（机械电子工程专业论文）机动车清洗污水循环处理装置的设计与研究.pdf

摘要 目前，我国大中城市洗车行业水资源浪费和环境污染现象十分严重，在 水资源严重匮乏的今天，洗车污水回用迫在眉睫。研制洗车污水回用设备， 循环处理使用洗车污水，是目前节约水资源和保护环境的有效措施。本课题 是结合黑龙江省科学院基金项目“机动车清洗污水循环处理装置”的研制任 务而进行的，在充分调研国内现有洗车污水回用设备现状的基础上，借鉴国 内外先进的污水处理技术，研制出了实用性强、自动控制、节水率高的机动 车清洗污水循环处理装置。 针对洗车污水的水质特点和洗车行的实际情况，确定装置的处理过程工 艺路线。本着高效、实用、经济的设计原则，在满足功能的前提下，将各工 艺的组成部件集成在有限空间内。机动车清洗污水循环处理装爱主要包括混 凝系统、气浮处理系统、电控系统、多级过滤器、灭菌器、清水槽、加热装 置、泵组、连接管路以及框架等。 机动车清洗污水循环处理装置的控制系统以可编程控制器( p l c ) 为核 心，其灵活的数字p 1 d 功能块与逻辑控制相结合，对流量、压力、温度、液 位、时间、电流和水质指标等过程参数进行在线测量与控制，实现水处理过 程的全自动控制，保证出水质量。 在控制系统中主要采用了三种控制方法：顺序逻辑控制、恒值控制和随 动控制方式。系统的主体控制采用顺序逻辑控制方式，按照工艺要求工作， 并实现装置的自动运行；加药过程采用随动控制方式，根据水质变化对加药 量进行自动调整，在保证混凝效果的前提下，节能降耗；气浮过程中压力和 进气量的控制采用恒值控制方式，使系统所需要压力和进气量保持恒定，以 获得气浮的最优效果。 最后，对使用机动车清洗污水循环处理装置处理后的出水水质进行了测 试和分析。实验结果及实践表明，该装置能有效地去除洗车污水中的污染物、 洗涤剂和异味。 关键词洗车污水；处理工艺；结构分析；控制方法 a b s t r a c t n o wt h ep r o b l e m so fw a t e rr e s o u r c ew a s t ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r e q u i t es e r i o u si nc a rw a s h i n gb u s i n e s si nm a n yc i t i e s a tp r e s e n tw a t e ri sa b s e n t ， s oi ti s v e r ye s s e n t i a lt od e v i s ead e v i c ef o rr e u s i n gc a rw a s h i n gw a s t e w a t e rt o s a v ew a t e ra n dp r o t e c tc i r c u m s t a n c e t h i s s u b j e c tg o e sa l o n gw i t h t h ef u n d s u b j e c to f h e i l o n g j i a n gp r o v i n c ea c a d e m y o fs c i e n c e s t h ep r o c e s si sb a s e do n t h ed o m e s t i cs i m i l a rf a c i l i t i e sa n du s e df o rr e f e r e n c et h ea d v a n c e d t e c h n o l o g ya t h o m ea n da b r o a d t h i sd e v i c eh a ss t r o n gp r a c t i c a b i l i t y , a u t o m a t i o na n dh i g h s a v e w a t e rr a t e a c c o r d i n g t ow a s t e w a t e rq u a l i t ya n dd e m a n do ft h e s ec a rw a s h i n gs t a t i o n s t h et e c h n o l o g yr o u t i n gi ss e tu p t h ed e s i g ni sb a s e do nh i g h e f f i c i e n c y , u t i l i t y a n de c o n o m y a l l c o m p o n e n t ss h o u l d b ea s s e m b l e di nl i m i t e d s p a c e t h i s d e v i c em a i n l yc o n s i s t so f c o a g u l a t i o ns y s t e m ，f l o c c u l a t i o ns y s t e m ，m u l t i - f i l t e r ， d i s i n f e c t i n gi n s t r u m e n t ，c l e a r w a t e rr e s