introductory

作為污水處理的副產物——污泥通常是指城市污水處理和工業污水處理的固體廢物，大致可分為城市污泥和工業污泥兩大類。城市污泥的穩定化無害化資源化利用一直是磚瓦行業及環境保護保工作者共同關注的課題。至于工業污泥則需要具體對待，有毒有害工業污泥需獲取相關處理資質的專業化工廠才能處理。

我國社會經濟的快速發展及人民生活水平的不斷提高，加速我國城市污泥（為了便于敘述，以下簡稱污泥）產量的逐年遞増，而目前我國污泥穩定化無害化資源化利用率僅20%～30%，預計2020年底，我國污泥產量將達到9000萬噸，考慮到污泥的主要成分中80%是水，有機質僅占7%，可以形象地采用“似泥，非泥；似水，非水”來表達污泥的基本特征。顯然，如此高含水量的污泥會產生滲濾液，填埋之后仍會產生滲濾液。污泥如果不經處理（如：臨時堆放等）或者處理不當（如：簡單填埋），如果任其滲濾液滲入地下，其后果是不僅占用大量土地資源，污染地下水資源和土壤等，而且還破壞生態平衡，嚴重污染飲用水源及危害人們的身體健康，阻礙社會經濟的可持續發展等。

1 污染的利用現狀

事實上，與污水處理相比，目前污泥處理的投入和重視程度嚴重滯后。根據污泥性質和含水量的差異，國內基本上形成了大致如下四類穩定化無害化資源化利用生產技術：第一是好氧發酵+土地利用，第二是厭氧消化+干化+土地利用，第三是干化焚燒+填埋/再利用，第四是深度脫水+填埋技術。具體表現為以下幾種形式。

污泥制磚

污泥制磚是指將污泥經過一定處理篩選及脫水后，污泥與其他原料或外加劑混合，加壓成型，干燥后入窯燒結后獲得污泥磚產品。污泥制磚有兩種生產方式，一種是干化后的污泥直接用于制磚；另一種是利用污泥焚燒成灰燼制磚。其制磚生產工藝大致相同，原料配料→制坯→干燥→燒結→成品。

污泥制作陶粒

陶粒是一種人造粗集料，因質輕、高強及保溫等特性備受人們喜愛，是一種具有發展潛力的新型建筑材料制品。改性污泥經過一定處理篩選及脫水后可以制成陶粒。污泥陶粒的制備通常是采用黏土和爐渣為輔料，污泥為主要原料，經過燒結成球后形成具有一定硬度、吸附能力的濾料，這種濾料可應用于污水處理。也有采用污泥、黏土以及一定量的燃料制備污泥陶粒的生產方式。

污泥制作水泥

污泥脫水后既可以用于制作水泥的原材料，也可以起到提供熱值的作用。利用污泥焚燒成灰燼制作“生態水泥”，極大限度地降低了廢物處理的負荷，實現了污泥的資源化。利用污泥制作“生態水泥”大致有三種工藝流程，第一是污泥脫水后直接利用，第二是對污泥進行人工干燥，第三是污泥焚燒成灰燼利用。無論哪種工藝流程，污泥中無機物的成分必須符合水泥的生產技術要求，確保獲得符合國家標準的水泥熟料。目前，污泥制作的“生態水泥”與普通硅酸鹽水泥相比在某些性能方面更為優越。

污泥制作其他建筑材料

除了污泥制磚、污泥制陶粒及污泥制作水泥外，還有很多其他資源化利用途徑。例如利用污泥制作陶瓷墻地磚制品、玻璃制品、微晶玻璃制品及生化纖維板等。考慮到污泥焚燒灰燼成分中含有一定量的Fe2O3和P2O5等晶核物質[1]，因此污泥焚燒成灰燼適合制作微晶玻璃制品。污泥為原料制造生化纖維板的主要原理就是利用活性污泥中的生物質含量，這些生物質中所含有機物和酶，即粗蛋白和球蛋白網[1]，這兩種大分子有機物質能溶解于酸、堿、鹽的水溶液中，利用這一特性，在堿性條件下對污泥加熱，再經過干燥、加壓等工藝便會發生蛋白質的變性作用，利用蛋白質的變性作用制作蛋白膠（俗稱活性樹脂），再經過漂白、脫脂等工藝壓制成板材。

