板框厢式隔膜压滤机
引言
作为污水处理的副产物——污泥通常是指城市污水处理和工业污水处理的固体废物，大致可分为城市污泥和工业污泥两大类。城市污泥的稳定化无害化资源化利用一直是砖瓦行业及环境保护保工作者共同关注的课题。至于工业污泥则需要具体对待，有毒有害工业污泥需获取相关处理资质的专业化工厂才能处理。
我国社会经济的快速发展及人民生活水平的不断提高，加速我国城市污泥（为了便于叙述，以下简称污泥）产量的逐年递増，而目前我国污泥稳定化无害化资源化利用率仅20%～30%，预计2020年底，我国污泥产量将达到9000万吨，考虑到污泥的主要成分中80%是水，有机质仅占7%，可以形象地采用“似泥，非泥；似水，非水”来表达污泥的基本特征。显然，如此高含水量的污泥会产生渗滤液，填埋之后仍会产生渗滤液。污泥如果不经处理（如：临时堆放等）或者处理不当（如：简单填埋），如果任其渗滤液渗入地下，其后果是不仅占用大量土地资源，污染地下水资源和土壤等，而且还破坏生态平衡，严重污染饮用水源及危害人们的身体健康，阻碍社会经济的可持续发展等。
1 污染的利用现状
事实上，与污水处理相比，目前污泥处理的投入和重视程度严重滞后。根据污泥性质和含水量的差异，国内基本上形成了大致如下四类稳定化无害化资源化利用生产技术：第一是好氧发酵+土地利用，第二是厌氧消化+干化+土地利用，第三是干化焚烧+填埋/再利用，第四是深度脱水+填埋技术。具体表现为以下几种形式。
污泥制砖
污泥制砖是指将污泥经过一定处理筛选及脱水后，污泥与其他原料或外加剂混合，加压成型，干燥后入窑烧结后获得污泥砖产品。污泥制砖有两种生产方式，一种是干化后的污泥直接用于制砖；另一种是利用污泥焚烧成灰烬制砖。其制砖生产工艺大致相同，原料配料→制坯→干燥→烧结→成品。
污泥制作陶粒
陶粒是一种人造粗集料，因质轻、高强及保温等特性备受人们喜爱，是一种具有发展潜力的新型建筑材料制品。改性污泥经过一定处理筛选及脱水后可以制成陶粒。污泥陶粒的制备通常是采用黏土和炉渣为辅料，污泥为主要原料，经过烧结成球后形成具有一定硬度、吸附能力的滤料，这种滤料可应用于污水处理。也有采用污泥、黏土以及一定量的燃料制备污泥陶粒的生产方式。
污泥制作水泥
污泥脱水后既可以用于制作水泥的原材料，也可以起到提供热值的作用。利用污泥焚烧成灰烬制作“生态水泥”，极大限度地降低了废物处理的负荷，实现了污泥的资源化。利用污泥制作“生态水泥”大致有三种工艺流程，第一是污泥脱水后直接利用，第二是对污泥进行人工干燥，第三是污泥焚烧成灰烬利用。无论哪种工艺流程，污泥中无机物的成分必须符合水泥的生产技术要求，确保获得符合国家标准的水泥熟料。目前，污泥制作的“生态水泥”与普通硅酸盐水泥相比在某些性能方面更为优越。
污泥制作其他建筑材料
除了污泥制砖、污泥制陶粒及污泥制作水泥外，还有很多其他资源化利用途径。例如利用污泥制作陶瓷墙地砖制品、玻璃制品、微晶玻璃制品及生化纤维板等。考虑到污泥焚烧灰烬成分中含有一定量的Fe2O3和P2O5等晶核物质[1]，因此污泥焚烧成灰烬适合制作微晶玻璃制品。污泥为原料制造生化纤维板的主要原理就是利用活性污泥中的生物质含量，这些生物质中所含有机物和酶，即粗蛋白和球蛋白网[1]，这两种大分子有机物质能溶解于酸、碱、盐的水溶液中，利用这一特性，在碱性条件下对污泥加热，再经过干燥、加压等工艺便会发生蛋白质的变性作用，利用蛋白质的变性作用制作蛋白胶（俗称活性树脂），再经过漂白、脱脂等工艺压制成板材。
污泥无害化利用的关键设备
