隔膜壓濾機的核心構件過濾板組由一組兩側內凹 的普通濾板與一組兩側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合形成濾室。濾室 附有濾布，污泥二相流在進料泵壓力作用下，通過濾 布達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，隔膜壓濾機廣泛應 用于冶金、化工、煤炭和污泥處理等領域 。目前， 國內污泥處理廠對隔膜壓濾機各工作流程時間設定主要憑借經驗，具有粗放性和隨意性的弊病，導致壓濾 機工作周期長、效率低。而國內外對于隔膜壓濾機污 泥脫水性能的理論研究大多局限于依據達西定理，對 進料壓濾階段的過濾特性規律建立數學模型，但對過 濾特性變化復雜的鼓膜壓榨階段研究較少。劉鵬等[4] 對過濾過程中濾餅比阻的測量方法以及對濾餅恒壓過 濾的影響因素進行了研究，但該方法并不適用于隔膜 壓濾機的鼓膜壓榨階段；趙揚等[5] 通過對不同鼓膜壓 榨起始點進行試驗，表明不同起始壓榨點對過濾有較 大影響，但該方法基于大量實驗總結規律，并未建立 鼓膜壓榨階段濾液量隨時間變化的數學模型，沒有提 出一種理論計算方法；STICKLAND 等 對固定濾室 的板框壓濾機進行了過濾研究，濾液量與時間的斜率 起初增大，隨后相應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 濾機的鼓膜壓榨階段。為此，本文作者利用 Fluent 軟 件模擬壓濾機壓濾階段，依據所得結果，通過數學擬 合的方法建立壓濾機各個工作過程的數學模型。提出 “虛擬濾液量法”，描述過濾變化較復雜的鼓膜階段濾 液量隨時間變化的數學模型，進而達到優化隔膜壓濾 機各工作階段時間、提高壓濾機工作效率的目的。

1 隔膜壓濾機工作流程及原理

隔膜壓濾機工作周期分為進料階段、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 期進行清洗濾布、壓緊濾板等工作的準備階段。 隔膜壓濾機工作周期時間軸如圖 1 所示。反吹、 卸料和準備階段時間一定，為方便計算將其整合，稱 為 T0。 進料階段時間 T1從污泥泵送至壓濾機開始，至充 滿整個濾室為止，該階段時間也為定值。 壓濾階段時間 T2從 0 點開始，至 t2停止，以額定 壓力 P2繼續入料，并壓濾污泥。 鼓膜階段時間 T3，壓濾機停止進料，隔膜板兩側 隔膜以額定壓力 p3(p3＞p2)注入水或空氣使隔膜腔膨 脹，壓縮濾室內泥餅體積，使泥餅進一步過濾，至 t3 結束。

由于壓濾階段和鼓膜階段的過濾速度隨著時間的 增加而逐漸降低，壓濾機工作后期處理污泥的效率也 開始下降。因此，可以通過優化壓濾時間 T2和鼓膜時 間 T3，提高隔膜壓濾機的工作效率。

2 基于 Fluent 仿真壓濾機工作過程

本次仿真的目的是通過模擬壓濾機壓濾過程，記 錄各時間點的濾液量，找到壓濾階段濾液量與時間的 變化關系、比過濾速度[2, 7-8] 與時間的變化關系以及過 濾壓力與污泥極限過濾量的變化關系，從而為預測壓 濾機其他工作階段的數學模型提供數據依據。

2.1 濾室模型的建立 Fluent 前處理采用 Gambit 軟件，建立壓濾機單個 濾室的幾何模型，并對其進行網格劃分。計算方法選 取“標準 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；額定過濾壓 力為 0.2~3.0 MPa；固相密度為 1 051 kg/m3 ；過濾時 間為 30 min；孔隙率為 20%；二相流含水率為 95%； 慣性阻力系數為 3.5×107 ；黏度阻力系數為 1.2×1015； 動力黏度為 0.02 Pa?s。

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

3 二相流過濾數學模型的建立

3.1 傳統過濾計算方法

傳統測量比阻方法通常認為泥餅不可壓縮，測量 dt/dV-V 的曲線斜率 K[12] 。通過推導得到比阻 r 是關于 K 的正比例函數[6, 13] ，進而求得泥餅比阻 r。但該方法 視泥餅不可壓縮，比阻不隨時間變化而改變，這顯然 與壓濾機濾室內污泥二相流的過濾情形不吻合。此外， 隔膜壓濾機工作流程較多，壓濾階段為定壓入料過濾， 而鼓膜階段濾室體積隨時間不斷變化，造成比阻變化 復雜，難以利用式(3)表述 q-t 的變化關系。

3.2 基于仿真結果計算方法 通過仿真記錄污泥濾液總量 V(t)與時間 t 的變化 曲線以及比過濾速度 q 與時間 t 的變化曲線，擬合計 算得到 V-t 函數表達式。

