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。目前我国的污水处理量和处理规模在近10多年内迅速增长。在一个标准的污水处理厂或企业的污水处理系统中，工艺所需的机械设备有很多，主要包括格栅、刮泥机、搅拌机、输送机、鼓风机、各种输送泵、脱水机等等。其中，目前国内污水处理系统中所选用的污泥脱水设备，以板框压滤机、带式压滤机和离心机为主。本文通过对离心机各种机型，以及主要机型的结构介绍，并结合污泥的性质，来讲述在污水处理系统中如何结合实际工艺，更好的选择适用的离心机。

2 卧式沉降螺旋卸料离心机的分类

按应用领域主要分为两大类：

一类是：水处理领域中的应用。市政上水、下水，各类工业生产废水，垃圾处理厂渗滤液，土木、隧道的泥水，造纸排放水，化学工厂排放水等等。在这类领域中，应用较为广泛的是卧式沉降螺旋卸料离心机的基本通用型。其结构的通用优势，使得该类机型应用在基本的固液分离工艺中非常的广泛。

另一类是：制造工序中的应用。由于不同制造工艺、不同的物料特性、不同的离心要求，对离心机本身的要求就有各种特殊要求了。其中再细分一下，可分为三类：

（1）矿钢业：矿渣、黏土、高岭土、铜粉、铁粉、煤粉等。该类机型需要对离心机的耐磨性有非常高的要求。针对螺旋叶片、螺旋出料口、转鼓出料口等关键部位进行耐磨的优化设计。采用安装特制的陶瓷和硬质合金。

（2）食品、药品工业：淀粉（玉米淀粉、马铃薯、甘薯）、酵母、果汁、饮料、各类药品等。该类机型对转鼓和螺旋的加工要求比较高，有些需要有特殊的镜面处理工艺，以及转鼓内留停机残液的自动排放，并在罩壳内装备了完整的洗净机构来满足医药行业规范。

（3）化学工业：合成树脂、棕榈油、废油、聚合物、电子、半导体生产排放水工程等。化工领域工艺的复杂性和生产工艺的特殊性，机型结构分类很多，包括其中分离油、水、固体在同一分离过程中实现的三相分离机；以及分离因数达到8000以上的超高转速的卧式沉降螺旋卸料离心机来实现高黏度液、微小离子的分离。

卧式沉降螺旋卸料离心机根据分离的对象不同，其在结构上也非常多样，用行业内的一句话定论是：“一料一机”。换句话说就是针对不同的物料，需要选用不同结构的离心机。在此，我们围绕在水处理环保领域中，主要以生活污水、工业污水为例，结合污水的特点，通过对离心机结构的分析，进行论述离心机的选用。

3 污泥处理的现状及背景

在污水处理过程中，产生的大量污泥，其数量约占处理水量的0.3%～0.5%左右（以含水率为97%计）。污泥的处理在污水处理厂中占的建设费用和运行费用比重都很高，所以污泥的处理是污水处理系统非常重要的组成部分。关于污泥处理的工艺已经比较成熟，通过对生污泥（生污泥包括：初次沉淀污泥、剩余活性污泥和腐殖污泥）采用浓缩、消化、机械脱水、自然干化、堆肥、干燥焚烧等工艺方案的不同组合，来实现对污泥的处置。主要有三类方案：

第一类，以消化处理为主，通过消化过程中产生的生物能即沼气，来作为能源利用，可以用做燃料或发电。这种消化方案在国外应用很多，而在国内，我们往往在对污泥进行浓缩完以后，直接进行机械脱水处理，很少有污水处理厂进行消化处理，即便采用了消化工艺，其实际运营又受消化过程中的工艺数据（如温度控制、营养控制、混合等因素）影响，使得实际效果也相差很远，而且所产生的沼气，国内污水处理厂也很少有进行能源利用的。因此该类方案，在我国没有充分发挥好其能源再利用的优势。

第二类，以堆肥、农用为主，这受污泥条件限制，发展规模也是相当有限。

第三类，以干燥焚烧为主，该方案现在在国内属于大家追捧的宠儿。国内目前在建的项目，很多均以此方案为主，但是污泥并不是简单能通过焚烧解决了事。此类方案不光要考虑污泥的可燃值，更要考虑燃烧后的环保处理，并且能够实现将焚烧产生的热能再利用。但更重要的是，工艺过程中的关键技术和设备我们还是主要依赖于进口，在投资和运行成本上需要值得斟酌。

所以污泥处理的方案还是应该以综合处理为主。尤其污泥的处置要考虑污泥性质，当地的环境特点和投资运行管理情况等综合因素，需要以填埋、堆肥、干化、焚烧相结合。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%。

