近年来，随着我国经济的快速增长和城乡居民生活水平的不断提高，畜禽产品的市场需求日益扩大，促进了我国的畜禽养殖业向规模化、集约化方向发展，在大大提高了畜禽产品产量的同时，养殖场畜禽粪污的排放量也急剧增长。畜禽粪污中有机物浓度高，含有大量的悬浮物和病菌，因此造成了非常严重的环境污染，在不少地区已成为城镇周边地带和人口稠密地区的主要污染源。

由于畜禽粪污中含有有机物和氮、磷、钾等营养成分，经适当处理后固体部分可通过堆肥好氧发酵生产有机肥，液体部分可作为液体肥料，但资源化的利用对粪污的含水率有一定的要求，而养殖场排出的畜禽粪污不仅量大，且含水率高，难于运输、存放和直接利用，因此对畜禽粪污进行一定程度的脱水处理是粪污资源化利用的重要环节。现将叠螺式畜禽粪污脱水设备的设计报道如下。

一、叠螺式脱水设备的总体设计

1.1 畜禽粪污处理的工艺流程

畜禽粪污的含水率根据种类和粪便清理方式的不同而有所差异，猪粪便的含水率为80%～85%，奶牛的粪便为83.20～86.36%，鸡的粪便为50%～75%，水冲洗粪的含水率则更高。

畜禽粪污的脱水工艺流程是将含水率为85%左右的粪污经絮凝剂和混凝剂絮凝沉淀，以高压泵送至叠螺式脱水设备，装备由重力压榨区和高压压榨区组成。由于经絮凝沉淀后的粪便污水极易失去间隙水，在叠螺式脱水装备内的重力压榨区进行一级脱水；随着螺旋轴的不断输送挤压，粪污受到的压力逐渐增大，在高压下进行二次脱水。在装备的出料端，通过调节背压板的位置来调整装备内的压力，以保证从设备排除的畜禽粪污含水率≤45%～55%，滤液经设备的排水口排入滤液池。

1.2 机械脱水设备的选择

在畜禽粪污的脱水方法中，由于机械脱水使用方便、能耗低、能连续作业，因此比较适合规模养殖场。而机械脱水设备中又分为离心脱水机、螺旋挤压式、斜板筛、转动筛等。斜板筛、转动筛都属于筛分的固液分离方式，去除率取决于筛孔的大小，缺点是去除率低、筛孔容易堵塞。离心脱水设备在国内化工厂家污泥处理中被广泛使用，而螺旋挤压式脱水设备无论在国内还是国外都是较为先进的环保污泥处理设备，能耗低、运转平稳、噪音小。项目选用设计的叠螺式脱水设备为螺旋挤压式中的一种，在粪污处理中脱水效果更好，在成本控制和稳定性上具有很大的优势。

1.3 叠螺式脱水设备的总体结构设计

在此机构中，变径动定环经固定螺栓和固定板固定在设备外壳上。螺旋轴为变径螺旋轴，一端设置有一凹槽，与设备外壳一端内置的圆柱形凸台嵌合，另一端的减速电机连接后一同固定在设备支架上。进料口设置于螺旋轴的前端，出料口设置于螺旋轴的后端。压紧板与变径动定环相连，背压板设置于螺旋轴的后端。集液槽和排液口设置于设备支架上。整个工艺处理过程冷态操作，不需要热源。

减速电机带动变径动定环和螺旋轴一同旋转，变径动定环从进料口到接近减速电机处，内径逐渐减小，变径螺旋轴从接近进料口到接近减速电机处，外径逐渐增大，螺旋轴旋片的螺距逐渐减小，从而促使设备内有效空间逐步减小。粪便污水随螺旋轴旋片的推送向出料口移动，空间被不断地挤压，所受的压力也随之逐渐增大，并在高压挤压压榨作用下开始脱水。滤液从动定环所形成的滤缝中排出，经集液槽收集后从排液口排出。通过调节背压板与出料口的间隙，可调节设置设备中的压力。变径动定环不断地摩擦，可有效除去间隙内滞留的固体污泥，从而实现设备无堵塞、连续运行的功能。

