水处理技术:一．设备基本原理介绍
卧式螺旋推料沉降式简称卧螺，在污水处理厂的污泥脱水处理中得到了广泛的应用。虽然不同生产厂家的不同规格或型号的卧螺具有不同的设备结构、设备材质、规格和运行调整机构等，但是其基本设备原理是相似的，现对其进行简单的介绍，以便于现场用户更好的使用和调整。
1 结构及脱水原理
卧螺离心机主要由转鼓、螺旋、差速系统、液位挡板、驱动系统及控制系统等组成。
卧螺离心机是利用固液两相的密度差，在离心力的作用下，加快固相颗粒的沉降速度来实现固液分离的。具体分离过程为污泥和絮凝剂药液经入口管道被送入转鼓内混合腔，在此进行混合絮凝（若为污泥泵前加药或泵后管道加药，则已提前絮凝反应），由于转子(螺旋和转鼓)的高速旋转和摩擦阻力，污泥在转子内部被加速并形成一个圆柱液环层（液环区），在离心力的作用下，比重较大固体颗粒沉降到转鼓内壁形成泥层（固环层），再利用螺旋和转鼓的相对速度差把固相推向转鼓锥端，推出液面之后（岸区或称干燥区）泥渣得以脱水干燥，推向排渣口排出，上清液从转鼓大端排出，实现固液分离。
2 影响卧螺离心机使用效果的因素
卧螺离心机的使用效果，其机械部分带来的影响分为可调节因素和不可调节因素，现分别进行说明，首先了解了其作用原理，就能够在使用中对其进行有效的掌控。
2.1不可调节的机械因素
A 转鼓直径和有效长度
转鼓直径越大，有效长度越长，其有效沉降面积越大，处理能力也越大，物料在转鼓内的停留时间也越长，在相同的转速下，其分离因数就越大，分离效果越好。但受到材料的限制，离心机的转鼓直径不可能无限制地增加，因为随着直径的增加可允许的最大速度会随材料坚固性的降低而降低，从而离心力也相应降低。通常转鼓直径在200～1000mm之间，长径比在3～4之间。现在的卧螺离心机的发展有倾向于高转速的大长径比的趋势，这种设备更加能够适应低浓度污泥的处理，泥饼干度更好。
另外，在相同处理量的情况下，大转鼓直径的离心机可以以较低的差速度运行，原因是大转鼓直径的螺旋输渣能力较大，要达到相同的输渣能力，小转鼓直径的离心机必须靠提高差速度来实现。
B转鼓半锥角
沉降在离心机转鼓内侧的沉渣沿转鼓锥端被推向出料口时，由于离心力的作用而受到向下滑移的回流力作用。转鼓半锥角是离心机设计中较为重要的参数。从澄清效果来讲，要求锥角尽可能大一些；而从输渣和脱水效果来讲，要求锥角尽可能小些。由于输渣是离心机正常工作的必要条件，因此最佳设计必须首先满足输渣条件。对于难分离的物料如活性污泥半锥角一般在6度以内，以便降低沉渣的回流速度。对普通一般物料半锥角在10度以内就能保证沉渣的顺利输送。
C螺距
螺距即相邻两螺旋叶片的间距，是一项很重要的结构参数，直接影响输渣的成败。在螺旋直径一定时，螺距越大，螺旋升角越大，物料在螺旋叶片间堵塞的机会就越大。同时大螺距会减小螺旋叶片的圈数，致使转鼓锥端物料分布不均匀而引起机器振动加大。因此对于难分离物料如活性污泥，输渣较困难，螺距应小些，一般是转鼓直径的1／5～1／6，以利于输送。对于易分离物料，螺距应大些，一般为转鼓直径的1／2～1／5，以提高沉渣的输送能力。
D螺旋类型
螺旋是卧螺离心机的主要构件，它的作用是输送沉降在转鼓内侧的沉渣和顺利排掉沉渣，它不仅是卸料装置，也决定了生产能力、使用寿命和分离效果。
螺旋的类型根据液体和固体在转鼓内相对移动方式的不同分为逆流式和顺流式。逆流式离心机的加料腔在螺旋中部，也就是位于干燥区和沉降区之间的边界附近，以保证液相有足够的沉降距离，但固相仅能停留其通过圆锥部位所需的时间，因此要求有较高的离心力；物料由这里进入转鼓内会引起此区已沉降的固体颗粒因扰动再度浮起，还会产生湍流和附加涡流，使分离效果降低。