无论污泥如何处理，污泥的脱水问题一直是污水处理系统中重要的一个环节。因为污泥脱水的好坏将影响到后续污泥的处理，其污泥的含水率的高低，对污泥处理的成本影响非常之大。尤其对需要进行后续干化或焚烧的污泥，其含水率将直接影响热能平衡所需要投入的运行成本。即便是进行填埋等其他处置方法，污泥的含水率也将影响污泥的体积和重量，对处置的成本也是影响很大。目前在国内污水处理厂中，絮凝剂投加的运行成本也是脱水系统所占比重较大的。再者，在“节能减排”的大环境下，能耗的使用也成为污水处理系统中的一个热门问题。影响这些因素较直接的就是卧式沉降螺旋卸料离心机的合理选用和正确应用。

4 离心机结构与工作原理

卧式沉降螺旋卸料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。

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数，一般讲转速高，分离因数大，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。

这种结构也是我们所说的基本通用型离心机。然而污泥处理往往围绕着这几个主要问题展开：

（1）脱水后的污泥含水率要低。

（2）上清液的回收率要高。

（3）单位绝干泥所需要添加的絮凝剂量要少。

（4）离心机的能耗要降低。

这几个问题的解决，直接有效的就是通过离心机的合理选型、结构的合理设计和选择合适的配置等多种因素进行改善。而且这些问题都是相互关联，互相影响。

5 应用于污泥脱水中离心机的关键技术

5.1 选用合适的分离因数

通常为实现更好的分离效果，大多采用提高离心机的分离因素，即提高离心机转子的转速来达到目的。但是，并不是说分离因数越高，分离的效果越好。有一个很关键的问题在于我们所分离的对象是污泥絮体。在20世纪70年代，开发出的低速离心机（也就是目前广泛应用的通用型卧式沉降螺旋卸料离心机）专门用于污泥脱水，该离心机与应用于其他行业和领域中的离心机区别在于分离因数。其分界点是分离因数3000，也就是离心力为3000G（G为重力加速度）。应用于对絮凝的污泥进行脱水的离心机的分离因数必须≤3000，因污泥絮体较轻并且疏松，如采用高速离心机很容易被甩碎。而低速离心机由于转速低，其动力消耗、机械磨损、噪声等都比较低，所以在污泥脱水领域中广泛推广起来，逐步在取代带式压滤机的板框压滤机。其一关键是，污泥絮体在收到离心力的作用下，不会因为过大的摩擦力（污泥絮体由离心力所产生的与转鼓内壁的摩擦力）而受到螺旋叶片推进时，将絮凝好的大污泥絮体搅碎，使效果适得其反。其二关键是，低转速使得泥饼在向前推进时，在不断被离心压密而不会因受到螺旋的旋转推进所引起进泥的搅动（泥饼的搅动主要受离心机的差速影响，下文有进一步详细介绍）而影响分离效果。此外转鼓内的水深容积比较大，有利于提高水力负荷和固体负荷，更能适量节省絮凝剂的用量。

目前的污泥种类主要分初次沉淀污泥、活性污泥、腐殖污泥、消化污泥均由亲水性带负电荷的胶体颗粒组成，挥发性固体含量高、比阻值大（比阻值越大，脱水越困难）。特别是活性污泥的有机分散包括平均颗粒在1.0～100u之间的超胶体颗粒及由胶体颗粒聚集的大颗粒所组成，所以其比阻值较大，脱水较为困难。所以絮凝剂的作用就是有效降低了比阻值，改善了脱水性能。以我们市政污水处理的经验总结，不同的污泥，只有进行合适的分离因素选择，合适的加药量的投加才能达到较佳的效果。过高的分离因数带来的实际效果与分离因数的增加比例不明显，而且会更容易破坏污泥絮体。所以在参数选择时可以根据下表数据进行调整。

5.2 增加离心机的长径比

长径比：离心机转子的有效工作长度与转鼓工作内径的比值。通常来说，长径比对于污泥脱水应用中，其数值越大其带来的分离效果越好。但是，长径比越大的离心机，其转速的提升就非常困难。目前在国内市场应用于污泥脱水中的离心机，主流的长径比在3.7～4.4左右。随着离心机应用技术的提高，装备制造加工设备的提升和材料科学的迅速发展，使得分离因数达到3000，长径比为5.0的卧式沉降螺旋卸料离心机成为可能，国际许多离心机生产厂商和国内少数离心机生产厂商将此技术开始应用于污泥脱水中。长径比的优点是：增加了泥饼在转鼓内的脱水段的停留时间和清液在转鼓内的沉降段的停留时间。停留时间的长短将直接影响泥饼脱水后的含水率和上清液的回收率。

