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上海祁立：離心脫水機原理與構造
臥螺離心機用于污泥濃縮及脫水已有幾十年的歷史，經過幾次更新換代，目前普遍采用的是臥螺離心機。這種離心機有很多英交名字，例如Solid -bowl Centrifuge、Conveyor Centrifuge、Scroll Centrfuge、Decanter Centrifuge等，相應的中文名字有轉筒式離心機，固—碗式離心機、臥螺式離心機、渦轉式離心機、螺旋輸送式離心機等。以下介紹中統一簡稱為離心脫水機。
1.工作原理及構造
離心脫水機主要由轉鼓和帶空心轉軸的螺旋輸送器組成，如圖8所示。污泥由空心轉軸送入轉筒后，在高速旋轉產生的離心力作用下，立即被甩人轉鼓腔內。污泥顆粒由于比重較大，離心力也大，因此被甩貼在轉鼓內壁上，形成固體層（因為環狀，稱為固環層）;水分由于密度較小，離心力小，因此只能在固環層內側形成液體層， 稱為液環層。固環層的污泥在螺旋輸送器的緩慢推動下，被輸送到轉鼓的錐端，經轉鼓 周圍的出口連續排出;液環層的液體則由堰口連續“溢流”排至轉鼓外，形成分離液， 然后匯集起來，靠重力排出脫水機外。進泥方向與污泥固體的輸送方向一致，即進泥口和出泥口分別在轉鼓的兩端時，它稱為順流式離心脫水機，如圖8所示;當進 泥方向與污泥固體的輸送方向相反，即進泥口和排泥口在轉鼓的同一端時，它稱為逆流式離心脫水機，如圖9所示。
轉鼓是離心機的關鍵部件。轉鼓的直徑越大，離心機處理能力也越大。轉鼓的長度一般為直徑的2.5～3.5倍，越長，污泥在機內停留的時間也越長，分離效果也越好。 目前，zui大的離心機的轉鼓直徑為183cm，長度為427cm，每小時處理污泥135m3，每天高達3300m3。但離心機太大時，制造費用和處理成本都不經濟。轉鼓的轉速是一個重要的機械因素，也是一個重要的工藝控制參數。轉速的高低取決于轉鼓的直徑，要保證一定的離心分離效果，直徑越小，要求的轉速越高;反之，直徑越大，要求的轉速也越低。離心分離效果與離心機的分離因數有關。分離因數是顆粒在離心機內受到的離心力與其本身重力的比值，用下式計算:
α=n2·D/1800 （5）
式中，α為分離因數;n為轉鼓的轉速（r/min）;D為轉鼓的直徑（m）。
不同的離心機，其分離因數的調節范圍不同。α在1500以下的稱為低速離心機，或低重力離心機（Loww-G）;α在1500以上的稱為高速離心機，或高重力離心機（High-G）。這兩種離心機在污泥濃縮和脫水中都有采用，但絕大部分處理廠均采用低速離心機。高速離心機因為雖然可獲得98%以上的高固體固收率，但能耗很高，并需較多的維護管理。而低速離心機的固體回收率一般也能在90%以上，但能耗要低很多。
空心轉軸螺旋輸送器，既投配污泥，又起使污泥產生離心力的作用，同時還負責將固環層的污泥輸離液環層，實現泥水分離。螺旋在轉鼓的錐角處，直徑開始變小，將污泥“撈出”液環層。錐角一般在8～12°之間。螺旋的外邊緣極易被轉鼓磨損，磨損嚴重時，會降低脫水效果。一些新型脫水機螺旋外緣做成裝配塊，磨損以后，可很方便地更換。螺旋的旋轉方向與轉鼓的相同，但轉速略高于轉鼓轉速，二者速度之差，即為污泥被輸出的速度，決定著污泥在機內停留時間的長短，因而是一個重要的工藝控制參數。 另外，可用溢流調節堰調整液環層的厚度，這也是一個重要的工藝調節參數。通過液環層厚度的調整，可以改變在岸區的停留時間。所謂岸區，系指污泥離開液環層至排出口的距離，為轉鼓錐體的一部分。
順流式離心機和逆流式離心機各有優缺點。逆流式由于污泥中途改變方向，對轉鼓內流態產生水力擾動，因而在同樣條件下，泥餅含固量較順流式略低，分離液的含固量略高，總體脫水效果略低于順流式。但逆流式的磨損程度低于順流式，因為順流式轉鼓與螺旋之間通過介質全程存在磨損，而逆流式只在部分長度上產磨損。一些產品在逆流離心機的進泥口處做了一些改造，從而能降低了污泥改變方向產生的擾動程度。目前，順逆流兩種離心機都采用較多，但順流式略多于逆流式。國產污泥脫水用離心機種類很少，基本上都為順流式。
