板框厢式隔膜压滤机
０引言
泥浆处理设备近年来应用在各大中型城市地铁、房 地产 等 的 建 设，而建设中所产生的泥浆会对城市市容、基 本 农 田 以 及 地 下 水 等 造 成 污 染。建筑泥浆主要由以 下 几 类 工 程 产 生：钻孔桩基施工泥浆由旋挖钻机、正 反 循 环 钻 机、冲击钻机等钻进成孔施工方式产生；地 下 连 续 墙 施 工 泥 浆 由 连 续 墙、双轮铣等设备成槽施 工 方 式 产 生；泥水盾构施工泥浆由泥水平衡盾构成 隧 施 工 产 生；非开挖施工泥浆由水平定向钻及泥水 顶 管 施 工 产 生。建 筑 泥 浆 由 液 体 和 黏 土 组 成，辅 以 添 加 剂，主 要起 保 护 孔 壁、携 带 钻 渣 出 孔 的 作 用。钻 进 过 程 中，由于 钻 渣 不 断 进 入 到 泥 浆 中，泥 浆 的 比 重、黏 度、含 沙量 等 发 生 变 化，不 能 满 足 泥 浆 性 能 的 要 求，必 须 对 其进 行 净 化，即 固 液 分 离 后 再 将 泥 浆 中 的 钻 渣 分 离 循环使 用。目 前，在地下连续墙及桩基施工的作业循环中及结束后会产生大量废弃泥浆，废 泥 浆 中 含有蒙脱石等黏土矿物和岩屑，稠 度 大，既 不 能 直 接 排放，又难以在短时间内自然沉降。若 不 及 时 处 理，不但 影 响 施 工，而 且 会 造 成 环 境 污 染 或 水 质 污 染 等 二次 公 害，如废泥浆自然状态下难以降解，会 造 成 周 边地区 土 壤 板 结，土 地 盐 碱 化，植 被 大 量 破 坏；废 泥 浆长期累积渗透到地表下水层或随雨水外溢流入江河小 溪，污 染 水 源，危 害 人 民 身 体 健 康；废 泥 浆 堆 积 在施 工 工 地 周 围，占 用 大 量 耕 地 或 草 地，使 占 用 的 土 地失 去 使 用 价 值，成 为 新 的 污 染 源。目前国内对废弃泥浆处理的研究日益增多，主要 处 理 方 法 有 化 学 固 化 处 理 法、土地耕作处理法、固液 分 离 处 理 法 等。其 中，固液分离处理法工艺相 对 简 单，产 生 的 清 水 可 以 直 接 排 放，排 出 的 干 泥 可以 就 地 填 埋，特别适用于市政地铁项目钻孔泥浆的处 理。本文在广泛调研的基础上对国内固液分离泥浆 处 理 设 备 进 行 综 述，同时设计一款新型移动式泥浆 处 理 设 备。
１国内常见的泥浆处理设备
目前采用固液 分 离 法 处 理 泥 浆 的 机 械 设 备 主 要有振动筛、旋流泥浆净化器、卧式螺旋离心机等。
１．１振 动 筛振动筛是利用高频振动作用将流经筛布上的泥浆 中 的 固 体 颗 粒 分 离。振动筛的筛布有多种孔眼型号，一 般 使 用１００目（可 分 离 粒 径０．１５ｍｍ以 上 的颗 粒）或 更 粗 的 筛 布，使 用 最 密 的 筛 布 为２００目。振动 筛 一 般 设 置 在 处 理 工 艺 的 最 前 端，主 要 用 来 处 理大 颗 粒 固 相。
１．２旋 流 泥 浆 净 化 器用 泵 将 泥 浆 送 入 旋 流 器 后，泥浆会受到旋流器形 状 限 制 而 产 生 高 速 旋 流，在离心力的作用下，比 液体 密 度 高 的 固 相 会 靠 向 筒 壁，而密度相对较低的液体 则 在 筒 的 中 间，这样就可以将较粗的颗粒从泥浆中 分 离 出 来。旋流泥浆净化器解决了现场泥浆的循环使 用 问 题，提高了泥浆循环效率，节 约 了 成 本，但没 有 解 决 废 弃 泥 浆 的 处 理 问 题。