以同样的分离因数、同样的转鼓锥角设计、同样的转鼓水深容积设计，在达到相同的分离效果前提下，长径比每增加0.1，其絮凝剂的投加量将减少5～8%。其对实际运行的成本影响是非常可观的。

5.3 转鼓的锥角和清液的溢流口的设计

离心机的转鼓锥角大小的设计和清液的溢流口高低设计，将很明显的影响污泥脱水的效果。在同样的液池深的前提下，对不同锥角设计的离心机进行比较，可以看出，12°锥角的脱水段小于8°锥角的脱水段，而12°锥角的沉降段大于8°锥角的沉降段。从以上比较可知：12°锥角的离心机由于沉降段较长更有利于上清液回收率的提高，8°锥角的离心机由于脱水段较长其更有利于获得较低的泥饼含水率。

以同样的锥角为标准，通过调节转鼓上的溢流口高低，从而来改变液池深度的大小，达到调整脱水段和沉降段的大小，通过此技术的调整，可以满足不同要求的分离效果。当液池深度较低时，其脱水段就比较长，对提高泥饼干度有较大影响。反之，则可以得到更高的上清液回收率。溢流口的调整往往都是通过离心机厂家在现场调试时，实现该功能的较佳状态。

5.4 螺旋结构的特殊设计

离心机的螺旋设计，是整台离心机的核心部分，分离不同的物料和应用于其他行业中，螺旋是至关重要的。在螺旋设计中，应用于污泥脱水中，有两点技术比较重要：

（1）螺旋的进料腔（也可以称其为布料腔）的合理设计。该进料腔的作用是将从进料管中出来的污泥进行分布，让污泥均匀的进入到受离心力作用下的分离腔内，实现固液分离。其腔体的设计有多种多种方式，可采用导流式、空腔式、多孔式等，其各种方式针对的污泥特性也不一样，这需要进行设计微调或者进行二次设计。

（2）特殊的螺旋叶片结构。由于污泥的特性不同，污泥的进料浓度变化也很大，从进料浓度0.6～4%都有。所以在进行螺旋叶片设计时就需要考虑污泥的进料浓度，通过对固液分层的理论计算，可得到较合理的开孔大小。螺旋叶片开孔适用于浓度较稀的有机物含量较高的污泥脱水，其优点在于：污泥浓度较稀的时候，在离心机选型时需要考虑离心机的水力负荷能力，而非固体负荷。在正常运转时，在离心机转子内，单位的通水量增加，从而对离心机转子内的液体的流速就大为提高，通常会影响已沉降的固体层，进而导致上清液回收率增加。而螺旋叶片这一改进，大大减少了因流体在离心力的作用下对已沉降的固体层的搅动，并且缩短了澄清液的流通时间。

5.5 离心机的差速

泥饼在离心机转鼓内是通过螺旋的输送，实现连续不断的出泥。其泥饼在离心机内停留时间除了受长径比的影响，主要的是由离心机的差转速决定。差速大，泥饼推进速度快，在转鼓内的脱水段停留时间短，脱水后泥饼含水率高；反之，差速小，泥饼推进速度慢，在转鼓内的脱水段停留时间长，脱水后泥饼含水率低。

更重要的是差速大的话，螺旋的搅动力大，对污泥絮体的搅动和剪切力都增大，使得絮凝效果变差，不仅浪费絮凝剂，也使得分离效果变差；反之，差速小的话，螺旋的搅动力小，对污泥絮体的搅动和剪切力都变小，对絮凝效果影响不大，也提高了分离效果。

为了实现小差速就必须要有更大的扭矩为前提保证，所以选择合适的差速器则成为关键。瑞士Viscotherm公司将液压差速技术应用于离心机上，开发出其他公司专利的应用于各种离心机上的液压差速器，其特点就是具有高扭矩、小差速，推料扭矩自动补偿，差速自动调整等特性，来保证离心机分离泥饼的恒干度。当这一技术得到实现，在差速器的应用上，各离心机厂家也进行了一番技术革新。通过学习液压差速这一显著的特点，设计了双变频双电机的驱动方式，从而改变了原有的通过更换皮带轮来调节差速的机械差速系统。目前在市场上常见的差速驱动方式有：双变频双电机液压差速系统、双变频双电机机械差速系统。

这两种差速通过比较，我们可以得出，液压差速器的驱动形式拥有所有差速器（行星、摆线等）公认的特点：

（1）具有高扭矩，是一般机械差速器扭矩输出的2～4倍（与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，而机械差速器小差速3～5r/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。