2.工藝控制
在實際運行中，污泥的泥質和泥量會發生變化，為保證脫水效果不變，應隨時調整離心機的工作狀態，主要包括分離因數的控制、轉速差的控制、液環層厚度的控制、調質效果的控制和進泥量的控制。
（1）分離因數的控制
離心機轉鼓的轉速一般能在較大范圍內無級調節，通過調節轉速，可以控制離心機分離因數，使之適應不同泥質的要求。一般來說，污泥顆粒越大，密度越大，需要較低的分離因數，反之則需要較高的分離因數。初沉污泥一般只需較小的α值，即能獲得較好的脫水效果。消化污泥顆粒雖然變小，但由于其密度增大，所需要的α值與初沉污泥的基本相當。活性污泥的密度小，污泥顆粒的尺寸也小，要獲得較高的脫水效果，則需要較大的α值。活性污泥的SVI值越高，所需的α值也越大。泥齡越長的污泥，所需要的α值越大。處于膨張狀態的活性污泥，一般需要高速離心機才能進行脫水。混合污泥要求的α值取決于活性污泥所占的比例，活性污泥比例越高，所需α值越大。當進泥泥質不變時，增大α值，可提高脫水的固體回收率，提高分離液的清澈度。α值增大，能耗也隨之上升，因而除非需要高固體回收率，否則不需太高的α值。城市污水混合污泥 的α值一般在800～1200之間，具體可通過離心模擬試驗或直接對離心機進行調試得出，也可參考相近廠的數值。由α值可計算出轉鼓的轉速:
式中，n為轉鼓的轉速（r/min）;α為分離因數;D為轉鼓的直徑（m）。
【實例計算】某處理廠混合污泥進行離心脫水，要求分離因數控制在l200，離心機轉鼓的直徑為0.40m。試計算并調節轉鼓的轉【解】已知α=1200，D=0.4m，將α和D帶入式（6）
即應將轉鼓轉速調至2323r/min。
（2）液環層厚度的控制
當進泥量一定時，液環層越厚，污泥在液環層內進行分離的時間越長，會有更多的污泥被分離出來;另一方面，液環層變厚，會降低某些小顆粒受擾動而隨分離液流失的可能性。綜合以上兩方面的作用，液環層增厚一般會提高脫水的固體回收率。但液環層增厚，相應會使岸區縮短，如圖10所示，使脫離液環層的污泥沒有充足的時間被“摔干”，因此泥餅含固量將下降。在控制液環層厚度時應在高固體回收率與泥餅含固率之間權衡。除污泥脫水后進行焚燒處置外，一般情況下無需追求過高的泥餅含固量，而固體回收率則越高越好，因此液環層厚度應盡可能調大一些。離心機液環層厚度一般在5～15cm之間，具體取決于離心機的規格以及進泥泥質。初沉污泥可相對薄一些，以便保證高固體回收率的前提下，盡量提高泥餅的含固量。活性污泥脫水時，液環層應相對厚一些，否則很難保證一定的固體回收率。原因之一是活性污泥顆粒小，需要較長的泥水離心分離時間，原因之二是其污泥顆粒受擾動，極易泛起，隨分離液流失。混合污泥脫水時的液環層厚度介于二者之間，具體取決于其中活性污泥所占的比例。 （3）轉速差的控制
轉速差是指轉鼓與螺旋的轉速之差，即兩者之間的相對轉速。如果轉速差為△n，則螺旋相對于轉鼓來說，等于以△n的速度在旋轉，液環層中被分離出的污泥就是利用這個速度被輸送出脫水機的。當進泥量一定時，轉速差越大，污泥在脫水機中停留的時間越短，固環層就越薄;另一方面，轉速差越大，由于轉鼓與螺旋之間的相對運動增大，必然使對液環層的擾動程度增大，固環層內部分被分離出來的污泥會被重新泛至液環層，并有可能隨分離液流失。綜上所述，轉速差增大時，脫水的固體回收率和泥餅的含固量都將降低，但增大轉速差可提高離心機的處理能力。反之，減小轉速差時，污泥在轉鼓內接受離心分離的時間將延長，同時由于轉鼓和螺旋之間的相對運動減小，對液環層的擾動也減輕，因此固體回收率和泥餅含固量均將提高，但減小轉速差，往往使處理能力降低。轉速差不能太小，否則將由于污泥在機內積累，使固環層厚度大于液環層，導致污泥隨分離液大量流失，固體回收率急劇下降，嚴重時還會由于阻力過大，扭矩超負荷損壞離心機。一般離心機都允許在較大范圍內調節轉速差，城市污水污泥一般 在2～35r/min的范圍內，具體取決于進泥泥量和泥質。在進泥量一定時初沉污泥進行脫水，轉速差可高一些，活性污泥應低一些，混合污泥介于二者之間。