顺流式离心机由于进料口在转鼓端部，避免了逆流式的湍流，保证沉渣不受干扰，离心机全长都起到了沉降作用，扩大了沉降面积，悬浮液在机内停留时间增长，从而使分离效果得到提高。由于延长和没有干扰的沉降可有效地减少絮凝剂的使用量，使机内流体的流动状态得到很大改善，并且可通过加大转鼓直径来提高离心力，因此可显著降低转速，节省电力消耗，同时减少，延长机器的寿命。
顺流式螺旋结构的离心机特别适用于固液密度差小，固相沉降性能差，固相含量低的难分离物料。但顺流式离心机的滤液是靠撇液管排出，滤液通过撇液管时未分离出的固相颗粒会再分离沉积在撇液管内，日久会堵塞撇液管通道，需定期冲洗。
近年来，随着对污泥脱水要求的日益提高，出现了高效型螺旋结构。如瑞典Alfa Laval的BD挡板技术，即在离心机锥段的螺旋出料端设置一个特殊挡板，可使离心机处于超深液池状态，以增加对泥饼的压渣力，并且只输送下部沉渣，而将上部含水率高的污泥截留在压榨锥段外侧，实现压榨脱水，使出泥更干。瑞典NOXON采用斜板沉淀原理的Lamella技术，则将离心机螺旋推料器叶片设计成最佳倾斜状态，其叶片倾角、螺距、叶片间距等参数均经过优化设计，处理能力提高，降低了絮凝剂的消耗量及泥饼含水率。
2.2 可调节的机械因素
A转鼓转速
转鼓转速的调节通常通过变频电机或液压马达来实现。转速越大，离心力越大，有助于提高泥饼含固率。但转速过大会使污泥絮凝体被破坏，反而降低脱水效果。同时较高转速对材料的要求高，对机器的磨损增大，动力消耗、振动及水平也会相应增加。
B差速度（差数比）
差速度直接影响排渣能力、泥饼干度和滤液质量，是卧螺离心机运行中重要的需要根据运行情况进行调节的参数之一。
提高差速度，有利于提高排渣能力，但沉渣脱水时间会缩短，脱水后泥饼含水率大，同时过大差速度会使螺旋对澄清区液池的扰动加大，滤液质量相对差一些（俗称“返混”）。
降低差速度，会加大沉渣厚度，沉渣脱水时间增长，脱水后泥饼含水率降低，同时螺旋对澄清区物料的扰动小，滤液质量也相对好些，但会增大螺旋推料的负荷，应防止排渣量减小造成离心机内沉渣不能及时排出而引起的堵料现象，防止滤液大量带泥，这时就必须减小进料量或提高差速度，一些型号的设备具有自动加快排渣的功能，既当设定扭矩达到某一限定值后，设备会自动降低进泥量和进药量，增加差速度，将堆积的泥环层快速推出，待扭矩降低到某一数值后，流量和差数度再自动恢复正常。这是一种有效保护设备的措施，但是，在长期运行中，应避免频繁出现这种情况，因为这样容易使设备经常处于不稳定流量和不稳定差数度状况，过程中的波动会影响处理效果和使处理能力下降。
因此，应根据物料性质、处理量大小、处理要求及离心机结构参数来确定差速度大小。就是说，在现场要根据情况寻找到最佳的处理量、处理效果需求的差速值范围，以实现满足泥饼干度的情况下尽可能高的处理能力。
简单地说就是：处理能力和处理效果存在矛盾，要提高处理能力，就要增加差速比，但可能会降低泥饼干度；要提高泥饼干度，就要降低差数度，从而降低了处理能力，所以，现场的调试工作就是要寻找到符合各自现场实际污泥性质条件时最佳的设备运行工况参数，以实现最高设备运行效率和最佳处理效果双重目的。这没有简单的数据可以计算，只有依靠长期的实际调试积累经验，并及时依照变化进行调整。