应用了液压差速系统，该技术突破了离心机的传统的设计理念。在离心机锥角设计和螺旋叶片的设计过程中，原有的技术为防止锥段物料架桥的现象出现，通常都采用控制固体负荷，来避免架桥而引起的堵料现象。而应用了液压差速系统，其大扭矩、小差速的技术，改善了这一情况，并使得污泥在锥部可以同时受到离心力作用，还同时受到前后叶片的双向挤压力作用，这样可以进一步提高污泥脱水的干度。当污泥进料浓度发生变化时，液压差速系统的推料扭矩自动补偿，差速自动调整，从而保证了污泥脱水的恒干度效果。

通过上述五方面的技术提高，我们可以将污泥脱水调整到一个较佳的状态。然而同样都是污泥处理，但由于污泥受其类别、成分和工艺的影响，污泥的脱水特性都不一样，所以应用于污泥脱水的卧式沉降螺旋卸料离心机也可以用“一料一机”进行定论，虽然离心机的整体结构没有太大变化，但对于上文所提到的五个关键技术的应用就非常重要。我们这里就通过对目前污水处理厂中较为常见的活性污泥进行分析。

6 离心机在活性污泥中的应用

活性污泥的比阻值是我们在污水厂所见的污泥中较大的，而且其挥发性固体含量高，有机物的比率一般占到了60～70%，更甚者达到70～80%含量，有机物愈大，非游离水愈多，污泥脱水性更差，设计微调离心机结构及合理的长径比转差速就显得尤为重要。

（1）由于活性污泥中的挥发性固体含量高、比阻值大。特别是其的有机分散的平均颗粒在1.0～100u之间的超胶体颗粒及由胶体颗粒聚集的大颗粒很多，所以预处理这一过程非常关键，在聚丙烯酰胺（简称PAM）的充分熟化和稀释（与污泥混合的稀释浓度为0.8～1‰）的前提下，PAM与污泥的混合点的选择很重要，对于活性污泥的混合点目前实际应用中均设置在离心机的进料口前端。而离心机的螺旋进料腔的设计就很关键，上文所讲述的进料腔的优化设计就提高了污泥絮凝效果。因为在离心机的螺旋进料腔内，虽然是时间很短，但是其是一个高离心力的动态絮凝过程，加速了絮凝反应的时间。我们螺旋进料腔的优化设计，可以使得污泥絮凝在不受外力破坏的作用下达到一个较佳的效果。

（2）由于活性污泥的进料浓度不同，对离心机螺旋结构的设计也影响很大。目前，国内从二次沉淀池输送进离心机进行脱水的污泥主要有三种：一种是进行过浓缩、均质，其污泥的浓度在2～4%之间。另一种是直接进均质池，其污泥的浓度一般在0.6～1%。第三种是与一部分初次沉淀池来的污泥在均质池内混合，其污泥浓度一般在1～2%之间。这三种不同污泥进离心机进行脱水，其同样的离心机工艺参数得到的效果将大为不同。为了适应不同的情况，离心机的螺旋在设计过程中进行了改良，就如上文所讲述的叶片开孔设计，开孔的高低，需要根据污泥的进料浓度和污泥的特性进行二次设计。螺旋叶片这一改进，大大减少了因流体在离心力的作用下对已沉降的固体层的搅动，并且缩短了澄清液的流通时间，防止因液体的高速水流带走一部分污泥，而影响分离的上清液的回收率。

（3）对于活性污泥来说，尽可能的选用大长径比离心机。毋庸置疑，大长径比的离心机在污水处理领域中的优势是显著的。更长的沉降段和脱水段，为保证污泥的含水率和上清液的回收率都起到直接有效的作用。

（4）选用合适的差速系统。差速系统是离心机的心脏。液压差速优势也已经得到国际上广泛的认可，虽然其比机械差速较高的成本投入，但通过日常的运营中得到更多的回报。

（5）综合因素。各离心机厂家所实际应用的离心机结构技术不同，在污泥脱水中的实际应用情况也有很多不同。我们只能通过客观的分析来定论离心机的适用性。但是在污水行业中对污泥分离要求不断在提高，对于离心机的技术改进需要“因人而异”。

7 结束语

卧式沉降螺旋卸料离心机的应用有着其特有的定性“一料一机”，不仅是应用于制造工序还是应用于水处理系统中。关于对卧式沉降螺旋卸料离心机其中每个关键技术均有很多的论述，本文仅以在污泥脱水工序中，所适用的离心分离技术进行了介绍。