污泥無害化利用的關鍵設備

由此可見，污泥穩定化無害化資源化利用生產技術的關鍵就是污泥的過濾脫水（壓濾脫水），Plate and frame filter presses（也稱室式壓濾機或廂式壓濾機）是污泥最有效的過濾脫水設備。板框式壓濾機（區別于帶式壓濾機，因帶式壓濾機的壓濾過濾推動力較小，污泥處理后所得污泥餅——污泥渣之含水量通常較高，不利于污泥渣的運輸及資源化利用）按所用壓濾板（簡稱濾板）濾布的排列方式可大致區分為立式（濾板垂直疊壓后形成過濾室）板框式壓濾機和臥式（濾板水平疊壓后形成過濾室）板框式壓濾機兩種結構形式；但因立式板框式壓濾機濾餅的剝離卸除操作比較困難等，因此，目前污泥處理廣泛應用的板框式壓濾機幾乎都是臥式板框式壓濾機（也簡稱為板框式壓濾機，除非另有說明）。同時，板框式壓濾機按濾板壓緊力的產生方式又可區分為液壓壓緊型（由液壓油推動油缸柱塞產生壓緊濾板濾布的作用力）板框式壓濾機和機械作用壓緊型（如：螺旋傳動機構等產生壓緊濾板濾布的作用力）板框式壓濾機。考慮到目前污泥處理要求獲得較低含水率的污泥餅（污泥渣），那么污水泥漿所需的壓濾脫水阻力較大，一方面，可節約人類賴以生存的有限的水資源；另一方面，可大幅度地降低運輸污泥餅（污泥渣）至填埋場等運輸費用或降低污泥資源化處理的生產成本等。但因機械作用壓緊型板框式壓濾機的壓緊力通常較小，顯然經機械作用壓緊型板框式壓濾機處理后所得污泥餅（污泥渣）的含水量通常偏高。所以說，目前污泥處理過程中，機械作用壓緊型板框式壓濾機已逐漸被液壓壓緊型板框式壓濾機所取代。事實上，實踐生產經驗也表明：板框式壓濾機框架的受力及其變形（剛性）的大小在一定范圍內嚴重影響板框式壓濾機的工作可靠性及其壓濾脫水效率的高低等。具體說來就是：如果壓濾機框架的剛性越大，其變形就越小，那么所得的污泥餅（污泥渣）的含水量就越低，水資源的節約率就越高，生產成本就越低；反之，若壓濾機框架的剛性越小，其變形就越大，那么所得的污泥餅（污泥渣）的含水量就越高，水資源的節約率就越低，生產成本就越高，還易造成板框式壓濾脫水操作過程中漏漿（也稱“跑漿”），嚴重時甚至造成板框式壓濾機后橫梁（也稱尾板）的斷裂等安全生產事故。所以說，積極研究和探討板框式壓濾機框架的受力分析及其變形的大小，推導出其強度和剛度的設計計算或校核公式，據此合理地設計板框式壓濾機框架的強度和剛度，能最大限度地提高板框式壓濾機的工作可靠性及壓濾脫水效率等，從而提高污水處理及污泥資源化利用（如：污泥制磚等）生產企業的市場競爭能力及其經濟效益，對促進社會的持續發展等具有非常重要的意義。

板框式壓濾機的構造

目前，國內外污泥壓濾脫水等生產企業廣泛應用的液壓壓緊型板框式filter press，液壓壓緊型板框式壓濾機是集機、電、液于一體的自動化程度較高的固液分離設備，它主要由主機部分、過濾部分、液壓部分和電氣控制部分等組成。

