似的。而且也可以說明進泥濃度增加含水率增加的 種原因的可能性比較大。下面引入固體負荷（流量×濃度）這個概念來更好的說明流量與濃度的作用。

下表是進泥流量、進泥濃度以及固體負荷與差速和泥餅含水率的相關性比較：

可見固體負荷與差速或含水率的相關性均略大于進泥流量或進泥濃度的相關性。所以在考慮物料量對脫水效果的影響時，用固體負荷可能會更反映本質。

3.2.3 扭矩與差速、泥餅含水率相關性差

雖然扭矩與差速、泥餅含水率的相關性差，但其是負相關的，這與污水廠脫水機調整的歷史經驗是一致的，而且在本次調試過程中升高差速時，扭矩確實會降低。其表現出的相關性差可以理解為，差速扭矩不存在對應關系，但在其他因素相對穩定時，它們是存在相關性的，本次調試不能保證其他變量是穩定的（這里說的因素有可能是這次未檢測的）。

3.3 脫水機調控方法

綜合上文的分析，在濾液含固量合格的前提下，對影響泥餅含水率的因素按照由強到弱的影響程度排序為：

投配率＞差速＞固體負荷＞進泥濃度＞流量負荷（進泥流量）

根據上述的數據分析，在設備調控的層面上來盡可能降低泥餅含水率。

（1）確定邊界條件、工藝條件（處理量、含水率、濾液）、經濟條件（絮凝劑用量）。

（2）依據經驗，以小于絮凝劑允許上限的量投加絮凝劑。

（3）調節差速，并將扭矩設定值調高到一個基本不可達到的較高值，但要小于7（設備要求）。

（4）檢測濾液是否合格。如不合格，繼續調節差速。

（5）濾液合格之后，檢測濾液質量是否有提升空間。如有提升空間，則繼續調節差速。

（6）如濾液質量無提升空間，則檢測泥餅是否合格。如不合格，則增加投配率，但不可超過投配率上限。

（7）如泥餅合格，則每隔1～2小時，檢測脫水機運行情況。

3.4 實現脫水機量化調控的問題

目前該污水處理廠提出了工藝運行量化管理的概念，對于脫水機控制來講，量化的概念應該是可衡量化，或者說是有據可依。而在實際操作中這個“據”存在兩個問題，一個是準確性，另一個是及時性。

上節的脫水機調控方法中，需要檢測的有濾液含固量、泥餅含水率。需要人做出判斷的有制定的邊界條件和起始投配率等。以下列出各項目的及時性和準確性的現狀。

所以這種操作人員憑經驗的調控有時不能達到期望的量化。這就需要引入更多的理性約束來解決這個問題。

（1）濾液含固量與泥餅含水率

對于這兩個量的測量可以通過快速檢測儀器指導現場生產，用班組化驗作為補充。例如用“紅外線快速水分測定儀”等。

（2）邊界條件與初始設定參數

這兩個值的確定需要有大量的準確的基礎數據并加上科學有效的數據分析方法才能實現。首要任務是做到數據準確。需要取樣人員準確記錄取樣時的脫水機參數。需要獲得的數據有：固體負荷（進泥流量、進泥濃度）、絮凝劑投加量、差速、轉速、泥餅有機物含量、泥餅含水率、濾液含固量、扭矩、轉鼓轉矩、功率等。

3.5 小結

本章通過對脫水劑調試，記錄實驗數據，并對實驗數據進行了分析，發現泥餅含水率、進泥量、進泥濃度、差速以及扭矩之間存在一定相關關系，并且對存在相關關系的原因進行了分析，還發現進泥固體負荷與泥餅含水率和脫水機差速的相關性更大。

通過對調試數據的分析，對影響泥餅含水率的因素進行了由強至弱的排序，并且提出了脫水機的調控方法，目的是從設備調控的層面上盡力降低泥餅含水率，提高脫水效果，同時節約成本，避免絮凝劑的過量投加。