低能耗高干度離心機在市政及工業污水處理中的應用
文章摘要： 本文介紹污泥處理、處置中，低能耗高干度離心機在市政及工業污水處理中的應用,重點突出高干度離心機的工作原理、結構特點。該系統采用了國際先進水平的大長徑比、液壓小差速系統、差速根據負載變化自動反饋調節，推料功率自動補償，使污泥在機內不僅受離心壓力，而且在前端二個螺頁間作雙向擠壓以保證在低藥耗、低能耗條件下泥餅的恒定排量，得到更干的泥餅。
關鍵詞：污泥處理、污泥處置、液壓小差速、差速自動反饋調節、離心力+雙向擠壓力
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。污水在處理過程中，會產生一定數量的有機污泥，這些廢棄物含水率高，有機物含量高，容易腐爛發臭，如果得不到有效處置，會嚴重影響當地環境質量，造成二次污染。
污泥處理工藝比較成熟，包括濃縮、消化和機械脫水等；污泥處置工藝在不斷擴展，已經使用的方法有堆肥、干化、焚燒、熔融等。完善的處理處置系統可以使污泥充分發揮效益后，完全地返回到大自然中，但是由于最終處置技術難度大、資源價值低、設備費用和運行成本高，盡管具有可貴的社會效益，但是推廣使用受到了制約。經濟發達國家也在由低級處置向完善處置逐步過度。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%。污泥處理處置不當，將造成嚴重的二次污染。盡快探索、開發污泥處理、處置的途徑和方法，加快污泥處理、處置的投入，兼顧環境效益與經濟效益，使污泥的產生、處置與環境保護之間達到平衡，逐步實現污泥的減量化、無害化、穩定化和資源化。綜合污水治理系統的布局，確定污泥處理、處置的基本原則：以集約化處理為主，分散處理為輔，近遠期結合，分期、分步實施，污泥處置方式為“填埋一點，焚燒一點，利用一點”，處置方式決定處理方法和處理程度。
當用地緊張、污泥中有毒有害物質含量較高，難以填埋，也無法綜合利用時，可以考慮污泥的焚燒。城市二級污水處理廠污泥具有較高的熱值，在一定的含水率以下，可以自持燃燒。焚燒能最大限度的對污泥進行減量，燃燒產生的熱量可以用于干燥濕污泥，也可以作為其它能源被再利用。
采用不同的脫水工藝其脫水污泥的含水率是不同的， 大致范圍是 65%～85%。對于后續干化焚燒處理工藝，脫水污泥的含水率直接影響到后續處理構筑物的規模以及干化焚燒的熱量平衡，理論上脫水污泥含水率越低越好，當污泥在燃燒時，污泥中的水分在高溫下蒸發，會損失大量熱能。為了減少熱能的損失，在污泥機械脫水時盡量得到高干度的脫水泥餅成為關鍵所在。
污泥脫水（濃縮脫水一體）處理是城市污水、水廠排泥水、工農業廢水處理工程中的重要環節。經濃縮脫水后的污泥其體積大為縮小，不但減輕了對環境的二次污染，也為污泥資源的綜合利用創造了極有利的條件。當今國際上已普遍使用全封閉連續運行的臥式螺旋卸料沉降離心機（簡稱離心機）作為污泥脫水的主機，從而避免了傳統工藝采用帶式壓濾機，板框壓濾機的種種弊端（如：污泥脫水敞開進行，現場環境差，水、藥劑用量大，易損件多，運行成本大，設備體積龐大、基建費用高，自動化程度差，勞動強度大，不適應連續運行等） 。 而采用離心機進行污泥脫水處理可以保證污泥處理過程中臭氣不外溢，污水不外流，污泥不落地，自動化程度高，易損件少，能耗低，藥耗小，便于連續運行，運行成本低。但一般的臥螺離心機具有轉速高，功耗大，易堵料,維修技術與帶機相比不易掌握等缺點，所以在中國市場目前仍然是帶機市場占有率略高于離心機，但在新投產的尤其是大型污水廠的建設中，離心機的使用逐漸趨于上升勢頭。結合目前的污泥處理處置工藝，為了得到低含水率的泥餅，低能耗高干度離心脫水機將是未來使用的趨勢。 如何得到高干度的脫水泥餅，解決能耗較帶機高、轉速高帶來的噪音問題、磨損問題、堵料及一系列問題是本文講述的重點。
2、 離心機結構及工作原理
臥螺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。見圖：
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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素，一般講轉速高，分離因素大，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。
