刮泥机选型及设计方法

刮泥机选型及设计方法

刮泥机（scraper）是沉淀池或浓缩池中的关键设备，主要用于收集和排除沉积的污泥，保证水处理系统的正常运行。在设计过程中，部分EPC单位或设计院仅计算沉淀池或浓缩池的池径，然后根据池径选择刮泥机，而不校核刮泥机受力情况，导致使用过程中，问题频发；在实际使用当中，部分项目存在刮泥机卡死、悬臂断裂、刮板磨损等问题。本文分享刮泥机选型及设计方法，供水处理人士参考。

一、刮泥机分类及适用范围

根据应用场景和构造不同，刮泥机可以分为以下几类。

1.周边传动刮泥机（Peripheral Driven Scraper）

（1）优点

适用于大直径（一般>20m）的圆形沉淀池，运行稳定。

结构简单，维护方便。

动力消耗较低。

（2）缺点

· 需要较大的池体，初始投资较高。

· 运行速度较慢，排泥效率受池底坡度影响较大。

（3）适用范围

· 适用于城市污水厂、工业废水处理厂的大型二沉池或浓缩池。

· 适用于污泥沉降性能较好的场合。

2.中心传动刮泥机（Central Driven Scraper）

（1）优点

· 适用于中小型圆形沉淀池（一般<20m）。

· 结构紧凑，占地小。

· 运行平稳，维护简单。

（2）缺点

· 适用范围有限，池径增大后刮泥效率下降。

· 传动装置承受扭矩较大，易产生磨损。

（3）适用范围

· 适用于水厂、污水厂的小型二沉池或浓缩池。

· 适用于工业废水处理系统的小型沉淀池。

3.行车式刮泥机（Travelling Bridge Scraper）

（1）优点

· 适用于长方形沉淀池，适应性强。

· 可以与吸泥系统结合，提高排泥效果。

· 维护相对简单。

（2）缺点

· 往复式运动，处理效率不如连续式。

· 需要轨道或支撑梁，土建成本较高。

（3）适用范围

· 适用于污水处理厂的矩形二沉池。

· 适用于给水厂沉淀池或沉砂池。

4.链条刮泥机（Chain Scraper）

（1）优点

· 结构紧凑，可用于浅层沉淀池或斜板沉淀池。

· 连续运行，刮泥效率较高。

· 适用于大规模处理系统，可多池串联运行。

（2）缺点

· 机械部件较多，易磨损，需要定期维护。

· 适用于污泥量较小的场合，处理高浓度污泥时易堵塞。

（3）适用范围

· 适用于给水厂或污水厂的浅层沉淀池。

· 适用于工业废水预处理系统。

5.虹吸刮泥机（Suction Scraper）

（1）优点

· 结合刮泥和虹吸排泥，减少污泥扰动，提高排泥效果。

· 适用于高负荷沉淀池，提高污泥脱水性能。

· 能够较好地控制排泥浓度，降低二次污染。

（2）缺点

· 结构较复杂，初期投资较高。

· 需要配备真空系统或虹吸管，增加了运行维护难度。

（3）适用范围

· 适用于对泥水分离要求较高的场合，如高浓度工业废水处理。

· 适用于沉降性能较差的污泥处理，如生物处理系统的二沉池。

二、刮泥机设计方法

刮泥机的设计计算主要包括刮泥扭矩计算、驱动功率计算。

1.刮泥机扭矩计算

刮泥机的主要任务是将沉淀在池底的污泥推送到排泥口，因此需要计算刮泥阻力，并基于力矩平衡计算刮泥机的驱动扭矩。

(1) 污泥层阻力计算

 

式中：Fs 为污泥层的阻力，N；ρs 为污泥层的密度，kg/m?，可根据污泥含水率取值；g 为重力加速度，g = 9.81 m/s2；As 为沉淀池或浓缩池底面积，㎡；μ 为污泥与池底的摩擦系数，普通活性污泥（含水率高，流动性好）μ =0.02~0.1、浓缩污泥（高固含量，接近絮凝泥状）μ =0.1~0.3；h 为污泥层厚度，m，可按下式计算。

式中：Q 为沉淀池或浓缩池进水量，m?/h；Ts 为排泥间隔时间，h；As 为沉淀池或浓缩池底面积，㎡；ε 为污泥浓缩系数，通常取5~10。

例1：某化学软化高密度沉淀池进水流量为Q = 150 m?/h，排泥间隔时间为Ts  = 2 h，沉淀池直径为9.0 m，则底面积为As  = 3.14×4.5×4.5 = 63.59 ㎡，污泥浓缩系数取ε = 7.5，污泥层含水率为99.5%，污泥层的密度ρs = 1006 kg/m?，污泥与池底摩擦系数取μ = 0.06，代入上两式求污泥层阻力为Fs  = 23721.80 N，如下所示。

由以上计算可见，排泥间隔时间影响污泥层厚度，而污泥层厚度影响污泥层阻力，如果排泥时间变为4 h，则阻力增加1倍，所以，合理确定排泥时间，非常有必要。

（2）水动力阻力计算

刮泥板在水中移动时，需要克服水的阻力，其阻力可由流体阻力下式计算。式中：Fw 为水的阻力，N；Cd 为阻力系数，曲面流线型刮板为0.6~1.2、柔性橡胶刮板为1.0~1.8、孔板式刮板为0.8~1.5、斜板式刮板为1.2~1.8、平板式刮板为1.8~2.5；ρw 为水的密度，kg/m?，ρw = 1000 kg/m?；Ap 为刮泥板迎水面积，㎡；v 为刮泥机线速度，m/s。

例2：仍以例1参数计算，刮泥板形式为斜板式刮板，阻力系数取Cd =1.5，刮泥板迎水面积为Ap  = 0.8 ㎡，刮泥机形式为中心传动刮泥机，刮泥机线速度v = 2.5 m/min = 0.042 这说明在刮泥机的运行过程中，污泥层的摩擦阻力占主导地位，而水的流动阻力很小。则总阻力为F = Fs  +Fw =23722.86 N。

（3）驱动扭矩计算

如果刮泥机的旋转半径为 R，则驱动扭矩可按下式计算。按该式计算例1、例2中刮泥机扭矩为T = 23722.86×4.5 = 106752.87 N·m。2.驱动功率计算式中：P 为刮泥机驱动功率，W；T 为刮泥机扭矩，N·m；ω为刮泥机角速度，rad/s，其是线速度与池体半径的比值（v/R）；η 为传动效率，0.85~0.90。按照上述例子，取ω = v/R =0.009 rad/s、η 取0.88，则P = 106752.87×0.009/0.88 = 1091.79 W = 1.09 kW，可取1.1 kW。  由以上计算可见，污泥阻力影响污泥扭矩，而实际运行中，刮泥机功率是一定的，如果排泥不及时，导致扭矩过大，而电机功率无法满足如此大的扭矩，那么将造成刮泥机卡死、电机烧毁等问题。

总结

刮泥机需要根据池型、池体尺寸、水深等因素进行合理选型，在设计过程中，应准确计算刮泥机所承受的扭矩和所需功率，以保证使用正常；在运行过程中，应合理确定排泥时间，避免刮泥机损坏。