可提式微孔曝气装置的研究

张大群　 高复栋
(天津市市政工程勘测设计院)

　　【摘要】可提式微孔曝气装置融合了微孔曝气器及可提式曝气装置的优点,不仅氧的利用率较高,又可以在曝气池正常运行的情况下,将微孔目录气器提出水面进行检修和更换。可提式微孔曝气装置,主要包括曝气装置提升机、肘型回转接头和微孔昧气器三部分二并较好地解决了变这提升的特定轨迹、拉力点和机构尺寸的优化选择等主要技术问题。
　　随着我国四化建设的迅速发展和人民生活水平的提高,控制环境污染、综合利用污水资源,已日益引起各方面的重视。但是,我国已建的污水二级处理厂与国外相比,电耗较大、运转费用偏高。其主要原因是我们的曝气装置较为阵旧,如用量较多的|穿孔管曝气器,氧的利用率仅为6~8%。
　　985年天津市纪庄子污水处理厂,从英国引进成套的微孔曝气器已部分投入使用,微孔曝气器氧的利用率高、节能,但为防止曝气头堵塞,对空气的过滤和管路防锈要求很严格,一旦堵塞,检修更换时通常要将池水放空。基于上述情况,我们在消化吸收国外先进的曝气装置的基础上,研制一套既有微孔曝气器的优点,又可把曝气器提升到池面进行检修,更换的曝气装置。这套装置于86年7月通过了技术鉴定。
　　可提式微孔曝气装置,包括曝气装置提升机,肘形迥转接头及由多孔钛板组成的微孔曝气器三部分。下面分别予以介绍。

一、曝气装置提升机

1.机构组成
　　曝气装置提升机可在曝气廊道上自由移动,当哪组微孔曝气器发生堵塞、损坏需检修时,将提升机固定在其上方廊道的预埋卡板上,再用提升机钢绳吊索与此曝气装置的空气管路联接,即可提升至廊道上方检修的部位。
　　提升机主要由四部分构成,即:电机减速机部分、制动器及鼓轮部分、机架及钢绳吊索部分和支架卡板及支承架部分。其机构及工作示意如图1。

1、限位开关(J L X Kl-21) 2、旋转鼓轮(Ø300) 3、摆线针轮减速机(XWE D-63)
4、三相异步电动机（JAO₂安全型） 5、曝气装置提升机支架 6、闸间 7、主通气管
8、提升弯管　 9、L型肘形迥转接头 　10、空气管道　 11、U型肘形迥转接头
12、下部空气管道 13、板式铁板微孔曝气器组合单元
图1 曝气装置提升机构及工作示意

2．主要技术参数及性能
　　① 最大扭矩：M=200kg·m
　　 ② 电机功率：N=1.5kw
　　 ③ 转速比：i=595
　　 ④ 鼓轮转速：n=2.38r/min
　　 ⑤ 鼓轮处提升速度：U=3.75cm/S
　　 ⑥ 曝气器提升速度：Umax=28.11cm/s Umin=10.24cm/s
　　 ⑦ 曝气装置尺寸：1300×750×100mm
　　 ⑧ 设计荷载160kg时吊扬力：F=590kg
　　 ⑨ 极限吊扬力：Fmax=1350kg
　　曝气装置提升机带有电磁制动装置,无论在检修部位或其它部位均可停车。并在迥转运动极限部位安有限位开关,使电机自动停营,保证在误操作时机组的安全。
　　起吊时采用钢丝吊索,能调整在安装空气管路中所产生的位置偏差。
　　提升机移动灵活,可解决曝气池内若干组曝气装置的提升问题。提升机的升降均为电动式,一人可操作。
　　3.拉力值、力点

图2 提升机工作受力示意

　　

位置的优化计算分析,见图2。
　　h——提升机鼓轮上端至地面距离；
　　a——鼓轮中心线至空气竖管中心线的垂直距离；
　　b——L型迥转接头至空气竖管中心线的垂直距离；
　　L——钢丝绳长度；
　　P₁——U型遇转接头以上部件重量；
　　P₂——U型迥转接头以下部件重量；
　　O——L型迫转接头位置；
　　A——曝气管路中提升吊环位置,也即拉力点位置;
　　M₁——才是升机鼓轮处力矩；
　　M₂——才是升机机体倾复力也
　　ω——拉力F方向与地面的夹角。