3.2.1 進料階段 在進料階段，過濾量近似為 0 L。污泥以一定流 量進料最終達到 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隨時間 t 不斷上升。由其導數(圖 4)可知：首先會有短期上升， 然后逐漸降低，并最終趨近于 0 L。因此，指數形式 比較符合濾液總量隨時間的變化規律，可以通過最小 二乘法擬合壓濾階段的 V(t)-t 曲線。設 2 / 22 22 2 ( ) e , 0, 0, 0 b t Vt a a b t t = ＞＜ ＜ ≤ (4) 對仿真的 0.2~3.0 MPa 條件下 8 組 V2-t 曲線通過 最小二乘法擬合，所得結果如表 1 所示。 由表 1 得過濾壓力 p2與參數 a2曲線如圖 5 所示。 極限過濾量 a2隨壓力增大而增大，但上升速度由 快到慢，并趨于定值，達到該定值后，再加大壓力并 不能使泥餅進一步過濾[14] 。

而參數 b2 在一定污泥特性和壓濾機工作參數下 幾乎不隨過濾壓力發生變化。 3.2.3 鼓膜階段 假設以鼓膜階段壓力 p3繼續進料壓濾，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)。但是鼓膜階段停止進料，隔膜板以一 定壓力對泥餅壓縮，通過減小濾室體積達到過濾目的， 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，其值只是數學意義上的假設， 并不是真實的濾液量。

3.2.4 壓濾機反吹、卸料及清洗準備階段 鼓膜結束后，還需要進行反吹過程將管道內殘留 的泥漿和濾液清理干凈。然后，進入卸料過程以及為 下一周期工作的準備階段。該階段時間基本為定值。 3.2.5 壓濾機工作階段時間點的優化 如圖 1 所示，非過濾總和時間 T0+T1=t0，壓濾機 過濾時間 T2+T3=t3，則壓濾機的工作周期 T=t0+t3，其 中壓濾時間 T2=t2，鼓膜時間 T3=t3-t2。假設原污泥含 水率為 η0，在 t=t3時，鼓膜過程泥餅最終含水率達到 ηf，為污泥脫水標準。

在實際生產中，由于鼓膜階段隔膜的膨脹形變量 并不是任意大，若泥餅沒有達到一定厚度，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 算最佳壓濾時間的適用范圍。 基于上述問題，應根據實際中隔膜壓濾機隔膜板 的隔膜膨脹性能，設定最小進料量 Mmin。當理論計算 的壓濾時間 T2對應的進料總量 M＞Mmin 時，通過上述 方法所計算的 T2即為最佳壓濾時間，T3即為最佳鼓膜 時間。當理論計算的壓濾時間 T2對應的進料總量 M＜ Mmin時，達到 Mmin的時間 T2′即為最佳壓濾時間。

4 污泥處理廠壓濾機工作周期優化 4.1 壓濾機工作參數 某污泥處理廠日處理含水率為 95%的污泥 500 m3 ，設計采用 4 臺 XAGZ200/1250-30u 型號隔膜 壓濾機同時 24 h 工作，實際不能完成工作任務。目前， 該廠壓濾機工作周期 T=210 min。其中準備時間為 20 min，進料時間為 10 min，壓濾時間為 120 min，鼓 膜時間為 30 min，反吹時間為 10 min，卸料時間為 20 min。 XAGZ200/1250-30u 隔膜壓濾機參數如下：面積 為 200 m2 ；濾室數為 80 個；濾板外徑為 1 250 mm× 1 250 mm；濾室厚度為 30 mm；中心進料，額定過濾 壓力為 0.8 MPa，額定壓榨壓力為 1.6 MPa。記錄壓濾 機工作過程濾液量，如表 2 所示。壓濾過程結束時，濾液總量為 14.36 m3 。鼓膜階 段結束時濾液總量為 15.17 m3 ，最終泥餅含水率為 60.4%。壓濾機污泥處理速率 u=0.083 m3 /min。

4.2 壓濾機各工作階段時間優化

按照原壓濾機工作流程時間設定，每臺壓濾機每 天可工作 6 個周期，4 臺壓濾機每天處理量約 416.64 m3 ，不能完成當日生產任務。優化后壓濾機工 作周期約 2 h，每日作業 12 個周期，日產能力可達 613.44 m3 。該廠按本文提出的周期實際作業，在完成 任務的同時，輪流讓其中 1 臺機休息待機，不但滿足污泥處理廠的產量要求，而且可以使壓濾機得到更多 的停歇和檢修時間，有利于延長壓濾機的使用壽命。

5 結論 1) 基于 Fluent 模擬得到壓濾機壓濾階段不同壓 力下濾液總量 V 與時間 t 的關系，運用最小二乘法擬 合該曲線的函數表達式，得到濾液總量與壓力的變化 關系。 2) 提出了鼓膜階段虛擬濾液總量 V3′的概念，即 假設以鼓膜壓力 p3繼續進料，不改變濾室容積條件下 的濾液總量。以此推導得到鼓膜階段實際濾液總量 V3 隨時間 t 變化的數學關系式，并得到壓濾機工作效率 u 與壓濾時間 t2的數學關系式。 3) 對某污泥處理廠隔膜壓濾機各工作階段時間 進行優化計算，其污泥處理效率提高 37.7%。