自动浮动式水堰的研究

张大群
(天津市政工程设计研究院)

　　【摘要】自动浮动式水堪既能随水位变化而自动升降,又具备对水量变化的可调节性。通过一段特殊的载体管道,管道中采用肘型密封回转接头的专利产品,使其能随水堪均升降而自动变化。通过对出水流速、管径、附加浮刀装置ZL密封回转接头的计算及分析,使得自动浮动式水堪达到出水均匀、连续,且适用于较大范围的流量变化。为实现污水处理中采用间歇式活性污泥法工艺,提供丁新的、可靠的途径。

1 课题的提出

　　间歇式活性污泥法比传统活性污泥法有许多优越性,它不仅省去了二次沉淀池和回流污泥系统,而且出水水质好。八十年代这一工艺在生物除磷上发挥独具的优越性J它能为生物除磷微生物提供优良的厌氧环境。这种工艺在美国、澳大利亚、日本等国均得到广泛的应用。间歇式活性污泥法的进水方式不同,澳洲比较广泛应用连续进水,美国则是间歇进水,但它们的出水形式相同都是连续式出水。
　　目前,国内所采用的可调堪大致有两种,一种是机械调节堪,另一种是槽下连接软管,这两种堪口无论在应用范围上还是保障工艺技术上都有很大的局限性。为此,研究一种自动浮动式水堪,不仅可用于间歇式曝气系统,而且还可用于间歇式浓缩池,它既具备有对水量变化的可调节性,有良好水力及机械性能,又能随水位变化而自动升降。这就成了解决问歇式活性污泥法的关键所在,也成为国内污水处理工程中所关注的一项研究课题。

2　研究的技术路线

　　要使自动浮动式水堪有良好的水力性能及机械性能和水量变化的可调节性,关键是要解决水堰流水过程中,堰体（包括堰口,管道及装置）与动水流之间形成动态平衡,使之随出水量的不同而达到不同的漂浮埋设深度,并使之较快地随水位变化而升降,以满足其均匀连续排放的要求。
　　自动浮动式水堪首先要解决堪口至池外之间联有一段特殊的载体管道,它能随堰体的升降而自动变形。当池外闸门打开时,池内水体不断涌入浮动堰口,通过载体管道流向池外。在水流过程中,一是堰体本身与浮力形成平衡，堰口的淹没深度处于指定范围内,以保证其水流均衡;二是随水面下降,堰体所处绝对高度也不断下降,要求载体管道不论以何轨迹运动,但其联结堰口部分也必须以同样速率下降,能达到这一状况,就能实现自动式水堰的研制要求。

3 解决的关键技术问题

　　3.1 堪口随水面下降时,联结堰口的管道、装置所组成的堰体部分,不论以何种轨迹进行运动,必须随水面下降的速率同步下降。
　　这就要求堰口以下有一特殊的能变形的载体管道,能使载体管道随堪口升降而运动的关键部件是一组(2个)特殊的密封回转管接头。一般的密封管接头是固定联结,接头将所联结的管子结为一个整体,这种联接在解决联结处的密封时并不困难。当要求联接管件同时具备类似轴承的作用,使两个被联结的管又可以互相为轴旋转运动时,其密封问题则困难了,尤其在需要联结管件随轴向拉力、压力时,困难就更为突出了。为解决这一技术关键问题,使用了天津市市政工程设计研究院在1990年3月被国家专利局授予的88209856号发明专利一一密封回转管接头,联结在载体管道中,使载体管道同时达到四种功能:
　　① 经堪口进入载体管道的液体,密封地流经管道,由池外闸门控制下排放。
　　② 防止池内的水体进入载体管道,起到对外部水体的密封作用。
　　③ 被密封回转管接头所联结的两段管道,任以一段为基准则另一段可在同一平面内,可绕其360。的自由回转。
　　④ 可承受较大的轴向拉、压应力,并能在较小回转力矩作用下灵活地转动。

图1
　　1.水口 2.出水管 3.出水阀门 4.密封回转管接头
　　5.浮动堪口 6.埋体 7.载体管道 8.进水口
　　Hl——最低水位 H2——最高水位 Ht——相对水深

　　载体管道在间歇式曝气池所布置的示意如图1。每一个自动浮动式水堪所联结的载体管道中,设有一组(2个)密封回转管接头,一个为“L”型,一个为“U”型,设“L”型接头的位置为0,另一个“U”型接头位置为A,载体管道与堰口联结处位置为B,则载体管道中A、B的运动轨迹见图1。
　　OA段管子与AB段管的长度必须经准确计算后确定,使它既保证最高、最低水位的要求,又使得2个回转接头的回转矩值符合密封回转接头的设计要求。
　　3.2 堪口所以能随水面升降而浮动,除载体管道具有特殊装置、能灵活地达到要求之外,另一个关键问题就是载有水体的管道、装置及其堰体,在运动到各个位置时其重力与浮力相平衡。
　　为达到这个要求,要解决两个技术问题:一是确定不同日处理量时，浮动堰出水管平增出流速度及管径；二是在不同管径时，为达到动态平衡所进行的浮力计算及设计的特殊附加装置。为此，进行了如下的计算与分析。

