張大群　 高復(fù)棟
(天津市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院)

　　【摘要】可提式微孔曝氣裝置融合了微孔曝氣器及可提式曝氣裝置的優(yōu)點(diǎn),不僅氧的利用率較高,又可以在曝氣池正常運(yùn)行的情況下,將微孔目錄氣器提出水面進(jìn)行檢修和更換?？商崾轿⒖灼貧庋b置,主要包括曝氣裝置提升機(jī)、肘型回轉(zhuǎn)接頭和微孔昧氣器三部分二并較好地解決了變這提升的特定軌跡、拉力點(diǎn)和機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化選擇等主要技術(shù)問(wèn)題。
　　隨著我國(guó)四化建設(shè)的迅速發(fā)展和人民生活水平的提高,控制環(huán)境污染、綜合利用污水資源,已日益引起各方面的重視。但是,我國(guó)已建的污水二級(jí)處理廠與國(guó)外相比,電耗較大、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用偏高。其主要原因是我們的曝氣裝置較為陣舊,如用量較多的|穿孔管曝氣器,氧的利用率僅為6~8%。
　　985年天津市紀(jì)莊子污水處理廠,從英國(guó)引進(jìn)成套的微孔曝氣器已部分投入使用,微孔曝氣器氧的利用率高、節(jié)能,但為防止曝氣頭堵塞,對(duì)空氣的過(guò)濾和管路防銹要求很嚴(yán)格,一旦堵塞,檢修更換時(shí)通常要將池水放空?；谏鲜銮闆r,我們?cè)谙諊?guó)外先進(jìn)的曝氣裝置的基礎(chǔ)上,研制一套既有微孔曝氣器的優(yōu)點(diǎn),又可把曝氣器提升到池面進(jìn)行檢修,更換的曝氣裝置。這套裝置于86年7月通過(guò)了技術(shù)鑒定。
　　可提式微孔曝氣裝置,包括曝氣裝置提升機(jī),肘形迥轉(zhuǎn)接頭及由多孔鈦板組成的微孔曝氣器三部分。下面分別予以介紹。

一、曝氣裝置提升機(jī)

1.機(jī)構(gòu)組成
　　曝氣裝置提升機(jī)可在曝氣廊道上自由移動(dòng),當(dāng)哪組微孔曝氣器發(fā)生堵塞、損壞需檢修時(shí),將提升機(jī)固定在其上方廊道的預(yù)埋卡板上,再用提升機(jī)鋼繩吊索與此曝氣裝置的空氣管路聯(lián)接,即可提升至廊道上方檢修的部位。
　　提升機(jī)主要由四部分構(gòu)成,即:電機(jī)減速機(jī)部分、制動(dòng)器及鼓輪部分、機(jī)架及鋼繩吊索部分和支架卡板及支承架部分。其機(jī)構(gòu)及工作示意如圖1。

1、限位開關(guān)(J L X Kl-21) 2、旋轉(zhuǎn)鼓輪(Ø300) 3、擺線針輪減速機(jī)(XWE D-63)
4、三相異步電動(dòng)機(jī)（JAO₂安全型） 5、曝氣裝置提升機(jī)支架 6、閘間 7、主通氣管
8、提升彎管　 9、L型肘形迥轉(zhuǎn)接頭 　10、空氣管道　 11、U型肘形迥轉(zhuǎn)接頭
12、下部空氣管道 13、板式鐵板微孔曝氣器組合單元
圖1 曝氣裝置提升機(jī)構(gòu)及工作示意

2．主要技術(shù)參數(shù)及性能
　　① 最大扭矩：M=200kg·m
　　 ② 電機(jī)功率：N=1.5kw
　　 ③ 轉(zhuǎn)速比：i=595
　　 ④ 鼓輪轉(zhuǎn)速：n=2.38r/min
　　 ⑤ 鼓輪處提升速度：U=3.75cm/S
　　 ⑥ 曝氣器提升速度：Umax=28.11cm/s Umin=10.24cm/s
　　 ⑦ 曝氣裝置尺寸：1300×750×100mm
　　 ⑧ 設(shè)計(jì)荷載160kg時(shí)吊揚(yáng)力：F=590kg
　　 ⑨ 極限吊揚(yáng)力：Fmax=1350kg
　　曝氣裝置提升機(jī)帶有電磁制動(dòng)裝置,無(wú)論在檢修部位或其它部位均可停車。并在迥轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)極限部位安有限位開關(guān),使電機(jī)自動(dòng)停營(yíng),保證在誤操作時(shí)機(jī)組的安全。
　　起吊時(shí)采用鋼絲吊索,能調(diào)整在安裝空氣管路中所產(chǎn)生的位置偏差。
　　提升機(jī)移動(dòng)靈活,可解決曝氣池內(nèi)若干組曝氣裝置的提升問(wèn)題。提升機(jī)的升降均為電動(dòng)式,一人可操作。
　　3.拉力值、力點(diǎn)