由此可见，污泥稳定化无害化资源化利用生产技术的关键就是污泥的过滤脱水（压滤脱水），板框式压滤机（也称室式压滤机或厢式压滤机）是污泥最有效的过滤脱水设备。板框式压滤机（区别于带式压滤机，因带式压滤机的压滤过滤推动力较小，污泥处理后所得污泥饼——污泥渣之含水量通常较高，不利于污泥渣的运输及资源化利用）按所用压滤板（简称滤板）滤布的排列方式可大致区分为立式（滤板垂直叠压后形成过滤室）板框式压滤机和卧式（滤板水平叠压后形成过滤室）板框式压滤机两种结构形式；但因立式板框式压滤机滤饼的剥离卸除操作比较困难等，因此，目前污泥处理广泛应用的板框式压滤机几乎都是卧式板框式压滤机（也简称为板框式压滤机，除非另有说明）。同时，板框式压滤机按滤板压紧力的产生方式又可区分为液压压紧型（由液压油推动油缸柱塞产生压紧滤板滤布的作用力）板框式压滤机和机械作用压紧型（如：螺旋传动机构等产生压紧滤板滤布的作用力）板框式压滤机。考虑到目前污泥处理要求获得较低含水率的污泥饼（污泥渣），那么污水泥浆所需的压滤脱水阻力较大，一方面，可节约人类赖以生存的有限的水资源；另一方面，可大幅度地降低运输污泥饼（污泥渣）至填埋场等运输费用或降低污泥资源化处理的生产成本等。但因机械作用压紧型板框式压滤机的压紧力通常较小，显然经机械作用压紧型板框式压滤机处理后所得污泥饼（污泥渣）的含水量通常偏高。所以说，目前污泥处理过程中，机械作用压紧型板框式压滤机已逐渐被液压压紧型板框式压滤机所取代。事实上，实践生产经验也表明：板框式压滤机框架的受力及其变形（刚性）的大小在一定范围内严重影响板框式压滤机的工作可靠性及其压滤脱水效率的高低等。具体说来就是：如果压滤机框架的刚性越大，其变形就越小，那么所得的污泥饼（污泥渣）的含水量就越低，水资源的节约率就越高，生产成本就越低；反之，若压滤机框架的刚性越小，其变形就越大，那么所得的污泥饼（污泥渣）的含水量就越高，水资源的节约率就越低，生产成本就越高，还易造成板框式压滤脱水操作过程中漏浆（也称“跑浆”），严重时甚至造成板框式压滤机后横梁（也称尾板）的断裂等安全生产事故。所以说，积极研究和探讨板框式压滤机框架的受力分析及其变形的大小，推导出其强度和刚度的设计计算或校核公式，据此合理地设计板框式压滤机框架的强度和刚度，能最大限度地提高板框式压滤机的工作可靠性及压滤脱水效率等，从而提高污水处理及污泥资源化利用（如：污泥制砖等）生产企业的市场竞争能力及其经济效益，对促进社会的持续发展等具有非常重要的意义。
板框式压滤机的构造
目前，国内外污泥压滤脱水等生产企业广泛应用的液压压紧型板框式压滤机，液压压紧型板框式压滤机是集机、电、液于一体的自动化程度较高的固液分离设备，它主要由主机部分、过滤部分、液压部分和电气控制部分等组成。
主机部分
液压压紧型板框式压滤机通常利用头部支架和尾部支架支承整台设备的重量。尾部后横梁（与滤板滤布接触处制有漏水收集沟槽，俗称尾板、也称止推板）和进浆管相连接，头部前横梁内安装有液压油缸及柱塞压紧装置，头部前横梁与尾部后横梁两侧由拉紧杆（工作时，因滤板在拉杆上需纵向移动，所以拉杆也称为导杆）连接成一整体。考虑到板框式压滤机工作时，拉杆既承受压紧装置所产生的压紧力（纵向）又承受滤板滤布及污水泥浆等过滤物的重量（垂直方向）。而且头部前横梁与尾部后横梁通常相距较远，因此每侧拉杆中间需设有一个或两个支柱支承等，以减少拉杆在垂直方向的弯曲变形等，确保油缸柱塞带动推压板（与滤板滤布接触处制有漏水收集沟槽，也称头板）产生预定的压紧滤板滤布的前进运动（俗称紧榨）和退回卸饼（污泥饼——污泥渣）运动（俗称松榨），从而实现污水泥浆等压滤脱水操作。由此可见，主机部分是压滤机的基础，用于支撑过滤机构及连接其他部件，通常包括前横梁、油缸柱塞压紧装置、推压板（俗称头板）、后横梁（俗称尾板、也称止推板）和拉杆（也称导杆）等组成。液压压紧型板框式压滤机工作时，油缸柱塞推动推压板，将位于推压板和止推板之间的滤板滤布依次压紧，确保具有一定工作压力（过滤推动力）的污水泥浆等在滤板滤布所形成的滤室内完成加压过滤脱水操作而获得含水率约20%左右的污泥饼（污泥渣）等。
