隔膜壓濾機(jī)的核心構(gòu)件過(guò)濾板組由一組兩側(cè)內(nèi)凹 的普通濾板與一組兩側(cè)附有隔膜的隔膜板交替組合而 成。濾板的凹槽部分與隔膜板結(jié)合形成濾室。濾室 附有濾布，污泥二相流在進(jìn)料泵壓力作用下，通過(guò)濾 布達(dá)到固液二相分離的目的。由于其耐高壓，密封 性好，卸料方便，濾餅含水率低，隔膜壓濾機(jī)廣泛應(yīng) 用于冶金、化工、煤炭和污泥處理等領(lǐng)域 。目前， 國(guó)內(nèi)污泥處理廠對(duì)隔膜壓濾機(jī)各工作流程時(shí)間設(shè)定主要憑借經(jīng)驗(yàn)，具有粗放性和隨意性的弊病，導(dǎo)致壓濾 機(jī)工作周期長(zhǎng)、效率低。而國(guó)內(nèi)外對(duì)于隔膜壓濾機(jī)污 泥脫水性能的理論研究大多局限于依據(jù)達(dá)西定理，對(duì) 進(jìn)料壓濾階段的過(guò)濾特性規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型，但對(duì)過(guò) 濾特性變化復(fù)雜的鼓膜壓榨階段研究較少。劉鵬等[4] 對(duì)過(guò)濾過(guò)程中濾餅比阻的測(cè)量方法以及對(duì)濾餅恒壓過(guò) 濾的影響因素進(jìn)行了研究，但該方法并不適用于隔膜 壓濾機(jī)的鼓膜壓榨階段；趙揚(yáng)等[5] 通過(guò)對(duì)不同鼓膜壓 榨起始點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，表明不同起始?jí)赫c(diǎn)對(duì)過(guò)濾有較 大影響，但該方法基于大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律，并未建立 鼓膜壓榨階段濾液量隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，沒(méi)有提 出一種理論計(jì)算方法；STICKLAND 等 對(duì)固定濾室 的板框壓濾機(jī)進(jìn)行了過(guò)濾研究，濾液量與時(shí)間的斜率 起初增大，隨后相應(yīng)的斜坡壓力和濾室阻力增大，最 后濾餅壓力恒定，形成濾餅。該研究也未涉及隔膜壓 濾機(jī)的鼓膜壓榨階段。為此，本文作者利用 Fluent 軟 件模擬壓濾機(jī)壓濾階段，依據(jù)所得結(jié)果，通過(guò)數(shù)學(xué)擬 合的方法建立壓濾機(jī)各個(gè)工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。提出 “虛擬濾液量法”，描述過(guò)濾變化較復(fù)雜的鼓膜階段濾 液量隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化隔膜壓濾 機(jī)各工作階段時(shí)間、提高壓濾機(jī)工作效率的目的。

1 隔膜壓濾機(jī)工作流程及原理

隔膜壓濾機(jī)工作周期分為進(jìn)料階段、壓濾階段、 鼓膜階段、反吹階段、卸料階段以及為下一次工作周 期進(jìn)行清洗濾布、壓緊濾板等工作的準(zhǔn)備階段。 隔膜壓濾機(jī)工作周期時(shí)間軸如圖 1 所示。反吹、 卸料和準(zhǔn)備階段時(shí)間一定，為方便計(jì)算將其整合，稱 為 T0。 進(jìn)料階段時(shí)間 T1從污泥泵送至壓濾機(jī)開(kāi)始，至充 滿整個(gè)濾室為止，該階段時(shí)間也為定值。 壓濾階段時(shí)間 T2從 0 點(diǎn)開(kāi)始，至 t2停止，以額定 壓力 P2繼續(xù)入料，并壓濾污泥。 鼓膜階段時(shí)間 T3，壓濾機(jī)停止進(jìn)料，隔膜板兩側(cè) 隔膜以額定壓力 p3(p3＞p2)注入水或空氣使隔膜腔膨 脹，壓縮濾室內(nèi)泥餅體積，使泥餅進(jìn)一步過(guò)濾，至 t3 結(jié)束。

