Plate and frame chamber diaphragm filter presses
1 Project Overview
杭州地铁8号线一期工程位于浙江省杭州市东部，为连接地铁1号线与大江东区域的重要地铁线路。隧道外径11.3 m，每环理论出渣量217方。河南郑州城际铁路项目自郑州新郑机场引出，连接郑州南站。隧道外径12.3 m，内径11.3 m，采用一台开挖直径12.81 m的泥水平衡盾构机施工，管片环宽2 m，每环理论出渣量257方。文桥区间风井～桥头堡站区间地层中10μm以下颗粒占比25%，该项目细粒处理选用板框式压滤方案。河南郑州城际铁路项目盾构区间地层中10μm以下颗粒占比27%，该项目选用带式压滤方案处理极细颗粒。文桥区间风井～桥头堡站区间及豫机城际一标盾构区间由类似的地层组成，根据地质勘察报告结果，二者在粒径构成上具有显著的相似性。
2板框压滤
（1）压紧滤板：主液压缸动作，通过连杆带动移动板，使相邻两滤板间形成滤室。
（2）进浆压滤：隔膜泵将料浆通过料浆集流管注入滤室，继续对滤室内的料浆施压，通过压滤形成固液分离。
（3）隔膜压榨：采用0.8 MPa～1.20 MPa的高压水将滤板隔膜鼓起，对滤饼挤压进行二次脱水。
（4）卸饼：主液压缸通过连杆作用，将移动板推至远端并打开第一组滤室，然后利用液压缸依次打开剩下滤室，人工扰动将滤饼卸下。该套流程可有效除去污泥泥浆中富含的细微颗粒，压滤渣料含水率23%～27%，在杭州市环保要求极为严格的条件下，可以满足汽车直接运输的条件，同时滤液水固含量＜100 mg/L，实现盾构废浆零排放。
3带式压滤豫区间采用带式压滤处理方案，对于带式压滤机，泥浆进入混凝池后，经渣浆泵泥浆打入压滤机中，期间加入一定配比的药剂，使其经过混料器后将药剂与泥浆充分混匀，上到压滤机后经重力脱水，高压压榨脱水形成含水率约80%的泥饼落入传送带后运到渣料场。经重力脱水区的水质较清，冲洗滤布的水质也较清，这两部分水混合后经清水泵打入沉淀罐沉淀，沉淀泥浆可排入混凝池，清水可用于配制药剂和冲洗泵。高压压榨脱水和冲洗水水质较为浑浊，含泥量大，可排入沉淀池，经加药和三级沉淀后清水可用于配药和冲洗泵，沉淀泥可排入混凝池或者直接用挖掘机挖出来运输，带式压滤机脱水过程分重力脱水、楔形区预压脱水及压榨脱水三个阶段。经过预处理絮凝后的泥浆均匀送入网带时，泥浆随滤带向前运行，游离态水在自重作用下下落到污水池，重力脱水主要作用是脱去泥浆中的自由水，减小泥浆的流动性，为进一步挤压做准备。重力脱水后，泥浆流动性几乎完全丧失，随着带式压滤机滤带的向前运行，上下滤带间距逐渐减少，物料开始受到轻微压力，并随着滤带运行，压力逐渐增大，楔形区的作用是延长重力脱水时间，增加絮团的挤压稳定性，为进入压力区做准备。物料脱离楔形区就进入压力区，物料在此区内受挤压，沿滤带运行方向压力随挤压辊直径的减少而增加，物料受到挤压体积收缩，物料内的间隙游离水被挤出，此时，基本形成滤饼，继续向前至压力尾部的高压区经过高压后滤饼的含水量可降至最低，为50%～60%。
4两种处理方式生产经营异同
4.1成本对比以两项目施工中的经验数据为依托，文～桥区间当处理泥浆比重在1.25 g/m3时，4台压滤机处理量达到1200方/d，豫区间处理该比重泥浆时，6台带式压滤机处理方量达1800方/d。为比较相同处理量下两种压滤方式的成本情况，对单台带式压滤机及板框式压滤机（300方/台/d）单日运营成本进行分析。
4.1.1板框式压滤机
（1）压滤运行成本：单台板框式压滤机单日租赁费用为1644元/d，单台压滤机运行期间平均需配备人员2人，人工成本每人每日200元；药剂费用800元/t，处理1方泥浆需使用药剂12 kg；电、水费、设备维护费用每台每天约700元。综合以上因素，单台板框式压滤机运行成本约为5624元/d。（2）土方外运成本：单机处理300方泥浆约产生泥饼100方（松散系数1.3），土方外运成本均价130元/方。
4.1.2带式压滤机（1）压滤运行成本：单台带式压滤机单日租赁费用为822元/d，单台压滤机运行期间平均需配备人员0.5人，人工成本每人每日200元；药剂费用12 000元/t，处理1方泥浆需添加药剂0.4 kg；电、水费及设备维护费用每台每天约800元。综合以上因素，带式压滤机单台当天运营成本约为3162元/d。（2）土方外运成本：单机处理300方泥浆产生泥饼约154方（松散系数2.0），土方外运成本均价40元/方。