e r v o i r ，h e a t e r ，p u m p s ，w a t e r - c i r c u l a t i n g p i p e sa n d f r a m e sa n ds oo n t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h i sd e v i c eu s e st h ep l ca st h eh a r d c o r e p l ci s s t r o n gi nl o g i cc o n t r o la n di sa b u n d a n ti np r o c e s sc o n t r 0 1 i tc a nm e a s u r ea n d c o n t r o lo nl i n et h e s e p a r a m e t e r s s u c ha s f l o w ，s t r e s s ，t e m p e r a t u r e ， h y d r a u l i c p o s i t i o n ，t i m e ，c u r r e n ta n dw a t e rq u a l i t yi n d e xa n d s oo n t h i sd e v i c e c a t lr u na u t o m a t i c a l l ya n di n s u r ew a t e r q u a l i t y t h i sc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h r e ec o n t r o lm o d e s ：t h ep r o g r a ml o g i cc o n t r o l ， t h ef i x e d - v a l u e a d j u s ta n dt h et r a c e c o n t r 0 1 t h em a i nb o d yo ft h i s s y s t e m a d o p t st h el o g i cc o n t r o lm o d e i tc a na c h i e v ea u t o r u no f t h ed e v i c ea c c o r d i n g t o t e c h n o l o g yn e e d t h ef o l l o w u pc o n t r o lm o d ei s u s e di nc h e m i c a ld o s i n g p r o c e s s t h eq u a n t i t yc a nb er e g u l a t e do nl i n ea c c o r d i n gt ov a r i a t i o n a lw a t e r q u a l i t ya n dg o o dc o a g u l a n te f f e c ti si n s u r e d t h ef i x e d v a l u ec o n t r o lm o d ei s a d o p t e di nf l o a tp r o c e s s t h ep r e s sa n da i r f l u xi sk e p tc o n s t a n t l ya n dt h eg o o d f l o a te f f e c ti sg a i n e d f i n a l l y ，t h ew a t e rq u a l i t yd i s p o s e db yt h i sd e v i c ei s t e s t e da n da n a l y z e d t h ep r a c t i c ea n de x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sd e v i c ec a ne f f e c t i v e l y w i p eo f f t h ep o l l u t a n t ，s c o u ra n dp e c u l i a rt a s t eo f t h es e w a g e 一l i k e y w o r d s c a r w a s h i n gw a s t e w a t e r ，d i s p o s a lt e c h n o l o g y ，m a c h i n e r ya n a l y s i s c o n t r 0 1m e t h o d i l l 1 1 课题研究的意义 第1 章绪论 水是人类赖以生存发展的基本资源，世界人口的迅猛增加和工业的高速 发展，导致水污染和水资源匮乏日趋严重。2 0 世纪世界人口增加了近3 倍， 淡水消耗量增加了约6 倍，其中工业用水增加了2 6 倍。而世界淡水资源总 量基本不变，使2 0 世纪末的人均占有水量仅是世纪初的l 1 8 ”3 。据报道， 目前世界上约有1 3 的人口面临供水紧张的威胁。 我国是一个缺水的国家，人均水资源占有量不足世界人均值的l 4 ，居 世界1 4 9 个国家的第0 位。