１．３卧 式 螺 旋 离 心 机离心机是惟一 能 去 除 固 相 颗 粒 表 面 自 由 液 体 的固液分离装置。离心机的转速越大，能分离出来的固相颗粒粒径越小，当离心机转速达到３２００ｒ·ｍｉｎ－１时，可 分 离 出 的 最 小 粒 径 为２μｍ。离 心 机 一 般 设 置在 处 理 工 艺 的 末 端，主 要 用 来 处 理 小 颗 粒 固 相。依据 泥 浆 中 固 相 物 质 的 颗 粒 大 小 和 粒 径 级 配，考 虑 处理 后 泥 浆 的 性 能 要 求，可选择不同的处理工艺，但 须按 照 先 处 理 大 颗 粒 物 质、后处理小颗粒物质的顺序进 行 处 理。由于卧式螺旋离心机的工作原理是利用质量差产 生 的 离 心 力 进 行 固 液 分 离，所以必须要对泥浆进行 预 处 理，即 加 入 絮 凝 剂 破 坏 泥 浆 的 胶 体 结 构，形 成内 部 物 质 之 间 的 质 量 差。由于絮凝剂种类繁多（阴离 子、阳 离 子、有 机 絮 凝 剂 等 三 大 类 约３０种 类 型），每一种对应的土质效果都不尽相同，且 絮 凝 剂 价 格较 高，一 般 每 吨 为２００００元，预处理的使用量也较大，约 为５ｋｇ·ｍ－３；所 以 卧 式 离 心 机 的 使 用 成 本 较高，不 利 于 推 广。
２新型移动式泥浆处理设备的设计
２．１设 计 原 理本设备主要结构部件包括筛网过滤头、渣 浆 泵、真 空 罐、阀 门、水 力 旋 流 器、隔 膜 式 压 滤 机、压 榨 系统、反 吹 系 统、自 动 拉 板 系 统、皮 带 机。具 体 工 作 流程 如 下：首先在真空罐中充满清水，由 操 作 人 员 开 启渣 浆 泵 启 动 按 钮，真 空 罐 中 的 引 水 被 抽 空，从 而 使 真空 罐 中 产 生 负 压，当 压 力 足 够 大 时 泥 浆 池 中 的 泥 浆被自动吸入真空罐中，实 现 泥 浆 的 持 续 自 吸 入；当 需要循环使用泥浆时，开 启 水 力 旋 流 器 阀 门 入 口，泥 浆中粒径较大的砂石等固体颗粒物被过滤，得 到 比 重约１．０８的 纯 泥 浆，即 可 重 复 循 环 使 用；当 关 闭 旋 流器 阀 门、启动隔膜压滤机阀门时，泥 浆 通 过 隔 膜 压 滤机中心孔道向各滤室给料，泥 浆 在 各 滤 室 内 通 过 滤布 进 行 过 滤，过 滤 出 的 清 水 通 过 出 料 口 排 出 到 清 水池 中，而固体颗粒物则在滤布上不断沉积；工 作 一 段时 间 后，滤 布 上 滤 饼 达 到 一 定 厚 度 时，压 榨 泵 启 动，由过滤过程自动转入压榨过程，同 时 停 止 给 料；高 压压榨泵将压榨水箱中的压榨水送入到隔膜板中，隔膜板弹性内板鼓起，与 已 形 成 的 滤 饼 均 匀 挤 压，使 滤布上泥饼的水分进一步降低；压 榨 结 束 后，压 榨 泵 停止，压榨水回流到水箱，再 用 空 压 机 压 缩 空 气 吹 出 残留在中心孔道中的泥浆；启 动 自 动 拉 板 系 统，滤 板 被一 块 块 依 次 拉 开，滤 饼 与 滤 布 脱 离 后 掉 落 到 底 部 的皮 带 机 上，皮 带 机 同 时 启 动，带 动 泥 饼 排 出 到 设 备 前端 事 先 挖 好 的 泥 坑 中，用 装 载 机 铲 走；然 后 清 理 滤布，启 动 下 一 循 环，泥 浆 处 理 工 作 完 成。本 套 设 备 的 核 心 是 压 滤 技 术。压 滤 技 术 起 源于 欧 洲，在 德 国、英国被广泛应用在石油行业、采矿 业、煤 炭 工 业、化 学 工 业、医 疗 业。经 过 上 百 年的 发 展，压 滤 技 术 不 断 进 步，作 为 固 液 分 离 技 术，它 具 有 分 离 效 果 好、适 应 性 广 的 优 点，特 别 对 于 黏细混合液的分离有独特的优越性。与 其 他 技 术 相比，压 滤 技 术 有 以 下 特 点：单 位 过 滤 面 积 占 地 少；对 物 料 适 应 性 强；过 滤 面 积 选 择 广；过 滤 压 力 高，滤 饼 含 水 率 低；结 构 简 单，操 作 容 易，故 障 少，保 养方 便；滤 饼 过 滤 可 得 到 澄 清 的 滤 液，固 相 回 收 率高；过 滤 操 作 稳 定，没 有 噪 声。
２．２设 计 方 案
２．２．１整 体 式 框 架为了不超过高速公路运输限制以及方便转场，本设 备 整 体 尺 寸 设 计 为９．６ｍ×３ｍ×２．５ｍ，整 体式 框 架 采 用１００ｍｍ×１００ｍｍ的槽钢焊接而成，主要 起 连 接 各 功 能 部 件 及 方 便 吊 装 的 作 用，框 架 外 围设 有 方 便 工 作 人 员 走 行 的 钢 筋 网 结 构 走 道，顶 部 设有 防 晒、防 雨 棚。