　　经计算和测试表明：h、a、b数值的选取对机构受力、稳定和起吊运行的可靠性影响极大,对其若干影响的分析是研制过程中的关键环节。
　　① 当a值不变、h值减小时,则ω角必然减少,开始提升时力矩值F加大。根据选定的减速机,力矩值固定,按鼓轮直径可计算出极限吊扬力,并反算出夹角ω必≥C₁ (注z C ₁为一个计算常数,下C₂、 C₃、C4、C′₁ 同),也即h≥C′₁ 为一个约束条件。
　　② 当a值不变、h值加大时,在提升过程中对支点M₂的倾复力矩,必然加大。根据选定的支承螺栓,对其进行强度计算,并反算出h≤C₂作为另一个约束条件。
　　③ 当b值不变、a值过长时,会发生在b值绕0点旋转过程中,使曝气板重心超越0点,至上死点位置,使机构不能自动返回。根据上死点的位置,可返算出a≤C₃为一个约束条件。反之,在b值不变、a值过短时,又会发生当b绕0旋转至接触鼓轮的极限位置时,曝气板仍未达到检修位置的状况。为此,以能达到检修位置为依据,可反算出a≥C₄为另一个约束条件。
　　通过上述三点的分析可知：在机构设计中,必然要将L、a、b的数值进行优化计算,以使在符合倾复力矩和机构自身参数的约束内,将拉力值及迥转过程的力矩值减至最小,而其稳定性又在最佳范围之中。有关L、a、b值优化计算的过程从略。

二、肘形温转接头

1.构造和特点
　　肘形迥转接头是曝气管路提升的关键部件，由管件轴承和密封件组成。它须具有一定的强度,在荷载作用下,能在360°范围内自由, 灵活转动,同时能起可靠的密封作用。肘形迥转接头直径100mm,每组曝气装置上有L型、U型迥转接头各一个,平时输送空气,当需提升检修时肘形迥转接头与空气管路组成起吊的旋转托臂,通过肘形迥转接头的迥转运动,提升机将曝气装置提至廊道上方。
　　肘形迥转接头需经密封性能试验、现场组合试验。在供气情况下与管路、曝气器联接, 反复提升、降落,肘形迥转接头转动自如,无渗漏现象。
2.接头及曝气器提升轨迹的分析
　　在曝气装置提升机工作时,由于减速机的速比固定,鼓轮旋转为匀速,钢绳且以匀速缠绕在鼓轮上,但由于A点是绕L型肘形迥转接头(即0点)旋转,其α角的变化率及A点在圆周上移动的速率,均为变速运动。因此,U型肘形迥转接头(即B点)也以变速运动绕0点旋转,其轨迹为圆。并由于U型肘形迥转接头能在360°内任意迥转,故曝气器(即C点)在自身重力的作用下,在整个运动过程中,C点在自身重力的作用下，在整个运动过程中。C点与B点总处在同一条垂线上。而且,又在绕0点下垂线固定距离(即BC长度)的O′点为圆心,作变速旋转运动。

图3 提升机工作时各部件运动轨迹

　　D——提升机鼓轮钢索拉力点位置；
　　O——曝气管路中L型迥转接头位置；
　　A——正常工作的提升吊环位置；
　　B——正带工作曝气管路中U型迥转接头位置；
　　C——正常工作的曝气器位置；
　　A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂——A、B、C点在提出升时运动的轨迹点。
　　随时间（S）的变化,对应各点钢绳长度L（cm）、转角0（弧度）、A、B、C点的X向、Y向坐标值的计算从略。
3.曝气装置变速提升的驱动速度选择
　　利用肘形遁转接头与空气管路所组成的旋转托臂,在旋转提升曝气装置的过程中,其运动轨迹按图3上升,运动速度是不断变化的,它除了决定于鼓轮的转速外,还决定于L、a、b的数值,而且还与悬挂曝气装置的上段直管的长度有关。
　　在设计中根据池深及池宽确定悬挂曝气装置的两根直管(即L型迥转接头上、下两段管)长度,再根据初订的L、a、b值及初订的鼓轮转速,计算出曝气装置处运动的最大、最小速度值。再反复修正,以确定原始驱动减速机的速比及鼓轮直径。
　　通过反复试验、比较：曝气装置提升最高速度<30cm/s,以25cm/s为佳,最低运动速度l0cm/s较为遇宜。