3、 提高污泥干度的兩個途徑及液壓差速器的特點
無論哪個公司生產的哪種型號的臥螺離心機，無論是進口機還是國產機在進行污泥處理的過程中，要想得到理想的高干度脫水污泥有兩個途徑：第一，可以通過提高轉鼓轉速來加大分離因素，但提高轉速勢必增大功耗，增加了噪音，軸承皮帶等易損件壽命縮短，對轉鼓材料也提出了更高的要求，同時高轉速下會使絮凝劑效率降低，增加了加藥量。第二：減少轉筒與螺旋輸送器之間的差轉速，但要降低差速必須增大輸送器的推料扭矩。螺旋輸送器在轉筒的進料區、 澄清區以及錐段的特殊構造為獲得高干度固相提供保障。錐部的設計應使污泥受到雙向擠壓作用，當進料濃度發生變化時推料扭矩自動補償，差速自動調整，從而得到恒干度的效果。 那么配置哪一種差速器能以小差速大扭矩進行工作，從而使污泥脫水全過程達到離心力+雙向擠壓力，唯一的選擇是采用液壓差速器。液壓差速器這種驅動形式擁有所有差速器中公認的特點：
（1）它具有高扭矩，是一般機械差速器扭矩輸出的 2～4 倍（即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,而機械差速器最小差速3-5 r/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。
（5）采用第二種方式可使轉筒在較低轉速下工作，在相同處理效果的前提下，有效地減少了機械磨損，延長了離心機壽命，同時運行成本也大為降低。
4、 中國市場背景及臥螺離心機差速形式
4.1 市場背景
目前在中國市場所使用的國外品牌如德國韋斯伐利亞、瑞典阿法拉伐、法國堅納、德國福樂韋、日本巴工業、意大利貝亞雷斯等公司大都采用機械差速器或雙電機雙行星齒輪的差速器。同時國內其他廠家基本是采用雙電機系統機械差速器，其推料扭矩遠遠不及液壓差速器。所以這些國外公司在中國市場主打的都是前述第一種：即高轉速。污泥處理過程中必須投加高分子絮凝劑，高轉速帶來的高功耗高藥耗勢必產生高運行成本，而高運行成本用戶是不愿意承擔的。 在國外發達國家，液壓差速器驅動形式深得用戶歡迎。低能耗、低藥耗、高干度、不堵料的優點顯而易見。
隨著中國進入 WTO 時間得延續，越來越多的國外新技術包括各種新型的離心機進入中國市場。不少國人走出國門到世界各地了解國際先進的離心機技術，發現液壓差速器配置離心機在發達國家的應用比比皆是。其高可靠性、不堵料、高干度等特點有目共睹。在新加坡這樣一個只有300多萬人口的國家就有近40 臺德國洪堡公司的液壓差速器配置離心機在使用。
德國 HILLER、英國 CENTRIQUIP、瑞典 NOXON、奧地利安德里茨Humboldt等都推出液壓驅動技術。特別需要指出的是這些公司的離心機是自己生產的，而液壓差速器是從瑞士 Viscotherm 公司采購來的，瑞士Viscotherm公司液壓差速器具有高扭矩、小差速等特性。
其實上海市離心機械研究所有限公司的液壓差速器也是從該公司引進技術，通過吸收消化最后自己設計、生產的。所以其競爭力顯著提高。
4.2不同類型臥螺離心機的比較
目前在污泥脫水成套設備中使用的臥螺離心機，已由最初不可調速的機械差速器臥螺機 （簡稱機械型） 、 發展為可調速的雙驅動機械差速器臥螺機 （簡稱雙電機型）和液壓差速器臥螺機（即高干度臥螺離心機，簡稱液壓型） ，它們的差別主要在于：
1）差轉速形成方法的不同，導致設備電能消耗的明顯差別
機械型和雙電機型是通過帶輪變速或雙電機驅動，形成轉鼓、螺旋各自的獨立的絕對轉速，差轉速是這二個絕對轉速的差值（即它們之間的相對轉速） ；液壓型的差速器實際是固定于轉鼓并隨之同步旋轉的液壓馬達，當液壓泵站通過特殊的高壓旋轉分配器向液壓馬達供油時，螺旋才會在液壓差速器的驅動下，產生疊加在轉鼓轉速（螺旋的牽連轉動）上的相對轉動，從而形成轉鼓、螺旋之間的差轉速。
脫水機在空載或輕載運行時，三種機型的能耗沒有差別。但負重運行時，由于物料的牽連作用，將給機械型、雙電機型各自獨立的驅動源造成相互抵消的額外能量損耗，而液壓型是通過增加液壓馬達（差速低于30r/min）的扭矩來承受牽連作用，則不產生上述的能量損耗，從而反映在設備的實際運行中，液壓型的能耗明顯降低。
