張大群
(天津市政工程設計研究院)

　　【摘要】自動浮動式水堪既能隨水位變化而自動升降,又具備對水量變化的可調節(jié)性。通過一段特殊的載體管道,管道中采用肘型密封回轉接頭的專利產品,使其能隨水堪均升降而自動變化。通過對出水流速、管徑、附加浮刀裝置ZL密封回轉接頭的計算及分析,使得自動浮動式水堪達到出水均勻、連續(xù),且適用于較大范圍的流量變化。為實現(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),而且出水水質好。八十年代這一工藝在生物除磷上發(fā)揮獨具的優(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、澳大利亞、日本等國均得到廣泛的應用。間歇式活性污泥法的進水方式不同,澳洲比較廣泛應用連續(xù)進水,美國則是間歇進水,但它們的出水形式相同都是連續(xù)式出水。
　　目前,國內所采用的可調堪大致有兩種,一種是機械調節(jié)堪,另一種是槽下連接軟管,這兩種堪口無論在應用范圍上還是保障工藝技術上都有很大的局限性。為此,研究一種自動浮動式水堪,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,它既具備有對水量變化的可調節(jié)性,有良好水力及機械性能,又能隨水位變化而自動升降。這就成了解決問歇式活性污泥法的關鍵所在,也成為國內污水處理工程中所關注的一項研究課題。

2　研究的技術路線

　　要使自動浮動式水堪有良好的水力性能及機械性能和水量變化的可調節(jié)性,關鍵是要解決水堰流水過程中,堰體（包括堰口,管道及裝置）與動水流之間形成動態(tài)平衡,使之隨出水量的不同而達到不同的漂浮埋設深度,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。
　　自動浮動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變形。當池外閘門打開時,池內水體不斷涌入浮動堰口,通過載體管道流向池外。在水流過程中,一是堰體本身與浮力形成平衡，堰口的淹沒深度處于指定范圍內,以保證其水流均衡;二是隨水面下降,堰體所處絕對高度也不斷下降,要求載體管道不論以何軌跡運動,但其聯(lián)結堰口部分也必須以同樣速率下降,能達到這一狀況,就能實現(xiàn)自動式水堰的研制要求。

3 解決的關鍵技術問題

　　3.1 堪口隨水面下降時,聯(lián)結堰口的管道、裝置所組成的堰體部分,不論以何種軌跡進行運動,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動的關鍵部件是一組(2個)特殊的密封回轉管接頭。一般的密封管接頭是固定聯(lián)結,接頭將所聯(lián)結的管子結為一個整體,這種聯(lián)接在解決聯(lián)結處的密封時并不困難。當要求聯(lián)接管件同時具備類似軸承的作用,使兩個被聯(lián)結的管又可以互相為軸旋轉運動時,其密封問題則困難了,尤其在需要聯(lián)結管件隨軸向拉力、壓力時,困難就更為突出了。為解決這一技術關鍵問題,使用了天津市市政工程設計研究院在1990年3月被國家專利局授予的88209856號發(fā)明專利一一密封回轉管接頭,聯(lián)結在載體管道中,使載體管道同時達到四種功能:
　?、?經堪口進入載體管道的液體,密封地流經管道,由池外閘門控制下排放。
　　② 防止池內的水體進入載體管道,起到對外部水體的密封作用。
　?、?被密封回轉管接頭所聯(lián)結的兩段管道,任以一段為基準則另一段可在同一平面內,可繞其360。的自由回轉。
　?、?可承受較大的軸向拉、壓應力,并能在較小回轉力矩作用下靈活地轉動。

圖1
　　1.水口 2.出水管 3.出水閥門 4.密封回轉管接頭
　　5.浮動堪口 6.埋體 7.載體管道 8.進水口
　　Hl——最低水位 H2——最高水位 Ht——相對水深

