（环境工程专业论文）sbr工艺用滗水器的研究.pdf

摘要 本文以序批式反应器( s b r ) 工艺中的滗水器作为研究对象，通过对其类型、 结构、工作原理、水力学特征、自动控制方式及实际应用的研究，提出了滗水 器的选型原则，并预测了滗水器的发展方向。 分析了滗水器的类型和各自的工作原理。随着s b r 工艺的发展，各国均结 合工艺和应用特点，研发了多种型式的滗水器。旋转式滗水器工作时堰口以出 水管为回转轴，采用机械驱动方式控制滗水器的出水；浮简式无动力滗水器利 用重力与浮力的平衡配合出水阀往外排水；虹吸式滗水器利用池内外的液位差 为动力，通过利用电磁阀控制u 形管气阻的产生和破坏进行间隙周期排水。通 过对滗水器工作原理和特点的分析，揭示了各种滗水器的优缺点。 分析了旋转式滗水器和虹吸式滗水器的水力学特征。旋转式滗水器的出水 量由堰口过流量决定，是一种典型的堰流。当堰槽内不发生雍水现象时。堰口 的过流量只与堰口的浸没深度h 相关；若发生雍水现象，堰口的过流量则会减 少设计时应加以避免。通过控制旋转式滗水器的堰口浸没深度，可以方便地 调节出水流量。在整个滗水过程中虹吸式滗水器的出水流量由大变小，其流量 与出水管截面积和水头高度有关。因此，虹吸式滗水器的工作陡能对水位高程 要求严格，运行参数调节困难。 分析了滗水器的结构特点。以旋转式滗水器为重点，详细地研究了旋转式 滗水器的结构。旋转式滗水器的水下部分采用不锈钢结构，以出水汇集管为回 转轴，采用高性能的组合式动密封使之具有结构坚固、可靠性强的特点。分 折了垂直升降式滗水器和虹吸式滗水器的结构。还从结构设计和制造工艺的角 度，对多堰口滗水器的设计要点作了探讨。产尸一 研究了滗水器的自动控制方式及其出水流量特征。针对旋转式滗水器工作 时堰口的运行轨迹为一弧线，重点分析了三种控制方式，并提出p l c + 变频作为 优选方案。同时还探讨了同一反应池内布置多台滗水器时，保持工作同步性的 方式。 以机械驱动旋转式滗水器在海门水质净化中心和虹吸式滗水器在天津经济 l i i 技术开发区污水处理厂的应用为例，通过分析，提出了滗水器的设计选型原则， 认为不同场合须选用相应的滗水器，提出小水量工况下采用无动力滗水器，大 水量工况下采用机械驱动旋转式滗水器，并与相应的自动控制方式相匹配。 探讨了滗水器的发展方向。提出滗水器应在无动力、自动控制、浮渣撇除 功能方面加以改进。 关键词s b r 工艺，滗水器，构 昱身水力学特征j自动控制 ， j l s b r 工艺用滗水器的研究 s t u d yo fd e c a n t e rj ns b rp r o c e s s a b s t r a c t d e c a n t e r su s e df o rs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) w e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h e i rs t r u c t u r e ，o p e r a t i o np r i n c i p l e ，h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d m o d e l sf o ra u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h ee r i t e r i o n sf o rd e c a n t e rs e l e c t i o nw e l - eb r o u g h to u l a n dt h ed e v e l o p i n g t e n d e n c y o fd e c a n t e r sw a s p r e d i c t e d w i t ht h ee v o l u t i o no fs b r p r o c e s s ，v a r i o u st y p e so f d e c a n t e r sw e r e d e v e l o p e d r o t a r y d e c a n t e r sw e r ed r i v e n b y l i n e a re l e c t r o m e c h a n i c a l a c t u a t o r s f l o a t i n g d e c a n t e r sw e r e o p e r a t e d t oc o n t r o le f f l u e n t d r a i n a g e w i t hv a l v e sw h i l ek e e p i n g b a l a n c eb e t w e e n g r a v i t ya n d f l o a t a t i o n s i p h o n d e c a n t e r sw e r e o p e r a t e db yi n d u c i n g t h e s i p h o np i p e t od i s c h a r g ew i t ha i r l i f te f f e c