由于壓濾階段和鼓膜階段的過(guò)濾速度隨著時(shí)間的 增加而逐漸降低，壓濾機(jī)工作后期處理污泥的效率也 開(kāi)始下降。因此，可以通過(guò)優(yōu)化壓濾時(shí)間 T2和鼓膜時(shí) 間 T3，提高隔膜壓濾機(jī)的工作效率。

2 基于 Fluent 仿真壓濾機(jī)工作過(guò)程

本次仿真的目的是通過(guò)模擬壓濾機(jī)壓濾過(guò)程，記 錄各時(shí)間點(diǎn)的濾液量，找到壓濾階段濾液量與時(shí)間的 變化關(guān)系、比過(guò)濾速度[2, 7-8] 與時(shí)間的變化關(guān)系以及過(guò) 濾壓力與污泥極限過(guò)濾量的變化關(guān)系，從而為預(yù)測(cè)壓 濾機(jī)其他工作階段的數(shù)學(xué)模型提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.1 濾室模型的建立 Fluent 前處理采用 Gambit 軟件，建立壓濾機(jī)單個(gè) 濾室的幾何模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算方法選 取“標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型”，離散格式選用“QUICK”，壓力插 值方法選用“PRESTO！”，壓力—速度耦合方法采用 “PISO”。 其主要參數(shù)如下：濾室直徑為 300 mm；固相顆 粒直徑為 0.01 mm；濾室厚度為 10 mm；額定過(guò)濾壓 力為 0.2~3.0 MPa；固相密度為 1 051 kg/m3 ；過(guò)濾時(shí) 間為 30 min；孔隙率為 20%；二相流含水率為 95%； 慣性阻力系數(shù)為 3.5×107 ；黏度阻力系數(shù)為 1.2×1015； 動(dòng)力黏度為 0.02 Pa?s。

2.2 仿真結(jié)果 在 0.2~1.4 MPa 過(guò)濾壓力條件下，4 組濾液總量 V 與時(shí)間 t 的關(guān)系如圖 2 所示。從圖 2 可以看出：濾液 總量隨時(shí)間逐漸增大，并趨近于某一極限值；壓力越 大，濾液速度越快，最終的極限過(guò)濾量也越大。過(guò)濾壓力為 1.4 MPa 時(shí)，多孔介質(zhì)外 側(cè)橫截面液相流速云圖。圖 4 所示為比過(guò)濾速度 q 與 時(shí)間 t 關(guān)系曲線。從圖 4 可看出：比過(guò)濾速度會(huì)在起 始處激增至某一值，繼續(xù)上升一小段時(shí)間，達(dá)到最大 值后隨時(shí)間的增加而逐漸降低；比過(guò)濾速度短暫上升 的主要原因是污泥微粒在壓濾初期黏結(jié)，微粒直徑增 大，導(dǎo)致泥層比表面積減小，孔隙率增大。

3 二相流過(guò)濾數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 傳統(tǒng)過(guò)濾計(jì)算方法

傳統(tǒng)測(cè)量比阻方法通常認(rèn)為泥餅不可壓縮，測(cè)量 dt/dV-V 的曲線斜率 K[12] 。通過(guò)推導(dǎo)得到比阻 r 是關(guān)于 K 的正比例函數(shù)[6, 13] ，進(jìn)而求得泥餅比阻 r。但該方法 視泥餅不可壓縮，比阻不隨時(shí)間變化而改變，這顯然 與壓濾機(jī)濾室內(nèi)污泥二相流的過(guò)濾情形不吻合。此外， 隔膜壓濾機(jī)工作流程較多，壓濾階段為定壓入料過(guò)濾， 而鼓膜階段濾室體積隨時(shí)間不斷變化，造成比阻變化 復(fù)雜，難以利用式(3)表述 q-t 的變化關(guān)系。