1.4 设备主要技术参数

叠螺式畜禽粪污脱水设备主要技术参数如下：

机械尺寸（长×宽×高）：3530mm×990mm×2100mm

设备净重：920kg。

运行重量：1330kg。

螺旋轴规格：φ200mm。

出料口高度：700mm。

电机功率：5.5kW。

处理后含水率：45%～55%。

二、叠螺式脱水装备主要部件的设计

2.1 电动机与减速机构的选择确定

设备螺旋轴的长度需综合考虑粪污的处理量和设备的工作稳定性，因此轴长不宜过长。在轴长的基础上由公式计算出电动机功率的大小。公式：Po=k×Q（WLk+H）/367

式中：Po为设备所需功率；k为备用系数；Q为粪污处理量；W为阻力系统；Lk为螺旋轴水平投影长度；H为螺旋轴垂直投影长度。

计算出螺旋轴所需功率为3.2kW，选择摆线针轮减速机，则电动机功率为4.6kW。根据市场主流机型选型，并综合考虑日常使用堵塞等情况，选择功率为5.5kW的三相异步电动机。

2.2 螺旋轴及旋片的设计

螺旋轴采用变径结构，从进料口到出料口，外径逐渐增大。进料口直径为φ145mm，出料口直径为φ200mm。螺旋轴工作部分总长为2800mm。螺旋轴材质选用45钢，空心结构。

螺旋轴旋片采用单头螺旋叶片，螺距采取变距结构，整体分为两部分，进料口段至中间段螺距设计的较大，螺距设置为180mm，设置7片旋片，从中间段到出料口处根据含水率的不同设置螺距依次降低10mm。旋片厚度为5mm，考虑到工作环境的腐蚀性和耐磨要求，旋片的材质选用304不锈钢，推料面喷涂合金材质。旋片的直径计算后圆整取值为φ300mm。

变径螺旋轴推送粪污从进料口移至出料口，整个过程中螺旋轴旋片的螺距逐渐较小，使得设备中内部空间逐渐减小，粪污被高压压缩，失去一部分水分。

2.3 动环和定环的设计与布置

动环和定环在脱水设备中起到过滤的作用，取代了传统的筛网。特别是使用了絮凝剂后，粪污中分散的细粒能絮凝成固化团块，易造成筛网堵塞，采用动定环后其层叠可动的结构可以避免传统筛网的堵塞现象。

动环和定环相互层叠，螺旋轴贯穿其中形成过滤主体，粪污在推进过程中受到背压板形成的内压作用实现充分脱水，滤液从定环和动环所形成的滤缝排出，泥饼从设备的末端排出。螺旋轴在输送粪污的同时，推动游动环做圆周运动，具有自动清洁滤缝的功能，防止堵塞，从而确保脱水机持续稳定运行。

动环与定环交叉安装，定环与定环之间用垫片隔开，动环位于两定环之间，相对于定环产生一定的错移。动环和定环采用304不锈钢，2mm厚度，定环安装在相互间隔120°支撑杆上。动环和定环之间的过滤间隙设置为1mm。动环的内径在设计时要略小于定环内径和螺旋轴旋片外径。可取定环内径为303mm，动环内径为297mm。

三、试制与结论

项目承担单位基于现有叠螺式脱水机的基础上对产品进行了样品试制，并应用于规模化猪场。产品试用试验时采用的是猪场的猪粪，经过运转试验表明，设备运转平稳、易于操作，主要特点如下：
①经过脱水设备处理后，粪污的含水率为50%左右，是较为理想的堆肥初始含水率。

②相比于常用的离心脱水机，运行成本低、噪声低。设备采用了螺旋轴变径结构和旋片的螺距不等结构，脱水效果更好。

③由于采用了全封闭箱体，有效地减少了恶臭气体的散发，减少了环境的污染。

④设备采用动定环结构，有效防止固化物的堵塞，具有自我清洗功能。但是，不擅于颗粒大、硬度大的粪污处理。