3.4.6 离心脱水技术
3.4.6.1 离心脱水原理
离心脱水是利用离心力代替重力和压力进行污泥脱水的操作，适用于黏度小、沉降速度较大、浓度较高的悬浊液和泥浆的分离和洗涤。其基本原理是以过滤介质两面的压力差作为推动力，固体颗粒被截留在过滤介质上，形成滤饼，而污泥中的水分被通过过滤介质，形成滤液。主要有4种方法可以形成作为推动力的压力差：a.依靠污泥本身厚度的静压力，如干化床脱水；b.在过滤介质的一面造成负压，如真空吸滤脱水；c.加压污泥把水分压过介质，如压滤脱水；d.造成离心力，如离心脱水。
离心脱水离心分离操作的效果一般用分离因数来表示，即离心力与重力之比。其关系式表示如下：
（3-40）
式中，Z为分离因数；m为物体质量，kg； ω为旋转角速度，r/min或r/s；r为旋转半径，m；g为重力加速度，9.8m/s2；N为离心机转速，r/min或r/s。
当Z为1000～1500时，为低速离心机；Z为1500～3000时，为中速离心机；Z超过3000时，为高速离心机。
离心脱水机为全封闭设计，运行中没有恶臭气味，可以改善操作人员的工作环境。
3.4.6.2 离心脱水机基本构造和工艺过程
污泥离心脱水机有多种类型，实际工艺中常用到的为卧螺式离心机、碟片式离心机和叠螺脱水机。
（1）卧螺式离心机
在机壳内有两个装在主轴承上的同心回转部件，外部件称为转鼓，内部件称为螺旋输送器，转鼓和螺旋输送器是离心脱水机最主要的组成部分。电动机通过皮带轮带动转鼓旋转，转鼓通过前轴承处的空心轴与差转速器的外壳相连，螺旋输送器与差转速器相连，在差转速器的调节下转鼓与螺旋输送器作转速不同的同向转动。卧螺式离心机结构如图3-42所示。
图3-42 卧螺式离心机结构
卧螺式离心机可以实现连续工作。在运转时，由一根静置的进料管将已添加絮凝剂的污泥送入转鼓，由于高速旋转和摩擦，物料在机器内部被加速并且沿转轴形成一定厚度的污泥料液层。由于污泥颗粒和水的密度不一样，在高速旋转产生的离心力作用下，形成固液分离。由于转鼓和螺旋输送器有相对差转速，一般相差0.2%～3%，会对转鼓内壁的污泥固体产生一个向圆锥推进的输送力，在离心力的作用下使其在螺旋输送器的缓慢推动下到达转鼓的锥端，由转鼓周围的排出口连续飞散排出。液体则由堰口连续“溢流”排至转鼓外，汇集后排出脱水机。卧螺式离心机的脱水效果如表3-18所列。
表3-18 卧螺式离心机的脱水效果
（2）碟片式离心机
碟片式离心机的结构如图3-43所示。
图3-43 碟片式离心机结构［1］
碟片式离心机的处理能力通常为120～10000L/h，沉降距离较小的悬浮颗粒容易被捕捉，通过转筒上的细孔连续排出，其密度浓缩5～20倍。由于转筒上细孔的直径为1.27～2.54mm，因而该离心机对污泥的浓度和粒径有一定要求。碟片式离心机（分离板型离心机）的Z一般大于3500，甚至达到10000，主要用于密度非常接近的液体、细微粒径的乳浊液或悬浊液等高度分散液体的固液分离，由于这些液体中的颗粒组成相近、粒径小、沉降速度低，因而需分离因数高的离心机才能将其分开。碟片式离心机也可以进行固体、油、水3种物质的分离。其脱水能力不是很强，目前主要用于分离一般离心机难分离的悬浊液或者三相分离的物质。
（3）叠螺脱水机
叠螺脱水机的螺旋主体由固定环和游动环相互层叠而成，螺旋轴贯穿其中。前段为浓缩部，后段为脱水部。从浓缩部到脱水部，固定环和游动环之间形成的滤缝以及螺旋轴的螺距逐渐变小，在推动污泥从浓缩部输送到脱水部的同时，旋转的螺旋轴也不断带动游动环清扫滤缝，防止堵塞。叠螺脱水机的结构如图3-44所示。
图3-44 叠螺脱水机结构［1］
叠螺脱水机运转时，污泥在浓缩部经过重力浓缩后被运输到脱水部，在前进过程中随着滤缝及螺距的逐渐变小，容积不断缩小，再加上背压板的阻挡作用，从而产生极大的内压，达到充分脱水的目的。
3.4.6.3 离心脱水设备的设计要点和参数
离心脱水机的设计应考虑进料及预处理设计、转鼓设计、材质选择、转速、差转速选择、安全及控制系统、离心脱水机房设计等内容。
（1）进料及预处理设计