圖2 提升機(jī)工作受力示意

　　

位置的優(yōu)化計(jì)算分析,見圖2。
　　h——提升機(jī)鼓輪上端至地面距離；
　　a——鼓輪中心線至空氣豎管中心線的垂直距離；
　　b——L型迥轉(zhuǎn)接頭至空氣豎管中心線的垂直距離；
　　L——鋼絲繩長(zhǎng)度；
　　P₁——U型遇轉(zhuǎn)接頭以上部件重量；
　　P₂——U型迥轉(zhuǎn)接頭以下部件重量；
　　O——L型迫轉(zhuǎn)接頭位置；
　　A——曝氣管路中提升吊環(huán)位置,也即拉力點(diǎn)位置;
　　M₁——才是升機(jī)鼓輪處力矩；
　　M₂——才是升機(jī)機(jī)體傾復(fù)力也
　　ω——拉力F方向與地面的夾角。

　　經(jīng)計(jì)算和測(cè)試表明：h、a、b數(shù)值的選取對(duì)機(jī)構(gòu)受力、穩(wěn)定和起吊運(yùn)行的可靠性影響極大,對(duì)其若干影響的分析是研制過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
　　① 當(dāng)a值不變、h值減小時(shí),則ω角必然減少,開始提升時(shí)力矩值F加大。根據(jù)選定的減速機(jī),力矩值固定,按鼓輪直徑可計(jì)算出極限吊揚(yáng)力,并反算出夾角ω必≥C₁ (注z C ₁為一個(gè)計(jì)算常數(shù),下C₂、 C₃、C4、C′₁ 同),也即h≥C′₁ 為一個(gè)約束條件。
　　② 當(dāng)a值不變、h值加大時(shí),在提升過(guò)程中對(duì)支點(diǎn)M₂的傾復(fù)力矩,必然加大。根據(jù)選定的支承螺栓,對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,并反算出h≤C₂作為另一個(gè)約束條件。
　?、?當(dāng)b值不變、a值過(guò)長(zhǎng)時(shí),會(huì)發(fā)生在b值繞0點(diǎn)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,使曝氣板重心超越0點(diǎn),至上死點(diǎn)位置,使機(jī)構(gòu)不能自動(dòng)返回。根據(jù)上死點(diǎn)的位置,可返算出a≤C₃為一個(gè)約束條件。反之,在b值不變、a值過(guò)短時(shí),又會(huì)發(fā)生當(dāng)b繞0旋轉(zhuǎn)至接觸鼓輪的極限位置時(shí),曝氣板仍未達(dá)到檢修位置的狀況。為此,以能達(dá)到檢修位置為依據(jù),可反算出a≥C₄為另一個(gè)約束條件。
　　通過(guò)上述三點(diǎn)的分析可知：在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,必然要將L、a、b的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,以使在符合傾復(fù)力矩和機(jī)構(gòu)自身參數(shù)的約束內(nèi),將拉力值及迥轉(zhuǎn)過(guò)程的力矩值減至最小,而其穩(wěn)定性又在最佳范圍之中。有關(guān)L、a、b值優(yōu)化計(jì)算的過(guò)程從略。

