（机械设计及理论专业论文）废水一体化处理设备的设计与研究.pdf

废水一体化处理设备的设计与研究 摘要 随着工业的不断发展，环境污染已经成为摆在人类面前的一个重大问 题，而水资源作为人类生存和生活中不可缺少的物质和原料也日益紧缺。因 此，对部分废水进行深度处理，回用部分水资源，设计出一种废水一体化处 理设备显得尤为重要。 废水一体化处理设备是以工业废水、生活污水以及小型河流湖泊水等为 处理对象，以各种水处理工艺为基础，将多种经分析比较、优化配置的处理 工艺综合到一个整体装置中的水处理集成方案。一体化废水处理设备实现了 废水处理技术的集成化，使原本单一的技术集成到一个设备中，从而更加合 理的对废水进行处理。 通过对多种水处理工艺的比较，以及对国内外多种一体化水处理设备的 分析，并且根据某造纸企业对废水处理的要求，本文提出了集絮凝一沉淀一 过滤工艺为一体的水处理设备具有投资少、占地面积小、处理效果较好及操 作方便等优点。同时，根据模块化设计的理论，本文提出在一体化设备中可 根据水质的不同集成生物处理模块一氧化沟处理模块。生物处理模块可以与 物化处理设备实现无缝集成，提高了一体化设备的通用性。 根据水处理理论，本文对废水一体化处理设备进行了详细的结构分析与 设计计算，特别是对氧化沟、絮凝池、沉淀池、过滤池以及反冲洗装置等进 行详细设计，同时，对附属装置和元件进行了选择和介绍。 传统水处理设备设计过程包含大量重复性的过程，针对这种情况，本文 根据参数化设计理论，提出了废水一体化处理设备计算机辅助设计。文章详 细介绍了废水一体化参数化设计的具体实现方法和详细步骤。以c a d 支承 软件p r o e 为开发平台，以v c + + 6 0 作为开发语言，利用m f c 开发软件界 面，应用p r o t o o l k i t 驱动参数化模板，实现p r o t o o l k i t 与p r o e n g i n e e r 系统 的无缝集成，以实现废水一体化处理设备的计算机辅助设计，从而实现p r o e 二次开发，设计出适用于废水一体化处理设备的c a d 软件。通过对废水一 体化处理设备零部件进行参数化设计，可以大大简化产品的设计过程，缩短 了设备的开发周期，提高了企业对市场变化的响应速度。 本文采用a n s y s 有限元分析软件对废水一体化处理设备的相关部件进 行分析，得出位移等值图和应力等值图，并进行了分析。 关键词：水处理，一体化处理设备，模块化设计，参数化设计，p r o e 二次 开发，a n s y s 分析 r e s e a r c ho n t h ei n t e r g r a t e de q u i p m e n t f o rw a s t 、7 i 硝j ：e rt r e a t m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y t h ee n v i r o n m e n ti s s u eh a sb e e nas e r i o u s p r o b l e m i nf r o n to ft h e h u m a n e s p e c i a l l yt h ew a t e rr e s o u r c e ，w h i c hi s c o n s i d e r e da st h em a i nm a t e r i a l sf o rh u m a n b e i n g s l i f e ，i sb e c o m i n gs h o r t e ra n d s h o r t e r i no r d e rt ot r e a tp a r to fw a s t ew a t e rf u r t h e ra n dm a k ef i l uu s eo fc e r t a i n q u a n t i t yo fw a t e r , i ti sv i t a lt od e s i g nak i n do fe q u i p m e n tw h i c h c a ns a t i s f yt h e n e e d so fi n d u s t r y n ei n t e g r a t e de q u i p m e n tf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sa l li n t e g r a t i o np r o j e c t w h i c ht a k e st h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e r ，l i f es e w a g ea n ds o m em i n i t y p el a k e so r r i v e r sw a t e ra st h eo b j e c t ，b a s e so na l lk i n d so fd i s p o s a lp r o c e s s e s ，a n di n t e g r a t e s s o m ep r o c e s s e sw h i c ha r ea n a l y z e d , c o m p a r e da n do p t i m i