SBR潷水器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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簡(jiǎn)介： SBR潷水器主要有三種形式：虹吸式、旋轉(zhuǎn)式、套筒式，本文重點(diǎn)介紹旋轉(zhuǎn)式潷水器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。潷水器由撇水堰槽、下降管、水平管、水下軸承組成一體，以水平管為轉(zhuǎn)軸上下旋轉(zhuǎn)，撇水堰槽隨之上下移動(dòng)，將水面表層澄清水撇入，再經(jīng)下降管匯入水平管，最后從出水管排出。潷水器設(shè)計(jì)包括確定撇水堰槽的形狀、結(jié)構(gòu)及撇水量，水平管軸與滑動(dòng)軸承的配合特性，電動(dòng)執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵字：SBR 旋轉(zhuǎn)式潷水器

　　SBR反應(yīng)池內(nèi)水位是變化的，進(jìn)水時(shí)水位由最低升至最高，出水時(shí)水位由最高降至最低，故SBR反應(yīng)池出水管位置必須設(shè)在最低水位以下。間歇式出水要求集中大流量排放，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成出水任務(wù)，如果出水管形狀與方向不當(dāng)，出水時(shí)會(huì)帶走大量活性污泥。因而，潷水器是SBR工藝排水的最好選擇，它只撇出活性污泥沉淀后的上清水，在水位下降過(guò)程中保持水面平穩(wěn)，不擾動(dòng)下面的污泥層。

　　1  旋轉(zhuǎn)式潷水器結(jié)構(gòu)及工作原理

　　旋轉(zhuǎn)式潷水器由撇水堰槽、下降管、水平管、軸承座、電動(dòng)執(zhí)行器、傳動(dòng)桿組成(見(jiàn)圖1)。

　　撇水堰槽在SBR反應(yīng)池水面上，水平管在反應(yīng)池下部。撇水堰槽靠下降管支撐，并與下部水平管連成一體。水平管兩端適當(dāng)位置各固定一個(gè)環(huán)形的不銹鋼軸套，并安裝了兩只滑動(dòng)軸承，水平管靠軸承座固定在池底的基礎(chǔ)上，它是整個(gè)潷水器的轉(zhuǎn)軸。在水平管中央位置有一旋轉(zhuǎn)曲柄和傳動(dòng)桿、電動(dòng)執(zhí)行器相聯(lián)。執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿上下移動(dòng)，傳動(dòng)桿推動(dòng)曲柄使水平管在兩只滑動(dòng)軸承內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。撇水堰槽隨水平管轉(zhuǎn)動(dòng)而升降，其移動(dòng)軌跡是繞水平管中心線的柱形弧面，上下移動(dòng)的垂直距離以每周期的排水量而定。
　　撇水堰槽起收水作用，堰槽前壁是保持上沿水平的薄壁堰，將活性污泥沉淀后的上清水從水面表層撇入堰槽。清水經(jīng)過(guò)多根下降管向下匯入水平管，最后從排水管流出。
　　水平管與排水管之間用一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)密封接頭和一個(gè)可撓曲柔性橡膠接頭相連接，這樣便解決了可旋轉(zhuǎn)的水平管與固定不轉(zhuǎn)的出水管的連接，也解決了可轉(zhuǎn)動(dòng)接頭與水平管保持軸線同心度的問(wèn)題。
　　潷水器設(shè)計(jì)要求撇水堰上沿必須與水平管軸線平行，水平管安裝要求兩端的水平誤差＜3.0 mm，這樣排水時(shí)才能保證堰上各處水量均勻，水流平穩(wěn)，不會(huì)擾動(dòng)污泥層，保證出水質(zhì)量。

　　2  潷水器撇水堰槽設(shè)計(jì)

