低能耗高干度离心机在市政及工业污水处理中的应用
文章摘要： 本文介绍污泥处理、处置中，低能耗高干度离心机在市政及工业污水处理中的应用,重点突出高干度离心机的工作原理、结构特点。该系统采用了国际先进水平的大长径比、液压小差速系统、差速根据负载变化自动反馈调节，推料功率自动补偿，使污泥在机内不仅受离心压力，而且在前端二个螺页间作双向挤压以保证在低药耗、低能耗条件下泥饼的恒定排量，得到更干的泥饼。
关键词：污泥处理、污泥处置、液压小差速、差速自动反馈调节、离心力+双向挤压力
1、前言
随着我国国民经济的发展，工业废水、生活污水的排放量日益增加，为了保护生态环境，保护人民的身体健康，提高水环境质量，污水必须经过净化处理达标后才能排放。污水在处理过程中，会产生一定数量的有机污泥，这些废弃物含水率高，有机物含量高，容易腐烂发臭，如果得不到有效处置，会严重影响当地环境质量，造成二次污染。
污泥处理工艺比较成熟，包括浓缩、消化和机械脱水等；污泥处置工艺在不断扩展，已经使用的方法有堆肥、干化、焚烧、熔融等。完善的处理处置系统可以使污泥充分发挥效益后，完全地返回到大自然中，但是由于最终处置技术难度大、资源价值低、设备费用和运行成本高，尽管具有可贵的社会效益，但是推广使用受到了制约。经济发达国家也在由低级处置向完善处置逐步过度。据有关资料介绍，包括美、英、法、德、日、澳和北欧国家在内， 目前污泥处置手段的综合比例约为： 填埋处置占39%； 堆肥处置占12%；干化处置占21%；焚烧处置占23%；其他方法占5%。污泥处理处置不当，将造成严重的二次污染。尽快探索、开发污泥处理、处置的途径和方法，加快污泥处理、处置的投入，兼顾环境效益与经济效益，使污泥的产生、处置与环境保护之间达到平衡，逐步实现污泥的减量化、无害化、稳定化和资源化。综合污水治理系统的布局，确定污泥处理、处置的基本原则：以集约化处理为主，分散处理为辅，近远期结合，分期、分步实施，污泥处置方式为“填埋一点，焚烧一点，利用一点”，处置方式决定处理方法和处理程度。
当用地紧张、污泥中有毒有害物质含量较高，难以填埋，也无法综合利用时，可以考虑污泥的焚烧。城市二级污水处理厂污泥具有较高的热值，在一定的含水率以下，可以自持燃烧。焚烧能最大限度的对污泥进行减量，燃烧产生的热量可以用于干燥湿污泥，也可以作为其它能源被再利用。
采用不同的脱水工艺其脱水污泥的含水率是不同的， 大致范围是 65%～85%。对于后续干化焚烧处理工艺，脱水污泥的含水率直接影响到后续处理构筑物的规模以及干化焚烧的热量平衡，理论上脱水污泥含水率越低越好，当污泥在燃烧时，污泥中的水分在高温下蒸发，会损失大量热能。为了减少热能的损失，在污泥机械脱水时尽量得到高干度的脱水泥饼成为关键所在。
污泥脱水（浓缩脱水一体）处理是城市污水、水厂排泥水、工农业废水处理工程中的重要环节。经浓缩脱水后的污泥其体积大为缩小，不但减轻了对环境的二次污染，也为污泥资源的综合利用创造了极有利的条件。当今国际上已普遍使用全封闭连续运行的卧式螺旋卸料沉降离心机（简称离心机）作为污泥脱水的主机，从而避免了传统工艺采用带式压滤机，板框压滤机的种种弊端（如：污泥脱水敞开进行，现场环境差，水、药剂用量大，易损件多，运行成本大，设备体积庞大、基建费用高，自动化程度差，劳动强度大，不适应连续运行等） 。 而采用离心机进行污泥脱水处理可以保证污泥处理过程中臭气不外溢，污水不外流，污泥不落地，自动化程度高，易损件少，能耗低，药耗小，便于连续运行，运行成本低。但一般的卧螺离心机具有转速高，功耗大，易堵料,维修技术与带机相比不易掌握等缺点，所以在中国市场目前仍然是带机市场占有率略高于离心机，但在新投产的尤其是大型污水厂的建设中，离心机的使用逐渐趋于上升势头。结合目前的污泥处理处置工艺，为了得到低含水率的泥饼，低能耗高干度离心脱水机将是未来使用的趋势。 如何得到高干度的脱水泥饼，解决能耗较带机高、转速高带来的噪音问题、磨损问题、堵料及一系列问题是本文讲述的重点。