z e d t h ee q u i p m e n t r e a l i z e st h ei n t e g r a t i o no fp r o c e s s e sa n dm a k e si tp o s s i b l et ot r e a tt h ew a s t e w a t e r e f f i d e n f l y c o m p a r i n gw i t h s o m ek i n d so ft r e a t m e n t p r o c e s s ，a n a l y z i n g s e v e r a l i n t e g r a t e de q u i p m e n ti nc h i n aa n da b r o a d ，a n di n o r d e rt om e e tw i t ht h e e n t e r p r i s e sn e e d s ，i ti sp o i n t e do u t i nt h et h e s i st h a tt h ei n t e g r a t e de q u i p m e n tf o r w a s t e w a t e rw h i c hi n t e g r a t e st h ef l o c c u l a t i o n ，d e p o s i t i o na n df t l t r a t i o n ，h a saf e w a d v a n t a g e ss u c h a sl e s si n v e s t m e n t ，l e s sr o o mo c c u p i e d , m o r ee f f i c i e n t l y t r e a t m e n ta n dl e s sc o m p l e x i t yo no p e r a t i o n a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h e m o d u l a r i z a t i o nt h e o r y ，i ti sa l s oi n d i c a t e di nt h et h e s i st h a tt h eb i o l o g i ct r e a t m e n t p r o c e s s - - c a r r o u s e l o x i d a t i o nd i t c h ，c a l lb e i n t e g r a t e d i nt h e e q u i p m e n t a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tw a t e rq u a l i 哆i tc a ni m p r o v et h ev e r s a t i l i t yo f i n t e g r a t e de q u i p m e n tt h r o u g hi n t e g r a t i o n o ft h e b i o l o g i c a n d p h y s i c a l m o d u l a r i z a t i o n s a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h ew a t e rt r e a t m e n tt h e o r y ，a l lp a r t so ft h ee q u i p m e n t i n c l u d i n go x i d a t i o nd i t c h ，f l o c c u l a t i o np 0 0 l ，d e p o s i t i o np o o r ，f i l t r a t i o np o o ra n d b a c k w a s h i n gs e c t i o n ，a r ec a l c u l a t e dc a r e f u l l y ，a n dt h es u b s i d i a r yp a r t s e l e c t i o n i sa l s oi n t r o d u c e d m t h e r ea r em a n yr e p e a t e dw o r ki nt r a d i t i o n a lw a s t e w a t e re q u i p m e n td e s i g n i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m , t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n f o ri n t e g r a t e d e q u i p m e n ti sp u tf o r w a r di nt h et h e s i sa c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r i z a t i o nt h e o r y t h ed e t a i lo fd