主機部分

液壓壓緊型板框式壓濾機通常利用頭部支架和尾部支架支承整臺設備的重量。尾部后橫梁（與濾板濾布接觸處制有漏水收集溝槽，俗稱尾板、也稱止推板）和進漿管相連接，頭部前橫梁內安裝有液壓油缸及柱塞壓緊裝置，頭部前橫梁與尾部后橫梁兩側由拉緊桿（工作時，因濾板在拉桿上需縱向移動，所以拉桿也稱為導桿）連接成一整體。考慮到板框式壓濾機工作時，拉桿既承受壓緊裝置所產生的壓緊力（縱向）又承受濾板濾布及污水泥漿等過濾物的重量（垂直方向）。而且頭部前橫梁與尾部后橫梁通常相距較遠，因此每側拉桿中間需設有一個或兩個支柱支承等，以減少拉桿在垂直方向的彎曲變形等，確保油缸柱塞帶動推壓板（與濾板濾布接觸處制有漏水收集溝槽，也稱頭板）產生預定的壓緊濾板濾布的前進運動（俗稱緊榨）和退回卸餅（污泥餅——污泥渣）運動（俗稱松榨），從而實現污水泥漿等壓濾脫水操作。由此可見，主機部分是壓濾機的基礎，用于支撐過濾機構及連接其他部件，通常包括前橫梁、油缸柱塞壓緊裝置、推壓板（俗稱頭板）、后橫梁（俗稱尾板、也稱止推板）和拉桿（也稱導桿）等組成。液壓壓緊型板框式壓濾機工作時，油缸柱塞推動推壓板，將位于推壓板和止推板之間的濾板濾布依次壓緊，確保具有一定工作壓力（過濾推動力）的污水泥漿等在濾板濾布所形成的濾室內完成加壓過濾脫水操作而獲得含水率約20%左右的污泥餅（污泥渣）等。

過濾部分

過濾部分主要是由濾板和濾布（也稱過濾布）等組成。濾板是中間有圓孔（待過濾漿料的通道）兩端向內凹入，且具有許多相互連通的排水溝槽的圓柱形盤狀零件。其頂部制有濾布托架，便于安裝濾布。濾板兩側部制有支撐耳，可通過支撐耳垂直支承在兩側導桿上。

目前濾板的常用材料主要是鑄造鋁合金、鑄鐵、鑄不銹鋼和工程塑料等，因鑄造鋁合金和鑄不銹鋼濾板的鑄造性能差和機械切削加工性能較差，生產成本較高，通常僅適用于釀酒、食品和化工等特殊行業。由于鑄鐵濾板的鑄造性能和機械切削加工性能良好，加工后表面噴塑處理后即可適用于污水泥漿等壓濾脫水操作。但鑄鐵濾板的材料消耗大、重量大，人工拉開濾板卸餅（污泥餅——污泥渣）時勞動強度大；此外，為了確保濾布免遭鑄鐵濾板排水溝槽的劃傷等損害，鑄鐵濾板兩側表面的排水溝槽表面須安裝（覆蓋）多孔的鋁質薄圓板（俗稱濾水板）。即使如此，壓濾脫水操作時，濾布仍會擠入鋁質濾水板的濾水孔中而損壞，總之，采用鑄鐵濾板壓濾脫水操作時，濾布的破損率較高，壓濾脫水操作生產成本較高。因此隨著科學技術的發展，鑄鐵濾板已逐漸被塑料濾板所取代，所以說，目前污泥壓濾脫水等生產企業廣泛應用的板框式壓濾機幾乎都是采用塑料濾板進行壓濾脫水操作的。

目前，塑料濾板的常用材質主要是聚乙烯、聚丙烯、增強聚丙烯、填充聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛和超高分子量聚乙烯等。因超高分子量聚乙烯是一種新型高效節能材料，具有耐壓性能好、耐磨性能好、耐熱性能好、耐腐蝕、抗沖擊、重量輕、防粘接性能好、易于壓注成形和機械切削加工性能良好等優點，并且使用壽命長（通常為聚丙烯濾板的4～6倍，鑄鐵濾板的3～9倍）及價格適中。同時考慮到目前污泥處理企業要求所得污泥餅（污泥渣）的含水率也越來越低，那么污水泥漿等所需的過濾脫水阻力大，要求塑料濾板應具有較高的耐壓和耐磨性能等。由此可見，超高分子量聚乙烯塑料濾板是目前污泥壓濾脫水生產企業等板框式壓濾機的最佳選擇。