2、 离心机结构及工作原理
卧螺离心机是依靠固液两相的密度差，在离心力场的作用下，加快固相颗粒的沉降速度来实现固液分离。见图：
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转鼓前方设计有一个锥段，根据物料性质的不同，按照设定的速度高速旋转。物料在转鼓内壁以设定的转速旋转，沿着转鼓壳体形成同心液层，称为液环层，物料内所含的固体在离心力的作用下沉积到转鼓壁上，再通过螺旋的运转将固体干料推出转鼓。转鼓的运转速度直接决定分离因素，一般讲转速高，分离因素大，固体中的含水率低，而螺旋的速差则直接影响到转送到转鼓外的固体含水率，它对处理量、停留时间和固体排出都有直接影响。
3、 提高污泥干度的两个途径及液压差速器的特点
无论哪个公司生产的哪种型号的卧螺离心机，无论是进口机还是国产机在进行污泥处理的过程中，要想得到理想的高干度脱水污泥有两个途径：第一，可以通过提高转鼓转速来加大分离因素，但提高转速势必增大功耗，增加了噪音，轴承皮带等易损件寿命缩短，对转鼓材料也提出了更高的要求，同时高转速下会使絮凝剂效率降低，增加了加药量。第二：减少转筒与螺旋输送器之间的差转速，但要降低差速必须增大输送器的推料扭矩。螺旋输送器在转筒的进料区、 澄清区以及锥段的特殊构造为获得高干度固相提供保障。锥部的设计应使污泥受到双向挤压作用，当进料浓度发生变化时推料扭矩自动补偿，差速自动调整，从而得到恒干度的效果。 那么配置哪一种差速器能以小差速大扭矩进行工作，从而使污泥脱水全过程达到离心力+双向挤压力，唯一的选择是采用液压差速器。液压差速器这种驱动形式拥有所有差速器中公认的特点：
（1）它具有高扭矩，是一般机械差速器扭矩输出的 2～4 倍（即同等体积的差速器相比）
（2）具有差速自动调整，推料功率（扭矩）自动补偿。在离心力及锥端双向挤压力下，提高了脱水固体的输出量。
（3）能在小差速下输送，一般液压小差速可达 0.3r/min,而机械差速器最小差速3-5 r/min,相差10余倍,即污泥在分离过程停留时间多增加10余倍,使物料停留时间更长，出泥更干。
（4）转筒与螺旋输送器在小差速下工作使物料在螺旋推料面上磨损更小，延长了螺旋使用寿命。
（5）采用第二种方式可使转筒在较低转速下工作，在相同处理效果的前提下，有效地减少了机械磨损，延长了离心机寿命，同时运行成本也大为降低。
4、 中国市场背景及卧螺离心机差速形式
4.1 市场背景
目前在中国市场所使用的国外品牌如德国韦斯伐利亚、瑞典阿法拉伐、法国坚纳、德国福乐韦、日本巴工业、意大利贝亚雷斯等公司大都采用机械差速器或双电机双行星齿轮的差速器。同时国内其他厂家基本是采用双电机系统机械差速器，其推料扭矩远远不及液压差速器。所以这些国外公司在中国市场主打的都是前述第一种：即高转速。污泥处理过程中必须投加高分子絮凝剂，高转速带来的高功耗高药耗势必产生高运行成本，而高运行成本用户是不愿意承担的。 在国外发达国家，液压差速器驱动形式深得用户欢迎。低能耗、低药耗、高干度、不堵料的优点显而易见。
