青島市團(tuán)島污水處理廠污泥濃縮的應(yīng)用——臥螺沉降離心濃縮機(jī)淺析
行業(yè)動(dòng)態(tài)
市政污水處理處置中，污泥減量化一直是關(guān)心的焦點(diǎn)?；钚晕勰喾ㄊ菓?yīng)用非常廣泛且比較成熟的工藝，而由此產(chǎn)生剩余活性污泥性質(zhì)也決定了后期污泥處理工藝和設(shè)備的選擇。參考?xì)W洲較為普遍的濃縮加消化加脫水的工藝，處理流程中需要配備臥螺沉降離心濃縮機(jī)以結(jié)合消化工藝。本文針對(duì)臥螺離心機(jī)在團(tuán)島污水處理廠的實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出部分經(jīng)驗(yàn)，并提出需要改進(jìn)的內(nèi)容。
1 臥螺離心機(jī)的基本構(gòu)造及主要參數(shù)
1.1 基本構(gòu)造
臥螺離心機(jī)主要由轉(zhuǎn)鼓（柱段加錐段），驅(qū)動(dòng)電機(jī)，機(jī)架，螺旋推料器和齒輪箱器構(gòu)成。通過主驅(qū)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，達(dá)到2000～4000rpm產(chǎn)生幾千倍重力加速度的離心力，使污泥顆粒沉降；齒輪箱產(chǎn)生額外的差速，使同軸旋轉(zhuǎn)的螺旋體與轉(zhuǎn)鼓有0～30rpm的速度差，螺旋體與轉(zhuǎn)鼓之間產(chǎn)生了相對(duì)位移，污泥被螺旋葉片輸送至固相出口。上清液則沿著柱段通過另一側(cè)的出水堰板溢流排出。
1.2 主要參數(shù)
（1）分離因數(shù)（G-force），分離因數(shù)等于離心力與重力加速度（g）的比值，是個(gè)無綱量。G-force=F離心力/F重力=m·w2r/（m·g），近似公式為0.011×r×n2/g。其中，0.011是（2π/60）2的近似值，n為離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位rpm，r為離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓半徑。從分離因數(shù)可以得出結(jié)論，為了獲得更高的分離因數(shù)，可以通過增大轉(zhuǎn)鼓直徑或提高轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于同一規(guī)格即轉(zhuǎn)鼓直徑不變，提高轉(zhuǎn)速也可以獲得更高的分離因數(shù)，但對(duì)機(jī)械本身（軸承、密封圈、潤滑等）損耗也就更厲害，額外產(chǎn)生的高分貝噪音也進(jìn)一步影響現(xiàn)場的操作環(huán)境。
（2）轉(zhuǎn)鼓，由圓柱及圓錐部分組成，柱段為澄清區(qū)，錐段為推料區(qū)，柱段與錐段夾角的補(bǔ)交稱作錐角（半錐角）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，離心機(jī)做濃縮機(jī)使用時(shí)一般配備小錐角（6～10°）。轉(zhuǎn)鼓直徑大小與分離因數(shù)成正比，轉(zhuǎn)鼓的容積大小同離心機(jī)處理能力也成正比。
（3）齒輪箱，也稱為差速器。齒輪箱與推料螺旋連接，通過調(diào)節(jié)差速值的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)扭矩，扭矩值可以相當(dāng)于螺旋推料的作用力，差速越小，扭矩越高。齒輪箱有行星齒輪箱，擺線齒輪箱等，輸出速比值決定了差速器的形式，目前能輸出大速比的行星齒輪箱更為主流。
（4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以行星齒輪箱為例，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為主驅(qū)和背驅(qū)，均為變頻電機(jī)。主驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓和螺旋體，產(chǎn)生高轉(zhuǎn)速；背驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱，產(chǎn)生0～30rpm的差速。