在我国6 6 6 个建制城市中，有近4 0 0 个供水 不足，有l1 0 个严重缺水，每年因缺水影响的工业产值达2 0 0 0 多亿元”3 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国经济的迅速发展，一方面城市需水量大大增 加，供需矛盾曰益突出；另一方面污废水的排放量与日俱增，水环境污染严 重。目前水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素，今后经济 及人口的增长势必使水资源供需矛盾更加突出。 我国城市化进程的加快使汽车数量日益增长，洗车正在成为各大中城市 的热门服务行业。在美化市容和净化车容的同时，洗车也带来了明显的负面 影响：水资源浪费、环境污染现象十分严重。目前国内大多数车辆的清洗是 靠人： 和高压水枪完成的，水源为自来水，洗一辆车至少需用水0 ，0 ( 5 吨， 相当于一个人一天的生活用水量3 。据此推算，哈尔滨市目前有大小洗车行 近千家，按平均每个洗车行每天洗5 0 辆计算，每年用在洗车上的水量就达 1 0 0 ) j - 吨以上，相当于3 万居民一年的用水量。另外，洗车行排放的污水中 化学需氧量、石油类、阴离子合成洗涤剂等指标多数超过了污水综合排放 标准( g b 8 9 7 8 8 8 ) 中的二级标准，对环境造成了污染”3 。同时，洗车后 的污水里夹带大量泥沙，这些泥沙可能阻塞城市的排水管网，导致排水不畅， 雨季到来时，造成城市局部水淹”。 洗车造成了水资源的大量浪费，更增加了城市用水的负担。保护水资源， 提高水的重复利用率已成为全球共同关注的课题。因此，研制洗车污水回用 设备，循环处理使用洗车污水，是目前解决洗车行业水资源浪费和水环境污 染的有效措施。这对节约水资源，改善生态环境，保持国民经济可持续发展 具有特殊意义。 1 2 国内外洗车污水回用设备现状及分析 1 2 1 国外现状 ( 1 ) 国外大多采用中水洗车，通过区域性的中水处理系统对市政污水 进行集中处理，洗车行利用处理后的再生水洗车，洗车后的污水再统一处理。 美国有3 5 7 个城市实现了污水回用；r 本早在1 9 6 2 年就开始污水p l 用的实 践，7 0 年代东京、名古屋和大皈等城市就已将市政污水集中处理后再回用1 。 ( 2 ) 国外在洗车污水回用工艺与设备研究方面起步较早，所采用的处 理工艺主要有常规过滤、膜过滤及生物处理工艺或这几种工艺的组合。 德国k w - t e c 公司的w a s h t e c 洗车污水循环处理系统，见图i i 。它 依靠以b i o f i l m 过程为基础的纯生物性的水处理系统，诸如清洗剂等可溶解 物质都可进行生物转换，微小的矿物质残渣通过网状的分离器被滤除哺1 。 美国f r e y t e c h 公司生产的m o d e lf r1 2 f 型洗车污水循环净化设备，见 图1 2 。它主要依靠超精膜组过滤，其具有创新意义的物理性过滤系统，采 用模块化设计，多滤料吸附油污。能有效去除污水中的清洁剂、柴油、汽油 等碳氢化合物，提供了良好的水处理效果而不使用任何化学添加物”3 。 图1 1w a s h t e c 洗车污水循环 处理系统 图卜2m o d e l f r1 2 f 型洗车污水 循环净化设备 f i g 1 1 w a s h t e cc a rw a s h i n gw a s t e w a t e r f i g 一1 - 2 m o d e lf r1 2 fc a rw a s h r e c y c l i n gs y s t e m r e c l a i md e v i c e 美国p a ce n v i r o n m e n t a l 公司的m o d e lc w - m o d 型洗车污水过滤系统 和m o d e lc w - b b 洗车污水循环系统等3 ，见图卜3 所示。m o d e lc w - m o d 型洗车污水过滤系统主要包括膜组、复合过滤器、运行泵、供给泵和框架等， 它可以实现自动反冲洗，运行维护方便，无需添加化学药剂，体积小，可在 哈尔滨工业大学上学硕士学位论文 有限空间内安装使用。m o d e lc w - b b 沈车污水循环系统的组成较复杂，除 具有c w m o d 型的组成部分外，还包括离心分离器、氧化系统等，体积较 大，处理能力高，处理水质好，能提供一整套水质分析控制程序，全自动运 行，适用于大型洗车站点。 图卜3p a ce n v i r o n m e n t a l 公司的m o d e lc w - m o d 型和m o d e lc w - b b 型产品 f i g 1 - 3 m o d e lc w - m o da n dc w b bo f p a ce n v i r o n m e n t a l 。l n c 比较有名的还有美国联合公司生产的c l p 污水循环净化处理设备， n i e b e r g a l l 公司的洗车废水初沉一混凝一超滤装置，h y d r oe n g i n e e r i n g 公司 的废水过滤、废水循环系统等n ”1 。国外洗车污水回用设备的共同点是均采 用先进的工艺，自动化程度高，污水回收率高。