e s i g na n ds t e p sa r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s u s i n gt h ep r o ea st h e d e v e l o p m e n tf l a tr o o fa n dt h ev c + + 6 0 弱t h ed e v e l o p m e n tl a n g u a g e t h em f c i su s e dt od e v e l o pt h ei n t e r f a c eo fc a d m a t c h i n gw i t ht h ep r o t o o l k i tt od r i v e t h ep a r a m e t e rm o d e l s i nt h i sw a y ，an e wt y p eo fc a ds o f t w a r ei sd e v e l o p e d w h i c hi sc a l l e ds p e c i a l ，a p p l i e ds o f t w a r e t h ep a r a m e t e rd e s i g no fi n t e g r a t e d e q u i p m e n to f w a s t e w a t e rc a n s i m p l i f y t h e d e s i g np r o c e s s ，s h o r t e n t h e d e v e l o p m e n tc y c l ef o rp r o d u c t i o na n di m p r o v et h ee n t e r p r i s e sv e l o c i t yo f r e s p o n s et ot h ec h a n g i n gm a r k e t t h e r ea r es e v e r i o u ss i g n i f i c a n tp a r t sw h i c hn e e dt oc h e c ki nt h ei n t e g r a t e d e q u i p m e n t t h es o f t w a r e a n s y si su s e dt o a n a l y z et h ek e yp a r t s i nt h e t h e s i s t h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sa l ef o r m e di nt h ep i c t u r e sa n dt h er e s u l t sa r e a n a l y z e d k e y w o r d s ：d i s p o s a lp r o c e s s ，i n t e g r a t e de q u i p m e n tf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ， m o d u l a r i z a t i o n t h e o r y ，p a r a m e t e r i z a t i o nt h e o r y ，s e c o n dd e v e l o p o f p r o e , e l e m e n ta n a l y s i s i v 废水一体化处理设备的设计与研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：参煮胡 日 期：2 q q z 生主屋 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 一糊：碑栅戥铷期：一 废水一体化处理设备的设计与研究 l 绪论 1 1 水资源污染及防治 水是自然界的主要元素，它以液态存在于地球上，和空气一样是生物圈维持发展的 命脉，在人类发展过程中起着特有的作用，是人类赖以生存的基础。地球水的总量约有 1 4 亿k m 3 ，如果全部铺在地球表面上，水层厚度可达到约3 0 0 0 米。海洋中聚集着绝大 部分水，占地球总水量的9 7 2 ，它覆盖着地球表面7 0 以上。淡水只占总水量的2 5 3 ， 且主要分布在南北两极的冰雪中。世界淡水资源在时间和空间上极不平衡，使有限的淡 水资源不能被充分利l l j 。 随着人口的增长、工业的发展，水资源不断受到水体污染、水质恶化的严重威胁。 水体污染物主要包括有毒有机物、无毒污染物以及其他污染剜2 】。2 0 世纪5 0 年代以来， 由于世界各国偏重经济的发展，致使水污染范围不断扩大，污染程度也日益严重，水体 污染达到空前的程度。据统计p 棚：世界每年增加废物约2 0 0 亿吨，2 0 3 0 亿吨为工业 废物，约4 6 亿吨为危险废物，其中工业国家占到9 0 ；液体废物按体积衡量每年排 放5 0 0 亿0 ；每天有2 0 0 万吨垃圾被倒进江河湖泊中，每1 l 废水正在污染8 l 淡水。 在美国，1 9 9 8 年评估的有水资源的地方已经有4 0 的面积被加工食品的废料、金属、肥 料和杀虫剂污染。欧洲5 5 条大河中现在只剩下5 条河流尚未被污染。