① 进料前，应考虑在离心机前设置粉碎装置，以使颗粒尺寸减少到6～13mm。直径为760～1800mm的离心机，一般都能毫无困难地处理大颗粒物质。
② 进料时，表征离心机进料速率的参数主要有水力负荷和污泥负荷。水力负荷影响澄清能力，增加水力负荷，离心液的澄清度降低，化学药剂的消耗也会增加。而污泥负荷则影响传送能力，污泥负荷改变时，应相应改变差转速。
（2）转鼓设计
① 转鼓是离心脱水机最关键的部件，形状有圆柱形、圆锥形、柱锥结合形。圆柱形有利于固相脱水，圆锥形有利于液相澄清，柱锥结合形兼有两者特点。
② 转鼓全长同直径的比值对分离效果有很大的影响，越难分离的物料需要的比值设计应越大，脱水处理能力随转鼓直径的增加而增加，但制造及运行成本也同样提高。污泥的含固率与转鼓的长度有关，并随转鼓长度的增加而提高，但转鼓长度过大，会导致性价比的下降。
③ 为了减少筒壁的磨损和防止沉渣打滑，通常在转鼓内表面焊有筋条或锉上沟槽。
④ 转鼓的锥角对物料的输送起重要作用，越难输送的沉渣对应的转鼓锥角设计应越小，这样能避免发生回流现象，便于排渣，但转鼓锥角越小沉降面积也就越小，使用效率就越低。
（3）材质选择
转轮或螺旋的外缘极易磨损，因而对其材质要有特殊要求。新型离心脱水机螺旋外缘大多做成便于更换的装配块，材质一般为碳化钨。
（4）转速
离心脱水机运行的关键是通过控制转鼓的转速，以便获得较高的含固率又能降低能耗。由于转速增大，污泥在离心机内的停留时间就会缩短，对液环层的扰动加大，所以污泥固体回收率和泥饼含固率都降低。目前，离心机转鼓多采用较低转速。
（5）差转速选择
转鼓与螺旋输送器之间的差转速决定着处理量和分离效果等，是影响污泥渣含水率的关键因素。
① 该参数应可调，以免固体流量增加时差转速不能改变，物料不能及时排出而造成堵塞。
② 一般情况下，若想得到较低含水率的泥饼，就应选择较低的差转速。低差转速还可以使污泥固体在转鼓内停留更长时间，更容易被沉降到鼓壁上进而被分离，对液环层的扰动减轻，污泥回收率和泥饼含固率都提高，同时，采用较低的差转速时，对螺旋输送器的磨损减少，从而延长其使用寿命，但离心机的处理能力降低。
③ 当差转速增大时，螺旋输送器的输渣量将增大，可提高离心机的处理能力，但差转速过大，会使转鼓内流体的搅动加剧且缩短污泥固体在干燥区的停留时间，因而增大分离液中的含固量，并增大沉渣的含水率，而差转速过小，会减小螺旋输送器的输渣量，同时明显增大差转速器的扭矩。
因此，在处理易分离物料时，差转速可适当增大。处理难分离物料时，差转速过高会使分离液中含固量明显增加，并且在进泥量一定的条件下差转速不能太低，否则将由于污泥在机内积累过量，使固环层大于液环层，电机过载而损坏离心机。
（6）安全及控制系统
① 在进泥控制开始工作之前，离心机驱动电机应能全速运转，如果离心机中出现错误动作，控制回路就停止离心机的工作，同时关闭进泥。
② 离心机上应设有超载转矩装置，并应与主驱动开关控制和进泥系统开关控制互为联锁，超载延迟开关和进行回路中的电流计只能启动实心斗离心机。离心机关掉之前，电机荷载达到高值时，进泥应该停止，并使机器能够自清，若离心机包括油循环系统，则该系统也应与主驱动电机联锁，以避免因油量小或油压低而引起电机损坏。
③ 驱动电机中应包括热保护装置并与启动装置联在一起，如果电机温度过高或超负荷，应马上关闭离心机。
④ 反向驱动系统也应联锁，若使用特殊的反向驱动，应从离心机生产商获得有关建议，通常当离心机负荷增大时，为排走更多污泥，应增大反向驱动速度。
⑤ 此外，整个离心脱水处理的控制系统还应包括一些其他部分，如主轴承温度、振动、化学调节和泥饼处理系统的联锁控制、转轴速度等的探测和记录。
（7）离心脱水机房设计
脱水机房除了考虑离心机本身所需要的空间外，还应考虑脱水污泥传送设备和管道、高分子聚合物调制及投料设备和管道、冲洗水泵、油润滑系统的水冷泵、起重机、吊起设备、通风管道和气味控制系统的所需空间，以及进行正常维护、检修、清洗所需要的空间。并考虑日后由于生产规模扩大而导致的相关设备增加的可能。