结构设计对带式压滤机处理能力影响的探析

仲伟刚 王涛
（机械科学研究院环境保护技术与装备研究所）

　　摘　要：文章通过对带式压滤机的设计和应用实践，从机械结构设计角度分析了带式压滤机重力脱水区、压榨脱水区以及辅助系统对整机处理能力的影响，并且提供了设计参数。
　　关键词：带式压滤机 结构设计 重力脱水区 压榨脱水区 滤带

前言

　　随着人们环保意识的不断加强和我国环保政策和法规的不断完善，各行各业污水处理项目和工程急剧增多，各种各样的固液分离设备也随之不断地应用于工程实践。科学技术的不断进步，新产品、新技术、新材料不断涌现，以及工程项目对服务设备的经济技术、投资成本指标等要求的不断提高，各个工程项目中所有设备的开机率和连续工作时间也都大幅度的提高，这就给在污泥脱水领域中占有最大市场份额的带式压滤机提出了新的更高的要求。
　　我国自六十年代末开始引进应用、消化吸收国外的先进技术，同时开发拥有自主技术的同类设备。带式压滤机作为污泥脱水工艺过程中的主导设备，其对具体工艺条件的适应性和本身工作的可靠性是否能够达到预期的设计指标、满足工艺要求，受到了实实在在的考核与验证。

1　带式压滤机概述

　　带式压滤机是由化学絮凝和机械挤压原理相结合而组成的高效固液分离设备，其连续生产性好、自动化程度高、工作稳定性好、可靠性强、动力消耗少、操作维修简便、工人劳动强度低、处理能力大等优点广泛应用于各行业的污泥处理工艺过程。
　　带式压滤机在实际工程应用中所涉及的主要技术经济指标有：
　　（1）处理能力（Kg绝干污泥/h/m或m3污水/h/m）；
　　（2）脱水泥饼含水率（%）；
　　（3）化学药剂添加量（Kg/m3污水或Kg/T绝干污泥）；
　　（4）动力消耗（Kwh）；
　　（5）冲洗水耗量（m3/h）；
　　（6）带张力（kN/ m）；
　　（7）带有效宽度（mm）；
　　（8）滤带运行速度（m/min）；
　　（9）气源压力（Mpa）。
　　以上九项指标中，处理能力是评价带式压滤机综合性能的首要指标，然而，污泥脱水处理工艺水平高低和带式压滤机结构设计优劣都是影响其处理能力的直接因素。工艺因素是多方面综合性的，诸如：
　　（1）絮凝药剂选择：目前，聚丙稀酰胺（PAM）是污泥脱水领域应用最广泛的絮凝剂，PAM可分为阳离子型、阴离子型和非离子型，其中每一个离子型又可分为许多种分子量。因此，对不同的处理介质，应该选择不同类型不同品种的PAM，例如，市政污水一般都需要使用阳离子型，而酒精、金矿尾矿等行业一般都需要选用阴离子型。在定性选择之后，还要进行定量选择，否则，非但达不到提高处理量之目的，甚至有可能造成污泥脱水根本无法进行。
　　（2）助凝药剂选择：不同行业的污水处理或不同处理介质的污泥脱水，所使用的絮凝药剂有所不同，有时还需要添加必要的助凝药剂，例如酒精行业的酒糟脱水，就必须在添加PAM之前，先加入PAC（碱式氯化铝）或熟石灰（氢氧化钙）等，否则就根本无法形成絮体进行脱水。
　　（3）药剂溶解浓度、添加量：确定了药剂的具体品种、型号，就要进行溶解浓度、添加量与脱水效果、运行成本等指标对比的试验，以最终确定运行成本相对最低、脱水效果相对最好、处理量相对最大的工艺指标。
　　溶药装置能否保证药剂熟化时间、熟化状态为最佳、使带式压滤机连续生产性得以充分发挥，加药装置是否能够保证药剂的分子链不被破坏、药剂的活性不被降解，使污泥形成足以承受一定压力的絮体等，都是属于工艺因素方面的问题。这里，我们为了研究带式压滤机本身的结构设计对其处理能力的影响，因此，暂且抛开工艺因素进行分析。