t h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d p e r f o r m a n c e o fr o t a r yd e c a n t e ra n d s i p h o n d e c a n t e rw e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y a sf o rr o t a r yd e c a n t e r s ，t h e f te f f l u e n t sw e r e t y p i c a lw e i rf l o w sa n dt h eo v e 扭o wc a p a c i t i e sw e r er e l a t e dt oh e i g h t ( t h ed i s t a n c e b e t w e e nw e i ra n dw a t e rs u r f a c e ) a sf o rs i p h o nd e c a n t e r s ，t h e i rd r a i n a g ec a p a c i t i e s w e r er e l a t e dt ot h el e v e ld i f f e f e n c e sb e t w e e ni n l e ta n do u t l e t t h e r u g g e d c o n s t r u c t i o no fr o t a r yd e c a n t e rw a sf a b r i c a t e do fs t a i n l e s ss t e e l t h e s e a l sa n db e a r i n ga s s e m b l yw e r et o l e r a n tt ot h eh a r s hc o n d i t i o n s t h es t n l c t u r eo f v e r t i c a lt r a v e l i n gd e c a n t e r sa n ds 巾h o nd e c a n t e r sw e r ea l s oa n a l y z e d t h ek e yp o i n t s o f d e s i g na n df a b r i c a t i o no f m u l t i - w e i r d e c a n t e rw e r em a d eo u t a u t o m a t i cc o n t r o lm o d e la n dh y d r a u l i cp e r f o r m a n c ew e r es t u d i e d t h r e ec o n t r o l m o d e l s w e r e c o m p a r e d a n dt h em o d e lo fp l c + f r e q u e n c yc o n v e n e r w a s r e c o m m e n d e d s y n c h r o n i z a t i o no ft h eo p e r a t i o nf o rt w oo r m o r ed e c a n t e r si no n e r e a c t o rw a s i n v e s t i g a t e d t h ec r i t e r i o n sf o rd e c a n t e rs e l e c t i o nw e r ep u tf o r w a r da f t e rt h ec a s es t u d yo f d e c a n t e r s a sf o ras m a l l - s c a l e r e a c t o r ，n o p o w e r - d r i v e n d e c a n t e r sw e r e r e c o m m e n d e d a sf o ral a r g e s c a l er e a c t o r ，r o t a r yd e c a n t e r sd r i v e nb ym o t o r sw e r e r e c o m m e n d e d t h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fd e c a n t e rw a sd i s c u s s e da n dt h ed e c a n t e r ss h o u l db e m o d i f i e di nl h ea u t o m a t i cc o n t r o l ，s c ：i l t df l o a tr e m o v i n ga n d p o w e r l e s sr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：s b rp r o c e s s ，d e c a n t e r , c o n f i g u r a t i o n ，h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a u t o m a t i c c o n t r o l 1 1 研究背景 第一章引言 随着世界人口的增长和经济的发展，环境和资源所遭受的破坏日益严重给 人类的生存和社会经济的可持续发展带来了严重的威胁。