張大群
(天津市政工程設(shè)計(jì)研究院)

　　【摘要】自動(dòng)浮動(dòng)式水堪既能隨水位變化而自動(dòng)升降,又具備對(duì)水量變化的可調(diào)節(jié)性。通過(guò)一段特殊的載體管道,管道中采用肘型密封回轉(zhuǎn)接頭的專利產(chǎn)品,使其能隨水堪均升降而自動(dòng)變化。通過(guò)對(duì)出水流速、管徑、附加浮刀裝置ZL密封回轉(zhuǎn)接頭的計(jì)算及分析,使得自動(dòng)浮動(dòng)式水堪達(dá)到出水均勻、連續(xù),且適用于較大范圍的流量變化。為實(shí)現(xiàn)污水處理中采用間歇式活性污泥法工藝,提供丁新的、可靠的途徑。

1 課題的提出

　　間歇式活性污泥法比傳統(tǒng)活性污泥法有許多優(yōu)越性,它不僅省去了二次沉淀池和回流污泥系統(tǒng),而且出水水質(zhì)好。八十年代這一工藝在生物除磷上發(fā)揮獨(dú)具的優(yōu)越性J它能為生物除磷微生物提供優(yōu)良的厭氧環(huán)境。這種工藝在美國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)均得到廣泛的應(yīng)用。間歇式活性污泥法的進(jìn)水方式不同,澳洲比較廣泛應(yīng)用連續(xù)進(jìn)水,美國(guó)則是間歇進(jìn)水,但它們的出水形式相同都是連續(xù)式出水。
　　目前,國(guó)內(nèi)所采用的可調(diào)堪大致有兩種,一種是機(jī)械調(diào)節(jié)堪,另一種是槽下連接軟管,這兩種堪口無(wú)論在應(yīng)用范圍上還是保障工藝技術(shù)上都有很大的局限性。為此,研究一種自動(dòng)浮動(dòng)式水堪,不僅可用于間歇式曝氣系統(tǒng),而且還可用于間歇式濃縮池,它既具備有對(duì)水量變化的可調(diào)節(jié)性,有良好水力及機(jī)械性能,又能隨水位變化而自動(dòng)升降。這就成了解決問(wèn)歇式活性污泥法的關(guān)鍵所在,也成為國(guó)內(nèi)污水處理工程中所關(guān)注的一項(xiàng)研究課題。

2　研究的技術(shù)路線

　　要使自動(dòng)浮動(dòng)式水堪有良好的水力性能及機(jī)械性能和水量變化的可調(diào)節(jié)性,關(guān)鍵是要解決水堰流水過(guò)程中,堰體（包括堰口,管道及裝置）與動(dòng)水流之間形成動(dòng)態(tài)平衡,使之隨出水量的不同而達(dá)到不同的漂浮埋設(shè)深度,并使之較快地隨水位變化而升降,以滿足其均勻連續(xù)排放的要求。
　　自動(dòng)浮動(dòng)式水堪首先要解決堪口至池外之間聯(lián)有一段特殊的載體管道,它能隨堰體的升降而自動(dòng)變形。當(dāng)池外閘門打開(kāi)時(shí),池內(nèi)水體不斷涌入浮動(dòng)堰口,通過(guò)載體管道流向池外。在水流過(guò)程中,一是堰體本身與浮力形成平衡，堰口的淹沒(méi)深度處于指定范圍內(nèi),以保證其水流均衡;二是隨水面下降,堰體所處絕對(duì)高度也不斷下降,要求載體管道不論以何軌跡運(yùn)動(dòng),但其聯(lián)結(jié)堰口部分也必須以同樣速率下降,能達(dá)到這一狀況,就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)式水堰的研制要求。