2　结构设计对带式压滤机处理能力的影响

　　任何一台带式压滤机都是由重力脱水区和压榨脱水区加之必要的辅助系统组成一台完整的机器。
2.1　重力脱水区
　　絮凝污泥首先进入重力脱水区，絮凝产生的游离水绝大部分需在该区被脱除。所以，重力脱水区是影响带式压滤机处理能力首当其冲的主要因素之一。在重力脱水区内，絮体沉淀在滤带之上，游离水需要通过絮体透过滤带而脱除，这就给长度有限的重力脱水区段增加了很大的负担，要在整机尺寸和重力脱水区长度不变的前提下最大地提高该区的效率，在其结构的考虑上，从以下三方面着手很有实效：
　　（1）设计具有一定仰角的上倾式滤带运动结构，这样，污泥随滤带向前运动时，大部分游离水将倒流回入泥口处的湍流区（图1），在湍流区内絮体尚在生长过程加之受污泥泵的推力作用，完全处于运动状态，所以，游离水不会受絮体层的阻碍而极易被脱除。实践证明，其仰角以30左右为益。例如：山东仓上金矿进行的工业性试验中，使用DY3000型（3000mm带宽）带式压滤机，原设计重力脱水区是水平的，经改造为上倾式后，处理效果和处理量都有明显提高。
　　（2）设计多级错位布置的犁耙梳泥结构，使移出湍流区平铺与滤带上的污泥不断受到梳理，以使未及倒流回湍流区的游离水被及时滤掉。其犁耙级数和耙齿间距的设置应根据重力脱水区的长度和对各种处理介质的适应性来综合考虑进行设计。
　　（3）在满足整机结构尺寸的前提下，重力脱水区长度尺寸应尽可能加大，以求得最长的重力脱水时间。
2.2　楔型脱水区
　　随着滤带的运转，污泥进入楔型脱水区，楔型区兼有重力脱水和压榨脱水的双重作用，所以，楔型区亦是影响带式压滤机处理能力的主要因素之一。　

　　众所周知，当污泥还处于自由重力脱水具有较强流动状态的时侯，若对其突然施压，势必会造成污泥快速向受压点四周扩散，倘若由两条滤带组成的夹角很大，即污泥突然进入由两条滤带组成的挤压部，则必然造成从滤带两侧外卸产生“跑泥”现象。（图2）

　　产生“跑泥”就无法压出泥饼，也就更谈不上提高处理量。从这一点上讲，楔形角应越小越好。但是，若楔形角设计过小，从重力脱水区过来的污泥不能全部进入楔型区，直接造成污泥在楔型区入口处堆积从滤带两侧外溢。此时，只能减小污泥泵流量以保证脱水工艺的稳定，这样反而减小了处理量。若处理不当还会造成整个脱水工艺过程发生紊乱。（图3）
　　究竟楔形角多大才合理，应该结合重力脱水区的长度，滤带运行的速度范围，滤带的透水性能，楔型区的长度、带式压滤机设计最大处理能力等因素综合考虑；应保证即能最大限度地接受重力脱水区送来的污泥，又可以使污泥在楔型区内尽可能早的接受缓慢递增的、污泥向滤带两侧扩散外溢趋势极小的预压，使污泥中剩余游离水的脱除量完全满足污泥逐渐增稠变硬的要求，从而顺利地过渡到压榨区。
　　实践证明，对于大部分处理介质，若入料固含量按≥3%计，其楔型区设计长度大于2m，楔形角设计为1.50左右，可以使带式压滤机实际处理量达到240~300Kg（DS）/h.m以上。例如：山东蓬莱市污水处理厂选用一台DY2000带式压滤机，实测出泥3.5 m3/h（含水率81.6%），其入料固含量为4.6%，则实际处理污水3.5×18.4%÷4.6%=14 m3/h，折绝干污泥14×4.6%=322Kg/h.m。
2.3　压榨脱水区
　　经过楔型脱水区脱水的污泥，仍然还没有形成滤饼，并且具有一定的流动性，但是已经完全可以经受来自两条滤带施加给其的合理压榨力。之所以称合理压榨力，是因为如果压榨区结构设计的不合理，也完全可能造成污泥在接受逐渐增加的挤压力的过程中，形成污泥受压扩散和滤水过程不协调而外泻“跑泥”。所以，压榨区结构设计的优劣，也将对带式压滤机处理量产生直接影响。
　　（1）辊径变化的影响：压榨辊曲率半径的均匀递减，则各辊单位面积上的正压力均匀递增，即污泥所受的挤压力和剪切力由低向高均匀、平稳过渡， 这样可以有效地避免由于压力突变造成的“跑泥”现象。为此，应尽可能做到相临两辊径之差为接近值的降径设计。如我们设计的压榨辊系相临辊径差值的排列顺序为：49、52、52、54、60mm。
　　（2）包角变化的影响：滤带对各辊的包角趋近等梯度增加，使得污泥在压榨段内一直处于稳定递增的受压状态，既可以保证提高处理量的稳定性又可以最大限度的降低泥饼含水率。为此，应尽可能做到压力由低向高的辊子包角趋近等梯度增加的设计思路。
　　（3）相邻两辊中心距的影响：压榨辊系中相邻两辊中心距的合理布局，可以最大限度降低压榨段滤带做无用功的长度，以尽可能地防止“漏泥”现象产生而影响处理量。为此，应力求做到相邻两辊中心距最短的设计标准。
　　辊径、包角和中心距是互为关联的三个指标，在实践中应以辊径为基准与包角和中心距两指标进行平衡设计，以求得相对的最佳设计方案。
2.4　滤带张力
　　常规状态下，张力值设计的越大，泥饼含水率可能越低，但是，压力越高压榨段挤漏“跑泥”的可能性就越大，为了解决“跑泥”，实际工作中在其它因素（如絮凝效果、冲洗效果等）都正常只有采用减小处理量来求得平衡。所以，在保证泥饼含水率基本要求的前提下，从提高处理量和延长气动元件、滤带、轴承等零部件的服务寿命角度考虑，应适当降低张力设计值。
2.5　滤带运行速度
　　在保证污泥由重力、楔型脱水区安全、平稳过渡到压榨区的前提下（80%以上游离水充分脱除），适当提高滤带运行速度就可以相应提高污泥泵流量，也就是提高了带式压滤机的处理量。为此，在满足其它设计指标的前提下，应适当扩大滤带运行速度范围指标。
2.6　滤带冲洗装置
　　污泥脱水是通过滤带编织的缝隙排泄滤液的，当污泥经过压榨脱水后，残存在滤带缝隙中的泥渣若不及时处理干净，下一个脱水循环的滤液就无法透过滤带排出。这样，势必造成从滤带两侧泄漏。此时，处理量急剧下降甚至根本谈不上处理量。所以，设计高性能的冲洗装置是非常重要的。
　　长期的工程实践证明：喷嘴出口处冲洗水流速保持在6m/sec左右，射流角度为85°左右，在滤带上形成的冲洗带宽度位于80~90mm范围，两喷嘴射出的水流边缘错位叠加为15~25mm时（图4），其冲洗效果、耗水量、水泵电机功率等指标的匹配相对最佳。