同时，在一定范围内，差数度的控制和絮凝剂投加量的控制互为补充，在要求达到一定泥饼干度情况下，当差数度降低时，可同时节省絮凝剂投加量。简单讲就是增加了设备处理压力也就减少了絮凝剂使用压力。所以说，适当地采用尽可能低的差数度可以在一定程度上减少絮凝剂的消耗，俗话讲叫做“设备运转好就省药、设备运转不好就费药”，设备的好坏不仅仅取决于设备本身的设计和加工精度问题，同时也涉及对设备运转工况参数的控制。
对于具有差数度自动调节功能的离心机，差数度的参数设定要结合长期的使用情况确定，并根据可能发生的各种变化随时修正。
C液环层厚度
液环层厚度是设备优化的一个重要参数，直接影响离心机的有效沉降容积和干燥区（岸区）长度，进而影响污泥脱水的处理效果。一般在停机状态下通过手动调节液位挡板的高低来实现，调整时必须确保各个液位挡板的高低一致，否则会导致离心机运行时剧烈振动，也有部分国外厂商的产品可以实现液环层厚度的自动调节。
液环层厚度增加，会使沉降面积增大，物料在机内停留时间也会相应增加，滤液质量提高，但同时机内的干燥区（岸区）长度缩短，导致泥饼干度降低。相反，调低液环层厚度可获得较高的泥饼含固率，但要以牺牲滤液质量为代价。
因此应合理地调节液位挡板的高低使泥饼干度与滤液质量达到最佳组合。一般情况下，很多设备供应商将液位挡板在设备出厂时预先进行了调节，但因不同的使用现场条件存在差异，若运行状态不理想，可请设备厂家工程师配合进行现场液位挡板的调整，使其更加满足实际需求。
2.3 工艺因素
由于离心机是利用固液两相的密度差来实现固液分离的，因此污泥颗粒比重越大越易于分离。一般情况下，污水处理厂的初沉污泥较易脱水，剩余污泥较难脱水，而混合污泥的脱水性能介于两者之间，不同污水水质产生的污泥和采用不同水处理工艺得到的污泥会有较大的差异，因此在污泥脱水中会有不同的表现。
为改善污泥脱水性能，进行机械脱水前一般应均匀加入适量的有机高分子絮凝剂，如聚丙烯酰胺(PAM)，来降低污泥的比阻，使污泥固相和液相分离后更易于脱水，絮凝剂的种类必须和污泥特性相适应及与设备类型和运行工况相适应。很多情况下，在絮凝剂选型烧杯试验中表现较好的药剂，并没有在实际应用中有更好的表现，很重要的原因就是药剂特性虽然在一定程度上满足污泥特性，但是与设备的运行工况并不能完全满足。
根据实际运行情况表明，在絮凝剂（污泥）投加量达到一定程度后，投加絮凝剂的多少对离心脱水的泥饼含固率的影响很小，对滤液的质量影响较大。因此进行污泥脱水时，在满足泥饼干度要求和上清液质量要求情况下，继续增加絮凝剂的使用量是完全没有必要的，也是现场造成絮凝剂浪费的主要原因。另外，随着絮凝剂用量的增加，上清液质量更好，但是，很多情况下过分追求上清液质量而多投加絮凝剂是得不偿失的，仅仅多增加了数个百分点的污泥率而消耗了更多的絮凝剂消耗是划不来的（就好像花费了10元购买了5元的商品）。只要将上清液固含量控制在某一指标范围内即可。
在一般情况下，设备能够适合的污泥浓度有一定的范围要求，污泥浓度过低或过高均会消耗更多的絮凝剂。在设备正常运转的污泥浓度情况下，絮凝剂的用量和待处理污泥的固含量近似成正比例关系，所以，在一定污泥流量的情况下，絮凝剂的投加量要根据污泥的浓度进行调整，很多时候，由于污泥浓度发生变化，而絮凝剂投加量没有及时调整而使现场运行表现不佳或产生药耗增加。
若污泥浓度增加了而絮凝剂投加量并没有增加就会影响了处理效果，会表现出泥饼干度降低，上清液浑浊；反之，若污泥浓度降低了，絮凝剂投加量没有降低就形成了絮凝剂的浪费，而处理效果增加并不明显。
另外，若絮凝剂溶解状况不好导致实际用量不足或絮凝剂配置浓度过低使药液有效成分供应不足，则难以形成相应干度的泥饼，影响上清液质量；而絮凝剂浓度太大，絮凝剂高分子链上的活性基团则会由于相互屏蔽、包裹而使有效成分难以充分发挥功效，从而造成药剂的浪费；由于絮凝剂投加量过量较多，絮凝体的再分散作用也会破坏絮体稳定性，絮凝效果同样不好。