过滤部分
过滤部分主要是由滤板和滤布（也称过滤布）等组成。滤板是中间有圆孔（待过滤浆料的通道）两端向内凹入，且具有许多相互连通的排水沟槽的圆柱形盘状零件。其顶部制有滤布托架，便于安装滤布。滤板两侧部制有支撑耳，可通过支撑耳垂直支承在两侧导杆上。
目前滤板的常用材料主要是铸造铝合金、铸铁、铸不锈钢和工程塑料等，因铸造铝合金和铸不锈钢滤板的铸造性能差和机械切削加工性能较差，生产成本较高，通常仅适用于酿酒、食品和化工等特殊行业。由于铸铁滤板的铸造性能和机械切削加工性能良好，加工后表面喷塑处理后即可适用于污水泥浆等压滤脱水操作。但铸铁滤板的材料消耗大、重量大，人工拉开滤板卸饼（污泥饼——污泥渣）时劳动强度大；此外，为了确保滤布免遭铸铁滤板排水沟槽的划伤等损害，铸铁滤板两侧表面的排水沟槽表面须安装（覆盖）多孔的铝质薄圆板（俗称滤水板）。即使如此，压滤脱水操作时，滤布仍会挤入铝质滤水板的滤水孔中而损坏，总之，采用铸铁滤板压滤脱水操作时，滤布的破损率较高，压滤脱水操作生产成本较高。因此随着科学技术的发展，铸铁滤板已逐渐被塑料滤板所取代，所以说，目前污泥压滤脱水等生产企业广泛应用的板框式压滤机几乎都是采用塑料滤板进行压滤脱水操作的。
目前，塑料滤板的常用材质主要是聚乙烯、聚丙烯、增强聚丙烯、填充聚四氟乙烯、尼龙、聚甲醛和超高分子量聚乙烯等。因超高分子量聚乙烯是一种新型高效节能材料，具有耐压性能好、耐磨性能好、耐热性能好、耐腐蚀、抗冲击、重量轻、防粘接性能好、易于压注成形和机械切削加工性能良好等优点，并且使用寿命长（通常为聚丙烯滤板的4～6倍，铸铁滤板的3～9倍）及价格适中。同时考虑到目前污泥处理企业要求所得污泥饼（污泥渣）的含水率也越来越低，那么污水泥浆等所需的过滤脱水阻力大，要求塑料滤板应具有较高的耐压和耐磨性能等。由此可见，超高分子量聚乙烯塑料滤板是目前污泥压滤脱水生产企业等板框式压滤机的最佳选择。
滤布属于机织物，是由经、纬两系统纱线在织机上相互交织而成的织物。滤布又是一种过滤介质，通常由合成纤维制成。合成纤维是化学纤维中的一类，它是利用煤、石油和天然气等为原料，经提炼和化学合成作用而制成，包括：腈纶、涤纶、锦纶、维纶、氯纶及尼龙等，它们不仅具有不发霉、不被虫蛀、质地轻、耐磨、耐酸碱、表面光洁及过滤后形成的滤饼剥离性好等特点，而且还具有抗拉、抗弯、抗磨等物理机械强度高及化学稳定性、热稳定性好等优点，因此合成纤维滤布是目前过滤行业中应用最广泛的滤布。同时，考虑到滤布的选用和使用对物料（浆料）的过滤效果具有决定性的作用，所以说，选用滤布时须根据过滤浆料的PH值、固含量的多少、固体微粒物的粒径等因素选用适宜材质和适宜孔径的高强度优质滤布，可确保获得较低的过滤成本和较高的过滤效率[2]。具体说来包括以下几方面：
- 滤布应经久耐用。
- 滤布应具有良好的化学稳定性和热稳定性。
- 滤布应具有较高的物理机械强度。不管过滤浆料的多寡或密度的大小如何变化，滤布应能从头到尾保持恒定的过滤速度，为达到这一目标，滤布必须具有较高的耐压强度及耐磨强度等。
- 滤布制作前应先下水晾干，待滤布缩水后再制作。制作时，滤布的开孔直径应与滤板孔径相等并且同心，然后通过两侧的铜质空心螺钉、铜质空心螺母（轴心是进浆通道）将滤布压紧在滤板两侧的表面上。同时还要求滤布应能在给定的时期内保持恒定的过滤速度，如果过滤一开始，滤布的毛细孔就堵塞了，当然就达不到过滤的目的，滤布应该从头到尾保持恒定的过滤速度。
- 要求滤布在形成滤饼（如：污泥饼）之后，还能成为过滤介质而起着过滤的作用，即形成滤饼的剥离性能良好。