三、多孔铁板微孔曝气装置

1.材料及构成
　　为便于提升,曝气器自重应尽量轻些。由于能提升,检修更换方便,故曝气孔径可小些,以提高其充氧能力。在氧化铝,多孔铁板和微孔塑料等几种材料中,多孔铁板是近年发展起来的新型多孔材料,重量轻、强度高、耐腐性好、价格较低。在研制中,我们采用北京有色金属研究总院“多孔铁布气板”的科研成果。以多孔铁为原料,从两种类型、多种规格中筛选出N₄型铁板,其孔径为30～100μ,孔隙率为50～55%,抗拉强度50～300kg/cm²。曝气装置由8块尺寸为300×300mm,厚3mm的钛板组合成为一个单元,镶在一个整体的底盘上。底盘尺寸为1300×670mm,厚90mm,中间断开,各带气室,由筋板相联,中间与曝气管路通过法兰联成一体。
2.主要性能参数
　　在多孔钛板微孔曝气器的研制中,运用材料的不同配比,所制成的两种类型、六种规格(M₂、M₃、M₄、N₂、N₃、N₄)的多孔钛板,在气量为1～3m³/h,有效水深为2.5m时,所作的筛选试验结果如表1。

多孔铁板微孔曝气器筛选试验表1

型号 KL_as(氧传递系数)

l/H Q_c(充氧能力)

KgO₂/m3·h ε(氧利用率)

% E(动力效率)

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

　　通过上表表明,N型钛板优于M型,其效率的递增是随孔径减小而呈规律性变化的。在N型钛板中,各指标均以N₄型为最佳,其单体试验性能曲线如图4。

图4 N₄型曝气器单体试验气量Q-K L_as,ε、E关系曲线

　　N₄型多孔铁板微孔曝气器可均匀散气,初起气泡很小,呈微泡气柱上升,随上升高度变化气泡变大。水面下0.5m处,气量在2m³/h时,气泡平均直径小于3mm,随气量的增大,紊流加剧,气泡中分布有直径极小的近似雾状的气水混合体。由8块N₄型组成的曝气装置,经测定在清水中,当气量在16～24m³/h时,氧的利用率ε为22.82～20.03,动力效率E为6.68～6.04kg0₂/kw。其性能曲线如图5。
3.曝气装置浮重的选择
　　曝气装置的浮重(容重工-浮力)对可提式微孔曝气装置的运行影响颇大。浮重值过大, 使提升力值增加、肘彩迥转接头应力增大，对结构不利。浮重值过小,在曝气过程中装置易产生晃动、在旋转提升中碰撞对面一侧的池壁而造成损坏。
　　经试验测定,浮重选择在20～25kg为宜。为符合这个范围,在设计中可变换底盘气室的容量和形状、改变曝气装置通气管的材料和尺寸,以及将L型肘形迥转接头下侧空气管变换材料,以期达到理想的浮重要求。

四、研制体会及结语

　　1.通过验证,可提式微孔曝气装置显示了其优点,不仅氧的利用率高,而且在曝气池不停止运行的情况下,可将曝气器提出水面进行检修更换,填补了国内空白。

图5 N4型曝气器单元试验气量Q-Klas、ε、E关系曲线

　　2.可提式微孔曝气装置制作、安装简便,且实用。多孔钛布气板国内可批量生产,能尽快形式生产能力,于实际工程中正式应用。提升机构简单实用。
　　3.多孔钛板曝气器,氧的利用率高,与穿孔管曝气器相比,可节省大量电能。
　　4.防止曝气器堵塞,进入鼓风机的空气需过滤,供气管路应作防蚀处理,一旦堵塞, 及时更换。换下的铁板,经烘烤、加压吹通、清洗再生。
　　5.该装置宜作为新建和改建的中小型城市污水处理和工业废水处理的鼓风曝气装置。特别是对用穿孔管曝气器的曝气池改换尤为方便。

---

　　本课题在朱肇源指导下进行的。参加课题工作的有叶凌云、刘冠南、金宏等。