絮凝剂用量太大，不仅造成浪费，而且处理效果没有显著提高。市政污泥处理中，有机高分子絮凝剂药液的配置浓度一般为1‰～5‰，絮凝剂用量一般3～5kg／TDS，某些工业污泥絮凝剂用量可能会达到或超过10kg／TDS，这取决于污泥性质和污泥脱水机性能。由于脱水机设备性能差异，同样性质的污泥在使用相同型号絮凝剂的情况下也会有不同的絮凝剂消耗表现。
影响卧螺离心机脱水效果的因素很多，并且各个因素又互相影响，因此处理效果是以上所述各个因素综合作用的结果，离心机的选型应结合工程项目的实际情况进行，运行参数的调整应从脱水后泥饼最终处置方法所要求最佳泥饼含水率、固体率和经济性等因素综合考虑。
二．调试和运行技术分析
作为污泥脱水的调试，其工作的主要任务就是依照现有条件，寻找到污泥、设备和絮凝剂三者之间最佳的运行组合参数，三者之间单纯依赖于某一方或忽视其它方都会使运行出现问题。控制好这些运行工况参数保证长期稳定运行，并在现场出现了变化情况下及时进行科学有效的调整，使其仍然满足完美配合，实现最低絮凝剂消耗情况下，最佳的处理效果和最大的处理效率，从而实现最低的运行费用，满足最佳技术经济要求。
1.污泥性质和浓度发生变化的絮凝剂调整
在污水处理厂工艺、设备调试初期，由于受到水质、水量、水处理工艺运行状态等因素的影响，待处理污泥的性质可能会发生很多变化，这种变化对污泥脱水机和絮凝剂的依赖性会产生波动，污泥龄或污泥存放时间会影响到污泥性质，如污泥浓度、污泥有机质含量（或灰分含量）、污泥密度、污泥颗粒规格（污泥自身骨架结构状况）等对絮凝剂和脱水机的依赖波动会更加明显，因此在现场要根据情况及时进行调整来保证能够正常的污泥脱水运行管理。这个阶段的污泥脱水效果和药耗可能会和正常运行有一定的差异，这种差异会随着现场水处理设施运行的逐渐正常和污泥排放处理的逐渐稳定而趋向稳定。
即使在污水厂实现了正常运行后，待处理污泥的实际性质或浓度也会发生变化，特别是对于那些没有污泥浓缩池而直接将污泥进行脱水处理的现场来讲，这种变化可能就会更频繁，波动幅度也会较大，有污泥浓缩池的现场相对变化幅度小些，这些情况往往会被忽略或小视。产生这种变化的主要原因是：
A 由于污水厂进水负荷变化，导致（一沉池或二沉池）停留时间发生变化，中的悬浮物实际沉淀时间发生变化，导致污泥密度和浓度发生变化；
B 由于向污泥脱水车间的排放的待处理污泥流量或排泥周期发生了变化，导致污泥浓度实际在发生变化；
C 由于现场运行的异常情况（如维修等）导致污泥发生变化，或由于季节性原因，特别是气候交替导致污泥性质和浓度发生变化等。
这些变化往往表面上不易观察得到，也容易被忽视，但是简单计算一下就知道这个变化幅度的可能带来的影响。
以待处理污泥浓度为例：若排放到污泥脱水车间的待处理污泥含水率从96%变化为97%，即固含量从4%变成了3%，这1%的浓度绝对数值变化其实相对值幅度竟然达到了25%，由于絮凝剂消耗与待处理污泥固含量成正比，在正常运转时，絮凝剂的消耗也也相应减少25%左右。如果这时候没有及时调整来降低絮凝剂投加量，在同一污泥流量和絮凝剂流量情况下，絮凝剂就会被浪费了25%左右，而表观泥饼状况并不会有明显的变化。反之，若污泥浓度增加，而絮凝剂没有跟踪增加，则污泥脱水效果会相应下降。