２．２．２真 空 自 吸 装 置真 空 自 吸 装 置 包 括 真 空 罐 和 渣 浆 泵。
（１）真 空 罐。考虑到将泥浆池中的泥浆吸上来的 压 力，所 以 真 空 罐 的 容 积 设 置 为７００Ｌ，同 时 顶 部设 置 有 补 水 口 和 排 气 口，底部设置有排污口。
（２）渣 浆 泵。渣浆泵既要保证工作时的过滤压力（８ｂａｒ），又要考虑入料的效率问题，故 选 择 扬 程为８０ｍ、流 量 为１００ｍ３·ｈ－１的 离 心 泵。
２．２．３压 紧 机 构本 设 备 压 紧 机 构 由 液 压 泵 站、油 缸、压 紧 板 及 电压 力 表 组 成。
（１）油缸。考虑到正常工作时过滤压力为８ｂａｒ，油缸压紧压力应在１２～２０ｂａｒ；所以采用Φ３５０油缸。
（２）电 接 点 压 力 表。液压油缸压紧时，当 压 紧 力大 于 压 力 传 感 器 设 定 值（１６ｂａｒ）时，溢 流 阀 开 始 卸载，切 断 液 压 电 机 电 源，压 紧 动 作 完 成。当 压 紧 力 达到 压 力 表 下 限 时，油 缸 电 机 启 动，油 泵 供 油，以 此 保证 过 滤 过 程 中 的 油 缸 持 续 压 紧。
２．２．４过 滤 机 构过 滤 机 构 由 隔 膜 式 滤 板、滤 布 组 成。
（１）过 滤 方 式。过滤方式有明流出液和暗流出液２种，为保证设备结构的紧凑和操作过程中设备的 整 洁，本 设 备 采 用 暗 流 出 液 方 式，在每个过滤板四角处 开 出 液 圆 孔，在 设 备 尾 部 用 管 道 将４个 出 液 口连 通 在 一 起。
（２）滤 布。滤布是主要的过滤介质，滤 布 的 选 择和 使 用 对 过 滤 效 果 有 决 定 性 的 作 用，要 根 据 过 滤 物料的ｐＨ值、固 体 粒 径、含砂率等因素选用合适的滤布 材 料，以实现较低的过滤成本和较高的过滤效率，使 用 过 程 中 要 保 证 滤 布 平 整 不 打 皱。由 于 建 筑 泥 浆主 要 呈 碱 性，并 考 虑 脱 饼 和 效 率 问 题，本 设 备 采 用 锦纶 单 丝 滤 布，透 气 率 为８００Ｌ·ｍ－２·ｓ－１。
２．２．５压 榨 机 构压榨机构由压榨泵、压 榨 水 箱、压 榨 细 管 组 成。
（１）压 榨 泵。综 合 比 较 压 榨 力 对 泥 饼 含 水 率 的影响及目前市场上压榨板的成本，选 择 耐 压１２ｂａｒ的 隔 膜 压 榨 板，压榨泵工作压力设置在８ｂａｒ；压 力表 上 限 值 设 置 在１０ｂａｒ。
（２）压 榨 水 箱。工作时的耗水量约在３．５ｍ３，因此设置压榨水箱容积为４ｍ３。
２．３结构设计及工艺设计
（１）根 据 设 计 方 案 对 产 品 结 构 进 行设 计。
（２）工 艺 设 计。建立泥浆最终处理的工艺流程。
３工程应用及分析评价
３．１工 程 应 用 情 况该课 题 依 托 项 目 为 济 南 市 轨 道 交 通Ｒ２线 一 期土 建 工 程 施 工 六 标 段（图３）。根据现场调研数据，该工程主要采用地下连续墙施工工艺，其 中 一 个 槽使 用２００～３００ｍ３泥 浆（考 虑 到 富 余 量，一 般 为４００ｍ３），作 业 中 一 般 泥 浆 循 环 使 用４～６次，一 个 槽 使用 的 泥 浆 经 过 循 环 之 后 最 终 要 产 生 的 废 弃 泥 浆 约５５ｍ３，后 期 作 业 面 全 开 之 后 可 能 有３～４个 槽 同时 进 行 施 工。设备根据施工时间进行相应的泥浆处 理。
根 据 数 据 计 算 可 得，废弃泥浆处理量为５５～２２０ｍ３·次－１，处 理 时 间 为２４ｈ。取 日 废 弃 泥 浆 处 理 量平 均 值 为１４０ｍ３。根 据 现 场 情 况，本设备的应用良好，平 稳 运 行 后基 本 实 现２ｈ一 个 流 程，每 个 流 程 处 理 泥 浆２０ｍ３，处 理 后 排 出 清 水 和 固 态 的 泥 饼 含 水 率 约 为３５％左 右.