但售价昂贵，而且由于水质 污染程度及污染物成分不同，有些运行参数有较大差别，使用和维修不方便， 不适合我国国情。 另外，白俄罗斯在洗车污水循环处理方面的某些工艺比较成熟，但其设 备体积庞大，价格较高，不适合我国一股规模的洗车行使用，而且尚未商品 化，无定型产品n “。图1 - 4 所示为白俄罗斯某研究所研制的沈车污水净化 设备。 i 2 2 国内现状 目前国内使用中水洗车的地区很少，仅在北京和天津市有少量洗车站点 在使用中水，用中水洗车普及推广困难的原因一是铺设再生水管线施工存在 一定困难，二是很多人对中水水质还存有不信任心理。为了顺应节水趋势， 图卜4白俄罗斯的洗车污水循环设备图卜5j x 一3 型洗车污水循环净化机 f i g 1 - 4c a r w a s h i n g w a s t e w a t e r r e c y c l i n gf i g 1 - 5 m o d e l , i x 3c a l w a s h i n g d e v i c eo fr u s s i a n w a s t e w a t e rr e c y c l i n ge q u i p m e n t 国内现有多种洗车污水回用设备，根据其采用的工艺可分为三种类型： ( 1 ) 采用的工艺为投药、沉淀、过滤，主要依靠过滤去除污物，其过 滤介质采用石英砂、活性炭、陶粒等，操作方式为手动控制。但是各工艺需 要经常反洗，否则各工艺的使用寿命将会缩短。依靠活性炭的吸附作用去除 水色和异味等，效果并不理想，而且由于活性炭的再生问题使运行成本大幅 度增高，在我国的使用受到一定的限制 t 2 o 代表产品有南京海天洗车设备 制造有限公司研制的j x 一3 型洗车污水循环净化机“”，见图l 一5 所示。 ( 2 ) 工艺中增加了曝气过程，半自动控制。通过曝气设备向污水中强 制性地供氧，使好氧微生物发生氧化作用，加速降解水中的有机物，可减少 异味“。但曝气需时较长，对水质和环境有要求，且不能有效除去污水巾 的浮油、洗涤剂和异味等。代表产品有上海立方同和环境科技有限公司研制 的l f 型机动车污水循环回用装置“，见图卜6 所示。 ( 3 ) 采用膜生物反应器处理技术，工作方式为自动控制。污水中的污 染物在生物反应器中通过微生物的生化作用被分解，再通过膜组过滤”“。 该工艺虽能达到良好的处理效果，但污水需停留2 - 4 小时才能充分反应，在 有限空间内处理能力较低，而且北方较低的温度也不适合微生物生长，实际 操作困难”。代表产品有上海安得利环境治理有限公司研制的a d l m x 沈 车废水回用装置“，见图l _ 7 所示。 可以看出，我国洗车污水回用设备采用的工艺正在不断改进完善。但据 我们实际调查发现，大部分设备尚处于“可用”阶段，距“好用”仍有相当 差距，由于水的回用率低或处理效果不佳等原因，被洗车行买回去后，有些 成了应付检查的摆设。我所研制的机动车清洗污水循环处理装置，工艺更加 哈尔滨= 业人学上学硕士学位论文 图1 6l f 型机动车污水循环回用装置1 7a d l m x 洗车废水网用装置 f i g1 - 6m o d e ll fv e h i c l ew a s h i n gf i g 1 - 7 m o d e ll fc a rw a s h i n gs e w a g e r e u s i n gd e v i c e w a s t e w a t e rd i s p o s i n gd e v i c e 先进合理，设计独特，占地面积小，体现了集成、高效、自动控制的特点， 能有效去除洗车污水中的洗涤剂和污染物，节水率高达9 0 以上，处理后的 水质达到生活杂用水水质标准对洗车用水的要求，属于节能环保产品。 1 1 3 课题主要研究内容 本课题是结合黑龙江省科学院基金项目“机动车清洗污水循环处理装 置”的研制任务而进行的，其主要内容如下： ( 1 ) 确定工艺路线借鉴国内外先进的污水处理技术，结合现有同类设 备的应用现状，并在已开发成功的i 型的基础上，确定更加适合我国北方地 区的合理的工艺路线及总体方案，形成独具特色的洗车污水循环处理技术。 ( 2 ) 机械结构设计将各工艺的组成部件集成在有限的空间内，在满足 功能的前提下，实现紧凑、合理的布置要求。本装置主要包括混凝系统、气 浮处理系统、电控系统、多级过滤器、灭菌器、清水槽、加热装置、泵组、 连接管路以及框架等。 ( 3 ) 控制系统的硬件配置按照所选工艺和控制要求设计一个完整的控 制系统，系统由电气元件、可编程控制器( p l c ) 、传感器、现场执行机构 及监测仪表等组成。 ( 4 ) 控制系统的软件设计采用可编程控制器作为核心处理器，编制程 序，对流量、压力、温度、液位、时间和水质指标等工作过程参数进行在线 测量与控制，实现水处理过程的全自动控制，为稳定处理水质提供一个满意 的解决办法。 ( 5 ) 控制方法研究系统主要采用三种控制方法：顺序逻辑控制、恒值 控制和随动控制。系统的主体控制采用顺序逻辑控制方式，按照工艺要求顺 序控制完成泵水、加药、混凝、气浮处理、过滤、灭菌和反冲冼等阶段操作 并循环工作，实现装置的自动化运行。加药过程采用随动控制方式，根据水 质变化对加药量进行自动调整，在保证混凝效果的前提下，节能降耗。