3 解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

　　3.1 堪口隨水面下降時(shí),聯(lián)結(jié)堰口的管道、裝置所組成的堰體部分,不論以何種軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng),必須隨水面下降的速率同步下降。
　　這就要求堰口以下有一特殊的能變形的載體管道,能使載體管道隨堪口升降而運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件是一組(2個(gè))特殊的密封回轉(zhuǎn)管接頭。一般的密封管接頭是固定聯(lián)結(jié),接頭將所聯(lián)結(jié)的管子結(jié)為一個(gè)整體,這種聯(lián)接在解決聯(lián)結(jié)處的密封時(shí)并不困難。當(dāng)要求聯(lián)接管件同時(shí)具備類似軸承的作用,使兩個(gè)被聯(lián)結(jié)的管又可以互相為軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),其密封問(wèn)題則困難了,尤其在需要聯(lián)結(jié)管件隨軸向拉力、壓力時(shí),困難就更為突出了。為解決這一技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題,使用了天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院在1990年3月被國(guó)家專利局授予的88209856號(hào)發(fā)明專利一一密封回轉(zhuǎn)管接頭,聯(lián)結(jié)在載體管道中,使載體管道同時(shí)達(dá)到四種功能:
　?、?經(jīng)堪口進(jìn)入載體管道的液體,密封地流經(jīng)管道,由池外閘門控制下排放。
　?、?防止池內(nèi)的水體進(jìn)入載體管道,起到對(duì)外部水體的密封作用。
　?、?被密封回轉(zhuǎn)管接頭所聯(lián)結(jié)的兩段管道,任以一段為基準(zhǔn)則另一段可在同一平面內(nèi),可繞其360。的自由回轉(zhuǎn)。
　?、?可承受較大的軸向拉、壓應(yīng)力,并能在較小回轉(zhuǎn)力矩作用下靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1
　　1.水口 2.出水管 3.出水閥門 4.密封回轉(zhuǎn)管接頭
　　5.浮動(dòng)堪口 6.埋體 7.載體管道 8.進(jìn)水口
　　Hl——最低水位 H2——最高水位 Ht——相對(duì)水深

　　載體管道在間歇式曝氣池所布置的示意如圖1。每一個(gè)自動(dòng)浮動(dòng)式水堪所聯(lián)結(jié)的載體管道中,設(shè)有一組(2個(gè))密封回轉(zhuǎn)管接頭,一個(gè)為“L”型,一個(gè)為“U”型,設(shè)“L”型接頭的位置為0,另一個(gè)“U”型接頭位置為A,載體管道與堰口聯(lián)結(jié)處位置為B,則載體管道中A、B的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖1。
　　OA段管子與AB段管的長(zhǎng)度必須經(jīng)準(zhǔn)確計(jì)算后確定,使它既保證最高、最低水位的要求,又使得2個(gè)回轉(zhuǎn)接頭的回轉(zhuǎn)矩值符合密封回轉(zhuǎn)接頭的設(shè)計(jì)要求。
　　3.2 堪口所以能隨水面升降而浮動(dòng),除載體管道具有特殊裝置、能靈活地達(dá)到要求之外,另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是載有水體的管道、裝置及其堰體,在運(yùn)動(dòng)到各個(gè)位置時(shí)其重力與浮力相平衡。
　　為達(dá)到這個(gè)要求,要解決兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題:一是確定不同日處理量時(shí)，浮動(dòng)堰出水管平增出流速度及管徑；二是在不同管徑時(shí)，為達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡所進(jìn)行的浮力計(jì)算及設(shè)計(jì)的特殊附加裝置。為此，進(jìn)行了如下的計(jì)算與分析。

4 計(jì)算與分析

4.1 浮動(dòng)堪出水管平均出流速度及管徑的計(jì)算
　　在某一液位時(shí),排水管出流的瞬時(shí)流速可用流體的能量平衡方程求得:

　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　?。?）

　　式中Ht——相對(duì)水深
　　　　Vo——池內(nèi)液位下降速度
　　　　Vt——水深為Ht時(shí),出水管瞬時(shí)流速
　　　　hf——出水管沿程水頭損失
　　　　∑hf——出水管局部水頭損失

　　　　　　　　　　　　　　　　hf=λ.(L/d).(V²t/2g)　　　　　　 （2）

　　　　　　　　　　　　　　　　∑hf=∑.ξ(V²t/2g)　　　　　　　　 （3）

　　式中 λ——粗糙度系數(shù)
　　　　 L——管長(zhǎng)
　　　　 d——管徑
　　　　 ξ——局部水頭損失系數(shù)
　　將式(2)、(3)代入式(1)可得：(設(shè)Vo=O時(shí))

　　　　　　　　　　　　