我国水体污染迅速 蔓延以及自然生态的日趋恶化，主要是从踟年代开始的，目前的状况是：局部有所控制， 总体仍在恶化，前景令人担心。2 0 0 3 年，我国工业和城镇生活废水排放总量为4 6 2 7 亿 吨，比上年增加5 3 。其中工业废水排放量为2 1 5 8 亿吨，比上年增加3 9 ；城镇生活 污水排放量2 4 6 9 亿吨，比上年增加6 3 。废水中的化学需氧量( c o d ) 排放总量1 3 0 5 1 万吨，比上年减少4 5 ，。其中工业废水中c o d 排放量5 5 2 5 万吨，比上年减少5 4 ； 城镇生活污水中c o d 排放量7 5 2 6 万吨，比上年减少3 9 1 9 1 2 1 。 综上所述，水资源污染已经成为一个全球性的问题。因此，水资源保护势在必行。 在发展经济的过程中，要杜绝先污染后治理的发展模式，将水资源保护提升到一个战略 的高度。水资源保护从原始的自觉性保护已经上升到从法律的高度来约束保护水资源的 行为。美国从3 0 年代开始就已经出现水资源保护的相关法律，虽然各个州之间并没有统 一的法律，但是总的目标是一致的。在联邦政府的环境法前提下，各个州都采取了得力 的措施i 廿】。我国在保护水资源立法方面也作出了一定的工作，已经有水法、水污 染防治法等行政法规，但是作为中国最严厉的刑法中并未出现相关条例，近年来相应 工作正在进行【1 4 1 。新的法律的实施能够使全社会意识到水资源保护的重要性，能够从根 本上约束企业以及个人的行为。同时，新的水处理技术的发展，使得部分经处理的水能 够回用，提高了水资源利用率，节约水资源。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 一体化废水处理设备发展现状及展望 1 2 1 一体化废水处理设备发展现状 根据2 0 0 5 年中国统计年鉴统计，我国2 0 0 0 2 0 0 4 年排放污水总量从4 1 5 亿吨增长 到4 8 2 亿吨，年均污水排放增长率为3 8 。其中工业废水约占4 6 ，生活污水约占5 4 。从数字显示，五年来工业废水和生活污水所占比例变化不大，但是我国污水排放量 成逐年增长趋势。未经处理或处理不得当的废水直接排放到自然中严重影响了环境卫生， 威胁人们的饮水安全。因此国家对治理废水投入了大量的资金：从2 0 0 0 年到2 0 0 4 年分 别为1 0 9 6 、7 2 9 、7 1 5 、8 7 4 和1 0 5 6 亿元，但是水处理行业仍然存在非常大的资金缺 口。近年来，废水处理设备朝着小型化的方向发展，一体化废水处理设备应运而生。目 前在欧美、日本等国家和地区一体化废水处理设备已经广泛应用于城市生活用水处理和 工业用水处理。我国在这方面也取得了较大的成绩，出现了许多一体化处理设备，由于 其投资少，运作和管理方便，费用低，从而缓解了水处理行业对水处理设备的资金压力。 一体化废水处理设备逐渐成为水处理中一个新的研究热点。 一体化废水处理设备具有很多优越性： a 减少资金投入 一体化废水处理设备基本上可以满足生活小区以及中小企业的废水处理要求，具有 投资少、见效快、操作简单、不需对操作人员进行专门培训等优点。对国内企业来说， 不失为一种合理的废水处理方法。， b 节约建筑空间 大型的污水处理厂或车间需要占用大量的建筑面积，增加企业负担。一体化设备则 不需用大量土地，许多设备可以采用地埋式，节约了空间，同时也对生活区或者景区不 造成景观破坏。 c 合理回用废水 随着生活和工业用水的逐渐增多，水资源的匮乏是人类必须面对的重大问题。未经 过处理的废水直接排放到自然中造成严重的环境污染。处理后的废水大部分可以重新利 用，节约了水资源。一体化设备由于不需要大规模的管道布置，可以更加灵活地布置水 回用节点，较大型传统的水处理设备更具优势。 d 集成水处理技术 一体化废水处理设备实现了废水处理技术的集成化，使原本单一的技术集成到一个 设备中。随着国家和企业对废水处理要求的逐渐提高，一体化设备的集成度也会越来越 高，将推动废水处理技术的进步。 国外一体化废水处理设备的发展介绍如下： 国外很早就提出了废水处理设备一体化的概念，指出一体化设备就是可以在同一地 2 废水一体化处理设备的设计与研究 点处理各种各样的废水，并且处理过程中的各个步骤所需的设备具有普遍性，并且指出一 体化设备是最具经济潜力的废水处理系统。 在设备一体化的趋势下，许多国外的设备专家设计出新的污水处理设备，这些设备 结构紧凑、零件标准化并且装配方便。一些学者正在努力把集中不同的废水处理工艺集 成到新产品中。美国p r i s t i n e 公司开发的p r i s t i n e a q u a r i u s 废水处理系统1 1 5 1 ，是一个简 易，轻便和高效的废水处理设备。德国普罗名特流体控制有限公司( p r o m i n e n t d o s i e r t e c h n i kc - m b h ) ，成功开发的以膜过滤系统为基础的污水处理设备，包括反渗透、 超滤、微滤等设型1 6 1 ，主要处理水中的颗粒物，不溶物或无机盐类浓度要求苛刻的行业， 如电子、电力、酿造和饮料等。 国外现代化一体化废水处理设备具有设备标准化、定型化、系列化和成套化等特点， 已经形成门类齐全、商品化程度高的产业。各个处理单元如沉淀、过滤等，形成专业化 生产；与处理设备配套的各种泵，阀门等已经形成专业化设计；同时由于对水质标准要 求的提高，消毒设备也有相当程度的发展。 