（5）防磨損保護(hù)，包括進(jìn)料區(qū)，推料區(qū)，排泥口都是物料與離心機(jī)接觸的位置，同樣也是磨損較為嚴(yán)重的部位，因此需要考慮防磨損保護(hù)措施，在進(jìn)料區(qū)，排泥口增加可更換的碳化物襯套，在螺旋葉片上噴涂碳化物保護(hù)涂層或者硬質(zhì)合金燒結(jié)塊。
2 團(tuán)島污水處理廠離心濃縮機(jī)參數(shù)
根據(jù)團(tuán)島污水《青島市團(tuán)島污水處理廠升級(jí)改造工程項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)說明》：污水處理廠原初沉污泥采用重力濃縮、剩余污泥采用機(jī)械濃縮，兩者混合后進(jìn)行中溫消化、機(jī)械脫水。
而項(xiàng)目采購了3套德國福樂偉公司的C5E-4/454 OSE臥螺離心濃縮機(jī)。轉(zhuǎn)鼓直徑0.57m，轉(zhuǎn)速3100rpm，理論處理量90m3/h，裝機(jī)容量75+5.5（kW），齒輪箱型號(hào)SP 3.10，輸出扭矩2750N·m。
結(jié)合設(shè)備72h進(jìn)料調(diào)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告以及具體運(yùn)行指標(biāo)要求，將從多個(gè)方面來驗(yàn)證該項(xiàng)目的離心機(jī)的選型是否合理。
2.1 分離因數(shù)計(jì)算
離心濃縮機(jī)的分離因數(shù)計(jì)算如下：
G-forece=0.011×（0.57/2）×（3100）2/9.81=3070
通過試管離心機(jī)測(cè)試，在未投加絮凝劑（一般為陽離子的聚丙烯酰胺）情況下，剩余活性污泥能夠離心分離的較小分離因數(shù)約1500。實(shí)際工況，離心機(jī)正常轉(zhuǎn)速在2344rpm，此時(shí)分離因數(shù)為1756。另外，在投加絮凝劑情況下，污泥顆粒絮凝后粒徑變大，更有利于沉降。因此離心機(jī)的分離因數(shù)滿足工藝要求。
2.2 轉(zhuǎn)速，差速
結(jié)合分離因數(shù)條件，轉(zhuǎn)速達(dá)到2344rpm，較之轉(zhuǎn)速3100rpm來評(píng)價(jià)，該轉(zhuǎn)速工況下，離心機(jī)處于比較穩(wěn)定狀態(tài)，主機(jī)功率實(shí)際消耗低于裝機(jī)容量的60%；現(xiàn)場離心機(jī)1m范圍內(nèi)測(cè)定的噪聲值低于80dB。
根據(jù)濃縮段工藝要求，濃縮機(jī)出泥進(jìn)入消化池的濕污泥干度僅需滿足5%的要求，離心機(jī)可以輕松勝任，因此處理量成為相對(duì)重要的參數(shù)。差速值23.7rpm始終處于較高閾值（0～30rpm）內(nèi)，差速越高，螺旋的推料速度越快，扭矩越小，污泥通過螺旋葉片輸送，途徑錐端再從固相出口排出離心機(jī)的時(shí)間縮短。相當(dāng)于縮短污泥的停留時(shí)間，達(dá)到處理量大的效果，此時(shí)由于污泥停留時(shí)間短了，澄清時(shí)間也減少，因此會(huì)降低出泥的含固率，同時(shí)液相出口的上清液的回收率會(huì)提高。
2.3 理論處理量和實(shí)際處理量
臥螺離心機(jī)內(nèi)部構(gòu)造分為：推料區(qū)（錐段），進(jìn)料部位及螺旋部位，以及澄清區(qū)。
其中澄清區(qū)就是所定義的離心機(jī)的有效容積，其有效容積計(jì)算如下：
V=（π·D2轉(zhuǎn)鼓/4-π·d2堰板/4）×L柱段=（3.14×0.572/4-3.14×0.3122/4）×1.76=0.3145m3
一般物料在離心機(jī)停留時(shí)間為15～20s，因此理論處理量如下：
Q=V×3600/t=56.6～75.5（m3/h），與調(diào)試結(jié)果比較吻合，與理論處理能力存在一定差距。為了達(dá)到處理量90m3/h，可以從設(shè)備機(jī)械本身做以下調(diào)整：