　　潷水器撇水堰槽呈長(zhǎng)條形，前緣低、后緣高，單面進(jìn)水。圖2是撇水堰槽的三種特殊位置或狀態(tài)。

　　圖2a所示為下降管直立時(shí)的位置，水槽底板的水平方向與下降管垂直；后壁擋水板是一塊夾角為120°的折板，上段直立，下段與底板成150°角；前壁堰板略微向后傾斜20°，與底板成70°角。圖2b為下降管與水平成70°角，是在反應(yīng)池最高水位開(kāi)始排水狀態(tài)。堰板處于直立是最佳撇水機(jī)位。圖2c為下降管與水平成30°角，是排水至最低水位，堰板已傾斜至與水平成50°角，tan θ≤1.2，堰流量影響系數(shù)K＞0.95(可忽略不計(jì))，后壁下段成直立狀。設(shè)撇水堰板高為300 mm，擋水板上段180 mm，下段300 mm，底板寬250～300 mm，在潷水器直立時(shí)，后壁上沿高程比前壁上沿高50 mm。撇水槽采用δ＝5 mm不銹鋼板制作。
　　擋渣板是蓋在整個(gè)撇水槽上的活動(dòng)蓋板。擋渣板后邊緣與撇水槽的后壁上邊沿用鉸鏈聯(lián)接。擋渣板前邊下方固定了泡沫塑料條狀浮子。當(dāng)撇水堰槽前緣浸入水中時(shí)，擋渣板被浮子托起。水面表層的澄清水，繞過(guò)浮子的下沿，經(jīng)撇水堰板流入撇水槽。水面漂浮的雜物被攔截在擋渣板及條狀浮子以外。設(shè)計(jì)要求浮子的浮力作用于擋渣板的力矩要大于擋渣板重力所形成的力矩。擋渣板選用δ=2 mm的不銹鋼板制作。鉸鏈為不銹鋼柱形的鉸鏈。
　　端板的作用：①封堵撇水槽兩端。②遮擋漂浮物，防止雜質(zhì)從擋渣板兩端流入撇水槽，所以兩個(gè)端板面積較大，擋渣板始終在兩端板之間浮動(dòng)。③防止水面有集中水流繞過(guò)擋渣板兩端邊沿進(jìn)入潷水器，以保持潷水器均勻、平穩(wěn)地撇水。
　　撇水堰流量計(jì)算：撇水堰的流量與其浸入水面下的深淺H有關(guān)，與下降管的排水能力有關(guān)，反應(yīng)池內(nèi)水位高低也影響撇水堰的流量。設(shè)計(jì)潷水器時(shí)不可能精確地計(jì)算各種條件下的撇水堰流量，但是必須準(zhǔn)確地核算其撇水能力的變化范圍，以確定潷水器排水量的性能參數(shù)，為此筆者設(shè)定撇水時(shí)某些特定條件，計(jì)算其最大撇水量與最小撇水量的可能(撇水堰的流量按標(biāo)準(zhǔn)堰計(jì)算公式核標(biāo))。
　　在最大流量時(shí)(如圖2b)，撇水堰并非自由出流，下游為淹沒(méi)出流，按淹沒(méi)堰流量公式計(jì)算。設(shè)定：①撇水堰板高300 mm；②在最高水位開(kāi)始排水時(shí)，撇水堰頂浸入水面H＝100 mm。③開(kāi)始排水時(shí)為潷水器的最大撇水量，堰下游為淹沒(méi)出流，Z/H=0.8，則 Q1max=0.42×2g×0.1^3/2×3 600=211.7 m³/h。
　　設(shè)定潷水器的動(dòng)作為步進(jìn)式，即當(dāng)潷水器向下旋轉(zhuǎn)至堰頂水深H為100 mm時(shí)，即停止動(dòng)作并保持一個(gè)時(shí)間t。當(dāng)水位下降至堰頂水深H′為50 mm時(shí)，潷水器又作下旋動(dòng)作。重復(fù)上述過(guò)程，每一個(gè)步進(jìn)行程為50 mm。
　　潷水器最小設(shè)計(jì)流量按H′=50 mm計(jì)算。隨著水位下降，堰上流量逐漸減小，下降管流速降低，水力損失減小，撇水槽內(nèi)水位也隨之降低。當(dāng)H′=50 mm時(shí)，堰后水位已低于堰頂高度，堰流量按非淹沒(méi)堰計(jì)算：
　　Q_1min=m(2g)^1/2H^3/2＝ 0.416×(2g)^1/2×0.05^3/2×3600=74.1 m3/h
　　潷水器在每一個(gè)步進(jìn)周期中的水量變化如下：
　　①  潷水器靜止時(shí)，堰流量由Q_1max→Q_1min；
　?、?nbsp; 潷水器下降一個(gè)步進(jìn)行程，堰流量由Q_1min→Q_1max。
　　撇水器單寬流量Q₁在74.1～211.7 m3/h之間變化。設(shè)計(jì)流量Q1取上述變化范圍的中間值：100～200 m3/h。
　　潷水器排水能力：
　　Q=B×Q₁
　　式中  B——潷水器的總寬

