SBR滗水器的设计及应用

王鹏¹，焦兆明²，张宏伟²
（1.解放军军事交通学院，天津300161；2.中国市政工程华北设计研究院，天津300074）

　　摘要：SBR滗水器主要有三种形式：虹吸式、旋转式、套筒式，本文重点介绍旋转式滗水器的设计及应用。滗水器由撇水堰槽、下降管、水平管、水下轴承组成一体，以水平管为转轴上下旋转，撇水堰槽随之上下移动，将水面表层澄清水撇入，再经下降管汇入水平管，最后从出水管排出。滗水器设计包括确定撇水堰槽的形状、结构及撇水量，水平管轴与滑动轴承的配合特性，电动执行器的机械结构。
　　关键词：SBR；旋转式滗水器；设计
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)10-0028-04

　　SBR反应池内水位是变化的，进水时水位由最低升至最高，出水时水位由最高降至最低，故SBR反应池出水管位置必须设在最低水位以下。间歇式出水要求集中大流量排放，能在较短的时间内完成出水任务，如果出水管形状与方向不当，出水时会带走大量活性污泥。因而，滗水器是SBR工艺排水的最好选择，它只撇出活性污泥沉淀后的上清水，在水位下降过程中保持水面平稳，不扰动下面的污泥层。

　　1 旋转式滗水器结构及工作原理

　　旋转式滗水器由撇水堰槽、下降管、水平管、轴承座、电动执行器、传动杆组成(见图1)。

　　撇水堰槽在SBR反应池水面上，水平管在反应池下部。撇水堰槽靠下降管支撑，并与下部水平管连成一体。水平管两端适当位置各固定一个环形的不锈钢轴套，并安装了两只滑动轴承，水平管靠轴承座固定在池底的基础上，它是整个滗水器的转轴。在水平管中央位置有一旋转曲柄和传动杆、电动执行器相联。执行器驱动传动杆上下移动，传动杆推动曲柄使水平管在两只滑动轴承内转动。撇水堰槽随水平管转动而升降，其移动轨迹是绕水平管中心线的柱形弧面，上下移动的垂直距离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，将活性污泥沉淀后的上清水从水面表层撇入堰槽。清水经过多根下降管向下汇入水平管，最后从排水管流出。
　　水平管与排水管之间用一个可转动密封接头和一个可挠曲柔性橡胶接头相连接，这样便解决了可旋转的水平管与固定不转的出水管的连接，也解决了可转动接头与水平管保持轴线同心度的问题。
　　滗水器设计要求撇水堰上沿必须与水平管轴线平行，水平管安装要求两端的水平误差＜3.0 mm，这样排水时才能保证堰上各处水量均匀，水流平稳，不会扰动污泥层，保证出水质量。