4.1.3结论———板框式压滤的运营价格略低于带式压滤压滤系统将细粒处理为泥饼后，需要将堆积泥饼外运才能维持系统的连续供工作，否则存在渣土堆积影响存在被迫停机的风险。泥饼的外运成本是泥浆处理系统中占比较高的部分，但是土方外运的价格受地区、环境、政策、时期的影响波动较大，通常在25～130元/方之间，若将渣土的外运成本一并考虑，已知板框式压滤机单日处理300方泥浆产生松散系数为1.3的泥饼约100方；带式压滤机单日处理300方泥浆产生膨胀系数为2的泥饼约154方。将单日运营成本与渣土外运的价格关系作图，计算得临界点为45.5元/方。当土方单方外运价格小于45.5元/方时，带式压滤运营的综合成本低于板框式压滤；当土方外运价格大于45.5元/方时，板框式压滤的综合成本低于带式压滤的成本。由上可知，带式压滤的机械运行成本低于板框式压滤，整体运行成本受土方外运成本的波动较大。带式压滤在土方外运成本较低时性价比更高，板框式压滤更适合土方外运价格较高或土方外运管控较为严格的地区。
4.2产物对比带式压滤及板框式压滤对泥浆处理后的产物分别为泥饼和滤液水。板框式压滤由于隔膜压榨的压力较高，压滤产生的泥饼膨胀系数较小，含水率也更低（25%～30%），带式压滤产生的泥饼较为稀散，含水率也高于板框式压滤（40%～60%）。带式压滤通常采用高分子絮凝剂（PAM等），处理后的滤液水pH在6～9，可以回收利用用于冲洗、调整泥浆指标等。由于板框式压滤过程中添加大量石灰，滤液水呈较强的碱性。通过pH试纸测得板框式压滤的滤液水pH在11～13，较高的pH使板框式压滤产生的滤液水难以回收利用，若使用板框式压滤滤液水作为冲洗用水，会加快对设备的腐蚀；若使用强碱性滤液水进行调浆，氢氧根离子易与地层中的金属离子进行反应，导致循环泥浆产生絮凝现象，降低循环泥浆携渣能力，破坏掌子面稳定。故板框式压滤产生的滤液水通常需经过一定的酸化处理后重复利用或是直接作为废液排放。4.3故障处理及故障率对比4.3.1带式压滤常见故障及处理（1）滤板炸板：增强操作和技术培训，严厉控制阀门开启速度，经常检查进料口状态。一侧液压改为两侧液压或进泥管增加进泥量等。（2）滤饼不干：清洗或改换滤布；停止调理进泥，进一步增加挤压力和挤压时间；维修或改换阀门。（3）排渣口堵塞：检查投配槽泥位；改换滤布和带式密封条。（4）带间喷泥：改换或维修密封条；肃清杂物；调解压力和对滤布纠偏。（5）传感器失灵：巩固传感器，调整位置，降低负荷。
4.3.2Plate and frame filter presses常见故障及处理（1）板块损坏：使用尼龙清洗刮刀，除去进料口的泥再对滤布进行检查，整理排水口，检查出口，翻开相应阀门，释放压力。最后整理滤板，修正滤板。（2）板框间渗水：添加液压、替换滤布或者使用尼龙刮刀铲除密封外表的块状物。（3）无法形成滤饼或滤饼不均匀：添加供料、调整工艺，改进供料、整理滤布或替换滤布、整理阻塞处、整理供料孔、整理排水孔、整理或替换滤布、添加压力或泵功率、低压发动，不断增压等。（4）滤板行动缓慢或易掉：导向杆上油渍、污渍过多也会导致滤板行走缓慢，甚至会走偏掉下来。这时就要及时整理导向杆，并涂上黄油，保证其润滑性。（5）进灰漏斗故障：将进灰漏斗拆除清理，对漏斗进行检查，存在堵塞则进行疏通。长期进灰导致漏斗磨损根据情况进行补焊或者更换文丘里漏斗。（6）压滤机进浆困难：检查进浆泵泵口是否存在堵塞，若泵口未堵塞，清空待压池，待待压池出浆口露出检查是否堵塞，存在堵塞则进行疏通。更改进浆压力及泵功率，增大瞬时功率多次启动。
4.3.3板框式压滤及带式压滤故障率对比基于对两项目施工同一周期长度（6个月）中压滤机故障情况进行统计。将压滤影响因素的时间分别统计制作条形图如下。可以看出，滤饼不干及排渣口堵塞是对带式压滤影响较大的要因，出现次数也较为频繁，施工过程中可以通过优化压滤参数及更改出渣口设计进一步提升压滤效率；板框式压滤影响较大的因素包括主液压油缸拉缸、进浆困难、进灰漏斗故障，影响板框式压滤的要因素属不频发，但单次影响时间较长，可通过配置专业人员，加强设备巡查及维保提升板框式压滤的处理效率。
5结语带式压滤及板框式压滤在处理泥水盾构泥浆中10μm以下细粒都有良好的效果。对于如何选用二者进行细粒处理，需根据项目的特点及环境进行选用。总的来说，带式压滤较板框式压滤具有更好的普适性、更低的运行成本、更清洁的滤液水、更简单的设备维保。板框式压滤在土方消纳存在一定困难的环境下更有优势。
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