4 计算与分析

4.1 浮动堪出水管平均出流速度及管径的计算
　　在某一液位时,排水管出流的瞬时流速可用流体的能量平衡方程求得:

　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　（1）

　　式中Ht——相对水深
　　　　Vo——池内液位下降速度
　　　　Vt——水深为Ht时,出水管瞬时流速
　　　　hf——出水管沿程水头损失
　　　　∑hf——出水管局部水头损失

　　　　　　　　　　　　　　　　hf=λ.(L/d).(V²t/2g)　　　　　　 （2）

　　　　　　　　　　　　　　　　∑hf=∑.ξ(V²t/2g)　　　　　　　　 （3）

　　式中 λ——粗糙度系数
　　　　 L——管长
　　　　 d——管径
　　　　 ξ——局部水头损失系数
　　将式(2)、(3)代入式(1)可得：(设Vo=O时)

　　　　　　　　　　　　

　　经积分运算整理后，可得出水管平均出水流速为：

　　　　　 （4）

　　式中 H₂——最高水位
　　　　 H_1——最低水位
　　由此可得出不同长度的载体管道,在不同直径中的出水流速度的计算。
　　由此也可根据间歇式活性污泥法工艺（即SBR工艺）所要求的运行方式,计算出相应的技术参数。
　　例如每天为4个循环,单循环历时为6h,其中出水历时1h,每天总出水历时为4h，则由上可计算出对不同管径的出水管对应的自动浮动式水堰所能承担的日处理量数值。同时也可算出相应的负荷能力。
4.2 浮动埋在不同管径下浮动计算及附加浮力装置的计算
　　在浮力计算中要区分开静浮力计算和动浮力的计算。自动浮动式水堰在工作中是处于动浮力工况的,要进行动浮力计算首先要确定“浮力面积”值。“浮力面积”是指受浮力作用的装置在水平面上的投影值,它与浮动堰上下运动的速度值相乘可计算出浮力装置的体积变化数值(ΔV_t)
　　　　　　ΔV_t=Δht·Smin　　　　　　　　　　　　　　　 (5)
　　式中 Δht——水位变化值(响应值)
　　　　 Smin——浮力面积最小值
　　由此可计算出相应的浮力。在水位变化响应值的计算中,重要的条件是载体管道本身的机械结构尺寸、2个密封回转接头的摩擦阻力和自身机械结构。要使得自动浮力堰能在浮力作用下,既能随水位自由浮动又可以满足连续均匀的出流,其必要条件是在运动的各个状态都要实现动态平衡。为此,可根据动态平衡关系式,计算出相应的浮力附加装置。
4.3 密封回转管接头的机理与计算
　　密封回转管接头又称肘型回转接头,它由芯管和套管组成,在芯管和套管间有键槽、端部相交处有断面为异型的密封圈。此种管接头有良好的密封性、回转性和轴向承载力。
　　在设计计算中,首先要校核密封回转接头所受的轴向拉力和由载体管道作用下所产生的弯矩计算。这要求在确定肘型回转接头自身回转摩擦阻力的前提下,计算出浮力作用下的堪口装置及载体管道对密封接头的弯矩数值,当此弯矩数值平衡或超过其内部摩擦阻力值时,方可应用。设计肘型回转接头的回转力矩为Mn时,则其计算式为：
　　　　　　　Mn≤M_L1+M_L2+M_s(6)
　　式中 M_L1——下端载体管道合力对回转接头的弯矩值
　　　　 M_L2——上端载体管道合力对回转接头的弯矩值
　　　　 M_s——堪口及装置合力对回转接头的弯矩值
　　上述3式均通过积分式的计算即可求解。

5 结语

　　由于自动浮动式水堪可达到出水连续、均匀的特征,且通过对堪口的调整可达到较大范围的流量变化。故而,自动浮动式水堪还可用于许多工业污水排水量变化大、需进行出水调节的场合。
　　此项工艺机械设备的研究将对我国污水处理工艺水平的提高起到一定的作用。本文着重进行了对其机理的探讨和相应的诗算分析。以供国内同行专家的讨论和研究。
　　注:参加此课题研究的还有冯生华、金宏、刘延华、张永豪同志等。