板框厢式隔膜压滤机
隔膜压滤机的核心构件过滤板组由一组两侧内凹 的普通滤板与一组两侧附有隔膜的隔膜板交替组合而 成。滤板的凹槽部分与隔膜板结合形成滤室。滤室 附有滤布，污泥二相流在进料泵压力作用下，通过滤 布达到固液二相分离的目的。由于其耐高压，密封 性好，卸料方便，滤饼含水率低，隔膜压滤机广泛应 用于冶金、化工、煤炭和污泥处理等领域 。目前， 国内污泥处理厂对隔膜压滤机各工作流程时间设定主要凭借经验，具有粗放性和随意性的弊病，导致压滤 机工作周期长、效率低。而国内外对于隔膜压滤机污 泥脱水性能的理论研究大多局限于依据达西定理，对 进料压滤阶段的过滤特性规律建立数学模型，但对过 滤特性变化复杂的鼓膜压榨阶段研究较少。刘鹏等[4] 对过滤过程中滤饼比阻的测量方法以及对滤饼恒压过 滤的影响因素进行了研究，但该方法并不适用于隔膜 压滤机的鼓膜压榨阶段；赵扬等[5] 通过对不同鼓膜压 榨起始点进行试验，表明不同起始压榨点对过滤有较 大影响，但该方法基于大量实验总结规律，并未建立 鼓膜压榨阶段滤液量随时间变化的数学模型，没有提 出一种理论计算方法；STICKLAND 等 对固定滤室 的板框压滤机进行了过滤研究，滤液量与时间的斜率 起初增大，随后相应的斜坡压力和滤室阻力增大，最 后滤饼压力恒定，形成滤饼。该研究也未涉及隔膜压 滤机的鼓膜压榨阶段。为此，本文作者利用 Fluent 软 件模拟压滤机压滤阶段，依据所得结果，通过数学拟 合的方法建立压滤机各个工作过程的数学模型。提出 “虚拟滤液量法”，描述过滤变化较复杂的鼓膜阶段滤 液量随时间变化的数学模型，进而达到优化隔膜压滤 机各工作阶段时间、提高压滤机工作效率的目的。
1 隔膜压滤机工作流程及原理
隔膜压滤机工作周期分为进料阶段、压滤阶段、 鼓膜阶段、反吹阶段、卸料阶段以及为下一次工作周 期进行清洗滤布、压紧滤板等工作的准备阶段。 隔膜压滤机工作周期时间轴如图 1 所示。反吹、 卸料和准备阶段时间一定，为方便计算将其整合，称 为 T0。 进料阶段时间 T1从污泥泵送至压滤机开始，至充 满整个滤室为止，该阶段时间也为定值。 压滤阶段时间 T2从 0 点开始，至 t2停止，以额定 压力 P2继续入料，并压滤污泥。 鼓膜阶段时间 T3，压滤机停止进料，隔膜板两侧 隔膜以额定压力 p3(p3＞p2)注入水或空气使隔膜腔膨 胀，压缩滤室内泥饼体积，使泥饼进一步过滤，至 t3 结束。
由于压滤阶段和鼓膜阶段的过滤速度随着时间的 增加而逐渐降低，压滤机工作后期处理污泥的效率也 开始下降。因此，可以通过优化压滤时间 T2和鼓膜时 间 T3，提高隔膜压滤机的工作效率。
2 基于 Fluent 仿真压滤机工作过程
本次仿真的目的是通过模拟压滤机压滤过程，记 录各时间点的滤液量，找到压滤阶段滤液量与时间的 变化关系、比过滤速度[2, 7-8] 与时间的变化关系以及过 滤压力与污泥极限过滤量的变化关系，从而为预测压 滤机其他工作阶段的数学模型提供数据依据。
2.1 滤室模型的建立 Fluent 前处理采用 Gambit 软件，建立压滤机单个 滤室的几何模型，并对其进行网格划分。计算方法选 取“标准 k-ε 模型”，离散格式选用“QUICK”，压力插 值方法选用“PRESTO！”，压力—速度耦合方法采用 “PISO”。 其主要参数如下：滤室直径为 300 mm；固相颗 粒直径为 0.01 mm；滤室厚度为 10 mm；额定过滤压 力为 0.2~3.0 MPa；固相密度为 1 051 kg/m3 ；过滤时 间为 30 min；孔隙率为 20%；二相流含水率为 95%； 惯性阻力系数为 3.5×107 ；黏度阻力系数为 1.2×1015； 动力黏度为 0.02 Pa∙s。