　　3  下降管的設(shè)置

　　下降管設(shè)置原則：①按潷水器寬度B均勻分布；②下降管根數(shù)為偶數(shù)；③下降管間距≤1.0 m；④下降管直徑按撇水堰單寬流量計(jì)算。
　　設(shè)計(jì)下降管流速：v=2.0 m/s
　　下降管：D=150 mm
　　最大流速：Q1max=211.7 m3/h時(shí)，vmax=3.33 m/s
　　最小流速：Q1min=74.1 m3/h時(shí)，vmin=1.17 m/s
　　下降管在設(shè)計(jì)流量時(shí)的水頭損失應(yīng)小于最低水位時(shí)排水水頭；下降管最大流量時(shí)的水頭損失應(yīng)小于最高水位時(shí)的排水水頭。

　　4  水平管設(shè)計(jì)

　　水平管管徑按設(shè)計(jì)流速v=2.0 m/s，設(shè)計(jì)流量Q=BQ1進(jìn)行計(jì)算。
　　舉例：設(shè)B=4 m，則Q=4Q1=480 m³/h；水平管D=300 mm。下降管根數(shù)n=4，間距為1 m。水平管與下降管一般用法蘭連接，水平管上設(shè)4只DN150法蘭短管（見(jiàn)圖3）。水平管長(zhǎng)：
  　　L=（n-1）×L₁＋2L₂
式中　L1——下降管之間的間距，L₁=1 000 mm
  　　　L2——外側(cè)下降管中心至水平管管端的距離，取L₂=260 mm，則L=3 520 mm
　　水平管結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　水平管兩端是標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤，法蘭盤內(nèi)側(cè)在120 mm處設(shè)置不銹鋼軸套，做為水平管裝入軸承的轉(zhuǎn)軸。軸套為圓盤形狀，外徑略大于兩端法蘭盤以便于軸承安裝。圓盤形軸套焊于水平管上，要求圓盤與水平管軸線垂直、同心。圓盤的外徑d=435 mm，公差帶為h₁₂。圓盤厚25 mm，用1C_r18Ni9Ti不銹鋼制作，外圓及兩側(cè)表面粗糙度要求達(dá)到6.3。
　　在水平管中央設(shè)計(jì)一旋轉(zhuǎn)曲柄，曲柄臂長(zhǎng)600 mm，用15 mm厚鋼板制做，焊接于水平管上。曲柄中心線與下降管中心線夾角40°，并垂直于水平管。

　　5  軸承及軸承座

　　旋轉(zhuǎn)式潷水器的轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活、平穩(wěn)，關(guān)鍵是軸與軸承的配合。因?yàn)闈鞯霓D(zhuǎn)軸是水平管，軸承是能裝進(jìn)水平管的大軸承，又在污水中工作，所以有它的獨(dú)特之處。
　　潷水器的軸承只支承水平管上的軸套，支承面和摩擦面小。潷水器轉(zhuǎn)動(dòng)速度很慢，精度要求不高，安裝要方便。所以軸承設(shè)計(jì)為間隙配合的滑動(dòng)軸承。例如：軸徑d=435 mm，軸承內(nèi)孔D=(436±0.1) mm。軸承用1C_r18Ni9Ti不銹鋼制作，與軸承座焊接在一起。兩軸承的外側(cè)各設(shè)置一對(duì)止推板，防止水平管水平方向移動(dòng)。