这种变化在污水处理厂运行过程中是在不知不觉中发生的，特别是没有污泥浓缩池的现场，这种变化幅度会更显著。因此，在现场要随时注意这个重要的影响絮凝剂消耗的因素，在污泥性质发生较大的变化时，要及时调整适用的絮凝剂来配合污泥脱水运行；在污泥浓度发生变化时，要及时调整絮凝剂供应流量使其既能满足处理效果又能够避免浪费。
具体的方法就是经常观察出泥效果，然后适当降低絮凝剂工作液供应流量，可以每次降低絮凝剂加药泵频率0.5-1.0Hz左右，数分钟后观察泥饼和上清液状况及扭矩数据，根据情况决定是否继续降低加药泵频率，直至找到最经济加药泵运行频率，或者可以采用每次增加进泥泵频率0.5-1.0Hz左右来观察和调节。
反之，当污泥浓度增加，按照相反的方向进行调整。
另外，由于离心机结构决定了对进泥质量要求较高，进泥中不能有大量的大规格颗粒物和纤维状物质，否则容易导致设备堵塞、震动加大，影响处理效能。所以，对这种污泥必须做好污泥进入离心机前的破碎切割处理。
2．卧螺离心机设备处理能力的控制
任何卧螺离心机都有一个最大处理能力要求，这种要求有两方面的数据参考指导：
A． 最大可处理干固体负荷，即每小时处理的最大不挥发固体固体重量，以KGDS（干固体）/h表示；
B． 最大可处理水力负荷，即进入设备的污泥流量，以m3/h表示，它与进泥浓度（固含量）的乘积即为干固体负荷。
在正常污泥浓度情况下，应保证最大处理干固体负荷在设备厂商标定的设备理论负荷的70%—90%为好，要避免设备利用率过低，同时避免设备长期在高负荷下运转而造成设备损耗加快，维护周期缩短。
在设备负荷过大的情况下，无论如何增加絮凝剂用量，也不会使处理效果好转，表现为泥饼干度不理想，上清液携带固体偏高、率下降，由于上清液携带的泥沙溢流造成设备磨损，动平衡破坏、震动加剧。
有些时候，由于污泥浓度增加，造成按照原流量进泥时，实际进泥负荷超过了该设备的可接纳负荷指标使处理效果下降。这时要及时逐渐降低进泥频率，观察效果，待效果稳定后，继续尝试絮凝剂流量控制到最经济投加量。
反之，当污泥浓度降低了，要逐渐增加进泥流量，同期配合加药泵流量调整。
若进泥浓度过低，虽然设备的干固体负荷不高，但水力负荷却很大，进入的低浓度污泥由于在高水力负荷下，设备不能形成有效的、厚度均匀的泥环层，沉降的固体会被大量的上清液携带溢流，从而直接影响了处理效果和处理效率。故对于低浓度的污泥，如二沉池未浓缩污泥最好经过浓缩处理（如浓缩机浓缩后处理），或者与高浓度污泥（如一沉池污泥）混合后进行脱水处理。
要避免由于进泥负荷过大而导致扭矩过大造成离心机过载，就要适当降低进泥泵频率，这种情况主要发生在进泥浓度增加，却仍然以原进泥流量操作的状况。
3.分离因素的调整
根据斯托克定律：
Vg = d2(ρp-ρ1)g/(18η)
Vg—重力沉降速度，m／s；
d—固体粒子直径，m；
ρp—固体粒子密度，kg/m3；
ρ1—液相密度，kg/m3；
η—液相粘度，kg/m?s；
g—重力加速度，9.81m／s2；
由上式可以得出离心沉降公式：
Vc=d2(ρp-ρ1)rω2/(18η)
Vc—离心沉降速度，m／s
r—离心半径，m
ω—角速度，1／s
ω＝2πN／60
N—r／min
根据公式可知只有离心机的半径r和角速度ω达到一定的值，在离心机有限的空间内，尽可能短的时间里方可获得满意的沉降效果，所以希望得到更好的污泥处理效果，离心机的高速旋转是必然的。
分离因素表示离心力场的强弱，它通过调整离心机的转速来控制。提高分离因素，使生产能力和分离效果提高，但也增大了功率消耗及转鼓和螺旋的磨损，应在较低的分离因素下满足生产能力和分离要求，这个数据请参考设备说明和实际运行状况来确定，离心机转速的控制要以实现设备正常稳定运转和正常污泥脱水处理效果为基准。