近年来，国内对一体化废水处理设备进行了很多的研究，取得了较大的技术和理论 成果1 1 。1 。在城市污水处理设备、工业废水处理设备及小型江河湖泊水处理设备等方面取 得了一定的成果。国内一体化废水处理设备的发展主要有一下几个方面： a 城市污水处理设备 随着我国城镇人口迅速增加，城镇需水量急剧递增。预计到2 0 1 0 年，我国城镇需水 量将增加到1 0 0 0 亿吨以上。根据“十五”规划及有关规定，到2 0 1 0 年，城市污水处理 率不得低于6 0 。要达到这一目标，我国须新增污水处理厂近1 0 0 0 余座，总投资高达 2 0 0 0 至3 0 0 0 亿元1 “。 在国家迫切需要治理废水的大环境下，国内出现了许多用于处理城市生活废水的一 体化设备。张秋跃等开发了用于生活小区的一体化水处理设备1 1 9 1 ，采用悬浮填料和潜水 曝气技术，对c o d 的去除率可达8 0 以上，并且解决了噪音对周围环境的影响，安装 维护方便，其工艺流程图如图1 - 1 所示； 另外一种设备是一体化地埋式生活污水处理设备，它是以a o 生化工艺为主，集生 物降解污水沉降、氧化消毒等工艺于一体的生活污水及类似生活污水的工业废水处理设 备。地埋式生活污水处理设备结构紧凑、占地少，全部设置于地下，运行经济，抗冲击 浓度能力强，处理效率高，管理维修方便。 经过“九五”和“十五”期间的努力，我国在城市污水处理技术方面取得了较大的成就， 攻关成果丰硕，与国际上的差距已经缩小。近年来，城市污水处理设备向大型化发展， 这势必给废水处理行业带来新的机遇与挑战。 b 工业污水处理设备 3 陕西科技大学硕士学位论文 污水 一体化处理设备 f 廿罔 t+ 画，圃 图1 - 1 生活小区废水一体化处理工艺 f i g 1 - 1 t h e p r o c e s s o f i n t e r g r a t e dw j 峙t e w a 位r i r e a t m e n te q u i p m e n t o f l i f es e 商o d 随着工业的发展，工业废水也成为摆在人们面前的一个大问题。尤其是在化学工业、 石油化工、轻纺、制药、食品和造纸等行业中，所排放的废水具有种类多、成分复杂、 c o d 浓度高、可生化性差和有毒害等特点，如果不能进行有效的处理，将会对环境产生 十分严重的污染和破坏唧1 2 n 。以造纸行业为例：目前，我国各类造纸企业约有5 6 0 0 家， 企业平均规模年产约6 0 0 0 吨。年生产能力万吨以上造纸企业1 1 8 0 家，占总生产能力的 7 8 ，其中年生产能力3 万吨以上造纸企业1 9 0 余家，占总生产能力的3 7 ，生产能力 1 0 万吨以上造纸企业3 5 家，占总生产能力的1 8 2 2 。造纸行业的废水污染是废水处理 的重中之重。一体化处理设备在造纸行业废水处理中发挥着越来越大的作用。 近年来国内工业废水一体化处理设备取得了较大的成绩。例如：f l y - 1 型一体化净 水器例，它是将漩流网格絮凝、小间距斜板沉淀、非溢流滤池等技术有机地集合在一起， 具有出水水质稳定、能耗低、占地面积小、造价低、操作简单等优点。其工艺流程如图 1 2 所示： 原 图1 - 2f l y - 1 型一体化净水器处理工艺 f i g 1 - 2t h ep r o c e s so fi n t e r g r a t e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n te q u i p m e n to ff l y - 1 4 废水一体化处理设备的设计与研究 李培红等i 刎利用团聚( 水中造粒) 理论研究的新型净水设备，用来处理高浊度水。 试验证明这种设备具有水力负荷高、产水量大、出水水质好、制造成本低和运行管理方 便等优点。为缓解山西省地区自然水资源缺乏，矿业需水大，污染严重的现状，韩松等 1 2 5 】研究了一种一体化设备来处理酸性矿井废水，经山西省某煤矿试验表明这种设备处理 可靠、稳定，操作简单，可进行模块化设计，可成为酸性矿井废水处理的专用设备。其 工艺流程如图1 - 3 所示： 图1 - 3 酸性矿井废水一体化处理工艺 魄1 - 3t h ep r o c e s so f i n t e g r a t e de q u i p m e n tf o r w a s t e w a t e r 在冶金等行业，来源于电镀、冶金加工件的预处理工段的洗酸废水，具有很强的腐 蚀性，影响生态平衡，着不经过处理直接排放会严重影响周围环境。黄桂强等i 硐研究的 一体化净水器，在洗酸废水处理过程中有广泛的应用。它是由中和、氧化、沉淀和过滤 四部分构成的，其工艺流程如图1 - 4 所示。 废水+ 格栅 f i 9 1 - 4t h ep r o c e s so fi n t e g r a t e de q u i p m e n tf o rw a s t e w a t e r 6 陕西科技大学硕士学位论文 在石油、天然气开采钻井过程中所产生的废液具有数量较多，成分复杂，c o d 高等 特点，如果不经过处理直接排放，将对环境造成严重的污染。在考虑了国内现有的技术 及经济条件后，国内开发了“钻井废液一废水处理一体化设备”撬装式设备口”。此设备 具有运行费用低、管理操作方便、占地小、性能可靠等优点。