- 滤布不应在使用过程中发生收缩变化或膨胀变化等。一般说来，滤布毛细孔堵塞的原因主要是在于组成滤布的纤维本身在使用过程中发生收缩变化或膨胀变化等造成的。
- 移动滤板剥离卸除滤饼时，用力应均匀适当，不得冲击碰撞等，以免损坏滤板密封面及滤板手把等。通常滤布使用一段时间后会变硬或发生毛细孔的堵塞等现象，需采用适宜的洗涤方法，如：采用相应低浓度的弱酸弱碱液进行中和清洗后，可以使其恢复到足以继续使用的程度，否则须及时更换滤布。
液压部分
液压部分主要指液压站，它是驱动油缸柱塞压紧装置产生预定的运动实现压紧各滤板滤布的动力装置。主要由三相异步电动机、联轴器、轴向柱塞泵（高压油泵的一种）、三位四通电磁换向阀、溢流阀、液控单向阀、滤油器、油路块（俗称集成块）、油箱、压力表、压力表开关和油压管路等组成。
电气控制部分
电气控制部分是整个系统的控制中心，在电磁换向阀、行程开关及电接点压力表的共同作用下，实现油缸柱塞的“前进”、“后退”和“停止”等动作。同时，由于液压传动装置不可避免的存在液压密封件的磨损、液压油的污染及液压油的泄漏等缺陷，会造成滤板滤布压紧力的降低，一旦液压缸内部油液压力（严格地说，应为压强）降低至某一预定值后，电接点压力表立即发讯，迅速起动油泵驱动电机，再次向油缸工作腔供油（俗称灌油），确保滤板滤布压紧力在一定范围内大致恒定不变。否则，就会“漏浆”，污染生产环境，不利于文明生产。此外，还具有欠电压、过电压和过电流保护等功能。
液压压紧型板框式压滤机工作原理
目前，国内外污泥压滤脱水等生产企业广泛应用的液压压紧型板框式压滤机。按下“柱塞前进”按钮时，启动油泵电动机，油泵由油箱经滤油器过滤后吸入液压油，液压油输出后，进入油路块和三位四通电磁换向阀，此时因三位四通电磁换向阀处于中间位置，油泵卸荷。同时，时间继电器开始延时，延时几秒（可调）后，三位四通换向阀用电磁铁1CT得电，油泵输出的压力油进入液压油缸无杆腔并推动柱塞带动推压板及滤板滤布实现“前进”的动作。在推压板、滤板滤布和止推板靠紧时，液压油缸内的油液压力迅速上升，当液压油缸无杆腔内的油液压力上升到电接点压力表YX的上限（可调）时，电接点压力表YX立发讯迫使1CT失电，结果油缸柱塞立即停止“前进”的动作，延时几秒后油泵电机停止工作，这时液压系统因液控单向阀的关闭作用而自动形成锁紧保压过滤回路。然后再次起动进浆泵（液压柱塞泥浆泵），此时污水泥浆由泥浆搅拌池或污水聚集池（采用搅拌机搅拌防止固体颗粒悬浮物沉淀）经进浆管路和止推板上的进浆口依次进入各滤板滤布所组成的滤室内进行压滤脱水操作。
当污水泥浆等压滤脱水操作结束时，需要油缸柱塞“退回”运动，此时首先应停止进浆泵（液压柱塞泥浆泵）的工作，然后开启止推板上进浆管路上的泥浆转换开关，将剩余（未完成过滤脱水操作）的浆料全部排回泥浆搅拌池或污水聚集池后，再次按下油缸柱塞“退回”按钮，油泵电机立即起动，同时三位四通换向阀用电磁铁2CT得电，油泵输出的压力油进入液压油缸的有杆腔并推动柱塞快速退回，当油缸柱塞退回到终点并压下行程开关XK时，行程开关XK立即发讯迫使2CT失电，油缸柱塞停止“退回”动作，延时几秒后油泵停止工作。最后人工拉开滤板，搬出污泥饼（污泥渣），卸除污泥饼（污泥渣）后，清洁和（或）清洗滤布。这样就完成了污水泥浆等过滤脱水操作。
若在脱水过滤过程中，因液压油的泄漏等引起液压油缸内油液压力的下降，当液压油液的压力下降到电接点压力表YX调定的油压下限值（可调）时，电气控制系统将自动起动油泵电机，向油缸柱塞压紧装置进行补能（灌油），迫使油缸无杆腔内的液压油之压力再次上升到电接点压力表YX调定的油压上限值，然后又自动断开电源，油泵停止供油，再次形成锁紧保压过滤回路，这样循环可确保污水泥浆等压滤脱水过程中所产生的液压紧力的相对恒定，从而获得含水量较低及含水量相对恒定的污泥饼（污泥渣）等。