濾布屬于機織物，是由經、緯兩系統紗線在織機上相互交織而成的織物。濾布又是一種過濾介質，通常由合成纖維制成。合成纖維是化學纖維中的一類，它是利用煤、石油和天然氣等為原料，經提煉和化學合成作用而制成，包括：腈綸、滌綸、錦綸、維綸、氯綸及尼龍等，它們不僅具有不發霉、不被蟲蛀、質地輕、耐磨、耐酸堿、表面光潔及過濾后形成的濾餅剝離性好等特點，而且還具有抗拉、抗彎、抗磨等物理機械強度高及化學穩定性、熱穩定性好等優點，因此合成纖維濾布是目前過濾行業中應用最廣泛的濾布。同時，考慮到濾布的選用和使用對物料（漿料）的過濾效果具有決定性的作用，所以說，選用濾布時須根據過濾漿料的PH值、固含量的多少、固體微粒物的粒徑等因素選用適宜材質和適宜孔徑的高強度優質濾布，可確保獲得較低的過濾成本和較高的過濾效率[2]。具體說來包括以下幾方面：

• 濾布應經久耐用。
• 濾布應具有良好的化學穩定性和熱穩定性。
• 濾布應具有較高的物理機械強度。不管過濾漿料的多寡或密度的大小如何變化，濾布應能從頭到尾保持恒定的過濾速度，為達到這一目標，濾布必須具有較高的耐壓強度及耐磨強度等。
• 濾布制作前應先下水晾干，待濾布縮水后再制作。制作時，濾布的開孔直徑應與濾板孔徑相等并且同心，然后通過兩側的銅質空心螺釘、銅質空心螺母（軸心是進漿通道）將濾布壓緊在濾板兩側的表面上。同時還要求濾布應能在給定的時期內保持恒定的過濾速度，如果過濾一開始，濾布的毛細孔就堵塞了，當然就達不到過濾的目的，濾布應該從頭到尾保持恒定的過濾速度。
• 要求濾布在形成濾餅（如：污泥餅）之后，還能成為過濾介質而起著過濾的作用，即形成濾餅的剝離性能良好。
• 濾布不應在使用過程中發生收縮變化或膨脹變化等。一般說來，濾布毛細孔堵塞的原因主要是在于組成濾布的纖維本身在使用過程中發生收縮變化或膨脹變化等造成的。
• 移動濾板剝離卸除濾餅時，用力應均勻適當，不得沖擊碰撞等，以免損壞濾板密封面及濾板手把等。通常濾布使用一段時間后會變硬或發生毛細孔的堵塞等現象，需采用適宜的洗滌方法，如：采用相應低濃度的弱酸弱堿液進行中和清洗后，可以使其恢復到足以繼續使用的程度，否則須及時更換濾布。

液壓部分

液壓部分主要指液壓站，它是驅動油缸柱塞壓緊裝置產生預定的運動實現壓緊各濾板濾布的動力裝置。主要由三相異步電動機、聯軸器、軸向柱塞泵（高壓油泵的一種）、三位四通電磁換向閥、溢流閥、液控單向閥、濾油器、油路塊（俗稱集成塊）、油箱、壓力表、壓力表開關和油壓管路等組成。

電氣控制部分

電氣控制部分是整個系統的控制中心，在電磁換向閥、行程開關及電接點壓力表的共同作用下，實現油缸柱塞的“前進”、“后退”和“停止”等動作。同時，由于液壓傳動裝置不可避免的存在液壓密封件的磨損、液壓油的污染及液壓油的泄漏等缺陷，會造成濾板濾布壓緊力的降低，一旦液壓缸內部油液壓力（嚴格地說，應為壓強）降低至某一預定值后，電接點壓力表立即發訊，迅速起動油泵驅動電機，再次向油缸工作腔供油（俗稱灌油），確保濾板濾布壓緊力在一定范圍內大致恒定不變。否則，就會“漏漿”，污染生產環境，不利于文明生產。此外，還具有欠電壓、過電壓和過電流保護等功能。