3.2 基于仿真結(jié)果計(jì)算方法 通過(guò)仿真記錄污泥濾液總量 V(t)與時(shí)間 t 的變化 曲線以及比過(guò)濾速度 q 與時(shí)間 t 的變化曲線，擬合計(jì) 算得到 V-t 函數(shù)表達(dá)式。

3.2.1 進(jìn)料階段 在進(jìn)料階段，過(guò)濾量近似為 0 L。污泥以一定流 量進(jìn)料最終達(dá)到 M1，即為濾室體積。

3.2.2 壓濾階段 由圖 2 可知：在壓濾階段，濾液總量 V2隨時(shí)間 t 不斷上升。由其導(dǎo)數(shù)(圖 4)可知：首先會(huì)有短期上升， 然后逐漸降低，并最終趨近于 0 L。因此，指數(shù)形式 比較符合濾液總量隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以通過(guò)最小 二乘法擬合壓濾階段的 V(t)-t 曲線。設(shè) 2 / 22 22 2 ( ) e , 0, 0, 0 b t Vt a a b t t = ＞＜ ＜ ≤ (4) 對(duì)仿真的 0.2~3.0 MPa 條件下 8 組 V2-t 曲線通過(guò) 最小二乘法擬合，所得結(jié)果如表 1 所示。 由表 1 得過(guò)濾壓力 p2與參數(shù) a2曲線如圖 5 所示。 極限過(guò)濾量 a2隨壓力增大而增大，但上升速度由 快到慢，并趨于定值，達(dá)到該定值后，再加大壓力并 不能使泥餅進(jìn)一步過(guò)濾[14] 。

而參數(shù) b2 在一定污泥特性和壓濾機(jī)工作參數(shù)下 幾乎不隨過(guò)濾壓力發(fā)生變化。 3.2.3 鼓膜階段 假設(shè)以鼓膜階段壓力 p3繼續(xù)進(jìn)料壓濾，其極限濾 液量 a3=ka2(其中，k 為鼓膜極限濾液量與壓濾極限濾 液量比例系數(shù))。但是鼓膜階段停止進(jìn)料，隔膜板以一 定壓力對(duì)泥餅壓縮，通過(guò)減小濾室體積達(dá)到過(guò)濾目的， 極限濾液量必然小于 a3，故 a3并不是鼓膜階段的極限 濾液量。本文稱 a3 為鼓膜階段虛擬極限濾液量，V3’ 為鼓膜階段虛擬濾液量，其值只是數(shù)學(xué)意義上的假設(shè)， 并不是真實(shí)的濾液量。

3.2.4 壓濾機(jī)反吹、卸料及清洗準(zhǔn)備階段 鼓膜結(jié)束后，還需要進(jìn)行反吹過(guò)程將管道內(nèi)殘留 的泥漿和濾液清理干凈。然后，進(jìn)入卸料過(guò)程以及為 下一周期工作的準(zhǔn)備階段。該階段時(shí)間基本為定值。 3.2.5 壓濾機(jī)工作階段時(shí)間點(diǎn)的優(yōu)化 如圖 1 所示，非過(guò)濾總和時(shí)間 T0+T1=t0，壓濾機(jī) 過(guò)濾時(shí)間 T2+T3=t3，則壓濾機(jī)的工作周期 T=t0+t3，其 中壓濾時(shí)間 T2=t2，鼓膜時(shí)間 T3=t3-t2。假設(shè)原污泥含 水率為 η0，在 t=t3時(shí)，鼓膜過(guò)程泥餅最終含水率達(dá)到 ηf，為污泥脫水標(biāo)準(zhǔn)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鼓膜階段隔膜的膨脹形變量 并不是任意大，若泥餅沒(méi)有達(dá)到一定厚度，則隔膜板 的壓力不能充分作用在泥餅上，這就限制了該方法計(jì) 算最佳壓濾時(shí)間的適用范圍。 基于上述問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)實(shí)際中隔膜壓濾機(jī)隔膜板 的隔膜膨脹性能，設(shè)定最小進(jìn)料量 Mmin。當(dāng)理論計(jì)算 的壓濾時(shí)間 T2對(duì)應(yīng)的進(jìn)料總量 M＞Mmin 時(shí)，通過(guò)上述 方法所計(jì)算的 T2即為最佳壓濾時(shí)間，T3即為最佳鼓膜 時(shí)間。當(dāng)理論計(jì)算的壓濾時(shí)間 T2對(duì)應(yīng)的進(jìn)料總量 M＜ Mmin時(shí)，達(dá)到 Mmin的時(shí)間 T2′即為最佳壓濾時(shí)間。

