張大群　 高復棟
(天津市市政工程勘測設計院)

　　【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點,不僅氧的利用率較高,又可以在曝氣池正常運行的情況下,將微孔目錄氣器提出水面進行檢修和更換?？商崾轿⒖灼貧庋b置,主要包括曝氣裝置提升機、肘型回轉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、拉力點和機構尺寸的優化選擇等主要技術問題。
　　隨著我國四化建設的迅速發展和人民生活水平的提高,控制環境污染、綜合利用污水資源,已日益引起各方面的重視。但是,我國已建的污水二級處理廠與國外相比,電耗較大、運轉費用偏高。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年天津市紀莊子污水處理廠,從英國引進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、節能,但為防止曝氣頭堵塞,對空氣的過濾和管路防銹要求很嚴格,一旦堵塞,檢修更換時通常要將池水放空。基于上述情況,我們在消化吸收國外先進的曝氣裝置的基礎上,研制一套既有微孔曝氣器的優點,又可把曝氣器提升到池面進行檢修,更換的曝氣裝置。這套裝置于86年7月通過了技術鑒定。
　　可提式微孔曝氣裝置,包括曝氣裝置提升機,肘形迥轉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

1.機構組成
　　曝氣裝置提升機可在曝氣廊道上自由移動,當哪組微孔曝氣器發生堵塞、損壞需檢修時,將提升機固定在其上方廊道的預埋卡板上,再用提升機鋼繩吊索與此曝氣裝置的空氣管路聯接,即可提升至廊道上方檢修的部位。
　　提升機主要由四部分構成,即:電機減速機部分、制動器及鼓輪部分、機架及鋼繩吊索部分和支架卡板及支承架部分。其機構及工作示意如圖1。

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

2．主要技術參數及性能
　　① 最大扭矩：M=200kg·m
　　 ② 電機功率：N=1.5kw
　　 ③ 轉速比：i=595
　　 ④ 鼓輪轉速：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 設計荷載160kg時吊揚力：F=590kg
　　 ⑨ 極限吊揚力：Fmax=1350kg
　　曝氣裝置提升機帶有電磁制動裝置,無論在檢修部位或其它部位均可停車。并在迥轉運動極限部位安有限位開關,使電機自動停營,保證在誤操作時機組的安全。
　　起吊時采用鋼絲吊索,能調整在安裝空氣管路中所產生的位置偏差。
　　提升機移動靈活,可解決曝氣池內若干組曝氣裝置的提升問題。提升機的升降均為電動式,一人可操作。
　　3.拉力值、力點

圖2 提升機工作受力示意

　　

位置的優化計算分析,見圖2。
　　h——提升機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型迥轉接頭至空氣豎管中心線的垂直距離；
　　L——鋼絲繩長度；
　　P₁——U型遇轉接頭以上部件重量；
　　P₂——U型迥轉接頭以下部件重量；
　　O——L型迫轉接頭位置；
　　A——曝氣管路中提升吊環位置,也即拉力點位置;
　　M₁——才是升機鼓輪處力矩；
　　M₂——才是升機機體傾復力也
　　ω——拉力F方向與地面的夾角。

　　經計算和測試表明：h、a、b數值的選取對機構受力、穩定和起吊運行的可靠性影響極大,對其若干影響的分析是研制過程中的關鍵環節。
　?、?當a值不變、h值減小時,則ω角必然減少,開始提升時力矩值F加大。根據選定的減速機,力矩值固定,按鼓輪直徑可計算出極限吊揚力,并反算出夾角ω必≥C₁ (注z C ₁為一個計算常數,下C₂、 C₃、C4、C′₁ 同),也即h≥C′₁ 為一個約束條件。
　　② 當a值不變、h值加大時,在提升過程中對支點M₂的傾復力矩,必然加大。根據選定的支承螺栓,對其進行強度計算,并反算出h≤C₂作為另一個約束條件。
　?、?當b值不變、a值過長時,會發生在b值繞0點旋轉過程中,使曝氣板重心超越0點,至上死點位置,使機構不能自動返回。根據上死點的位置,可返算出a≤C₃為一個約束條件。反之,在b值不變、a值過短時,又會發生當b繞0旋轉至接觸鼓輪的極限位置時,曝氣板仍未達到檢修位置的狀況。為此,以能達到檢修位置為依據,可反算出a≥C₄為另一個約束條件。
　　通過上述三點的分析可知：在機構設計中,必然要將L、a、b的數值進行優化計算,以使在符合傾復力矩和機構自身參數的約束內,將拉力值及迥轉過程的力矩值減至最小,而其穩定性又在最佳范圍之中。有關L、a、b值優化計算的過程從略。