　　經(jīng)積分運(yùn)算整理后，可得出水管平均出水流速為：

　　　　　 （4）

　　式中 H₂——最高水位
　　　　 H_1——最低水位
　　由此可得出不同長(zhǎng)度的載體管道,在不同直徑中的出水流速度的計(jì)算。
　　由此也可根據(jù)間歇式活性污泥法工藝（即SBR工藝）所要求的運(yùn)行方式,計(jì)算出相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。
　　例如每天為4個(gè)循環(huán),單循環(huán)歷時(shí)為6h,其中出水歷時(shí)1h,每天總出水歷時(shí)為4h，則由上可計(jì)算出對(duì)不同管徑的出水管對(duì)應(yīng)的自動(dòng)浮動(dòng)式水堰所能承擔(dān)的日處理量數(shù)值。同時(shí)也可算出相應(yīng)的負(fù)荷能力。
4.2 浮動(dòng)埋在不同管徑下浮動(dòng)計(jì)算及附加浮力裝置的計(jì)算
　　在浮力計(jì)算中要區(qū)分開(kāi)靜浮力計(jì)算和動(dòng)浮力的計(jì)算。自動(dòng)浮動(dòng)式水堰在工作中是處于動(dòng)浮力工況的,要進(jìn)行動(dòng)浮力計(jì)算首先要確定“浮力面積”值。“浮力面積”是指受浮力作用的裝置在水平面上的投影值,它與浮動(dòng)堰上下運(yùn)動(dòng)的速度值相乘可計(jì)算出浮力裝置的體積變化數(shù)值(ΔV_t)
　　　　　　ΔV_t=Δht·Smin　　　　　　　　　　　　　　　 (5)
　　式中 Δht——水位變化值(響應(yīng)值)
　　　　 Smin——浮力面積最小值
　　由此可計(jì)算出相應(yīng)的浮力。在水位變化響應(yīng)值的計(jì)算中,重要的條件是載體管道本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸、2個(gè)密封回轉(zhuǎn)接頭的摩擦阻力和自身機(jī)械結(jié)構(gòu)。要使得自動(dòng)浮力堰能在浮力作用下,既能隨水位自由浮動(dòng)又可以滿足連續(xù)均勻的出流,其必要條件是在運(yùn)動(dòng)的各個(gè)狀態(tài)都要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。為此,可根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系式,計(jì)算出相應(yīng)的浮力附加裝置。
4.3 密封回轉(zhuǎn)管接頭的機(jī)理與計(jì)算
　　密封回轉(zhuǎn)管接頭又稱肘型回轉(zhuǎn)接頭,它由芯管和套管組成,在芯管和套管間有鍵槽、端部相交處有斷面為異型的密封圈。此種管接頭有良好的密封性、回轉(zhuǎn)性和軸向承載力。
　　在設(shè)計(jì)計(jì)算中,首先要校核密封回轉(zhuǎn)接頭所受的軸向拉力和由載體管道作用下所產(chǎn)生的彎矩計(jì)算。這要求在確定肘型回轉(zhuǎn)接頭自身回轉(zhuǎn)摩擦阻力的前提下,計(jì)算出浮力作用下的堪口裝置及載體管道對(duì)密封接頭的彎矩?cái)?shù)值,當(dāng)此彎矩?cái)?shù)值平衡或超過(guò)其內(nèi)部摩擦阻力值時(shí),方可應(yīng)用。設(shè)計(jì)肘型回轉(zhuǎn)接頭的回轉(zhuǎn)力矩為Mn時(shí),則其計(jì)算式為：
　　　　　　　Mn≤M_L1+M_L2+M_s(6)
　　式中 M_L1——下端載體管道合力對(duì)回轉(zhuǎn)接頭的彎矩值
　　　　 M_L2——上端載體管道合力對(duì)回轉(zhuǎn)接頭的彎矩值
　　　　 M_s——堪口及裝置合力對(duì)回轉(zhuǎn)接頭的彎矩值
　　上述3式均通過(guò)積分式的計(jì)算即可求解。

5 結(jié)語(yǔ)

　　由于自動(dòng)浮動(dòng)式水堪可達(dá)到出水連續(xù)、均勻的特征,且通過(guò)對(duì)堪口的調(diào)整可達(dá)到較大范圍的流量變化。故而,自動(dòng)浮動(dòng)式水堪還可用于許多工業(yè)污水排水量變化大、需進(jìn)行出水調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。
　　此項(xiàng)工藝機(jī)械設(shè)備的研究將對(duì)我國(guó)污水處理工藝水平的提高起到一定的作用。本文著重進(jìn)行了對(duì)其機(jī)理的探討和相應(yīng)的詩(shī)算分析。以供國(guó)內(nèi)同行專家的討論和研究。
　　注:參加此課題研究的還有馮生華、金宏、劉延華、張永豪同志等。