作为人类生存和发展的 最基本要素之一，水特别是淡水也因被污染和过度利用而遭到破坏，水污染治理 和水资源保护已成为人们所关注的重大课题。 长期以来，人们一直坚持不懈地致力于污水处理方法的研究和应用，取得了 一大批成果，发明了许多行之有效的处理工艺。污水处理方法可分为物理法( 调 节、过滤、沉淀、离心分离等) 、化学法( 中和、化学混凝、化学沉淀、氧化还 原) 、物理化学法( 吸附、离子交换、电渗析、反渗透、超滤) 、生物处理法( 好 氧、厌氧及组合) 。生物处理法是有机废水处理的主导技术。经过研究、应用与 改进，生物处理法已从传统的活性污泥法和生物膜法衍生出很多新的工艺，如 a o 工艺、a a i o 工艺、氧化沟工艺、s b r 工艺等。其中，序批式反应器( s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r 简称s b r ) 工艺是目前研究和应用最活跃的热点工艺之。 随着s b r 及其改进型工艺的开发和应用，与之配套的污水处理设备也得到 了较大的发展。作为s b r 工艺的核心设备。滗水器的性能真接影响工艺效率， 有必要加以深入研究。 1 2 研究目的和内容 s b r 及其改进型工艺的应用日趋广泛，为了满足各种场台的要求，世界各 国研发了多种型式的滗水器。对现有的滗水器进行剖析，有助于了解它们的利与 弊，为今后的研究与开发提供理论和技术支持。 本文拟先对各种滗水器进行分类，再以国内外应用最广的旋转式滗水器及虹 吸式滗水器为主要对象，分析其结构特征、水力学特征咀及自动控制原理，从中 得出滗水器设计选型原则，预测滗水器发展趋势。 第二章文献综述 2 1 采用滗水器的相关工艺 活性污泥法是废水生化处理的主要工艺之一。s b r 工艺是在传统活性污泥 法的基础上研发而来的。s b r 工艺的雏型出现于1 9 1 4 年。7 0 年代初，美国n a t r e d a m e 大学的i r v i n e 教授对实验室规模的s b r 反应器进行了系统而深入的研究， 并于i 9 8 0 年在美国环保局( e p a ) 的资助下，在印第安那州改建并投产了世界 上第一个s b r 法污水处理厂。7 0 年代末出现了间歇式循环延时曝气系统 ( i n t e r m i t t e n tc y c l ee x t e n d e da e r a t i o ns y s t e m ，简称i c e a s ) 。此后，g o t o n s z y 教授开发了循环式活性污泥系统( c y c l i ca c t i v a t e ds l u a g es y s t e m ，简称c a s s ) ， 又称循环式活性污泥技术( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y , 即c a s t 工艺) e 1 。9 0 年代比利时s e g h e r s 公司开发了u n i t a n k 系统，其特点是把经典s b r 的时间推流与连续系统的空间推流相结合。与此同时，d a t - i a t ( d e m a n d a e r a t i o n t a n k i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nt a n k ) 、m s b r 、a s b r 等工艺也相继出现和应用。 2 1 1s b r 工艺 s b r 工艺是一个非稳态工艺，在反应器内注满污水，然后按分批处理的模 式运行。一个操作循环分五个阶段：进水、反应、沉淀、滗水、闲置。改变运行 参数可实现好氧一厌氧一缺氧状态，通过对这些状态的精碲控制可实现有机物的 有效去除。 缺氧进水阶段 废水进入反应器，进水可以是在曝气、缺氧或二者 组合的状态下进行。生物降解过程开始。缺氧状态下的 混合采用布水器和水下搅拌器实现。 曝气阶段 通过曝气器向池内供氧，以确保生化反应所需的 氧气。 沉淀阶段； 停止曝气，处于静止状态，污泥下沉，清液位于 池的上部。 滗水阶段： 处理完的上清液用滗水器外排。 闲置和污泥外排阶段： 此过程反应器闲置，剩余污泥外排。 s b r 工艺的进水、曝气、沉淀、出水均在同一生物反应池内进行，由于省去 了二沉池，因此占地面积小；同时，由于生化过程的参数可以根据实际情况调节， 因此，对水质、水量的变化适应性强，出水水质稳定，并具有生物脱氮除磷作用。 表1 s b r 工艺的优点。