气浮 过程采用恒值控制方式，对系统所需压力和进气量进行恒值调节，以获得气 浮的最优效果。 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 第2 章装置的过程研究 2 1 洗车污水水质分析 洗车污水中主要含有泥砂、油乳化液、悬浮物及洗涤剂等物质，当处理 后的洗车污水被反复用于洗车时，如果处理不彻底，还会产生某种特殊的气 味，并随着运行周期的延长，色度和异昧会加重，影响洗车。对哈尔滨市某 洗车行直接外排的洗车污水取样检测，主要污染物分析结果与国家杂用水标 准对照见表2 1 。 表2 - 1 洗车污水与国家杂用水标准对比 t a b l e2 - 1 c o m p a r i s o n o fn a t i o n a ls t a n d a r dw i t hc a rw a s h i n gw a s t e w a t e r 项目污水水质水质标准 d h 值 76 56 5 9 0 c o d r ，( m g l ) 2 4 45 0 b o d s ( m g l ) 3 4 61 0 阴离子合成洗涤剂( m g l ) 2 8o 5 s s ( m g l ) 8 55 浊度( 度) 4 55 石油类( m g l ) 1 25 总大肠菌群( 个l ) 93 色度( 度) 5 63 0 从表中可以看出，多项指标超标严重，若不经处理就直接排放，必然对 城市的水环境造成污染。 化学需氧量c o d c ，( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 是利用氧化剂( 重铬酸 钾) 将水中可氧化物( 如有机物、亚硝酸盐等) 氧化分解所吸收的氧量，它 是表示水质污染度的重要指标，其值越大，说明水质污染程度越重”。 生化需氧量b o d ( b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 是水中有机物由丁微生 物的生化作用进行氧化分解时所消耗水中溶解氧的总数量，其值越高，说明 水中有机污染物质越多，污染也就越严重。若这类污染物质排人水体过多， 将造成水中溶解氧缺乏，同时，有机物又通过水中厌氧菌的分解引起腐败现 象，产生甲烷、硫化氢、硫醇和氨等恶臭气体，使水体变质发臭。污水中各 种有机物完全氧化分解总共约需一百天，为了缩短检测时脚，一般生化需氧 量是以被检验的水样在2 0 下，五天内的耗氧量为代表，称其为血日生化需 氧量，简称b o d 5 ”“。 阴离子合成洗涤剂的主要危害是在水中会形成泡沫，阻碍水的天然和人 j i = 净化，降低氧在水中的溶解和传递速度。 悬浮性固体s s ( s u s p e n d e ds o l i d ) 是水中呈悬浮状态的固体，一般指用滤 纸过滤水样，将滤后截留物在1 0 5 温度中干燥称重后的固体重量。悬浮物 的存在会增加水的浑浊度，阻塞管道及设备，促进细菌和藻类的生长，影响 回用时的净车效果”。 浊度是对水的光传导性能的一种测量，其值可表征污水中胶体和悬浮物 的含量。浊度高会影响水体外观并阻碍光的穿透，进而影响水生植物的光合 作用，还会干扰净水处理时的消毒作用。 洗车污水中的汽油、柴油、润滑脂等石油类物质会使水中的c o d 、b o d ， 增大，导致生物降解过程缓慢、污染持续时间长，在水体中它们还会以薄膜的 形式覆盖在水面，阻碍水的天然净化和氧化；它们还会干扰洗车污水的循环 净化处理过程，给固体及悬浮物的过滤和沉降带来困难“。 大肠杆菌数反映水体受人和动物排泄物的污染程度，而沈车行业多是工 人徒手操作的，要回收利用，如果不进行消毒处理，就会影响工人及司机的身 体健康。 2 2 处理过程研究 洗车污水处理的目的就是要去除污水中的各种污染物，使净化后的水满 足洗车用水的水质要求。地域不同，洗车污水的水质会有所不同，所采用的 工艺也就不同。目前洗车行的分布比较零散，每一个洗车站点产生污水量比 较小，而且我国北方地区的洗车污水中泥砂较多，水的颜色较深，且环境温 度较低。针对洗车污水的水质特点，借鉴国内外先进的污水处理技术，并结 合现有同类设备的应用现状，考虑设备受洗车行空间和经济承受能力的限 制，确定更加适合我国北方地区的工艺路线，主要工艺流程见图2 1 。 ( 1 ) 自然沉淀首先，沈车污水经集水沟流入沉淀池内进行自然沉淀， 使那些密度大于水的悬浮物在重力作用下与污水相分离。洗车行内的集水沟 要尽量长，沟底要做成斜坡，以减缓水流。沉淀池的作用是比较关键的， 图2 1 工艺流程圈 f i g 2 - 1 t h et e c h n o l o g yf l o wc h a r t 污水在此如能得到合理的沉淀，会减轻后续过程的负担，提高处理效果”。 ( 2 ) 混凝沉淀经过沉淀的水被泵入絮凝池，并向污水中投加一定量的 混凝剂，通过快速混合，使药剂均匀分散在污水中，再通过脱稳、架桥等反 应过程，使污水中粒度在l n m 1 0 0 tm 的胶体和细小悬浮物聚集成具有可分 离性的絮凝体，通过沉淀从水中分离出去”。 ( 3 ) 气浮处理一般来讲，低浊度水的净化是较困难的事，由于水中胶 体杂质很少、凝聚碰撞的机会很少，比重又接近于水，因此不易形成絮粒。 