4 污泥處理廠壓濾機(jī)工作周期優(yōu)化 4.1 壓濾機(jī)工作參數(shù) 某污泥處理廠日處理含水率為 95%的污泥 500 m3 ，設(shè)計(jì)采用 4 臺(tái) XAGZ200/1250-30u 型號(hào)隔膜 壓濾機(jī)同時(shí) 24 h 工作，實(shí)際不能完成工作任務(wù)。目前， 該廠壓濾機(jī)工作周期 T=210 min。其中準(zhǔn)備時(shí)間為 20 min，進(jìn)料時(shí)間為 10 min，壓濾時(shí)間為 120 min，鼓 膜時(shí)間為 30 min，反吹時(shí)間為 10 min，卸料時(shí)間為 20 min。 XAGZ200/1250-30u 隔膜壓濾機(jī)參數(shù)如下：面積 為 200 m2 ；濾室數(shù)為 80 個(gè)；濾板外徑為 1 250 mm× 1 250 mm；濾室厚度為 30 mm；中心進(jìn)料，額定過(guò)濾 壓力為 0.8 MPa，額定壓榨壓力為 1.6 MPa。記錄壓濾 機(jī)工作過(guò)程濾液量，如表 2 所示。壓濾過(guò)程結(jié)束時(shí)，濾液總量為 14.36 m3 。鼓膜階 段結(jié)束時(shí)濾液總量為 15.17 m3 ，最終泥餅含水率為 60.4%。壓濾機(jī)污泥處理速率 u=0.083 m3 /min。

4.2 壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間優(yōu)化

按照原壓濾機(jī)工作流程時(shí)間設(shè)定，每臺(tái)壓濾機(jī)每 天可工作 6 個(gè)周期，4 臺(tái)壓濾機(jī)每天處理量約 416.64 m3 ，不能完成當(dāng)日生產(chǎn)任務(wù)。優(yōu)化后壓濾機(jī)工 作周期約 2 h，每日作業(yè) 12 個(gè)周期，日產(chǎn)能力可達(dá) 613.44 m3 。該廠按本文提出的周期實(shí)際作業(yè)，在完成 任務(wù)的同時(shí)，輪流讓其中 1 臺(tái)機(jī)休息待機(jī)，不但滿足污泥處理廠的產(chǎn)量要求，而且可以使壓濾機(jī)得到更多 的停歇和檢修時(shí)間，有利于延長(zhǎng)壓濾機(jī)的使用壽命。

5 結(jié)論 1) 基于 Fluent 模擬得到壓濾機(jī)壓濾階段不同壓 力下濾液總量 V 與時(shí)間 t 的關(guān)系，運(yùn)用最小二乘法擬 合該曲線的函數(shù)表達(dá)式，得到濾液總量與壓力的變化 關(guān)系。 2) 提出了鼓膜階段虛擬濾液總量 V3′的概念，即 假設(shè)以鼓膜壓力 p3繼續(xù)進(jìn)料，不改變?yōu)V室容積條件下 的濾液總量。以此推導(dǎo)得到鼓膜階段實(shí)際濾液總量 V3 隨時(shí)間 t 變化的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并得到壓濾機(jī)工作效率 u 與壓濾時(shí)間 t2的數(shù)學(xué)關(guān)系式。 3) 對(duì)某污泥處理廠隔膜壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間 進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其污泥處理效率提高 37.7%。