1 有机物去除效率高理想推流状态 提高难降解废水的处理效率 生态环境多样性 抑制丝状菌膨胀 选择性准则 可以脱氮除磷，不需要新增反应器 生态环境多样性 不需二沉池和污泥回流，工艺简单结构本身特点 由于在s b r 运行过程中，各阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化 以及运行状态等都可以根据污水性质、出永水质与运行功能的要求灵活变化，再 加上在线溶解氧测定仪、液位计等精度高且较经济的水质检测仪表相继出现，自 动控制技术的迅猛发展，许多污水处理厂的运行管理实现了自动化，s b r 工艺 以其独特的优势迸入人们的视野，并迅速成为目前世界上污水处理的热门工艺。 在近1 0 多年中，仅澳大利亚就建成采用s b r 工艺的污水处理厂近6 0 0 座。 2 1 2i c e a s e 工艺和c a s s 工艺 1 ) i c e a s 工艺 间歇式循环延时曝气系统( i c e a s ) 是由澳大利亚新威尔士大学与美国a b j 公司合作于1 9 6 8 年开发的。世界上第一座i c e a s 工艺污水厂于1 9 7 6 年投产运 行。 从构筑物看，i c e a s 工艺的基本单元是两个矩形池为一组的反应器。每个 池子分为预反应区和主反应区两部分，预反应区一般处于缺氧状态，主反应区是 曝气反应的主体。 i c e a s 的优点是采用连续进水系统，连续进水间歇排水，减少了运行操作 的复杂性，无明显的反应阶段和和闲置阶段，处理费用比传统s b r 低，故适用 于较大觌模的污水处理，但其在工艺改进的同时也丧失了表l 所列的5 种优点r 只是保留了s b r 反应器的结构特征。 与经典s b r 工艺相比， c e a s 工艺的特点如下： a 沉淀特性不同 i c e a s 的沉淀会受到进水扰动，破坏了其理想沉淀的条件。为了减少进水 带来的扰动，一般将池子设计成长方形，使出水近似于平流沉淀池。 b 理想推流性能和污泥膨胀的控制 由于连续进水，i c e a s 丧失了经典s b r 理想推流和对难降解物质去除率高 的优点，而且不能控制污泥膨胀的发生，所以需要设置选择区。 c 适用于较太型污水处理厂 连续进水不用进水阀门之间切换，控制简单，从而可应用于较大型的污水厂 d 7 。 2 1c a s s 工艺 循环式活性污泥法( c a s s ) 是g o t o n s z y 教授在i c e a s 工艺的基础上开发的一 种新型s b r 工艺。将i c e a s 预反应区进一步缩小，以更加合理的生物选择器代替。 通常c a s s 池分三个反应区：生物选择器、缺氧区和好氧区，容积比一般为1 ：5 ： 3 0 。 生物选择器设置在c a s s 前端，通常在厌氧或兼氧条件下运行，其基本功能 是防止污泥膨胀，同时还具有促进磷的进一步释放和强化反硝化的作用，另外在 这个区内的难降解大分子物质易发生水解，对提高有机物的去除率具有促进作 用。 主反应区是有机物的主要去除场所，运行过程中通常将主反应区的曝气强度 加以控制以使反应区内主体溶液处于好氧状态，完成有机物的降解过程。 在池末端设有潜水泵，污泥通过潜水泵不断从主曝气区抽送至生物选择器 中。c a s s 生物选择器及缺氧区的设置和污泥回流的措施保证了活性污泥不断她 在选择器中经历一个高絮体负荷( s o ，x o ) 阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生 长，进一步有效地抑制丝状菌的生长和繁殖。在c a s s 工艺中，对某一单元的反 应池而言，在沉淀阶段不进水以保证污泥沉降无水力于扰，可以进步保证系统 有良好的分离作用。 c a s s 工艺与i c e a s 工艺相类似，但是通过设置选择器、预反应区和污泥 回流等措施可以起到控制污泥膨胀、增大有机物的去除率和除磷脱氮的作用，同 时通过多个反应器的组合创造静止沉淀的条件。 2 1 3 其它工艺 还有一些其他类型的s b r 工艺，如m s b r 、d a t ，i a t 、i d e a 、膜法s b r 、 u n i t a n k 等。9 1 2 2 我国的s b r 工艺 s b r 及其改进型工艺因流程短、占地小、投资少、运行灵活、管理方便、 处理效果好、具有较好的脱氮除磷效果等特点，在我国受到青睐。它们在工业废 水处理上的应用领域十分广泛，在城市污水处理，尤其是小城市、集镇的污水处 理上也有广阔的前景 i ”。 我国于8 0 年代中期开始对s b r 进行研究。1 9 8 5 年，上海市政设计院为上海 吴淞肉联厂设计了我国第一座s b r 污水处理站，处理水量2 4 0 0 t d 。云南省昆明 已建成两座采用s b r 工艺的大中型污水处理厂，运行情况良好。天津经济技术开 发区采用d a t - i a t 工艺的污水处理厂( 1 0 万t d ) 也于1 9 9 9 年底成功投入运行。 此外，抚顺三宝屯污水处理厂( 2 5 万t d ) 、鞍山西部第二污水处理厂( 1 0 万t d ) 、 长春双阳污水处理厂、海门市水质净化厂等一大批采用s b r 工艺的城市污水处理 厂也正在建设或将投入运行。我国现有城市6 6 8 个( 包括直辖市4 个，地级市2 2 2 个和县级市4 4 2 个) ，其中2 0 万人口以下的县级市有3 8 2 个。另外还有县城1 6 9 3 个。大多数县级市和县城的人i = 1 均在1 0 万以下，一般为5 万1 0 万人，3 万5 万人的县级市和县城也不在少数。从城市概念上来看。