（1）提高差速，加快濃縮后污泥的排出，減少了污泥的停留時(shí)間，從處理量公示中可以驗(yàn)證，分母變小，分?jǐn)?shù)值變大。差速提升也是局限的，不能超過30rpm，一般程序上設(shè)置了高差速值的報(bào)警和停機(jī)功能。
（2）減少排液堰板直徑。堰板直徑變小，澄清區(qū)有效水深增加，有效容積值變大，處理量值變大。
（3）上述方法在提高處理量的同時(shí)，都是以犧牲出料干度為代價(jià)，對(duì)于污泥濃縮而言，這點(diǎn)完全是可以接受的。處理量介于79～83.3m3/h，出泥干度在6.4% ～7.0%之間，雖然能滿足工藝5%的干度要求，但從嚴(yán)格意義上來說，當(dāng)處理量需達(dá)到理論設(shè)計(jì)處理量90m3/h時(shí)，存在兩個(gè)疑問：
①是否真的能夠達(dá)到90m3/h，是否超出了機(jī)械當(dāng)量設(shè)計(jì)的上限。
②如果達(dá)到理論處理量，需要確定一系列參數(shù)：
a. 進(jìn)料的固體負(fù)荷具體數(shù)值。
b. 差速輸出值。
c. 出泥干度值。
d. 主驅(qū)，背驅(qū)功率消耗值。
e. 離心機(jī)整機(jī)振動(dòng)值，1m范圍內(nèi)噪聲值等參數(shù)。
上述問題還需事實(shí)證明，從調(diào)試驗(yàn)收來看，處理能力約在84m3/h，能否達(dá)到90m3/h值，還有待事實(shí)證明，這也是該項(xiàng)目中剩余的一大遺憾。
2.4 絮凝劑消耗值（藥耗）
配比濃度0.3%，投加量520dm3，此時(shí)處理量82.9m3/h，干粉投加量計(jì)算值=520×0.3%=1.56kg，每立方米消耗干粉量=1.56/82.9=18.8g，此時(shí)進(jìn)料濃度1.3%，噸絕干污泥藥耗=18.8/1.3%/1000=1.45kg-TDS。藥耗量也滿足1～2kg-TDS的工藝要求。
2.5 扭矩
該離心機(jī)配備了SP 3.10差速器，輸出扭矩2750N·m，實(shí)際運(yùn)行扭矩穩(wěn)定在16%～16.7%，即實(shí)際輸出扭矩440～460N·m，由于濃縮后污泥具有較好的流動(dòng)性，干度要求僅需5%，所以該扭矩?cái)?shù)值也很合理。離心機(jī)配備的差速器滿足實(shí)際工況需求。
3 結(jié)論
（1）具有高分離因數(shù)的臥螺離心濃縮機(jī)完全適合濃縮段的工藝需求，也能更好地配合后續(xù)低溫消化工藝。
（2）在性能指標(biāo)上，出泥含固率達(dá)到5%，符合工藝段需求；處理量在80m3/h左右，基本滿足要求，但處理量能否達(dá)到90m3/h，還有待論證。
（3）實(shí)際電耗僅為裝機(jī)容量的60%，也起到了節(jié)能減排的作用。
（4）絮凝劑消耗低，滿足工藝要求的同時(shí)，也為節(jié)約日后的藥劑消耗量，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)意義上的回報(bào)。
4 存在的問題及需要改進(jìn)的問題
（1）團(tuán)島污水廠現(xiàn)場配備了三臺(tái)離心濃縮機(jī)，對(duì)應(yīng)三套進(jìn)料泵，進(jìn)料泵為潛水離心泵，非變頻電機(jī)。進(jìn)料流量通過電動(dòng)刀閘閥PID調(diào)節(jié)閥體開啟度以實(shí)現(xiàn)控制流量，在開啟度過小的工況下，存在管道憋壓的狀態(tài)，長時(shí)間極有可能會(huì)損壞泵的電機(jī)。建議在進(jìn)料泵出水管處設(shè)置1路DN50支管，各安裝1套機(jī)械式減壓閥，以實(shí)現(xiàn)在管道壓力過高情況下自動(dòng)排水減壓的功能。
（2）對(duì)應(yīng)三套離心濃縮機(jī)配備了三套管路，由于場地局限性，該三根管路管位非常緊張，當(dāng)時(shí)的安裝單位采用了泵出口三根DN150支管合并一根DN300總管的敷設(shè)方式，至濃縮機(jī)房前再分為三根DN150支管。這種方式不僅增大了水頭損失，而且在濃縮機(jī)單臺(tái)，雙臺(tái)，三臺(tái)開啟的不同工況下也存在配流不均的問題，建議直接采用三根支管的進(jìn)料方式。