即使形成，也轻而疏松，易破碎，且难沉，加大投药量也很少见效，而采用 气浮法，就能化不利因素为有利，使轻飘的絮粒迅速上浮分离n “2 “。 气浮法是将空气引入水中，在一定的压力下，使水气充分溶解达到饱和 而形成溶气水，然后通过溶气释放器瞬时消能减压释放出大量微细气泡，粘 附在已絮凝的物质上，将其浮托至水面，而达到固液分离净化水质的目的h “。 传统的气浮系统组成较复杂，且溶气水不稳定，去除效果不稳定。本装置中 引迸阿本先迸的气液混合技术，边吸水边吸气、泵内加压混合、气液溶解效 率高“”。此过程可加速沉淀，提高絮凝效果，有效降解b o d 5 、c o d 及油 污等污染物和去除异味。 ( 4 ) 过滤将经过前期处理的污水通过具有一定孔隙率的过滤介质，水 中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去，使污水得到澄清。本装置采用 多级过滤形式，实现不同滤材的分级组合，合理高效去除污物。一级过滤为 粗滤，以去除粗大的悬浮物，采用清理较容易，成本低的耗材。二级过滤采 用膜分离技术中的微滤，进一步去除水中的细菌和悬浮物等。膜分离技术是 利用特殊制造的多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定颗粒 大小的杂质h 。在压力驱动下，尺寸较小的物质可通过纤维壁上的微孔到 达膜的另一侧，而尺寸较大的物质则不能透过纤维壁而被截留，从而达到筛 分溶液中不同大小组分的目的。这些是传统的过滤( 如砂滤、多介质过滤等) 无法实现的。 ( 5 ) 灭菌处理消毒杀菌是水处理中不可缺少的处理手段，方法有很多 种。在洗车水处理方面目前使用较多的是在滤后水中加氯片，凭操作人员的 经验控制，效果不好。二氧化氯和臭氧是目前具有发展前途的消毒剂，但制 取较麻烦，而且杀菌需时较长。臭氧的发生和应用是一个高能耗技术，每产 生1 千克臭氧电耗高达2 2 k w ，这使广泛应用受到限制。对氯消毒来说，如 果水中含有大量的有机物，其产生的有机氯对人体有致癌作用，并且水中含 有的氯化合物在某些场合下，对水中生物、植物以及水环境产生危害n ”。 本装置中主要选用目前较先进的紫外线灭菌方法，其成本低、运行安全 可靠，无二次污染，广谱性高，杀菌率高达9 9 以上。紫外线照射灭菌法是 利用波长2 0 0 2 9 0 m m 的紫外线，透过细菌或病毒的细胞膜对控制着遗传现 象和生物机能的核酸( d n a ) 造成损伤，使它失去繁殖能力，从而达到杀菌 的目的，又不使水质发生变化，在极短时间内( 一般在1 s 以内) 进行一闪 性灭菌，效果良好“。而且，这种处理是在直管流通型的装置内完成的。 ( 6 ) 加热在北方寒冷的气候里用冷水洗车，冷水结冰后会包在汽车一 些重要部位，严重时造成汽车无法启动。而且，冷水只能冲掉车身上的浮尘， 而无法冲掉油污，还会使其固化，更加难以清除。本装置独有的高效恒温加 热系统，可对水进行加热。 ( 7 ) 污泥处置对于小型的洗车行，集水沟中的污泥和装置运行产生的 污泥需定期清理，由市政部门定期收集，进行统一处置。对于大型的洗车行， 由于污泥数量可观，可采取专门的污泥处理措施。 2 3 本章小结 本章分析了洗车污水的水质特点，并在充分考虑洗车行实际情况和用户 要求的基础上，确定了适合机动车清洗污水循环处理装置的处理过程工艺路 线，并对主要的处理过程工艺进行了简要分析和论证。 第3 章机械结构设计 3 1 设计能力确定和整体结构 由于洗车行分布较零散，每个洗车站点产生的污水量较少，因此，本装 置处理能力是根据目前般规模的洗车行的情况而确定的，有特殊要求者可 根据实际情况单独设计。 洗车用水量与车辆的清洗方式、车辆类型、车辆本底的清洁程度、清洗 周期及车辆使用季节等因素有关，对洗车行而占，洗车用水量与洗车行的规 模、洗车道的数量有关。在一个洗车道内，洗一台车大约用1 0 分钟，即一 小时可洗6 台车，使用高压水枪冲冼台车的耗水量是0 0 6 0 】吨，则每 小时的用水量是0 3 6 0 6 吨。目前新兴的电脑洗车速度较快，大约3 分钟 一辆，清洗一台车大约需水0 1 3 吨，用水量较大，但是电脑洗车行都设有 一个2 0m 3 的地下蓄水池，洗车水经过沉淀、多级过滤和除油等预处理后， 水质要比普通洗车行的水质好得多，更容易处理”“。经过充分调研和分析， 最后确定机动车清洗污水循环处理装置的处理能力为2 吨小时，各贮水 槽、泵组、过滤器等的设计和选型均以此为基础计算依据。 本着高效、实用、经济的设计原则，在满足功能的前提下，将各工序的 组成部件集成在有限的空间内，实现紧凑、合理的布置要求。外型要美观， 还要充分考虑安装和维护方便。装置主要原材料为a 3 冷轧薄钢板、方钢、 钢管及槽钢等，因工作环境湿度较大，为防腐防锈，装置关键部位采用不锈 钢材料，槽体等均做喷塑处理。本装置主要包括混凝系统、气浮处理系统、 多级过滤器、灭菌器、清水槽、加热装置、泵组、连接管路以及框架等，整 体布置图见图3 1 所示。本论文仅对混凝系统和气浮处理系统的设计加以研 究。 3 2 混凝系统的设计 混凝是污水深度处理的重要环节，直接决定着后续单元过程的运行工 况、处理费用及最终出水水质“。它包括混合、凝聚和絮凝三个过程，混 合是向水中投加药剂，使药剂均匀分散在污水中；凝聚是胶体颗粒脱稳碰撞 形成微粒的过程；絮凝是微粒在夕l - j j 扰动下相互碰撞，聚集而形成较大絮体 的过程“。