随着中国进入 WTO 时间得延续，越来越多的国外新技术包括各种新型的离心机进入中国市场。不少国人走出国门到世界各地了解国际先进的离心机技术，发现液压差速器配置离心机在发达国家的应用比比皆是。其高可靠性、不堵料、高干度等特点有目共睹。在新加坡这样一个只有300多万人口的国家就有近40 台德国洪堡公司的液压差速器配置离心机在使用。
德国 HILLER、英国 CENTRIQUIP、瑞典 NOXON、奥地利安德里茨Humboldt等都推出液压驱动技术。特别需要指出的是这些公司的离心机是自己生产的，而液压差速器是从瑞士 Viscotherm 公司采购来的，瑞士Viscotherm公司液压差速器具有高扭矩、小差速等特性。
其实上海市离心机械研究所有限公司的液压差速器也是从该公司引进技术，通过吸收消化最后自己设计、生产的。所以其竞争力显著提高。
4.2不同类型卧螺离心机的比较
目前在污泥脱水成套设备中使用的卧螺离心机，已由最初不可调速的机械差速器卧螺机 （简称机械型） 、 发展为可调速的双驱动机械差速器卧螺机 （简称双电机型）和液压差速器卧螺机（即高干度卧螺离心机，简称液压型） ，它们的差别主要在于：
1）差转速形成方法的不同，导致设备电能消耗的明显差别
机械型和双电机型是通过带轮变速或双电机驱动，形成转鼓、螺旋各自的独立的绝对转速，差转速是这二个绝对转速的差值（即它们之间的相对转速） ；液压型的差速器实际是固定于转鼓并随之同步旋转的液压马达，当液压泵站通过特殊的高压旋转分配器向液压马达供油时，螺旋才会在液压差速器的驱动下，产生叠加在转鼓转速（螺旋的牵连转动）上的相对转动，从而形成转鼓、螺旋之间的差转速。
脱水机在空载或轻载运行时，三种机型的能耗没有差别。但负重运行时，由于物料的牵连作用，将给机械型、双电机型各自独立的驱动源造成相互抵消的额外能量损耗，而液压型是通过增加液压马达（差速低于30r/min）的扭矩来承受牵连作用，则不产生上述的能量损耗，从而反映在设备的实际运行中，液压型的能耗明显降低。
2）转鼓、螺旋结构的不同，导致设备脱水能力的明显差别
由于液压差速器对负载变化有良好的自适应性，因此在转鼓、螺旋的结构设计中就可针对城市污泥脱水较困难的特点，有意识地加大对脱水污泥的挤压度，即形成在前端螺旋叶片对污泥的双向挤压效应，以提高污泥的脱水效率。而其它机型因为担心过载堵料，则不能采取这样的设计。
3）差速与转速关联性的不同，导致设备维护成本的明显差别
设备排堵是机械型卧螺机最头疼的维护工作，一旦出现机器堵料，只能解体整台卧螺机转鼓，将污泥一点点地清除。不但耗工费时，且极易损伤转鼓破坏整机动平衡。而液压型的差转速与转鼓的转速无关，可在整机静止的状态下，通过低速大扭矩的液压差速器的强力且极其缓慢的正反推动，逐步将污泥排出转鼓，由于最大安全扭矩可以通过设定液压系统的溢流压力来控制，因此液压型卧螺机的排堵不会损伤设备。
4.3三种类型卧螺离心机的性能比较
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5、案例比较
案例一：市政下水