　　6  電動(dòng)執(zhí)行器的構(gòu)造及工作

　　電動(dòng)執(zhí)行器見(jiàn)圖5。

　　該執(zhí)行器是利用螺桿將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槁菽富瑝K的平移，執(zhí)行器、傳動(dòng)桿、潷水器聯(lián)結(jié)成一個(gè)螺旋機(jī)構(gòu)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組合，將螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闈鞯纳舷滦D(zhuǎn)。
　　執(zhí)行器的螺桿5由上下軸承11、12固定在機(jī)架9上。電動(dòng)行星減速機(jī)2帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)。螺桿的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)滑塊6沿導(dǎo)軌10上下平移?；瑝K上的傳動(dòng)桿接頭8通過(guò)傳動(dòng)桿與潷水器水平管的旋轉(zhuǎn)曲柄相聯(lián)，推動(dòng)潷水器以水平管為軸上下轉(zhuǎn)動(dòng)。
　　由于傳動(dòng)桿與螺桿有一個(gè)安裝角度，在執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種垂直螺桿的橫向推力。螺桿細(xì)長(zhǎng)，容易被橫向推力壓彎。執(zhí)行器設(shè)計(jì)考慮使滑塊導(dǎo)輪沿滑道導(dǎo)軌滾動(dòng)，傳動(dòng)桿的橫向推力通過(guò)導(dǎo)輪直接作用在導(dǎo)軌上，從而消除了傳動(dòng)桿產(chǎn)生的橫向推力對(duì)螺桿的影響。這種結(jié)構(gòu)是保證執(zhí)行器穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。
執(zhí)行器為便于自動(dòng)控制，設(shè)置了上下限位開(kāi)關(guān)，而且都是雙套開(kāi)關(guān)，目的是防止一個(gè)開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)另一開(kāi)關(guān)起作用，確保不會(huì)發(fā)生損機(jī)事故。

　　7  潷水器與出水管的聯(lián)結(jié)

　　潷水器的水平管與出水管相連，中間有一可轉(zhuǎn)動(dòng)密封接頭和可撓曲柔性橡膠接頭?？赊D(zhuǎn)動(dòng)密封接頭可選用定型的SSQ —Ⅱ_b—0.6—HT_dCr管道伸縮器，它密封效果很好，轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小?？蓳锨鹉z接頭選用國(guó)內(nèi)定型產(chǎn)品KXT—(Ⅲ)型橡膠軟接頭。橡膠接頭與伸縮器聯(lián)接的法蘭盤應(yīng)用一個(gè)固定架固定在基礎(chǔ)上，以限制該法蘭盤有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)。SSQ—Ⅱ_b—0.6—HT_dCr伸縮器為套管式、雙端法蘭、鑄鐵鍍鉻伸縮器，采用O型橡膠密封圈，可承受0.6 MPa工作壓力，公稱伸縮量±25 mm。在此處并不利用它的可伸縮性，而利用它的可轉(zhuǎn)性。KXT—(Ⅲ)型DN300橡膠軟接頭，允許橫向位移22 mm，偏轉(zhuǎn)角度15°，它有充分的能力調(diào)節(jié)水平管與可轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的同心度。

　　8  旋轉(zhuǎn)式潷水器的應(yīng)用

　　按照以上設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式潷水器，已被國(guó)家給水排水工程技術(shù)研究中心所屬的天津市沃特水工業(yè)儀器設(shè)備技術(shù)公司列為正式產(chǎn)品，產(chǎn)品名稱為BSX型程控自動(dòng)潷水器。沃特公司1997年完成了河南周口蓮花味精集團(tuán)污水處理工程，使用BSX4000潷水器32臺(tái)，潷水器撇水堰負(fù)荷為25～32 L/(m·s)，撇水堰長(zhǎng)為4 000 mm,平均排水量420 m³／h(該工程通過(guò)了國(guó)家環(huán)保局的驗(yàn)收)。1998年配合太湖流域治理，完成了張家港味精廠的污水處理工程，也使用了BSX4000潷水器，并通過(guò)了江蘇省環(huán)保局的驗(yàn)收。BSX潷水器經(jīng)過(guò)三年多連續(xù)運(yùn)行的考驗(yàn)，證明效果良好，未出現(xiàn)任何機(jī)械故障，工作狀態(tài)平穩(wěn)。對(duì)惡劣的工作環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性。三年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，潷水器設(shè)計(jì)中的一些特殊要求是必要的。潷水器撇水堰槽及水下的水平管軸套軸承必須用不銹鋼材料；電動(dòng)執(zhí)行器上一定配裝雙套上下限位開(kāi)關(guān)；其他用一般材料制作的部件要做好防腐處理。在使用過(guò)程中曾經(jīng)有一臺(tái)潷水器，由于維修人員疏忽而未將限位開(kāi)關(guān)接入控制線路，結(jié)果這臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器的下軸承被壓碎。經(jīng)修復(fù)嚴(yán)格了限位開(kāi)關(guān)的安裝，再?zèng)]有類似事故發(fā)生。在潷水器加工中，部分撇水槽的擋渣板未使用不銹鋼材料，結(jié)果不到一年便被銹蝕，而更換為不銹鋼的材質(zhì)后，至今完好。