2.7　滤带选择
　　滤带透气量选择的合适与否，对处理能力的提高起着至关重要的作用。透气量过大，容易造成压榨段滤液浑浊，去除率降低。透气量过小，重力区排水效率低，处理能力直接受到影响，当絮凝效果稍有下降时，还有可能在压榨段出现挤压“跑泥”现象。
　　通过在实验室0.3米带式压滤机上对天津造纸网厂和沈阳铜网厂生产的多种形式和型号的滤带（如20903、17704、22503、22504、6850等）上机对各种不同处理介质进行脱水试验和多年现场应用证明，对各种处理介质适应性较强的透气量指标在8000~10000m3/h范围内。同时，选择滤带时还应该考虑到滤带编织结构对冲洗效果的影响（相同透气量，不同编织结构的滤带对冲洗效果的影响不同）、耐磨性、接头形式（涉及到最小曲率半径）对滤带寿命的影响等。

3　工程实例

3.1河北制药厂
　　河北制药厂一期污水处理工程使用了DY2000型（2000mm带宽）带式压滤机5台，二期工程又增选5台，共计10台带式压滤机成套装备服务于该厂的污泥脱水系统。实测平均每台带式压滤机处理入料固含量为3%的污水16.67m3/h，则处理绝干污泥达到250.05Kg/h.m。
3.2　山东聊城市污水处理厂
　　山东聊城市污水处理厂使用了2台DNS-2000B一体化污泥浓缩压滤机（2000mm带宽带式压滤机前置2000mm带宽污泥浓缩预脱水机），实测指标为：入料污泥固含量9752mg/l；处理量51.4 m3/h；泥饼含水率80.77%；出泥饼量2606.87 Kg/h。根据以上实测数据可反算出处理污水量为：2.60687×100-80.77）%÷0.9752%=51.405m3/h（与实测吻合）；处理绝干污泥量为：51.405×0.9752%=501.3Kg/h÷2=250.65Kg/h.m。
　　一般情况下带压机处理能力仅为150~200Kg/h.m，经过结构改进的带压机处理能力提高了25~30%。

4　结论

　　通过以上讨论和分析不难看出，结构设计对带式压滤机处理能力的影响主要体现在重力脱水区、楔型脱水区、压榨区、冲洗装置的设计以及滤带运行速度、滤带张力设计和滤带选择等方面。如果将每一个问题都考虑的即全面具体，又能够有机地协调好各方面的相互配合和制约关系，就能够使带式压滤机很好的服务于我国各行业的固液分离领域。