二、肘形溫轉(zhuǎn)接頭

1.構(gòu)造和特點(diǎn)
　　肘形迥轉(zhuǎn)接頭是曝氣管路提升的關(guān)鍵部件，由管件軸承和密封件組成。它須具有一定的強(qiáng)度,在荷載作用下,能在360°范圍內(nèi)自由, 靈活轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)能起可靠的密封作用。肘形迥轉(zhuǎn)接頭直徑100mm,每組曝氣裝置上有L型、U型迥轉(zhuǎn)接頭各一個(gè),平時(shí)輸送空氣,當(dāng)需提升檢修時(shí)肘形迥轉(zhuǎn)接頭與空氣管路組成起吊的旋轉(zhuǎn)托臂,通過(guò)肘形迥轉(zhuǎn)接頭的迥轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),提升機(jī)將曝氣裝置提至廊道上方。
　　肘形迥轉(zhuǎn)接頭需經(jīng)密封性能試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)組合試驗(yàn)。在供氣情況下與管路、曝氣器聯(lián)接, 反復(fù)提升、降落,肘形迥轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)自如,無(wú)滲漏現(xiàn)象。
2.接頭及曝氣器提升軌跡的分析
　　在曝氣裝置提升機(jī)工作時(shí),由于減速機(jī)的速比固定,鼓輪旋轉(zhuǎn)為勻速,鋼繩且以勻速纏繞在鼓輪上,但由于A點(diǎn)是繞L型肘形迥轉(zhuǎn)接頭(即0點(diǎn))旋轉(zhuǎn),其α角的變化率及A點(diǎn)在圓周上移動(dòng)的速率,均為變速運(yùn)動(dòng)。因此,U型肘形迥轉(zhuǎn)接頭(即B點(diǎn))也以變速運(yùn)動(dòng)繞0點(diǎn)旋轉(zhuǎn),其軌跡為圓。并由于U型肘形迥轉(zhuǎn)接頭能在360°內(nèi)任意迥轉(zhuǎn),故曝氣器(即C點(diǎn))在自身重力的作用下,在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,C點(diǎn)在自身重力的作用下，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。C點(diǎn)與B點(diǎn)總處在同一條垂線上。而且,又在繞0點(diǎn)下垂線固定距離(即BC長(zhǎng)度)的O′點(diǎn)為圓心,作變速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 提升機(jī)工作時(shí)各部件運(yùn)動(dòng)軌跡

　　D——提升機(jī)鼓輪鋼索拉力點(diǎn)位置；
　　O——曝氣管路中L型迥轉(zhuǎn)接頭位置；
　　A——正常工作的提升吊環(huán)位置；
　　B——正帶工作曝氣管路中U型迥轉(zhuǎn)接頭位置；
　　C——正常工作的曝氣器位置；
　　A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂——A、B、C點(diǎn)在提出升時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡點(diǎn)。
　　隨時(shí)間（S）的變化,對(duì)應(yīng)各點(diǎn)鋼繩長(zhǎng)度L（cm）、轉(zhuǎn)角0（弧度）、A、B、C點(diǎn)的X向、Y向坐標(biāo)值的計(jì)算從略。
3.曝氣裝置變速提升的驅(qū)動(dòng)速度選擇
　　利用肘形遁轉(zhuǎn)接頭與空氣管路所組成的旋轉(zhuǎn)托臂,在旋轉(zhuǎn)提升曝氣裝置的過(guò)程中,其運(yùn)動(dòng)軌跡按圖3上升,運(yùn)動(dòng)速度是不斷變化的,它除了決定于鼓輪的轉(zhuǎn)速外,還決定于L、a、b的數(shù)值,而且還與懸掛曝氣裝置的上段直管的長(zhǎng)度有關(guān)。
　　在設(shè)計(jì)中根據(jù)池深及池寬確定懸掛曝氣裝置的兩根直管(即L型迥轉(zhuǎn)接頭上、下兩段管)長(zhǎng)度,再根據(jù)初訂的L、a、b值及初訂的鼓輪轉(zhuǎn)速,計(jì)算出曝氣裝置處運(yùn)動(dòng)的最大、最小速度值。再反復(fù)修正,以確定原始驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的速比及鼓輪直徑。
　　通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、比較：曝氣裝置提升最高速度<30cm/s,以25cm/s為佳,最低運(yùn)動(dòng)速度l0cm/s較為遇宜。

三、多孔鐵板微孔曝氣裝置

1.材料及構(gòu)成
　　為便于提升,曝氣器自重應(yīng)盡量輕些。由于能提升,檢修更換方便,故曝氣孔徑可小些,以提高其充氧能力。在氧化鋁,多孔鐵板和微孔塑料等幾種材料中,多孔鐵板是近年發(fā)展起來(lái)的新型多孔材料,重量輕、強(qiáng)度高、耐腐性好、價(jià)格較低。在研制中,我們采用北京有色金屬研究總院“多孔鐵布?xì)獍濉钡目蒲谐晒?。以多孔鐵為原料,從兩種類型、多種規(guī)格中篩選出N₄型鐵板,其孔徑為30～100μ,孔隙率為50～55%,抗拉強(qiáng)度50～300kg/cm²。曝氣裝置由8塊尺寸為300×300mm,厚3mm的鈦板組合成為一個(gè)單元,鑲在一個(gè)整體的底盤上。底盤尺寸為1300×670mm,厚90mm,中間斷開,各帶氣室,由筋板相聯(lián),中間與曝氣管路通過(guò)法蘭聯(lián)成一體。
2.主要性能參數(shù)
　　在多孔鈦板微孔曝氣器的研制中,運(yùn)用材料的不同配比,所制成的兩種類型、六種規(guī)格(M₂、M₃、M₄、N₂、N₃、N₄)的多孔鈦板,在氣量為1～3m³/h,有效水深為2.5m時(shí),所作的篩選試驗(yàn)結(jié)果如表1。