建制镇也属“城市”范畴， 建制镇的人口规模从5 0 0 0 3 0 0 0 0 人不等，这部分小城市的数量更是数以万计 【l 町 迄今为止，绝大部分小城市的污水仍然处于不加治理而直接排放到水体的状 态，已成为水体环境污染的主要来源。因此，要改善我国水环境的污染状况，保 护我国紧缺的水资源，除了要对大中城市的污水进行处理外，n f 2 对4 、城市的污 水进行处理。s b r 及其改进型工艺的应用空间很大。 6 除应用于城市污水处理外，s b r 应用于工业废水处理也十分广泛，主要有 味精、啤酒、制药、焦化、餐饮、造纸、印染、洗涤、屠宰等工业废水 3 8 , 1 8 】。 随着s b r 及其改进型工艺的发展和成熟，排放上清液的设备也由原始的泵 吸、阀门组合外排发展出专用的排水设备滗水器。作为s b r 工艺的关键设备 之一，滗水器已从原来单一进口发展到基本国产，所开发的各种滗水器可适合不 同的应用场所。 第三章滗水器的类型 3 1 滗水器的发展过程 滗水器是伴随着s b r 工艺的应用和发展而产生和逐步完善的，同时又受当 时机械制造技术、材料科学、自动控制水平的制约。 早期的滗水器是一些比较简单的设施，如一组布置在不同高度的管道阀口 组合、简单的浮筒式排水装置等。2 0 世纪后期，随着s b r 工艺的迅速发展，各 种类型的滗水器不断涌现。如仅以加拿大e c op r o c e s s e q u i p m e n ti n t li n c 公司 为例，就根据不同使用场合开发了九种滗水器：i t ti n d u s t r i e s 下属的s a n i t a i r e c o r p o r a t i o n 公司推出了旋转式滗水器：澳大利亚m 叮公司推出了虹吸式滗水器； a q u a - a e r o b i cs y s t e mi n c 与a q u a s b r 研发了集曝气、混合、滗水功能于一体的 a q u a c a m - d 设备；荷兰n i j h u i sw a t e rt e c h n o l o g y 公司和美国的d o g u l a s e n g i n e e r i n g 公司则推出了s k i m - p a k t “d e c a n t e rs y s t e m s ；德国的b i o g e s t i n t e r n a t i o n a lg m b h 与其单池反应系统( o t r ) 一起推出了m d s 型滗水器。 s b r 工艺引入中国以后，滗水器的制造也从最初的进口和仿制发展到现在 的自主研发大批量生产，目前国内已有多家滗水器制造商，规模较大的有杭州杭 氧环保成套设备有限公司、天津百阳环保公司等。 3 2 滗水器的类型和特点 滗水器通常有堰口、出水管、驱动装置、控制系统等组成，材质一般为不锈 钢、非金属等。 滗水器的品种繁多。按动力形式，可划分为无动力式和机械驱动式。无动力 滗水器有：浮筒式、虹吸式等，但执行机构需用气源和电力驱动；机械驱动式： 有电动推杆式、滑轨式、绳索式等。按运转轨迹分类，可分为固定式、旋转式和 垂直升降式等。按安装方式，可分为固定潜水式和浮筒式。其中常见的滗水器有 如下几种类型： 1 ) s w i n g c a n t e r 是由e c oe n g i n e e r i n g 公司开发的一种表面浮力式滗水设 安装在一个特殊的活动关节上( 通常为橡胶制品) ，通过向该设备的下部空腔注 入或放空空气来控制滗水动作。在s b r 池进水和反应时，集水管位于水面之上， 能防止任何固体进入，无需排放阀。 图1s w i n g c a n t e r 表面浮力式滗水器 2 ) 虹吸式滗水器 这是一种潜水固定式滗水器，最先由澳大利亚a a t 公司于2 0 世纪8 0 年代 中期开发，1 9 8 7 年开始应用于s b r 工艺并逐渐普及的一种滗水器。利用 气提作用通过先导虹吸管工作，可不 设出水阀，工作时清水的吸入口位于 水面以下，这个设计具有防止浮渣功 能。 特点为：结构简单、无动力消耗。 滗水深度受到限制且不可调节，滗水 量调节困难。 图2 虹吸式滗水器 3 ) 垂直升降式滗水器 安装在一组垂直导轨上，滗水槽沿 着道轨上下运行，出水由一个电动 阀门控制。装置采用柔性管作为排 出管，具有防止浮渣功能。滗水器 的流量可以调节。 4 ) 泵吸式滗水器 这是一个固定潜水式滗水器， 由一个带缓冲器和阀门的潜水泵组 成。通过潜水泵向外排水。位于泵 吸入口的缓冲器可以防止沉淀污泥 的外排。 图3 垂直升降式滗水器 图4泵吸式滗水器 5 ) 膜式密封滗水器 这是一个潜水固定式滗水器。在 已经过流量校核的穿孔集水管内设置 有一组特殊的橡胶膜。这个装置实际上 是一个大型的组合式水力阀，通过压缩 空气源进行自动的开闭。 从而实现对 排水的控制。曝气时混合液不会进行滗 水器。 圈5膜式密封滗水器 6 ) 阀门式滗水器 是由一组潜水或干井安装的蝶阀带不锈钢支管和执行器 1 0 组成。 7 ) 堰式滗出器 实质上是一个安装在池壁内的可旋转的出水堰。它的滗水深度有限。 8 ) 旋转式滗水器 该种型式的滗水器通常有一个出水堰槽，非工作状态时堰口在永面上，避免 固体物外流。