在医学领域，开发了混凝 与好氧膜处理一体化处理环吡异喹酮废水设备幽l ，此设备具有无二次污染、有用物质回 收利用、操作费用低和设备无腐蚀等优点。 工业废水一体化处理设备随着工业技术的进步，逐渐趋于专业化和成套化。但是国 内设备的机、电、仪一体化程度低，限制了设备向高科技方向发展。 c 小型河流湖泊污水处理设备 2 0 0 4 年七大水系中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 8 、 3 0 3 和2 7 9 ，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河水质差。主要污染指标为 氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。在4 7 个重点城市中，饮用水源地水 质达标率为1 0 0 、9 9 9 8 0 、7 9 9 6 0 、5 9 9 o 1 和0 的城市分别为2 5 个、8 个、3 个、1 0 个和1 个f 2 9 i 。因此迫切需要一批具有高技术含量的废水处理设备来 处理污染较为严重的河流与湖泊，确保城市饮用水来源的安全。国内在这方面也作出了 一定的成绩。 其中，j s 系列一体化净水器采用综合反应、沉淀和过滤三个净水工艺于一体，具 有机构紧凑、管理方便、占地少、工程基建小、投产快、易组合等特点。常用于以江河、 湖泊等地表水为水源的生活饮用水，同时也可以用于工业用水的浊度净化，以及生活污 水、工业废水的深度回用处理。国内的北京佳业天成高新技术有限公司主要从事景观水 及中小河流湖泊直接净化成套技术设备的研究，开创了河流湖泊景观水的“直接净化” 观念，成功开发了中小型河流湖泊景观水直接净化系统达到国际先进水平，填补了国内 市场在这方面的空白。 虽然国内处理江河湖泊水一体化设备技术得到了很大的进步，但是仍然存在着许多 急需解决的问题。例如，邬象牟研究的k g - l 型一元化净水器p 1 1 ，由于器布置紧凑、体 积小、操作简单、运输方便等优点非常适合小型供水水厂。但是由于其存在较大的问题 在使用上又受到了很大的限制，例如由于其集泥槽容积过小、高度不够限制了设备的处 理悬浮物使用范围；由于絮凝设备的缺陷造成反应不充分，从而加大了投药量和沉淀效 果不好；同时在沉淀池排泥、滤池滤料组成以及滤池调节等方面都存在较大的问题。 中小型河流湖泊地表水是人们生活用水的直接来源，是人们赖以生存的根本，做好 其水处理是关系到人民健康生存的大事。这就需要更多的现代化的污水处理设备，一体 化废水处理设备显然在这方面具有一定的优势。 6 废水一体化处理设备的设计与研究 1 2 2 一体化废水处理设备发展趋势 一体化水处理设备与传统的废水处理设备相比，具有良好的经济性，广泛的适用性。 随着污水处理设备生产的专业化，废水一体化处理设备将会更广泛地应用于城市废水处 理、部分工业废水处理以及小型河流湖泊水处理中。 在废水一体化处理设备的发展同时也出现了一些支持整个设备的软件包【3 2 】，从软件 上提高设备的自动化程度，减少人干预程度。 在废水一体化处理设备设计的过程也发生了很大的变化，出现了一体化设备的计算 机辅助设训期，从而使产品的设备更加合理，缩短产品开发与更新的周期。 一体化设备将朝着更高集成方向发展，有部分单位已经开始了物化，生化相结合的一 体化设备研发和应用瞪l ，但设备尚不成熟。完全采用物化方法的设备已经见诸报道，如 s p r 设备，但是其存在着产泥量大等缺点。因此，一体化高度集成化将成为水处理技术 前进的方向。因此，今后一体化废水处理设备将高度集成化，软件与硬件互为补充，设 计、制造、模拟与分析一体化。 1 3 本课题的研究目的及内容 1 3 1 本课题研究的目的、意义及结论适用范围 造纸工业废水的污染已经是世界公认的“六大”公害之一，对环境的污染主要为废 水、废气、废渣、噪声和恶臭。其中废水的污染量最为严重和复杂，这是由于造纸工业 废水排放量大，又含有大量的纤维素、木质素、无机碱以及丹宁、树脂、蛋白质等l ， 致使废水色度深、碱度大，难降解物质含量高、耗氧量大，造成水体污染和生态环境的 严重破坏，多年来一直是困绕世界各国造纸工业和环保界的难题，也是研究的重点。 目前我国有大中小型纸厂总数1 0 0 0 0 余家，年排放废水量高达4 0 多亿n 1 3 ，占全国 废水总排放量的十分之一，造纸废水中的b o d 5 年排放量2 0 0 多万吨，占全国废水总排放 中b 0 现的2 5 1 3 6 1 。因此，如何应用造纸废水治理技术，化害为利，回收、回用资源， 促进生态环境保护与造纸工业可持续发展，具有重要的现实意义。为了更好地适应现代 造纸工业的需要，更好地解决造纸工业污染所带来的不良影响，研究一种新的污水处理 工艺组合及新型造纸污水处理设备并对其进行分析实验具有一定的研究意义和现实意 义。 本课题来源于横向项目，主要目的是根据企业的实际要求，设计研究一种一体化废 水处理设备，其处理能力约为2 0 0 0 t - - 3 0 0 0 t d ，基本上能够满足中小型造纸厂的需要。 本课题所研究的废水一体化处理设备，虽然是为解决中小型造纸企业的废水处理问 题，但是也可以用于生活用水( 例如生活小区废水) 处理，城市废水处理，污染较轻的 河流湖泊的水处理。因此所设计研究的设备应具有较普遍的应用价值。 