2）轉鼓、螺旋結構的不同，導致設備脫水能力的明顯差別
由于液壓差速器對負載變化有良好的自適應性，因此在轉鼓、螺旋的結構設計中就可針對城市污泥脫水較困難的特點，有意識地加大對脫水污泥的擠壓度，即形成在前端螺旋葉片對污泥的雙向擠壓效應，以提高污泥的脫水效率。而其它機型因為擔心過載堵料，則不能采取這樣的設計。
3）差速與轉速關聯性的不同，導致設備維護成本的明顯差別
設備排堵是機械型臥螺機最頭疼的維護工作，一旦出現機器堵料，只能解體整臺臥螺機轉鼓，將污泥一點點地清除。不但耗工費時，且極易損傷轉鼓破壞整機動平衡。而液壓型的差轉速與轉鼓的轉速無關，可在整機靜止的狀態下，通過低速大扭矩的液壓差速器的強力且極其緩慢的正反推動，逐步將污泥排出轉鼓，由于最大安全扭矩可以通過設定液壓系統的溢流壓力來控制，因此液壓型臥螺機的排堵不會損傷設備。
4.3三種類型臥螺離心機的性能比較
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5、案例比較
案例一：市政下水
（1）上海曹陽水質凈化廠因兩臺進口離心機不能滿足工藝要求，于 1998年初開始使用上海市離心機械研究所有限公司液壓低能耗高干度離心機，經過多年的運行，該離心脫水機運行時間早已超過了二臺進口離心機的累計時間的總和。同時由于該離心機采用國際先進的帶有差速自動反饋調節、負載自動適應及推料功率自動補償的液壓差速器，與進口離心機相比較具有更高的機械可靠性及對污泥處理工藝的良好適應性。目前僅上海就有上海城市排水市中運營有限公司的天山、曲陽、東區水質凈化廠，上海城市排水市北運營有限公司的吳淞、泗塘水質凈化廠，以及上海閔行、奉賢南橋、奉賢東部、閔行區 （莘莊） 、 石洞口等十幾個污水處理廠在使用液壓低能耗高干度離心機。06年液壓型低能耗高干度污泥濃縮脫水離心機被上海排水協會評為創新獎。
（3） 東莞市市區污水處理廠于2003 年底通過在國際公開招標中標了上海市離心機械研究所有限公司的液壓低能耗高干度離心機LW450×1940NY及成套設備，當平均進料濃度為 0.5%時，處理量為 40～45m3/h，脫水后泥餅含固率25～28%，固相平均回收率≥95%。
（4）深圳南山污水處理廠最早使用進口芬蘭帶機，2000年招標使用了某公司引進法國堅納公司技術生產的D5 離心機，處理能力 15m3/h，未能達到招標要求的 26m3/h。 2002 年改造時通過公開招標中標了上海市離心機械研究所有限公司生產的液壓低能耗高干度離心機LW530×2270NY及成套設備，當進料濃度為4～6.5%時，處理量達 40m3/h，泥餅含固率可達 34%，耗藥量<2kg/tds。由于該設備的優異性能，深圳水務（集團）有限公司分別于2004年9月、 2006年6月通過招標再次訂購了上海市離心機械研究所有限公司的液壓低能耗高干度離心機LW530×2270NY及成套設備用于南山及濱河污水處理廠。
（5）杭州七格污水處理廠是規模較大的一個污水處理廠，最終處理規模為120萬m3/d。該廠一期采用帶機，二期通過公開招標采用了上海市離心機械研究所有限公司生產的液壓低能耗高干度離心機LW530×2270NY及成套設備共5臺套。當進料濃度為 4～6%時，單臺處理量達45m3/h，回收率達到95%以上；當進料濃度為 1～1.5%時，單臺處理量達 73m3/h，回收率也達到95%以上。整個系統運行情況良好，性能穩定。因此，該污水廠一期改造也設計采用離心機。
下表是液壓低能耗離心機與其他離心機使用比較情況：
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從上表中不難看出，LW-NY 液壓高干度離心機，其電耗藥耗較其他離心機大為降低，使其運行成本大幅下降。按深圳南山污水處理廠每天處理 70噸干泥，電費按0.8 元/kw•h，藥費為38 元/kg計算，我們分別計算一年中的運行成本：
LW530機運行成本=（12.5×0.8+2×38）×70×365=2,197,300元
D5機運行成本=（40×0.8+4×38）×70×365=4,701,200元