工作时，设置在岸上的驱动装置带动( 或控制) 出水堰口以出水主 管为回转主轴进行运动，堰口随水面同步下降。设有挡渣装置，可以防止浮渣随 出水外排。 图6 采用同步双推杆驱动的旋转式滗水器 9 ) 无动力滗水器 图7钢丝索控制旋转式滗水器 柔性管浮筒式的滗水器出水堰依靠浮筒产生的浮力与设备的重力平衡，通 过调节浮力大小使堰口位于水下合适的位置。例如，金禾环保工程有限公司的 图8柔性管浮筒式的滗水器 k h 型浮筒式滗水器。当s b r 处于进水、曝气或闲置等非排水状态时，滗水器的 浮箱进气，上浮一定高度，排水口浮出水面。当需要排不得水时，浮箱排气，排 水口没入水下，实现滗水。气源可利用s b r 池的曝气气源，由电磁阀控制进、 排气，不需要专门的动力，不易出现故障。由于采用软管作为出水管，丽软管受 管径和挠曲性能的限制，因此它的排水量受到一定的限制，通常为2 0 0 m a h r 之 内。 旋转式无动力滗水器这种类型滗水器的出水管是金属支管，并采用了钢制 的水下旋转接头，替代了常规的软管，解决了无动力滗水器处理能力小的缺点( 图 9 ) ，因此，单台的滗水量可达t o o o m 3 h r 以上。其排水取水口位于液位下部，可 避免表面浮渣的带出。通过捧水总管上的阀门进行滗水过程的控制。因其出水堰 通常为多边形的平面，故需设置水力平衡装置，以保证堰口出水量的一致。这种 滗水器的结构上有多个旋转密封装置，因此会给制造带来一定的难度。 图9旋转式无动力滗水器 ! 、滗水器 二。、排放支管 ：、排水总管 4 、旋转接头 ：一、限位器 i 、旋转接头 - 、平衡器 i 、安装底座 表2 各种滗器的特点总汇 序号类 型优点缺 点 1 阀门式滗水器原理简单 调节性差 结构简单、由于采用取水口集中，局部流速 2泵吸式滗水器 泵作动力，不受后续、。 构作物高层影响。 运行时对水位要求严 3 虹吸式滗水器 运行时不需要动力 格，运行参数改变困难。 3 虹吸式滗水器使用方便。 篓菜雾黧。 运行时无动力消耗， 滗水器过程中对水量调 4 浮筒式滗水器 使用方便维护工作节困难，滗水器能力受 膜式密封滗水结构简单、控制方可调节性差、对膜材料 。 器便。 要求较高。 运行参数调节灵活， 结构较复杂：维护保养 6旋转滗水器 能适应水量水质变有要求；投资较高。 第四章滗水器的水力学特征 作为一种清水外排的设备，滗水器的工作性能与水力学特征密切相关。通过 分析不同类型滗水器的水力学特征，可以探明影响设备性能的关键参数。 4 1 旋转式滗水器的水力学特征 大部分旋转式滗水器实质上是一个活动堰，水流流经滗水器的过程可用堰流 来描述。滗水器的堰口是一个完全淹没式的薄壁堰。 ( 二) 完全淹没式堰流形式 图1 0 旋转式滗水器堰口的二种过流形式 对于一个自由堰而言，其单位长度的过流量为： q = r n ( 2 扩5 h 。5 式中m ：为流量系数 h ：堰口浸入水中的深度 因此，当堰槽内不发生雍水现象时，堰口的过流量只与堰口的浸没深度 h 相关。 当堰口负荷过大，出水支管或主管流速过缓，排水不畅，导致堰槽积水 堰流。 此时流量为： o = o m ( 2 9 ) o 5 h 15 。 l ，为淹没系数 因此，当堰流方式为完全淹没式堰流时，要保持与自由堰同样的流量， 堰口的浸没深度应加大。 根据以上的分析可得，滗水器在设计时应尽量避免出现淹没式堰流。与 滗水器设计相关的水力学问题有滗水器堰口负荷、滗水深度、滗水器的水头 损失。 1 滗水器堰口负荷的确定 滗水器的堰1 3 负荷f 通常指滗水器在单位长度的堰口单位时间内的过水 量。 f = q ( l ) t l ( m ) t ( s ) 堰口负荷是决定滗水器能力的重要参数，它决定了堰口的长度，很大程 度上也决定了设备的造价。堰口负荷确定应考虑以下因素： a ) 滗水时池内水流情况。若反应池处于完全自由沉降状态，则取较高的 负荷，反之则取较低负荷。 b ) 污泥的沉降性能。若池内污泥的沉降性能好，则可取较高负荷。 c ) 滗水深度占池深的比例。当最低滗水水位离池底的泥层较近时，应采 用较低的负荷。 d ) 对沉泥和出水指标的影响 泥层处的水流上升速度是影响出水水质的关键。堰口负荷过大，必然导致 池内局部流速过大，从而带动沉泥上升，影响出水水质。 因此，对旋转式滗水器，堰1 ：3 负荷通常控制在2 5 3 5l m s 左右。 2 滗水深度的确定 滗水器的滗水深度应控制在不影响出水水质为原则。 在传统的s b r 工艺中，沉淀过程是一个完全自由沉降的过程，由于沉降时 没有受到任何的扰动，因此沉降效果较好；连续进水的 c e a s e 、d a t - i a t 等工 艺中，沉淀过程受到水流的影响，故滗水的深度应比经典s b r 工艺小一些。 考虑到池底曝气装置的高度和应保留泥层的高度及清水层厚度，一般在设计 时将滗水深度控制在总水深的2 0 3 0 。 3 滗水器的水头损失的计算 滗水器的水头阻力将影响整个工艺的高程设计。 计算水头损失的条件 ( 1 ) 边界条件： 滗水支管进水口至主管出水口。 排水量q ( m 3 m ) ，即流量为q ( m 3 f s ) ， 支管内径d ( m m ) ，主管内径d ( m m ) ， 支管数n ，支管长度l ( m ) ，主管长度分为n 段，每段长度为l 。 ( n = 1 , 2 ，n ) 则：单根支管截面积f 1 = d 2 4 ( m 2 ) ， 单根支管流量q j = q n ( m 3 s ) ， 支管流速v i = q f i ( m s ) ， 主管截面积f = d * 4 ( m 2 ) ， ( 2 ) 计算水头损失 a 支管进水口局部水头损失： h l t = e 【( v 1 2 2 9 ) ( ef 0 5 ) b 支管沿程水头损失： h 1 2 = k s l q l 2 ， ( k = 1 0 3 ，s = 0 9 3 9 2 ) c 支管出水口局部水头损失： e = e + e 。= 1 6 8 7 ， ( e - = 1 1 ，ez - 0 5 8 7 ) h i 3 = e ( v l 况g ) ， d 支管总水头损失： h i = h il + h i2 + h i3 ， e 主管沿程水头损失： 第l 段： v = q 】f h 21 = k sl t q l 第2 段： v 2 q 2 序 第3 段： v = q 3 f 第4 段： v = q 4 f h 22 = ksl 2 q 2 2 h 23 = k sl 3 q 3 h 2 4 = k sl 4 q 4 2 第n 段： v = q ，f h 2 。= ksk q n 则主管总沿程水头损失； h 2 h 2 1 十h 22 + h 23 + h i4 + h 25 + + h 2 n ， f 总水头损失： 总水头损失h 等于支管总水头损失与主管总沿程水头损失之和a h = h i + h 2 通常在控制滗水器主管流速l m s 左右时，整台设备的水头损失小于 3 0 0 m m 。 通过对旋转式滗水器水力学特性分析可知：在此类滗水器设计时应着重考 虑堰口负荷，并避免产生完全淹没式堰口现象。通过控制滗水器堰口浸入水深度 来控制出水的量，利用此特性，可以十分方便地进行滗水过程的水量控制。通常 流经滗水器后的水头损失较小。 4 2 虹吸式滗水器的水力学特征 虹吸式滗水器的工作原理：滗水器初次投入运行前，最下部的u 型管内注 入清水( e f 段) ，当进入曝气和沉淀阶段时，反应池内水位不断上升，进水口 被水封住，这时空气被阻留在滗水器管路( d b ) 段中，短管中的空气被水头压 向管上方( c - d 段) ，由于u 型管的存在，空气的压力被u 型管内造成的水位差 h 2 所平衡只能滞留在管路中，气阻使池中的水不能流出( 图1 1 ) 。 沉淀阶段结束后打开电磁阀，阻留在d b 段的压缩空气被放出，上清液便 出水口 图1 1虹吸式滗水器工作原理示意图 通过垂直短管经u 形管流出池外。电磁阀随后关闭，滗水过程仍会在虹吸作用 下继续进行，一直工作到设定的最低水位，再将电磁阀打开破坏虹吸，滗水结束a 另外出水口的底端低于最低水位1 0 0 m m ，可防止池面浮渣进入短管。 b 点处的压强为p b = y h 2 = p o d 点处的压强为p d = p o = yh 3 一yi - i i p o 为b d 间空气压强。 从上两式可得：h 3 = h l + h 2 为防止表面浮渣排出，滗水器的滗水深度应略小于h 3 约l o o m m ， 因此，虹吸式滗水器的滗水深度受h t 和h 2 的控制。 若不考虑虹吸式滗水器的排水时的管路损失，根据文献 2 0 则出水速度为 q = uu ( 2 9 h ) o 5 式中：q 一出口流量，m 3 s ： u 一流量系数； u 一出水主管最小处截面积，m 2 ； h 一水头，m ； 若u 、u 保持不变，则从上式可得虹吸式的滗水器的出流速度是变化的，与 池内外的液位差有密切关系。同时，随着滗水过程的进行，h 值变小，排水量也 不断减小。因此虹吸式滗水器的排水量在整个排水周期中是变化的。 综上分析可知：虹吸式滗水器完全以池内外液位差作为动力，其排水流量q 与h h 成正比，排水初期的流量应为最大，但考虑到滗水器布置在池内的取水口 是固定的，而滗水初期池低的泥层相对较高，并不利于出水悬浮固体( s s ) 控制。 所以采用虹吸式滗水器时的滗永深度不宜过大。同时，在此类滗水器设计时，可 以通过对h l 、h 2 值的控制来计算滗水器的最大滗水深度h 3 。 第五章滗水器的结构特点 作为s b r 工艺的关键设备之一，滗水器对整个工艺的处理效率有着重要的 影响，而各种滗水器的工作效能是通过其结构实现的，因此剖析滗水器的结构特 点，有助于滗水器的设计和改进。 5 1 旋转式滗水器 5 1 1 旋转式滗水器的结构 一种好的滗水器应具备以下特点：滗水能力大、但流速低，不扰动池底沉 泥；出水口随水位下降，出水稳定，出水量在一定范围内可调；设备结构坚 固耐用、自动化程度高。机械驱动旋转式滗水器能满足上述要求，因此它是一种 性能优良的滗水装置。旋转式滗水器主要优点有： ( 1 ) 主要结构采用金属制成，不存在橡胶、塑料等易老化的材料，使用 寿命长。 ( 2 ) 滗水能力大，最大单台滗水能力可达2 4 0 0 m 3 h r 。 ( 3 ) 控制灵活，可以按要求执行不同的运行模式。 但与无动力滗水器相比，一次投入较高，与垂直升降式滗水器相比，它的堰 口运行轨迹为弧线，会给控制带来一定困难。旋转式滗水器主要由滗水槽、挡渣 浮简、出水分管、出水主转管、通气管、旋转动密封、电动推杆等组成( 图1 2 ) 。 