目前，国内外污泥压滤脱水等生产企业广泛应用的液压压紧型板框式压滤机的结构示意图如图1所示，板框式压滤机框架是板框式压滤机的主要承载构件，不仅需要支承所有滤板、滤布及推压板（俗称头板）的重量、所有滤板、滤布、推压板及后横梁（俗称尾板，也称止推板）所形成的所有过滤室内填充物（待过滤物）的重量，而且还要承受滤板滤布的压紧力（油缸柱塞的推压力）以及过滤物料（浆料）产生的过滤推动力等。所以说，为了简化板框式压滤机框架强度和刚度的设计计算，我们可以将板框式压滤机框架简化为一个封闭的“四边形”框架（俗称“矩形”框架）[3]-[5]如图4所示，显然这是一个超静定系统（也称静不定系统或静不定构件）[3][5]。众所周知，静不定构件是一个整体的受力构件，当外力作用下，各构件之间存在着复杂的受力变形制约（协调）关系，通常是不能简单地将静不定构件简化成或者拆分成“梁状”构件和“杆状”构件的组合体等[3][5]。为了求解此静不定构件的受力及其变形之间的复杂关系，我们需采用以下基本假设。
板框式压滤机正常工作时，施加于滤板滤布的压紧力必须大于过滤物料（如：污水泥浆等）的压滤脱水（过滤脱水）推动力，否则就会造成所获得的污泥饼（污泥渣）的含水率过高，降低压滤脱水效率，严重时，甚至还会产生漏浆（也称“跑浆”）等，浪费原材料，污染生产环境，不利于文明生产等。因此，设计计算时，我们必须以滤板滤布的压紧力F（单位：N）为依据，并认为可滤板滤布的压紧力F通过推压板（俗称头板）及各滤板滤布等分别作用于前横梁和后横梁的中断面上，而且可以简化为一对大小相等、方向相反、作用在一条直线上的纵向作用力。
板框式压滤机两侧的拉杆（也称导轨）通常采用一个或两个支柱支承，这就最大限度地限制了两侧拉杆在自重方向（垂直方向）的变形。同时，考虑到推压板、所有滤板滤布及所有过滤室内的填充物（待过滤物料）的重量与滤板滤布的压紧力F相比都很小，因此，我们可以近似认为该作用力对拉杆所产生的垂直变形（自重方向）非常小，并可以忽略不计。
由于板框式压滤机框架的受力及结构具有对称性，同时压紧滤板滤布的移动过程中推压板、所有滤板滤布与拉杆接触所产生的支承力及摩擦阻力与滤板滤布的压紧力F相比极小，也可忽略不计。
考虑到板框式压滤机框架是由前横梁、后梁和两侧拉杆两端分别通过高强度的螺纹连接可靠地连接构成“矩形”框架这一客观事实。那么，我们可近似认为板框式压滤机框架的前横梁、后横梁和两侧拉杆交界处（俗称拐角）的刚性为无限大，所以说，板框式压滤机框架受力变形后，其拐角扔保持为直角。
结语
实践生产经验表明，一般来说剪力对板框式压滤机框架（“矩形”构件）的破坏作用极小，因此强度和刚度设计计算或校核时通常可忽略剪力的影响，因此，我们可以根据板框式压滤机框架的弯矩图和轴力图，对板框式压滤机框架进行强度设计计算或强度校核。同时图8也表明，板框式压滤机框架后横梁中截面处既承受较大的弯曲拉应力，又承受较大的轴向拉应力，两者迭加后易达到材料的断裂应力（抗拉强度极限），并且球墨铸铁（如：QT600-3等）、铸钢（如：ZG35等）和普通碳素结构钢（如：Q235A等）材料的抗拉能力通常比抗压能力差。值得注意的是若设计制造考虑欠妥时，其后果是易造成板框式压滤机框架后横梁受到破坏甚至断裂等安全隐患，这是板框式压滤机框架设计制造过程中应避免的毁坏性事故。实践生产中确实也发生了板框式压滤机框架后横梁断裂的事故，这与理论分析及设计计算是完全吻合的。同时也验证了采用板框式压滤机框架强度设计计算或校核公式设计制造板框式压滤机是安全可靠的。
技术：18851718517
邮箱：suton@su-ton.com