　　2 滗水器撇水堰槽设计

　　滗水器撇水堰槽呈长条形，前缘低、后缘高，单面进水。图2是撇水堰槽的三种特殊位置或状态。

　　图2a所示为下降管直立时的位置，水槽底板的水平方向与下降管垂直；后壁挡水板是一块夹角为120°的折板，上段直立，下段与底板成150°角；前壁堰板略微向后倾斜20°，与底板成70°角。图2b为下降管与水平成70°角，是在反应池最高水位开始排水状态。堰板处于直立是最佳撇水机位。图2c为下降管与水平成30°角，是排水至最低水位，堰板已倾斜至与水平成50°角，tan θ≤1.2，堰流量影响系数K＞0.95(可忽略不计)，后壁下段成直立状。设撇水堰板高为300 mm，挡水板上段180 mm，下段300 mm，底板宽250～300 mm，在滗水器直立时，后壁上沿高程比前壁上沿高50 mm。撇水槽采用δ＝5 mm不锈钢板制作。
　　挡渣板是盖在整个撇水槽上的活动盖板。挡渣板后边缘与撇水槽的后壁上边沿用铰链联接。挡渣板前边下方固定了泡沫塑料条状浮子。当撇水堰槽前缘浸入水中时，挡渣板被浮子托起。水面表层的澄清水，绕过浮子的下沿，经撇水堰板流入撇水槽。水面漂浮的杂物被拦截在挡渣板及条状浮子以外。设计要求浮子的浮力作用于挡渣板的力矩要大于挡渣板重力所形成的力矩。挡渣板选用δ=2 mm的不锈钢板制作。铰链为不锈钢柱形的铰链。
　　端板的作用：①封堵撇水槽两端。②遮挡漂浮物，防止杂质从挡渣板两端流入撇水槽，所以两个端板面积较大，挡渣板始终在两端板之间浮动。③防止水面有集中水流绕过挡渣板两端边沿进入滗水器，以保持滗水器均匀、平稳地撇水。
　　撇水堰流量计算：撇水堰的流量与其浸入水面下的深浅H有关，与下降管的排水能力有关，反应池内水位高低也影响撇水堰的流量。设计滗水器时不可能精确地计算各种条件下的撇水堰流量，但是必须准确地核算其撇水能力的变化范围，以确定滗水器排水量的性能参数，为此笔者设定撇水时某些特定条件，计算其最大撇水量与最小撇水量的可能(撇水堰的流量按标准堰计算公式核标)。
　　在最大流量时(如图2b)，撇水堰并非自由出流，下游为淹没出流，按淹没堰流量公式计算。设定：①撇水堰板高300 mm；②在最高水位开始排水时，撇水堰顶浸入水面H＝100 mm。③开始排水时为滗水器的最大撇水量，堰下游为淹没出流，Z/H=0.8，则 Q1max=0.42×2g×0.1^3/2×3 600=211.7 m³/h。
　　设定滗水器的动作为步进式，即当滗水器向下旋转至堰顶水深H为100 mm时，即停止动作并保持一个时间t。当水位下降至堰顶水深H′为50 mm时，滗水器又作下旋动作。重复上述过程，每一个步进行程为50 mm。
　　滗水器最小设计流量按H′=50 mm计算。随着水位下降，堰上流量逐渐减小，下降管流速降低，水力损失减小，撇水槽内水位也随之降低。当H′=50 mm时，堰后水位已低于堰顶高度，堰流量按非淹没堰计算：
　　Q_1min=m(2g)^1/2H^3/2＝ 0.416×(2g)^1/2×0.05^3/2×3600=74.1 m3/h
　　滗水器在每一个步进周期中的水量变化如下：
　　① 滗水器静止时，堰流量由Q_1max→Q_1min；
　　② 滗水器下降一个步进行程，堰流量由Q_1min→Q_1max。
　　撇水器单宽流量Q₁在74.1～211.7 m3/h之间变化。设计流量Q1取上述变化范围的中间值：100～200 m3/h。
　　滗水器排水能力：
　　Q=B×Q₁
　　式中 B——滗水器的总宽

　　3 下降管的设置

　　下降管设置原则：①按滗水器宽度B均匀分布；②下降管根数为偶数；③下降管间距≤1.0 m；④下降管直径按撇水堰单宽流量计算。
　　设计下降管流速：v=2.0 m/s
　　下降管：D=150 mm
　　最大流速：Q1max=211.7 m3/h时，vmax=3.33 m/s
　　最小流速：Q1min=74.1 m3/h时，vmin=1.17 m/s
　　下降管在设计流量时的水头损失应小于最低水位时排水水头；下降管最大流量时的水头损失应小于最高水位时的排水水头。

　　4 水平管设计

　　水平管管径按设计流速v=2.0 m/s，设计流量Q=BQ1进行计算。
　　举例：设B=4 m，则Q=4Q1=480 m³/h；水平管D=300 mm。下降管根数n=4，间距为1 m。水平管与下降管一般用法兰连接，水平管上设4只DN150法兰短管（见图3）。水平管长：
　　L=（n-1）×L₁＋2L₂
式中　L1——下降管之间的间距，L₁=1 000 mm
　　　L2——外侧下降管中心至水平管管端的距离，取L₂=260 mm，则L=3 520 mm
　　水平管结构如图3所示。

　　水平管两端是标准法兰盘，法兰盘内侧在120 mm处设置不锈钢轴套，做为水平管装入轴承的转轴。轴套为圆盘形状，外径略大于两端法兰盘以便于轴承安装。圆盘形轴套焊于水平管上，要求圆盘与水平管轴线垂直、同心。圆盘的外径d=435 mm，公差带为h₁₂。圆盘厚25 mm，用1C_r18Ni9Ti不锈钢制作，外圆及两侧表面粗糙度要求达到6.3。
　　在水平管中央设计一旋转曲柄，曲柄臂长600 mm，用15 mm厚钢板制做，焊接于水平管上。曲柄中心线与下降管中心线夹角40°，并垂直于水平管。