二、肘形溫轉接頭

1.構造和特點
　　肘形迥轉接頭是曝氣管路提升的關鍵部件，由管件軸承和密封件組成。它須具有一定的強度,在荷載作用下,能在360°范圍內自由, 靈活轉動,同時能起可靠的密封作用。肘形迥轉接頭直徑100mm,每組曝氣裝置上有L型、U型迥轉接頭各一個,平時輸送空氣,當需提升檢修時肘形迥轉接頭與空氣管路組成起吊的旋轉托臂,通過肘形迥轉接頭的迥轉運動,提升機將曝氣裝置提至廊道上方。
　　肘形迥轉接頭需經密封性能試驗、現場組合試驗。在供氣情況下與管路、曝氣器聯接, 反復提升、降落,肘形迥轉接頭轉動自如,無滲漏現象。
2.接頭及曝氣器提升軌跡的分析
　　在曝氣裝置提升機工作時,由于減速機的速比固定,鼓輪旋轉為勻速,鋼繩且以勻速纏繞在鼓輪上,但由于A點是繞L型肘形迥轉接頭(即0點)旋轉,其α角的變化率及A點在圓周上移動的速率,均為變速運動。因此,U型肘形迥轉接頭(即B點)也以變速運動繞0點旋轉,其軌跡為圓。并由于U型肘形迥轉接頭能在360°內任意迥轉,故曝氣器(即C點)在自身重力的作用下,在整個運動過程中,C點在自身重力的作用下，在整個運動過程中。C點與B點總處在同一條垂線上。而且,又在繞0點下垂線固定距離(即BC長度)的O′點為圓心,作變速旋轉運動。

圖3 提升機工作時各部件運動軌跡

　　D——提升機鼓輪鋼索拉力點位置；
　　O——曝氣管路中L型迥轉接頭位置；
　　A——正常工作的提升吊環位置；
　　B——正帶工作曝氣管路中U型迥轉接頭位置；
　　C——正常工作的曝氣器位置；
　　A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂——A、B、C點在提出升時運動的軌跡點。
　　隨時間（S）的變化,對應各點鋼繩長度L（cm）、轉角0（弧度）、A、B、C點的X向、Y向坐標值的計算從略。
3.曝氣裝置變速提升的驅動速度選擇
　　利用肘形遁轉接頭與空氣管路所組成的旋轉托臂,在旋轉提升曝氣裝置的過程中,其運動軌跡按圖3上升,運動速度是不斷變化的,它除了決定于鼓輪的轉速外,還決定于L、a、b的數值,而且還與懸掛曝氣裝置的上段直管的長度有關。
　　在設計中根據池深及池寬確定懸掛曝氣裝置的兩根直管(即L型迥轉接頭上、下兩段管)長度,再根據初訂的L、a、b值及初訂的鼓輪轉速,計算出曝氣裝置處運動的最大、最小速度值。再反復修正,以確定原始驅動減速機的速比及鼓輪直徑。
　　通過反復試驗、比較：曝氣裝置提升最高速度<30cm/s,以25cm/s為佳,最低運動速度l0cm/s較為遇宜。

三、多孔鐵板微孔曝氣裝置

1.材料及構成
　　為便于提升,曝氣器自重應盡量輕些。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,多孔鐵板是近年發展起來的新型多孔材料,重量輕、強度高、耐腐性好、價格較低。在研制中,我們采用北京有色金屬研究總院“多孔鐵布氣板”的科研成果。以多孔鐵為原料,從兩種類型、多種規格中篩選出N₄型鐵板,其孔徑為30～100μ,孔隙率為50～55%,抗拉強度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單元,鑲在一個整體的底盤上。底盤尺寸為1300×670mm,厚90mm,中間斷開,各帶氣室,由筋板相聯,中間與曝氣管路通過法蘭聯成一體。
2.主要性能參數
　　在多孔鈦板微孔曝氣器的研制中,運用材料的不同配比,所制成的兩種類型、六種規格(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,所作的篩選試驗結果如表1。

多孔鐵板微孔曝氣器篩選試驗表1

型號 KL_as(氧傳遞系數)

l/H Q_c(充氧能力)

KgO₂/m3·h ε(氧利用率)

% E(動力效率)

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

　　通過上表表明,N型鈦板優于M型,其效率的遞增是隨孔徑減小而呈規律性變化的。在N型鈦板中,各指標均以N₄型為最佳,其單體試驗性能曲線如圖4。

圖4 N₄型曝氣器單體試驗氣量Q-K L_as,ε、E關系曲線

　　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,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,經測定在清水中,當氣量在16～24m³/h時,氧的利用率ε為22.82～20.03,動力效率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)對可提式微孔曝氣裝置的運行影響頗大。浮重值過大, 使提升力值增加、肘彩迥轉接頭應力增大，對結構不利。浮重值過小,在曝氣過程中裝置易產生晃動、在旋轉提升中碰撞對面一側的池壁而造成損壞。
　　經試驗測定,浮重選擇在20～25kg為宜。為符合這個范圍,在設計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型肘形迥轉接頭下側空氣管變換材料,以期達到理想的浮重要求。

四、研制體會及結語

　　1.通過驗證,可提式微孔曝氣裝置顯示了其優點,不僅氧的利用率高,而且在曝氣池不停止運行的情況下,可將曝氣器提出水面進行檢修更換,填補了國內空白。

圖5 N4型曝氣器單元試驗氣量Q-Klas、ε、E關系曲線

　　2.可提式微孔曝氣裝置制作、安裝簡便,且實用。多孔鈦布氣板國內可批量生產,能盡快形式生產能力,于實際工程中正式應用。提升機構簡單實用。
　　3.多孔鈦板曝氣器,氧的利用率高,與穿孔管曝氣器相比,可節省大量電能。
　　4.防止曝氣器堵塞,進入鼓風機的空氣需過濾,供氣管路應作防蝕處理,一旦堵塞, 及時更換。換下的鐵板,經烘烤、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廢水處理的鼓風曝氣裝置。特別是對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下進行的。參加課題工作的有葉凌云、劉冠南、金宏等。