３．２影 响 处 理 效 果 的 因 素
（１）影 响 泥 饼 厚 度 的 因 素。根据处理情况可知，在进料泥浆浓度固定的情况下，干 滤 饼 的 厚 度 与 压滤 时 间 成 正 比 关 系，但 当 压 滤 时 间 达 到４５ｍｉｎ后，泥饼厚度增加不明显。
（２）影响泥饼含水率的因素。泥 饼 的 含 水 量 与压榨 压 力 有 关，压 榨 压 力 越 大，含 水 率 越 低，同 时 通过试验可确定压榨时间宜控制在３０ｍｉｎ左 右。
３．３入料口优化设计在 实 际 处 理 中，发 现 设 备 入 料 口 经 常 发 生 堵 头现 象，故 对 入 料 口 进 行 优 化 设 计，以 解决高浓度泥浆情况下的入料口堵塞问题。
3．４分 析 评 价
３．４．１泥浆处理量计算
（１）单 循 环 泥 浆 处 理 量。现 场 泥 浆 池 尺 寸 为３ｍ×６ｍ，单 循 环 泥 浆 池 液 面 下 降 为４０ｃｍ，单 循 环泥 浆 处 理 量 约 为７．２ｍ３。
（２）单循环排水量。根据现场泥浆处理设备自带的流量计可知：入料 时 最 大 排 水 量 为１０．９ｍ３·ｈ－１，最 小 排 水 量 为１．２ｍ３·ｈ－１，入料时间１ｈ，入料排水时间约５０ｍｉｎ；压榨时最大排水量为２．２ｍ３·ｈ－１，最小排 水 量 为１．０ｍ３·ｈ－１，压 榨 时 间３０ｍｉｎ，压 榨 排水 时 间３０ｍｉｎ。
（３）单 循 环 泥 饼 排 放 量。根据现场实际情况，泥饼尺 寸 为１ｍ×１ｍ，泥 饼 平 均 厚 度 为２．５ｃｍ，一 个循 环 排 出 泥 饼 数 量 为５９块，单循环泥饼排放体积为１．４８ｍ３。
３．４．２泥 浆 处 理 成 本 对 比
（１）采用施工组织设计中的泥浆外运方式的成本 核 算。根 据 项 目 部 成 本 测 算，采用专业槽罐车外运 统 一 处 理，一 辆 槽 罐 车 可 运 输２５ｍ３废 弃 泥 浆，１辆 车 运 输 单 价 约 为 每 次２０００元，单 位 处 理 成 本为８０元·ｍ－３。
（２）采用本设备的泥浆处理成本核算。经 初 步测 算，采用新设备进行现场废弃泥浆处理，设 备 整 机功 率 约５０ｋＷ，按７．２ｍ３·ｈ－１的 效 率 处 理 废 弃 泥浆，用 时 约２ｈ，耗 电１００度，按 工 业 用 电 电 费 计 算，一次 工 作 用 电 费 用 约 为１００元。泥 水 分 离 后，水 可直 接 循 环 用 于 现 场 施 工，干泥可利用渣土车外运，渣土 车 外 运 成 本 为４０元·ｍ－３，外 运 费 用 为５９．２元。据 此 计 算，采用新设备进行废弃泥浆处理的成本为２２．１元·ｍ－３。综 上 可 知，使 用 本 设 备 处 理１ｍ３泥 浆 的 成 本 相对 于 外 运 方 式 节 约５７．９元。
４结语
（１）本 文 对 比 重 在１．０８～１．３２的黄土泥浆均进行 了 现 场 试 验，对 比 重 大 于１．２的泥浆需要先进行过 滤 预 处 理，去 除 其 中 的 大 颗 粒 砂 石，否 则 极 易 堵 塞入 料 口。采用筛网过滤器后未发生入料口堵塞情况，但 有 泥 饼 分 层 现 象，原因是入料过程中泥浆的比重 前 后 不 一 致，在过滤器中加入搅拌装置后该问题得 到 了 解 决。
（２）采 用 二 次 压 榨 及 反 吹 技 术 后，泥 饼 含 水 率 在３５％左 右，泥 浆 比 重 为１．０８时，泥浆处理的压缩比为９∶１左 右。
（３）本文设计的设备占地２５ｍ２左 右，需 要 提 前做 好 场 地 硬 化，对于泥浆池小且较为分散的情况，可考虑对设备进行小型化设计，从 而 降 低 单 台 设 备 成本，且更加便于转场。
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