2.2 仿真结果 在 0.2~1.4 MPa 过滤压力条件下，4 组滤液总量 V 与时间 t 的关系如图 2 所示。从图 2 可以看出：滤液 总量随时间逐渐增大，并趋近于某一极限值；压力越 大，滤液速度越快，最终的极限过滤量也越大。过滤压力为 1.4 MPa 时，多孔介质外 侧横截面液相流速云图。图 4 所示为比过滤速度 q 与 时间 t 关系曲线。从图 4 可看出：比过滤速度会在起 始处激增至某一值，继续上升一小段时间，达到最大 值后随时间的增加而逐渐降低；比过滤速度短暂上升 的主要原因是污泥微粒在压滤初期黏结，微粒直径增 大，导致泥层比表面积减小，孔隙率增大。
3 二相流过滤数学模型的建立
3.1 传统过滤计算方法
传统测量比阻方法通常认为泥饼不可压缩，测量 dt/dV-V 的曲线斜率 K[12] 。通过推导得到比阻 r 是关于 K 的正比例函数[6, 13] ，进而求得泥饼比阻 r。但该方法 视泥饼不可压缩，比阻不随时间变化而改变，这显然 与压滤机滤室内污泥二相流的过滤情形不吻合。此外， 隔膜压滤机工作流程较多，压滤阶段为定压入料过滤， 而鼓膜阶段滤室体积随时间不断变化，造成比阻变化 复杂，难以利用式(3)表述 q-t 的变化关系。
3.2 基于仿真结果计算方法 通过仿真记录污泥滤液总量 V(t)与时间 t 的变化 曲线以及比过滤速度 q 与时间 t 的变化曲线，拟合计 算得到 V-t 函数表达式。
3.2.1 进料阶段 在进料阶段，过滤量近似为 0 L。污泥以一定流 量进料最终达到 M1，即为滤室体积。
3.2.2 压滤阶段 由图 2 可知：在压滤阶段，滤液总量 V2随时间 t 不断上升。由其导数(图 4)可知：首先会有短期上升， 然后逐渐降低，并最终趋近于 0 L。因此，指数形式 比较符合滤液总量随时间的变化规律，可以通过最小 二乘法拟合压滤阶段的 V(t)-t 曲线。设 2 / 22 22 2 ( ) e , 0, 0, 0 b t Vt a a b t t = ＞＜ ＜ ≤ (4) 对仿真的 0.2~3.0 MPa 条件下 8 组 V2-t 曲线通过 最小二乘法拟合，所得结果如表 1 所示。 由表 1 得过滤压力 p2与参数 a2曲线如图 5 所示。 极限过滤量 a2随压力增大而增大，但上升速度由 快到慢，并趋于定值，达到该定值后，再加大压力并 不能使泥饼进一步过滤[14] 。
而参数 b2 在一定污泥特性和压滤机工作参数下 几乎不随过滤压力发生变化。 3.2.3 鼓膜阶段 假设以鼓膜阶段压力 p3继续进料压滤，其极限滤 液量 a3=ka2(其中，k 为鼓膜极限滤液量与压滤极限滤 液量比例系数)。但是鼓膜阶段停止进料，隔膜板以一 定压力对泥饼压缩，通过减小滤室体积达到过滤目的， 极限滤液量必然小于 a3，故 a3并不是鼓膜阶段的极限 滤液量。本文称 a3 为鼓膜阶段虚拟极限滤液量，V3’ 为鼓膜阶段虚拟滤液量，其值只是数学意义上的假设， 并不是真实的滤液量。