在反应池处于进水、曝气、沉淀和闲置时，堰口均位于水面之上，因此不会导致 污水的外流，同时可以省去排水管的电动阀门。 当电动推杆接收到动作信号后，推杆以较高速度动作，堰口开始快速下降， 当堰口接近水面时，滗水开始，堰口开始缓慢向下运动，同时紧贴堰口的挡渣浮 筒在浮力的作用下推开滗水区域的表面浮渣，露出清水表面，当堰e l 入水以后， 清水越过堰口进入堰槽，并流入出水支管，在出水主转管内汇合后流出池外。考 虑到出水主管内空气的排放，设有排气管。 图1 2 旋转滗水器结构 滗水过程中，滗水器堰l j 在推杆的作用下以出水主转营为回转轴，进行弧线 运行。 当堰口到达设定的深度后，电动推秆快速反转，将滗水槽拉回至最i 啦置， 并进入待命状态。至此，完成一个滗水过程。 5 1 2 旋转式滗水器设计的关键技术 ( 1 ) 设计参数 a 遵水能力b 滗水深度c 滗水周期 ( 2 ) 堰槽长度的确定 滗水器豹堰槽长度由堰口负荷决定。 ( 3 ) 滗水器主转管深度的确定 滗水器主转管的深度由滗水深度及后续构筑物的高程决定，一般情况下， 其中心标高应低于最低水位于1 5 r ( r 为主管的半径) 以下，以便在最低水位对 仍能正常摊水。 ( 4 ) 水下动密封和轴承的设计 出水旋转主管与出水管之间存在一个活动密封，这个动密封位于水下t 它 隔绝了池内脏水与管内的清水，它的密封性对保证出水水质具有重要的意义。 2 l 但此密封不能影响设备旋转的灵活性。因此，这个水下动密封结构是设计的关 键。 水下动密封的设计应满足以下条件： a 、良好的密封性能能够承受外面水压： b 较长的使用寿命，即具有良好的耐老化、磨损性能。 c 具有自补偿能力，能够弥补磨损所产品的细微间隙。 水下轴承： a 良好的自润滑性能，不需要外加润滑剂； b 长使用寿命： c 较高强度，能承受重力和浮力的作用。 团此，通常采用具有较高强度的尼龙等材质。 ( 5 ) 撇渣装置的设计 污水通过曝气后，往往表面浮有许多浮渣，滗水器在工作时应将这些浮 渣挡住，以免影响出水水质。可采用以下二种方式进行撤渣装置的设计。 a 采用挡渣浮筒，可通过向浮筒内注水，来调节浮筒的入水深度，从 而获得最好的挡渣效果。 b 将取水口伸入液面下l o o n - l m 左右，取第二层面的水外排。 按此结构设计，在考虑滗水深度时应注意取水口位置的影响。 ( 5 ) 出水堰的平直度控制 在工作时，滗水器的出水堰必须保证良好的水平度，以确保在堰口长度 上的出水负荷一致，排水均匀。因此，在设备制作时保证设各堰口的平直度是 十分关键的，般要求控制在3 m m 之内。 5 2 垂直升降式滗水器 垂直升降式滗水器的堰口运动轨迹为一条直线，因此给滗水速度的控制带来 便利：堰口由不锈钢链条或丝杠驱动，沿着一个( 组) 导轨运动随水位下降， 保证堰口浸没深度的恒定，即保持出水的均衡，整个出水过程中不需要变速。出 水管为软管或伸缩套管。若采用软管出水方式为达到一定的滗水深度，软管必 须有足够的柔曲性能，因此管径受到较大的限制，出水量也不可能很大：若采用 伸缩套管出水方式对伸缩套管的加工要求很高，管径越大难度越大。 5 3 虹吸式滗水器 虹吸式滗水器由一组固定安装的管路组成，利用池i 勾# i - 的液位差进行工作， 通过控制电磁阀在滗水初期放出气封压缩空气形成虹吸、在滗水后期破坏真空停 止滗水。 由于虹吸式滗水器采用固定安装方式，因此，没有运动部件，维修工作量小， 具有很长的使用寿命。 5 4 多堰口问题 当工艺对堰口长度有特殊要求又受池型限制时，不可能设置一个足够长度的 单一堰口，此时，可采用多堰口型式的滗水器。多堰口的型式有平行双堰口、多 边形、田字型等。 多堰口滗水器的堰口水平度是产品性能的关键，在结构设计上可充分利用 水的浮力来使堰口保持水平。多堰口式滗水器比单堰口滗水器多一处水下活动 关节( 小水量可用软管) 。因此制造成难度较大。 第六章滗水器的自动控制 6 _ 1 滗水器的运行控制 滗水器自动控制包括滗水器的工作时序控制和工作周期内的运行控制。在 s b r 工艺中，由于存在着进水、曝气、沉淀、滗水的交替运行过程，因此，滗 水器的工作时序是与整个污水处理工艺相联系的，通常滗水器在接受中控室信号 后，才开始一个滗水过程，在滗水过程中，滗水器执行机构按设定的程序进行动 作，直至滗水过程完成后复位待命。滗水器的运行状态可通过通讯接口传输到中 控室的上位机。 6 1 1 滗水器自动控制要素 采用机械驱动的滗水器，通过控制电机运行速度，最终达到控制滗水器的滗 水速度。 滗水器的出水量与堰口的垂直下降速度有着密切的关系；要使出水量在滗水 时间内均匀，必须使堰口的入水深度在滗水过程中保持恒定，对于旋转式滗水器， 要实现此要求，必须使堰口的垂直下降速度保持在某一值。由于堰口的运行轨迹 为以出水主管为轴的一段弧线。堰口在运行过程中的切向速度v 0 可分解为水平 速度v i 和垂直速度v 2 。v o 与推杆的运行速度v 。存在着非线。 生关系。因此要通 过控制v ：来实现v 2 的恒值是比较复杂的。通常通过近似拟合的方法实现。 6 1 2 旋转式滗水器自动控制模式 滗水器的控制方式通常有：手动模式、自动模式i 、自动模式i i 、自动模式 i n 四种控制方式，