　　載體管道在間歇式曝氣池所布置的示意如圖1。每一個自動浮動式水堪所聯(lián)結的載體管道中,設有一組(2個)密封回轉管接頭,一個為“L”型,一個為“U”型,設“L”型接頭的位置為0,另一個“U”型接頭位置為A,載體管道與堰口聯(lián)結處位置為B,則載體管道中A、B的運動軌跡見圖1。
　　OA段管子與AB段管的長度必須經準確計算后確定,使它既保證最高、最低水位的要求,又使得2個回轉接頭的回轉矩值符合密封回轉接頭的設計要求。
　　3.2 堪口所以能隨水面升降而浮動,除載體管道具有特殊裝置、能靈活地達到要求之外,另一個關鍵問題就是載有水體的管道、裝置及其堰體,在運動到各個位置時其重力與浮力相平衡。
　　為達到這個要求,要解決兩個技術問題:一是確定不同日處理量時，浮動堰出水管平增出流速度及管徑；二是在不同管徑時，為達到動態(tài)平衡所進行的浮力計算及設計的特殊附加裝置。為此，進行了如下的計算與分析。

4 計算與分析

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

　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　（1）

　　式中Ht——相對水深
　　　　Vo——池內液位下降速度
　　　　Vt——水深為Ht時,出水管瞬時流速
　　　　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
　　　　 d——管徑
　　　　 ξ——局部水頭損失系數(shù)
　　將式(2)、(3)代入式(1)可得：(設Vo=O時)

　　　　　　　　　　　　

　　經積分運算整理后，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
　　由此可得出不同長度的載體管道,在不同直徑中的出水流速度的計算。
　　由此也可根據(jù)間歇式活性污泥法工藝（即SBR工藝）所要求的運行方式,計算出相應的技術參數(shù)。
　　例如每天為4個循環(huán),單循環(huán)歷時為6h,其中出水歷時1h,每天總出水歷時為4h，則由上可計算出對不同管徑的出水管對應的自動浮動式水堰所能承擔的日處理量數(shù)值。同時也可算出相應的負荷能力。
4.2 浮動埋在不同管徑下浮動計算及附加浮力裝置的計算
　　在浮力計算中要區(qū)分開靜浮力計算和動浮力的計算。自動浮動式水堰在工作中是處于動浮力工況的,要進行動浮力計算首先要確定“浮力面積”值?！案×γ娣e”是指受浮力作用的裝置在水平面上的投影值,它與浮動堰上下運動的速度值相乘可計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(響應值)
　　　　 Smin——浮力面積最小值
　　由此可計算出相應的浮力。在水位變化響應值的計算中,重要的條件是載體管道本身的機械結構尺寸、2個密封回轉接頭的摩擦阻力和自身機械結構。要使得自動浮力堰能在浮力作用下,既能隨水位自由浮動又可以滿足連續(xù)均勻的出流,其必要條件是在運動的各個狀態(tài)都要實現(xiàn)動態(tài)平衡。為此,可根據(jù)動態(tài)平衡關系式,計算出相應的浮力附加裝置。
4.3 密封回轉管接頭的機理與計算
　　密封回轉管接頭又稱肘型回轉接頭,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、回轉性和軸向承載力。
　　在設計計算中,首先要校核密封回轉接頭所受的軸向拉力和由載體管道作用下所產生的彎矩計算。這要求在確定肘型回轉接頭自身回轉摩擦阻力的前提下,計算出浮力作用下的堪口裝置及載體管道對密封接頭的彎矩數(shù)值,當此彎矩數(shù)值平衡或超過其內部摩擦阻力值時,方可應用。設計肘型回轉接頭的回轉力矩為Mn時,則其計算式為：
　　　　　　　Mn≤M_L1+M_L2+M_s(6)
　　式中 M_L1——下端載體管道合力對回轉接頭的彎矩值
　　　　 M_L2——上端載體管道合力對回轉接頭的彎矩值
　　　　 M_s——堪口及裝置合力對回轉接頭的彎矩值
　　上述3式均通過積分式的計算即可求解。

5 結語

　　由于自動浮動式水堪可達到出水連續(xù)、均勻的特征,且通過對堪口的調整可達到較大范圍的流量變化。故而,自動浮動式水堪還可用于許多工業(yè)污水排水量變化大、需進行出水調節(jié)的場合。
　　此項工藝機械設備的研究將對我國污水處理工藝水平的提高起到一定的作用。本文著重進行了對其機理的探討和相應的詩算分析。以供國內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。