（1）上海曹阳水质净化厂因两台进口离心机不能满足工艺要求，于 1998年初开始使用上海市离心机械研究所有限公司液压低能耗高干度离心机，经过多年的运行，该离心脱水机运行时间早已超过了二台进口离心机的累计时间的总和。同时由于该离心机采用国际先进的带有差速自动反馈调节、负载自动适应及推料功率自动补偿的液压差速器，与进口离心机相比较具有更高的机械可靠性及对污泥处理工艺的良好适应性。目前仅上海就有上海城市排水市中运营有限公司的天山、曲阳、东区水质净化厂，上海城市排水市北运营有限公司的吴淞、泗塘水质净化厂，以及上海闵行、奉贤南桥、奉贤东部、闵行区 （莘庄） 、 石洞口等十几个污水处理厂在使用液压低能耗高干度离心机。06年液压型低能耗高干度污泥浓缩脱水离心机被上海排水协会评为创新奖。
（3） 东莞市市区污水处理厂于2003 年底通过在国际公开招标中标了上海市离心机械研究所有限公司的液压低能耗高干度离心机LW450×1940NY及成套设备，当平均进料浓度为 0.5%时，处理量为 40～45m3/h，脱水后泥饼含固率25～28%，固相平均回收率≥95%。
（4）深圳南山污水处理厂最早使用进口芬兰带机，2000年招标使用了某公司引进法国坚纳公司技术生产的D5 离心机，处理能力 15m3/h，未能达到招标要求的 26m3/h。 2002 年改造时通过公开招标中标了上海市离心机械研究所有限公司生产的液压低能耗高干度离心机LW530×2270NY及成套设备，当进料浓度为4～6.5%时，处理量达 40m3/h，泥饼含固率可达 34%，耗药量<2kg/tds。由于该设备的优异性能，深圳水务（集团）有限公司分别于2004年9月、 2006年6月通过招标再次订购了上海市离心机械研究所有限公司的液压低能耗高干度离心机LW530×2270NY及成套设备用于南山及滨河污水处理厂。
（5）杭州七格污水处理厂是规模较大的一个污水处理厂，最终处理规模为120万m3/d。该厂一期采用带机，二期通过公开招标采用了上海市离心机械研究所有限公司生产的液压低能耗高干度离心机LW530×2270NY及成套设备共5台套。当进料浓度为 4～6%时，单台处理量达45m3/h，回收率达到95%以上；当进料浓度为 1～1.5%时，单台处理量达 73m3/h，回收率也达到95%以上。整个系统运行情况良好，性能稳定。因此，该污水厂一期改造也设计采用离心机。
下表是液压低能耗离心机与其他离心机使用比较情况：
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从上表中不难看出，LW-NY 液压高干度离心机，其电耗药耗较其他离心机大为降低，使其运行成本大幅下降。按深圳南山污水处理厂每天处理 70吨干泥，电费按0.8 元/kw•h，药费为38 元/kg计算，我们分别计算一年中的运行成本：
LW530机运行成本=（12.5×0.8+2×38）×70×365=2,197,300元
D5机运行成本=（40×0.8+4×38）×70×365=4,701,200元
二者之差，一年运行成本节约250万元，这还不包括泥饼干度提高使污泥处置费用降低（即泥饼外运成本，填埋或焚烧成本等） 。
案例二：市政上水（自来水排泥水）
在 2000 年环保要求自来水排泥水必须污泥处理后方能排放，为什么大部分水厂在污泥处理工艺还在选用自动化程度较低的板框机，原因就是国外高能耗离心机（即机械差速器）在自来水污泥比重、浊度较污水厂的污泥大的情况下不能适应一年四季的浊度变化，堵料故障频繁。差速过大造成泥饼含水率太高，所以目前自来水行业应用离心机进行脱水工艺还有争议。而上海市离心机械研究所有限公司推出的液压高干度离心机在水厂排泥水污泥脱水的应用业绩比进口机器还多。
（1）原水为江河水：