　　5 轴承及轴承座

　　旋转式滗水器的转动是否灵活、平稳，关键是轴与轴承的配合。因为滗水器的转轴是水平管，轴承是能装进水平管的大轴承，又在污水中工作，所以有它的独特之处。
　　滗水器的轴承只支承水平管上的轴套，支承面和摩擦面小。滗水器转动速度很慢，精度要求不高，安装要方便。所以轴承设计为间隙配合的滑动轴承。例如：轴径d=435 mm，轴承内孔D=(436±0.1) mm。轴承用1C_r18Ni9Ti不锈钢制作，与轴承座焊接在一起。两轴承的外侧各设置一对止推板，防止水平管水平方向移动。

　　6 电动执行器的构造及工作

　　电动执行器见图5。

　　该执行器是利用螺杆将其旋转运动变为螺母滑块的平移，执行器、传动杆、滗水器联结成一个螺旋机构与曲柄连杆机构的组合，将螺杆的旋转运动转变为滗水器的上下旋转。
　　执行器的螺杆5由上下轴承11、12固定在机架9上。电动行星减速机2带动螺杆旋转。螺杆的旋转推动滑块6沿导轨10上下平移。滑块上的传动杆接头8通过传动杆与滗水器水平管的旋转曲柄相联，推动滗水器以水平管为轴上下转动。
　　由于传动杆与螺杆有一个安装角度，在执行器运动时会产生一种垂直螺杆的横向推力。螺杆细长，容易被横向推力压弯。执行器设计考虑使滑块导轮沿滑道导轨滚动，传动杆的横向推力通过导轮直接作用在导轨上，从而消除了传动杆产生的横向推力对螺杆的影响。这种结构是保证执行器稳定运行的重要条件。
执行器为便于自动控制，设置了上下限位开关，而且都是双套开关，目的是防止一个开关发生故障时另一开关起作用，确保不会发生损机事故。

　　7 滗水器与出水管的联结

　　滗水器的水平管与出水管相连，中间有一可转动密封接头和可挠曲柔性橡胶接头。可转动密封接头可选用定型的SSQ —Ⅱ_b—0.6—HT_dCr管道伸缩器，它密封效果很好，转动阻力小。可挠曲橡胶接头选用国内定型产品KXT—(Ⅲ)型橡胶软接头。橡胶接头与伸缩器联接的法兰盘应用一个固定架固定在基础上，以限制该法兰盘有较大的转动。SSQ—Ⅱ_b—0.6—HT_dCr伸缩器为套管式、双端法兰、铸铁镀铬伸缩器，采用O型橡胶密封圈，可承受0.6 MPa工作压力，公称伸缩量±25 mm。在此处并不利用它的可伸缩性，而利用它的可转性。KXT—(Ⅲ)型DN300橡胶软接头，允许横向位移22 mm，偏转角度15°，它有充分的能力调节水平管与可转动接头的同心度。

　　8 旋转式滗水器的应用

　　按照以上设计原则设计的旋转式滗水器，已被国家给水排水工程技术研究中心所属的天津市沃特水工业仪器设备技术公司列为正式产品，产品名称为BSX型程控自动滗水器。沃特公司1997年完成了河南周口莲花味精集团污水处理工程，使用BSX4000滗水器32台，滗水器撇水堰负荷为25～32 L/(m·s)，撇水堰长为4 000 mm,平均排水量420 m³／h(该工程通过了国家环保局的验收)。1998年配合太湖流域治理，完成了张家港味精厂的污水处理工程，也使用了BSX4000滗水器，并通过了江苏省环保局的验收。BSX滗水器经过三年多连续运行的考验，证明效果良好，未出现任何机械故障，工作状态平稳。对恶劣的工作环境有很强的适应性。三年运行经验表明，滗水器设计中的一些特殊要求是必要的。滗水器撇水堰槽及水下的水平管轴套轴承必须用不锈钢材料；电动执行器上一定配装双套上下限位开关；其他用一般材料制作的部件要做好防腐处理。在使用过程中曾经有一台滗水器，由于维修人员疏忽而未将限位开关接入控制线路，结果这台电动执行器的下轴承被压碎。经修复严格了限位开关的安装，再没有类似事故发生。在滗水器加工中，部分撇水槽的挡渣板未使用不锈钢材料，结果不到一年便被锈蚀，而更换为不锈钢的材质后，至今完好。

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收稿日期：2000-07-17