3.2.4 压滤机反吹、卸料及清洗准备阶段 鼓膜结束后，还需要进行反吹过程将管道内残留 的泥浆和滤液清理干净。然后，进入卸料过程以及为 下一周期工作的准备阶段。该阶段时间基本为定值。 3.2.5 压滤机工作阶段时间点的优化 如图 1 所示，非过滤总和时间 T0+T1=t0，压滤机 过滤时间 T2+T3=t3，则压滤机的工作周期 T=t0+t3，其 中压滤时间 T2=t2，鼓膜时间 T3=t3-t2。假设原污泥含 水率为 η0，在 t=t3时，鼓膜过程泥饼最终含水率达到 ηf，为污泥脱水标准。
在实际生产中，由于鼓膜阶段隔膜的膨胀形变量 并不是任意大，若泥饼没有达到一定厚度，则隔膜板 的压力不能充分作用在泥饼上，这就限制了该方法计 算最佳压滤时间的适用范围。 基于上述问题，应根据实际中隔膜压滤机隔膜板 的隔膜膨胀性能，设定最小进料量 Mmin。当理论计算 的压滤时间 T2对应的进料总量 M＞Mmin 时，通过上述 方法所计算的 T2即为最佳压滤时间，T3即为最佳鼓膜 时间。当理论计算的压滤时间 T2对应的进料总量 M＜ Mmin时，达到 Mmin的时间 T2′即为最佳压滤时间。
4 污泥处理厂压滤机工作周期优化 4.1 压滤机工作参数 某污泥处理厂日处理含水率为 95%的污泥 500 m3 ，设计采用 4 台 XAGZ200/1250-30u 型号隔膜 压滤机同时 24 h 工作，实际不能完成工作任务。目前， 该厂压滤机工作周期 T=210 min。其中准备时间为 20 min，进料时间为 10 min，压滤时间为 120 min，鼓 膜时间为 30 min，反吹时间为 10 min，卸料时间为 20 min。 XAGZ200/1250-30u 隔膜压滤机参数如下：面积 为 200 m2 ；滤室数为 80 个；滤板外径为 1 250 mm× 1 250 mm；滤室厚度为 30 mm；中心进料，额定过滤 压力为 0.8 MPa，额定压榨压力为 1.6 MPa。记录压滤 机工作过程滤液量，如表 2 所示。压滤过程结束时，滤液总量为 14.36 m3 。鼓膜阶 段结束时滤液总量为 15.17 m3 ，最终泥饼含水率为 60.4%。压滤机污泥处理速率 u=0.083 m3 /min。
4.2 压滤机各工作阶段时间优化
按照原压滤机工作流程时间设定，每台压滤机每 天可工作 6 个周期，4 台压滤机每天处理量约 416.64 m3 ，不能完成当日生产任务。优化后压滤机工 作周期约 2 h，每日作业 12 个周期，日产能力可达 613.44 m3 。该厂按本文提出的周期实际作业，在完成 任务的同时，轮流让其中 1 台机休息待机，不但满足污泥处理厂的产量要求，而且可以使压滤机得到更多 的停歇和检修时间，有利于延长压滤机的使用寿命。
5 结论 1) 基于 Fluent 模拟得到压滤机压滤阶段不同压 力下滤液总量 V 与时间 t 的关系，运用最小二乘法拟 合该曲线的函数表达式，得到滤液总量与压力的变化 关系。 2) 提出了鼓膜阶段虚拟滤液总量 V3′的概念，即 假设以鼓膜压力 p3继续进料，不改变滤室容积条件下 的滤液总量。以此推导得到鼓膜阶段实际滤液总量 V3 随时间 t 变化的数学关系式，并得到压滤机工作效率 u 与压滤时间 t2的数学关系式。 3) 对某污泥处理厂隔膜压滤机各工作阶段时间 进行优化计算，其污泥处理效率提高 37.7%。