4.差速度的调整
差速度大小，决定了处理能力和泥饼干度。提高差速度，排渣迅速，处理能力增加，但出渣含水率高，回收率低；降低差转速，泥饼干度增加，表现出螺旋扭矩大，处理能力降低。所以在满足最大处理能力和最佳处理效果这一对矛盾中，要找到最佳差速度值，这个数值可以根据实际情况进行上下调整，结合污泥流量和泥饼干度、上清液状况来确定。
需要注意的是，在同等污泥流量和污泥浓度的情况下，差速度增加，扭矩降低，泥饼含水率增加；反之，差速度降低，扭矩增加，泥饼含水率降低。原则上要以最大的处理能力结合最佳的处理效果为原则来确定差速度参数，在絮凝剂用量保证在合理用量范围内，离心机转速固定，进泥的浓度相对稳定情况下，设备处理能力和脱水效果完全取决于差速度的控制。
而扭矩同时还与离心机中干固体负荷有关，所以要结合进泥负荷来调整。在污泥浓度变化后，同等进泥流量情况下，设备干固体负荷变化会导致扭矩变化，相同的差速度时，进泥浓度增加，扭矩增加。所以，在现场经常会出现这样的情况，很多时候扭矩很大，但出来的泥饼干度并不高，而有时候扭矩并不高，但泥饼干度很好，这就是由于不同设备负荷造成的影响，所以，了解泥饼干度，不仅仅是观察设备扭矩参数，最终要以实际出泥泥饼为准。
如果进泥负荷过大，差数度过大，不但会影响泥饼干度，同时也会使上清液质量下降，影响污泥处理回收率。
5.絮凝剂加药点的调整
絮凝剂加药点的不同，会直接影响到药泥混合、反应状况，从而影响到絮体的状态、强度和泥水分离状态，最终影响到絮凝剂的消耗量和污泥处理效果。絮凝剂加药点有多种选择，一般情况下，可以设置成污泥泵前加药、污泥泵管道加药和离心机污泥入口加药。具体加药点的设置和调整是根据污泥性质、设备特点和絮凝剂特点决定的，一般通过实际应用试验确定。
目前部分厂商生产的的离心机采用了物料混合液进入离心机位置可调的方式，具体的调整可根据实际情况决定。
三. 污泥脱水运行管理和工况调整的基本原则：
为了实现最佳的处理效果、最大的处理能力和最低的药剂消耗，应该依照以下的原则进行现场的管理：
1. 污泥脱水机的处理能力控制在适当的范围内，结合污泥流量、絮凝剂流量和差数度进行调节，避免由于负荷突然增加造成设备过载使系统频繁波动和影响处理效果，同时又能够实现较大的设备处理效率；
2. 污泥浓度发生变化要及时调整絮凝剂流量和差速度，既要保证处理效果又要避免浪费；污泥流量加大或污泥浓度增加，絮凝剂流量跟踪增加，差速度相应加大；污泥流量下降或污泥浓度降低，絮凝剂流量跟踪降低，差速度相应减少；
3. 泥饼干度表现要结合扭矩数据来确定最佳差速度数值范围，原则上在不造成离心机堵塞和满足处理能力情况下尽量使用较低差数度来实现更好的处理效果和节省絮凝剂消耗；
4.絮凝剂没有最好，只有最适合，絮凝剂的型号和消耗量既取决于药剂的品质与污泥性质的匹配，也取决于与设备结构类型和运转工况的匹配，只有三者得到最佳的运转组合，才能实现最低絮凝剂消耗情况下，最佳的处理效果和最高的处理效率。
5. 所有现场管理和操作人员所要做的工作就是：不断观察、及时调整和善于总结，尽可能在可能发生的各种变化中寻求所有工况参数最佳的、相对稳定的完美配合。一般情况下，这种观察和调节最好1～2小时就应该进行一次，要严格避免开机后就将设备运行工况参数坚持很久或一个班次而不进行任何调整的局面出现，现场的操作人员懒惰或责任心不强是造成污泥脱水车间长期运行效率不高、处理效果波动大和药耗浪费的主要原因之一。
其它相关污泥脱水设备、设施的日常使用、清洗、维护保养和维修，请参考设备厂商提供的设备说明书和设备操作规程。