二者之差，一年運行成本節約250萬元，這還不包括泥餅干度提高使污泥處置費用降低（即泥餅外運成本，填埋或焚燒成本等） 。
案例二：市政上水（自來水排泥水）
在 2000 年環保要求自來水排泥水必須污泥處理后方能排放，為什么大部分水廠在污泥處理工藝還在選用自動化程度較低的板框機，原因就是國外高能耗離心機（即機械差速器）在自來水污泥比重、濁度較污水廠的污泥大的情況下不能適應一年四季的濁度變化，堵料故障頻繁。差速過大造成泥餅含水率太高，所以目前自來水行業應用離心機進行脫水工藝還有爭議。而上海市離心機械研究所有限公司推出的液壓高干度離心機在水廠排泥水污泥脫水的應用業績比進口機器還多。
（1）原水為江河水：
廣州西洲水廠、廣州南洲水廠、湖南株洲第四水廠，廣石化水廠及上海金山石化水廠等。這些水廠的原水為江河水，濁度不穩定，泥沙含量高，比重大，粘度高，采用上海市離心機械研究所有限公司的液壓低能耗高干度離心機及成套設備，脫水后泥餅含固率可以達到 45%，耗藥量<2kg/tds。廣州西洲 50 萬噸/日水廠，廣州南洲 100 萬噸/日水廠LW530×2270NY離心機單機處理干泥達 1400kg/h，進料流量為40m3/h。
（2）原水為湖泊水：
杭州祥符水廠的原水為太湖支流水，藻類含量高，粘度大。采用了上海市離心機械研究所有限公司的LW400×1750NY液壓低能耗高干度離心機及成套設備，當進料濃度為 2～4%時，處理量 15m3/h，泥餅含固率>35%，耗藥量<2kg/tds。整套成套裝置采用PLC+PC控制，數據采集，輸出打印，中控室監控，現場無人操作。杭州祥符水廠污泥脫水工程是水廠環保的典范，其周邊的余杭宏畔水廠、海寧二水廠、海寧三水廠、上海松江二水廠、奉賢三水廠等相繼使用液壓低能耗高干度離心機及成套設備。
（3）原水為水庫水：
貴陽西郊水廠和深圳朱坳水廠的原水都為水庫水，藻類含量高，微生物含量高，粘度大。采用了液壓低能耗高干度離心機及成套設備，脫水泥餅含固率≥25%。
案例三：工業污泥脫水
節能減排也是電廠、鋼鐵、皮革、造紙、酒精等行業的重頭戲，液壓低能耗高干度離心機及成套設備在鋼鐵行業的武鋼、柳鋼、馬鋼、攀鋼環保治理有杰出貢獻；河北辛集是皮革主要產區，LW530 液壓低能耗高干度離心機有十幾臺在為該地區節能減排工作著；浙江富陽、廣東中山是造紙主要產區，LW530 液壓低能耗高干度離心機在為該地區的節能減排工作著；河南天冠是酒精行業排頭兵， 液壓低能耗高干度離心機在為該公司的節能減排工作著；同時我們的液壓低能耗高干度離心機也在為我國電力的主要產區內蒙以及國外地區的電站（如東南亞、印度等）肩負著節能減排的工作。
6、結論
建設城市污水處理廠對改善城市水環境，保障城市社會經濟發展起著舉足輕重的作用。在污泥減量化、穩定化、無害化方面，國內目前污水處理過程產生的污泥，除個別污水處理廠經過了厭氧消化穩定，絕大部分僅做到了濃縮和機械脫水，甚至僅是濃縮，因而出廠污泥未加穩定和衛生化，含水率高，體積大，其出路大多是濕污泥船運郊區做肥料或者填埋。而低能耗、高干度離心機的使用，為污泥干化、焚燒節約了能源，使污泥處理、處置更易推廣。
本文推出的低能耗、高干度離心機其特點是主機采用具有國際先進水平的高干度離心機，其液壓控制的螺旋推料轉速和推料功率可根據負載變化的反饋得到自動調節、補償，并使污泥能在離心力場及錐段前端二個螺旋葉片雙向擠壓的共同作用下，形成更干的泥餅，提高脫水效率。從污泥切割粉碎、進料、脫水、排泥、輸送、絮凝劑投放以及運行均有PLC實施全自動監控，從而使整個系統成為達到無人操作的國際先進水平的全自動化污泥脫水成套操作單元。整個系統結構緊湊并克服了一般機械差速器高能耗、噪音及堵料的故障，使離心脫水機與帶機及板框壓濾機相比具有更明顯的優點。作為國產的離心脫水設備，我們已經做到了“中國裝備，裝備中國” 。目前，上海市離心機械研究所有限公司能夠生產直徑從 220mm至 900mm，處理量從3m3/h至 150m3/h的各種規格型號離心機及成套設備， 廣泛應用于各類污泥脫水（濃縮脫水一體）處理工藝。
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