广州西洲水厂、广州南洲水厂、湖南株洲第四水厂，广石化水厂及上海金山石化水厂等。这些水厂的原水为江河水，浊度不稳定，泥沙含量高，比重大，粘度高，采用上海市离心机械研究所有限公司的液压低能耗高干度离心机及成套设备，脱水后泥饼含固率可以达到 45%，耗药量<2kg/tds。广州西洲 50 万吨/日水厂，广州南洲 100 万吨/日水厂LW530×2270NY离心机单机处理干泥达 1400kg/h，进料流量为40m3/h。
（2）原水为湖泊水：
杭州祥符水厂的原水为太湖支流水，藻类含量高，粘度大。采用了上海市离心机械研究所有限公司的LW400×1750NY液压低能耗高干度离心机及成套设备，当进料浓度为 2～4%时，处理量 15m3/h，泥饼含固率>35%，耗药量<2kg/tds。整套成套装置采用PLC+PC控制，数据采集，输出打印，中控室监控，现场无人操作。杭州祥符水厂污泥脱水工程是水厂环保的典范，其周边的余杭宏畔水厂、海宁二水厂、海宁三水厂、上海松江二水厂、奉贤三水厂等相继使用液压低能耗高干度离心机及成套设备。
（3）原水为水库水：
贵阳西郊水厂和深圳朱坳水厂的原水都为水库水，藻类含量高，微生物含量高，粘度大。采用了液压低能耗高干度离心机及成套设备，脱水泥饼含固率≥25%。
案例三：工业污泥脱水
节能减排也是电厂、钢铁、皮革、造纸、酒精等行业的重头戏，液压低能耗高干度离心机及成套设备在钢铁行业的武钢、柳钢、马钢、攀钢环保治理有杰出贡献；河北辛集是皮革主要产区，LW530 液压低能耗高干度离心机有十几台在为该地区节能减排工作着；浙江富阳、广东中山是造纸主要产区，LW530 液压低能耗高干度离心机在为该地区的节能减排工作着；河南天冠是酒精行业排头兵， 液压低能耗高干度离心机在为该公司的节能减排工作着；同时我们的液压低能耗高干度离心机也在为我国电力的主要产区内蒙以及国外地区的电站（如东南亚、印度等）肩负着节能减排的工作。
6、结论
建设城市污水处理厂对改善城市水环境，保障城市社会经济发展起着举足轻重的作用。在污泥减量化、稳定化、无害化方面，国内目前污水处理过程产生的污泥，除个别污水处理厂经过了厌氧消化稳定，绝大部分仅做到了浓缩和机械脱水，甚至仅是浓缩，因而出厂污泥未加稳定和卫生化，含水率高，体积大，其出路大多是湿污泥船运郊区做肥料或者填埋。而低能耗、高干度离心机的使用，为污泥干化、焚烧节约了能源，使污泥处理、处置更易推广。
本文推出的低能耗、高干度离心机其特点是主机采用具有国际先进水平的高干度离心机，其液压控制的螺旋推料转速和推料功率可根据负载变化的反馈得到自动调节、补偿，并使污泥能在离心力场及锥段前端二个螺旋叶片双向挤压的共同作用下，形成更干的泥饼，提高脱水效率。从污泥切割粉碎、进料、脱水、排泥、输送、絮凝剂投放以及运行均有PLC实施全自动监控，从而使整个系统成为达到无人操作的国际先进水平的全自动化污泥脱水成套操作单元。整个系统结构紧凑并克服了一般机械差速器高能耗、噪音及堵料的故障，使离心脱水机与带机及板框压滤机相比具有更明显的优点。作为国产的离心脱水设备，我们已经做到了“中国装备，装备中国” 。目前，上海市离心机械研究所有限公司能够生产直径从 220mm至 900mm，处理量从3m3/h至 150m3/h的各种规格型号离心机及成套设备， 广泛应用于各类污泥脱水（浓缩脱水一体）处理工艺。
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