多孔鐵板微孔曝氣器篩選試驗(yàn)表1

型號(hào) KL_as(氧傳遞系數(shù))

l/H Q_c(充氧能力)

KgO₂/m3·h ε(氧利用率)

% E(動(dòng)力效率)

KgO₂/kW·h M₂ 11.19～29.89 0.10～0.27 15.70～13.53 5.39～3.54 M₃ 7.78～26.13 0.07～0.24 10.94～11.80 3.39～3.09 M₄ 7.98～27.04 0.07～0.25 11.25～12.22 4.00～3.20 N₂ 14.55～34.12 0.13～0.31 20.24～15.40 6.62～3.98 N₃ 14.46～30.89 0.13～0.28 20.16～13.91 6.58～3.51 N₄ 16.18～36.84 0.15～0.34 22.52～16.59 7.23～4.23

　　通過(guò)上表表明,N型鈦板優(yōu)于M型,其效率的遞增是隨孔徑減小而呈規(guī)律性變化的。在N型鈦板中,各指標(biāo)均以N₄型為最佳,其單體試驗(yàn)性能曲線如圖4。

圖4 N₄型曝氣器單體試驗(yàn)氣量Q-K L_as,ε、E關(guān)系曲線

　　N₄型多孔鐵板微孔曝氣器可均勻散氣,初起氣泡很小,呈微泡氣柱上升,隨上升高度變化氣泡變大。水面下0.5m處,氣量在2m³/h時(shí),氣泡平均直徑小于3mm,隨氣量的增大,紊流加劇,氣泡中分布有直徑極小的近似霧狀的氣水混合體。由8塊N₄型組成的曝氣裝置,經(jīng)測(cè)定在清水中,當(dāng)氣量在16～24m³/h時(shí),氧的利用率ε為22.82～20.03,動(dòng)力效率E為6.68～6.04kg0₂/kw。其性能曲線如圖5。
3.曝氣裝置浮重的選擇
　　曝氣裝置的浮重(容重工-浮力)對(duì)可提式微孔曝氣裝置的運(yùn)行影響頗大。浮重值過(guò)大, 使提升力值增加、肘彩迥轉(zhuǎn)接頭應(yīng)力增大，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。浮重值過(guò)小,在曝氣過(guò)程中裝置易產(chǎn)生晃動(dòng)、在旋轉(zhuǎn)提升中碰撞對(duì)面一側(cè)的池壁而造成損壞。
　　經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定,浮重選擇在20～25kg為宜。為符合這個(gè)范圍,在設(shè)計(jì)中可變換底盤氣室的容量和形狀、改變曝氣裝置通氣管的材料和尺寸,以及將L型肘形迥轉(zhuǎn)接頭下側(cè)空氣管變換材料,以期達(dá)到理想的浮重要求。

四、研制體會(huì)及結(jié)語(yǔ)

　　1.通過(guò)驗(yàn)證,可提式微孔曝氣裝置顯示了其優(yōu)點(diǎn),不僅氧的利用率高,而且在曝氣池不停止運(yùn)行的情況下,可將曝氣器提出水面進(jìn)行檢修更換,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

圖5 N4型曝氣器單元試驗(yàn)氣量Q-Klas、ε、E關(guān)系曲線

　　2.可提式微孔曝氣裝置制作、安裝簡(jiǎn)便,且實(shí)用。多孔鈦布?xì)獍鍑?guó)內(nèi)可批量生產(chǎn),能盡快形式生產(chǎn)能力,于實(shí)際工程中正式應(yīng)用。提升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。
　　3.多孔鈦板曝氣器,氧的利用率高,與穿孔管曝氣器相比,可節(jié)省大量電能。
　　4.防止曝氣器堵塞,進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)的空氣需過(guò)濾,供氣管路應(yīng)作防蝕處理,一旦堵塞, 及時(shí)更換。換下的鐵板,經(jīng)烘烤、加壓吹通、清洗再生。
　　5.該裝置宜作為新建和改建的中小型城市污水處理和工業(yè)廢水處理的鼓風(fēng)曝氣裝置。特別是對(duì)用穿孔管曝氣器的曝氣池改換尤為方便。

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　　本課題在朱肇源指導(dǎo)下進(jìn)行的。參加課題工作的有葉凌云、劉冠南、金宏等。