混凝系统主要由贮药槽、高效混合器和絮凝池等三部分组成。 图3 1 整体布置图 f i g 3 - 1 s t r u c t u r es k e t c hm a po f t h i sd e v i c e 3 2 1 贮药槽的设计 混凝剂的投加分干投法和湿投法两种。干投法是将经过破碎易于溶解的 固体药剂直接投放到被处理水中，其优点是占地面积少，但对药剂的粒度要 求较高，投配量控制较难，机械设备要求较高。目前用得较多的是湿投法， 即先把药剂溶解并配成一定浓度的溶液后，再投入被处理的水中。”1 。我们 采用混凝剂湿投法，首先将粒状药剂溶解成浓药液，倒入贮药槽用自来水稀 释到所需浓度，再通过一个微型泵将药液输送到待处理污水中。贮药槽的容 积是按照装置的日需要量设计的，其具体计算如下： 矿：! ：! ! ! 塑：生 1 0 0 0 x1 0 0 0 c1 2 5 0 c 式中矿药槽容积( m 3 ) ； q 处理的水量( m 3 h ) ； a 混凝剂最大投加量( m g l ) c 药液浓度( ) ( 3 - 1 ) 贮药槽卜部为活动盖，自来水和配好的浓药液町从上部倒入。侧壁发有 观察窗，可随时了解药液情况。内装液位开关，当贮药槽内药液到达低液位 时发出“空池”报警信号，提示加药。贮药槽设有搅拌装置，目的是加速药 剂溶解速度及保持均匀的浓度，防止药液沉淀影响混凝效果。另外，为防止 产生虹吸现象，在输送管路中装有单向阀；为了能够在线调节加药量，在输 送管路中还装有电动调节阀。贮药槽结构示意图如图3 2 所示。 当l 正 # 洲i 1 l j 贮药槽 x - 0 8 一0 0 3 - 2 贮药槽结构示意图 f i g 3 2 s t r u c t u r es k e t c hm a po fc h e m i c a lr e s e r v o i r 3 2 2 高效混合器的设计 混合是絮凝的基础，要求快速剧烈的混合，以促进混凝药剂扩敝和压缩 水中胶体的双电层，使胶体脱稳。常用的混合设备主要有有水泵叶轮、静态 混合器、扩散混合器等。混合设备对水力条件、输入能量、混合方式要求比 较严格，设备、构造上的差异往往造成混合效果相差较大，单纯依靠理论计 算进行混合器设计，往往和预先设想结果有较大偏差，因而影响混合效果“。 我们借鉴了水射器和静态混合器的设计特点，在数次试验的基础上，研制出 了适合本装置的高效混合器，见图3 - 3 所示。 图3 - 3高效混合器不意图 f i g 3 - 3 s t r u c t u r es k e t c hm a p o f h i g n e f f i c i e n c ym i x e r 高效混合器的混合管是根据文丘里管原理设计的，由入口圆筒段、圆锥 收缩段、圆筒形喉部和圆锥扩散段组成 3 6 o 在圆锥扩散段装有锥形铝芯， 铝芯底部装有喷头，加药管接头和喷头都固定在铝芯上。锥形铝芯的作用是 使进入混合管内的水流再次增压，并沿锥线呈环状侠速喷出。喷头内有圆形 球，底部中心有一个直径为l m m 的喷射孔，其原理是在一定的水压力作用下， 将直流水利用离心搅拌或撞击原理将水分解成细小水滴而喷射出来，它喷射 出的水雾形成围绕喷头轴心线扩展的圆锥体。高效混合器安装在絮凝池进水 口处，带有压力的药液进入喷头后，在喷头内旋转并以雾状形式高速喷出， 在有限空间内与快速流动的水进行混合，并很快和水一起扩散到絮凝池中， 达到了高效混合的目的。 3 2 3 絮凝池的设计 水与药剂的混合作用完成后，水中胶体等微小颗粒已有初步凝聚现象， 产生了微小絮体，但还未达到自然沉降的程度。絮凝阶段的主要任务是，创 造适当的水力条件，使药剂与水混合后所产生的微絮凝体，在一定时间内凝 结成具有良好物理性能的絮凝体，它应有足够大的粒度( 0 6 - 1 0 m m ) 、密度 和强度( 不易破碎) ，并为杂质颗粒在沉淀阶段迅速沉降分离创造良好的 条件。絮凝设施要求有一定的停留时间和适当的搅拌强度，以使小絮体能相 互碰撞，并防止生成的大絮体沉淀，但搅拌强度不能过大，否则会使生成的 絮体破碎。 絮凝设旌主要设计参数为搅拌强度和絮凝时间“。搅拌强度用絮凝池 内水流的速度梯度g 表示，速度梯度是指由于搅拌在垂直水流方向上引起 的速度差与垂直水流距离间的比值，其公式为： g =( 3 - 2 ) 式中l 水的绝对黏度 ( 虹s ) m 2 ： p 水的密度( k g m 3 ) ； h 絮凝池的总水头损失，即水流通过絮凝池引起的能量消耗( m ) ； r 絮凝时间( m i n ) g t 值间接表示整个絮凝时间颗粒碰撞的总次数，可用来控制絮凝效果， 根据运行经验，其值一般应控制在1x 1 0 4 lx1 0 5 之间为宜。在设计计算完 成后，应校核g t 值，若不符合要求，应调整絮凝时间r 进行重新设计。 目前，絮凝池有多种形式，根据洗车污水水质、水量和布置要求等因素， 决定采用圆锥形涡流式絮凝池，絮凝效果好，水流停留时间短，容积小，便 于布置。涡流式絮凝池的平面形状为圆形，其下部为锥体，上部为柱体，如 图3 - 4 所示。水从底部进入向上扩散流动时，流速逐渐减小，形成涡流，这 种水流状态很适合绒粒的生长。