液壓壓緊型板框式壓濾機工作原理

目前，國內外污泥壓濾脫水等生產企業廣泛應用的液壓壓緊型板框式壓濾機。按下“柱塞前進”按鈕時，啟動油泵電動機，油泵由油箱經濾油器過濾后吸入液壓油，液壓油輸出后，進入油路塊和三位四通電磁換向閥，此時因三位四通電磁換向閥處于中間位置，油泵卸荷。同時，時間繼電器開始延時，延時幾秒（可調）后，三位四通換向閥用電磁鐵1CT得電，油泵輸出的壓力油進入液壓油缸無桿腔并推動柱塞帶動推壓板及濾板濾布實現“前進”的動作。在推壓板、濾板濾布和止推板靠緊時，液壓油缸內的油液壓力迅速上升，當液壓油缸無桿腔內的油液壓力上升到電接點壓力表YX的上限（可調）時，電接點壓力表YX立發訊迫使1CT失電，結果油缸柱塞立即停止“前進”的動作，延時幾秒后油泵電機停止工作，這時液壓系統因液控單向閥的關閉作用而自動形成鎖緊保壓過濾回路。然后再次起動進漿泵（液壓柱塞泥漿泵），此時污水泥漿由泥漿攪拌池或污水聚集池（采用攪拌機攪拌防止固體顆粒懸浮物沉淀）經進漿管路和止推板上的進漿口依次進入各濾板濾布所組成的濾室內進行壓濾脫水操作。

當污水泥漿等壓濾脫水操作結束時，需要油缸柱塞“退回”運動，此時首先應停止進漿泵（液壓柱塞泥漿泵）的工作，然后開啟止推板上進漿管路上的泥漿轉換開關，將剩余（未完成過濾脫水操作）的漿料全部排回泥漿攪拌池或污水聚集池后，再次按下油缸柱塞“退回”按鈕，油泵電機立即起動，同時三位四通換向閥用電磁鐵2CT得電，油泵輸出的壓力油進入液壓油缸的有桿腔并推動柱塞快速退回，當油缸柱塞退回到終點并壓下行程開關XK時，行程開關XK立即發訊迫使2CT失電，油缸柱塞停止“退回”動作，延時幾秒后油泵停止工作。最后人工拉開濾板，搬出污泥餅（污泥渣），卸除污泥餅（污泥渣）后，清潔和（或）清洗濾布。這樣就完成了污水泥漿等過濾脫水操作。

若在脫水過濾過程中，因液壓油的泄漏等引起液壓油缸內油液壓力的下降，當液壓油液的壓力下降到電接點壓力表YX調定的油壓下限值（可調）時，電氣控制系統將自動起動油泵電機，向油缸柱塞壓緊裝置進行補能（灌油），迫使油缸無桿腔內的液壓油之壓力再次上升到電接點壓力表YX調定的油壓上限值，然后又自動斷開電源，油泵停止供油，再次形成鎖緊保壓過濾回路，這樣循環可確保污水泥漿等壓濾脫水過程中所產生的液壓緊力的相對恒定，從而獲得含水量較低及含水量相對恒定的污泥餅（污泥渣）等。