彳 陕西科技大学硕士学位论文 1 3 2 本课题研究的主要内容 a 通过对现有废水处理工艺及处理方案的分析，结合厂家对废水处理的要求，对废 水处理工艺进行优化组合，寻求一种将若干处理工艺集成到一个设备中，能够有效处理 废水的一体化水净化工艺。 b 根据a 中拟选用的废水一体化处理工艺，设计出废水一体化处理设各的各个机 构，同时对相关结构进行详细分析及设计计算。 c 根据水质不同，拟对需要生化处理的废水设计生物曝气处理模块，实现与b 中所 设计各部分的集成，根据模块化设计理论实现废水处理设备的一体化。 d 基于p r o t o o l k i t 开发平台，利用v c + + 6 0 实现废水一体化处理设备的参数化设 计，初步设计出适用于废水一体化处理设备设计的c a d 软件，提高产品的设计质量， 缩短产品开发周期。 e 根据有限元原理，利用a n s y s 有限元分析软件，对废水一体化处理设备中的有 关部件进行有限元分析。 1 3 3 本课题所需的核心理论及技术 a 水处理相关理论 b 模块化设计理论 c 参数化设计理论 d 有限元分析理论 e 人机交互界面设计 废水一体化处理设备的设计与研究 2 废水一体化处理设备设计理论 2 1 模块化设计 2 。1 1 模块化设计基本概念【3 7 l 模块化的概念由来已久。人类的语言无论其表达能力多么丰富，都是由有限的音节 构成的；再用有限的字符记录下来就构成了描述不同对象的文字系统。这里音节和字符 就是基本模块。通过基本模块的排列作合就构成了丰富万千的不同系统。到2 0 世纪5 0 年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”的概念，把模块化设计提到理论高度来研 究。目前，模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机等 等。在每个领域，模块及模块化设计都有其特定的含义。 模块化系列机械产品的设计是工业发达国家近二十年来一直采用的一种先进的机械 产品设计方法，它将系统根据功能分解为若干模块，通过模块的不同组合得到不同品种和 不同规格的产品，在实际机械产品的设计与制造时，模块化系列机械产品的设计还应用 了c a d 技术、成组技术、柔性加工技术等先进技术，可将产品中同一功能的单元设计 成具有不同性能、可以互换的模块，而选用不同模块，就可组成不同类型、不同规格的 产品。由于采用了模块化系列机械产品的设计，因此产品的精度高、性能稳定、结构简 单、成本低廉。显然，为了保证模块的互换，必须提高其标准化、通用化和规格化的程 度吲。 早在2 0 世纪7 0 年代，法国的p o t a i n 公司、瑞典的l i n d e n 公司以及德国的i j e b h e r r 公司等就将模块化设计的方法应用到塔机产品的开发过程中，用有限的模块组合成适用 于各种具体施工需要的塔机。例如，瑞典的l i n d e n 公司采用6 1 个标准模块和一些非模 块零部件，经过选择理论上可组合成4 万多种不同性能的回转塔机。美国c a s e 公司将模 块化设计方法应用于小型装载机产品上，在发动机功率为1 3 2 4 4 1 k w 的范围内，开发 出3 0 多种基型和变型的产品。近年来，我国的工程技术人员和专家学者也将机械系统的 模块化应用于各种机械设计之中，齿轮减速器的模块化设计就是其中比较成功的例子。 所谓模块化设计，即在对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列相对通 用的功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同功能或者相同功能不同性能、不同 规格的产品，以满足市场的不同需求。 可见，采用模块化设计方法可以解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之 间的矛盾。模块化设计也为产品的快速更新换代、提高产品质量、便于维修提供了条件， 因而可以增强产品企业的竞争力。 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 2 模块化设计方法及关键技术 纵观模块化设计方法的产生与发展，主要基于两个条件：一个式市场对不通功能或 相同功能不同性能的某类产品的持续不断的社会需求；二是该类产品已经拥有的设计制 造技术基础，如机床、组合家具、组合夹具等。又由于模块化设计在技术、经济以及社 会效益方面具有明显的优势，使得越来越多的企业更加主动地、有意识地采用模块化设 计方法，甚至在全新产品开发时就融入了模块化设计理念，以期缩短产品设计制造周期、 便于产品更新换代、利于提高质量、降低成本、增强企业的快速应变和竞争能力。 模块化设计根据设计类型不同，可以分为新产品的模块化设计、变型产品的模块化 设计和现有产品的模块化改造设计。 模块化设计有如下几个关键技术： a 市场调查与分析； 市场调查与分析是模块化设计成功的前提。它包括：市场对同类产品的需求量、市 场对同类产品基型和各种变型的需求比例，分析来自用户的需求，分析模块化设计的可 行性等。 b 模块的划分与标准化嗍： 模块划分、接口标准化与组合性和可互换性模块划分的好坏直接影响到模块系列设 计的成功与否。