另外，由于池子上部已聚集了较大的絮凝体， 当水流白下而上流动通过它们时，那些尚未被吸附的细小颗粒就易被吸附， 从而起到接触凝聚作用。 涡流式絮凝池的设计计算如下： ( 1 ) 已知设计水量q = 2 t h = 2 m 3 h ( 2 ) 圆柱部分横截面积a l 上部圆柱部分上升流速采用口l = 4 m m s ，则 a ：j l = 二= 0 1 4 ( m 2 ) ( 33 ) 。 3 6 v ，3 6 4 ( 3 ) 圆柱部分直径d l d 1 = 等= 1 y4 x 。0 。4 1 4 一0 4 z ( s 叫) ( 4 ) 圆锥部分底部面积a 2底部入口处流速采用p2 = o 5 m s ，则 磊 ，y 堕玺鎏工些盔主工主堡主主丝丝塞 1 一进水管2 一圆周集水槽3 一出水管4 一放水阀5 一过滤网 图3 4 絮凝池计算示意图 f i g 3 - 4c o m p u t a t i o n s k e t c hm a po ff l o c c u l a t i o nt a n k 爿，：羔一= l = o 0 0 1 1 l ( m 2 ) ( 3 - 5 ) 。 3 6 0 0 v 2 3 6 0 0 0 5 ( 5 ) 圆锥底部直径d 2 d 2 - 等= v 4 x 0 3 1 4 0 0 1 1 1 = 0 0 3 7 6 ( m ) ( 3 - 6 ) 采用d 2 = o 0 4 m ，则 圆锥部分底部实际面积一2 = o 0 0 1 2 5 6 ( m 2 ) 圆锥部分底部入口处实际流速 v ：旦：! ；0 4 4 2 ( m s ) 3 6 0 0 a 2 3 6 0 0 f f 0 0 1 2 5 6 ( 6 ) 圆柱部分高度阮 h ，：堕一0 4 2 0 2 1 ( m 1 22 ( 7 ) 圆锥部分高度日1 底部锥角采用0 = 4 0 0 ，则 即半c o s ( 8 ) 絮凝池容积v 口o 4 2 0 0 4 22 一1 6 ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) c 。8 t 4 0 。= 0 3 6 ( m ) ( 3 - 9 ) 矿= 三d ? ：+ 吾( d ? + d i d 2 + d 旭- 0 1 7 7 ( m3 ) ( 3l o ) ( 9 ) 絮凝时间t t 一6 0 v 皇坠! ：里：5 3 ( m i n ) ( 3 11 ) q 2 、7 ( 1 0 ) 水头损失h絮凝池中每米】：作高度的水头损失为h o = 0 0 3 m ，则 h = h o ( 日，+ h 2 ) = 0 0 3 r o 3 6 + o 2 1 ) = 0 0 3 o 5 7 = o 0 1 7 ( m ) ( 31 2 ) ( 1 1 ) g z 值7 ( 温m t = 2 0 。c 时，且= 1 0 2 9 1 0 4 ( k g s ) m 2 ，速度梯度为 拈嚣= k 等等毛娟舾1 ，仔t g t = 5 3 8 5 x5 3 x 6 0 = 1 7 1 1 0 4 ( 在1 1 0 4 1 1 0 5 范围内) 。 3 3 气浮系统的设计 气浮法主要用于分离水中轻质悬浮物，也可以让悬浮物粘附气泡，使其 密度小于水后再除去。气浮处理系统是该装置的核心部分，它在去除那些难 以沉淀的轻浮絮体、油污和洗涤剂等方面起着非常重要的作用，而且由于它 有曝气充氧过程，可以去色、嗅，增加水中溶解氧，能有效地去除有机物n 。 传统的气浮工艺通常用在大型的水处理系统中，其组成较复杂，占地面积大， 且处理效果不容易控制“”。我们在借鉴白俄罗斯洗车污水处理工艺的基础 上，引进消化日本先进的气液混合技术，经过多次试验改进，最终形成了适 用于该装置的气浮处理系统。 3 3 1 气浮工艺流程 气浮系统工作时，利用负压吸入气体，并利用高速旋转的泵叶轮将气液 进行混合搅拌，使难溶于水的气体与水进行均匀混合，并将混合后的溶气水 输送到气液分离罐内。在气液分离罐内，未溶解的空气自动排出，同时气液 分离罐保持0 3 - 0 4 m p a 的压力，将溶气水压入气浮槽，溶气水在气浮槽内 减压后释放出均匀的微小气泡，与悬浮物粘附在一起，使其比重轻于水面， 并浮至水面，通过排污机构将污物刮去，使水质达到净化的目的，气浮工艺 流程图见图3 - 5 所示。 哈尔滨= 业人学学硕士学位论文 图3 - 5 气浮工艺流程图 f i g 3 5 a i r f l o a tt e c h n o l o g yf l o w c h a r t 3 3 2 气浮系统组成 该系统主体为一槽体，其上盖装有直线往复式排污机构，用于定期清 除浮油和固体悬浮物；并设有特殊设计的双排污口，用来排放洗涤剂泡沫 和污物。槽体上部装有自动清洗装置，可利用自来水的压力使其正常工作， 对槽体内壁及时进行清洗。在槽体侧壁装有控制水位和水泵的液位传感器， 其高度可调，并有机械防护设施，以防止人工清洗内壁时碰坏传感器。槽体 底部设计为锥形，装有放水阀，可方便排放污泥和清洗后的污水。为了防 止进口区水流对颗粒上浮的干扰，在气浮槽的底部设置隔板，使已附着气 泡的颗粒向槽表面浮升。隔板前面的部分称为接触区，隔板后面的则称为 分离区。接触区隔板下端的水流上升速度高，隔板上端的上升速度则较低， 水在接触区的停留时间不少于3 分钟，分离区的作用是使附着