目前，國內外污泥壓濾脫水等生產企業廣泛應用的液壓壓緊型板框式壓濾機的結構示意圖如圖1所示，板框式壓濾機框架是板框式壓濾機的主要承載構件，不僅需要支承所有濾板、濾布及推壓板（俗稱頭板）的重量、所有濾板、濾布、推壓板及后橫梁（俗稱尾板，也稱止推板）所形成的所有過濾室內填充物（待過濾物）的重量，而且還要承受濾板濾布的壓緊力（油缸柱塞的推壓力）以及過濾物料（漿料）產生的過濾推動力等。所以說，為了簡化板框式壓濾機框架強度和剛度的設計計算，我們可以將板框式壓濾機框架簡化為一個封閉的“四邊形”框架（俗稱“矩形”框架）[3]-[5]如圖4所示，顯然這是一個超靜定系統（也稱靜不定系統或靜不定構件）[3][5]。眾所周知，靜不定構件是一個整體的受力構件，當外力作用下，各構件之間存在著復雜的受力變形制約（協調）關系，通常是不能簡單地將靜不定構件簡化成或者拆分成“梁狀”構件和“桿狀”構件的組合體等[3][5]。為了求解此靜不定構件的受力及其變形之間的復雜關系，我們需采用以下基本假設。

板框式壓濾機正常工作時，施加于濾板濾布的壓緊力必須大于過濾物料（如：污水泥漿等）的壓濾脫水（過濾脫水）推動力，否則就會造成所獲得的污泥餅（污泥渣）的含水率過高，降低壓濾脫水效率，嚴重時，甚至還會產生漏漿（也稱“跑漿”）等，浪費原材料，污染生產環境，不利于文明生產等。因此，設計計算時，我們必須以濾板濾布的壓緊力F（單位：N）為依據，并認為可濾板濾布的壓緊力F通過推壓板（俗稱頭板）及各濾板濾布等分別作用于前橫梁和后橫梁的中斷面上，而且可以簡化為一對大小相等、方向相反、作用在一條直線上的縱向作用力。

板框式壓濾機兩側的拉桿（也稱導軌）通常采用一個或兩個支柱支承，這就最大限度地限制了兩側拉桿在自重方向（垂直方向）的變形。同時，考慮到推壓板、所有濾板濾布及所有過濾室內的填充物（待過濾物料）的重量與濾板濾布的壓緊力F相比都很小，因此，我們可以近似認為該作用力對拉桿所產生的垂直變形（自重方向）非常小，并可以忽略不計。

由于板框式壓濾機框架的受力及結構具有對稱性，同時壓緊濾板濾布的移動過程中推壓板、所有濾板濾布與拉桿接觸所產生的支承力及摩擦阻力與濾板濾布的壓緊力F相比極小，也可忽略不計。

考慮到板框式壓濾機框架是由前橫梁、后梁和兩側拉桿兩端分別通過高強度的螺紋連接可靠地連接構成“矩形”框架這一客觀事實。那么，我們可近似認為板框式壓濾機框架的前橫梁、后橫梁和兩側拉桿交界處（俗稱拐角）的剛性為無限大，所以說，板框式壓濾機框架受力變形后，其拐角扔保持為直角。

concluding remarks

實踐生產經驗表明，一般來說剪力對板框式壓濾機框架（“矩形”構件）的破壞作用極小，因此強度和剛度設計計算或校核時通常可忽略剪力的影響，因此，我們可以根據板框式壓濾機框架的彎矩圖和軸力圖，對板框式壓濾機框架進行強度設計計算或強度校核。同時圖8也表明，板框式壓濾機框架后橫梁中截面處既承受較大的彎曲拉應力，又承受較大的軸向拉應力，兩者迭加后易達到材料的斷裂應力（抗拉強度極限），并且球墨鑄鐵（如：QT600-3等）、鑄鋼（如：ZG35等）和普通碳素結構鋼（如：Q235A等）材料的抗拉能力通常比抗壓能力差。值得注意的是若設計制造考慮欠妥時，其后果是易造成板框式壓濾機框架后橫梁受到破壞甚至斷裂等安全隱患，這是板框式壓濾機框架設計制造過程中應避免的毀壞性事故。實踐生產中確實也發生了板框式壓濾機框架后橫梁斷裂的事故，這與理論分析及設計計算是完全吻合的。同時也驗證了采用板框式壓濾機框架強度設計計算或校核公式設計制造板框式壓濾機是安全可靠的。

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