既要照顾制造和管理方便，避免组合时产生混乱，具有较大的灵活性， 又要考虑到模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。因此必须对系统进行仔细 的、系统的功能分析和结构分析，模块划分时要注意：1 1 模块在整个系统中的作用及其 更换的可能性和必要性；2 ) ，屎持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性；3 ) 模 块间的接合要素便于联接与分离；4 ) 模块的划分不能影响系统的主要功能。模块划分原 则是：5 ) 力求以少数模块组成尽可能多的产品；6 ) 在满足要求的基础上使产品精度高、 性能稳定、结构简单、成本低廉；n 模块结构应尽量简单、规范，模块间的联系也应尽 可能简单。 模块化设计所依赖的是模块的组合，即结合面，又称为接口。显然，为了保证不同 功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块应具有可组合性和可互换性两个特征。这 两个特征主要体现在接口上，必须提高模块标准化、通用化、规格化的程度。例如，对 装配而言，具有相同功能、不同性能的单元一定要具有相同的安装基面和相同的安装尺 寸，才能保证模块的有效组合。模块的层次、级别越低，模块越简单，通用化程度越容 易提高，但是产品制造、装配的管理也越复杂。 模块化设计的步骤： 模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，第二个层 次为单个产品的模块化设计。总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但 比后者更复杂，花费更高，要每个零部件都能实现更多的部分功能。模块化设计的主要 废水一体化处理设备的设计与研究 步骤如下： a 市场调查与分析，模块化设计成功的前提； b 进行产品功能分析，拟定产品系列型谱； c 确定参数范围和主参数； d 确定模块化设计类型，划分模块； e 模块结构设计，形成模块库； f 编写技术文件。 2 1 3 模块化设计在废水一体化处理设备设计中的应用 废水一体化处理设备是本课题拟建废水处理系统的主体，采用一定的废水处理工艺 对废水进行深度处理，以满足回用要求。在设计中，废水一体化处理设备拟采用若干个 处理模块。每个设计模块将具有不同的型号和类别，它们是具有相同功能但是尺寸不同 的模块。因此，本文欲根据模块化的设计理念，合理设计废水一体化处理设备。 2 2 参数化设计【韧 2 2 1 参数化化设计基本概念 早期的c a d 系统，其设计结果仅仅实现了用计算机及其外围设备出图，就产品图 形而言，不过是几何图素( 点、线、圆、弧等) 的拼接，是产品的可视形状，并不包含 产品内在的拓扑关系和尺寸约束。因此，当需要改变图形中哪怕任一微小 擦除重画。这不仅使设计者投入相当的精力用于重复劳动，而且，这种重 都要 结果 并不能充分反应设计者对产品的本质构思和意图。一个机械产品，从设计到定型，期间 经历了反复的修改和优化；定型之后，还要针对用户不同的规格系列的变化而自动生成。 如何将只有几何图素的“死图”变为含有设计构思、设计信息的产品几个模型，这是研 究参数化设计的出发点。 参数化设计的基础使尺寸驱动的几何模型。与传统的设计不同，尺寸驱动的几何模 型可以通过更改尺寸达到更改设计的目的。这意味着，设计人员以开始可以设计一个草 图，稍后再通过精确的尺寸完成设计的细节。 参数化设计一般是指设计图形拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束。参数 与图形的控制尺寸有显式的对应，不同的参数值驱动不同大小的几何图形。可见，参数 化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、优质的设计方法。 2 2 2 参数化设计方法及关键技术 参数化设计的基础是数字化产品建模，可利用具有可变参数的几何建模技术辅助进 行这项工作。目前，一些三维c a d 设计系统都提供了参数化产品造型功能。 n 陕西科技大学硕士学位论文 参数化设计的设计步骤主要有如下几个： ( a ) 建立几何拓扑模型这是参数化绘图的前提，通常根据设计要求，以相对成熟 的产品威样板，遵循显示的拓扑结构约束。模型一经建立，将相对稳定，以后的应用中 一般不再变化。 ( b ) 进行参数化定义在几何模型的基础上，分析其结构特点和控制尺寸，定义 参数。 ( c ) 推导参数表达式模型中的参数之间并非都是相互独立的，通常会有某些关联 关系，有的参数是随着其他参数的变化而变化的；再者，由于二维图的绘制总是归结为 点之问的连线，因此，需将各几何特征点的坐标用变量参数表达出来，这就是要找出这 种关系，推导参数表达式。 ( d ) 编制程序将以上的参数化模型编入计算机程序，以实现参数化设计。 在几何参数化定义的时候硬遵循以下原则： ( a ) 注重参数序列的设计含义。 ( b ) 参数标注与工程图样标注一致。 ( c ) 参数序列与几何图形尺寸序列结构具有映射关系。 ( d ) 工程图样重的关键尺寸应作为自变量参数。 ( e ) 参数定义不能出现干涉、过约束。 参数化设计是广泛应用的一种方法，各单位建立的标准件库、定型系列产品库大多 采用这种方法。但因为完成复杂图形的参数化及其繁琐，因此在通用系统重提供专业的 参数化