是麗云

（無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇無錫214028）

污水處理設(shè)備設(shè)計及有限元分析

是麗云

（無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇無錫214028）

對中試污水處理設(shè)備進(jìn)行了工藝原理設(shè)計，闡述了各個設(shè)備單體的工作原理，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸構(gòu)建了每一設(shè)備單體的三維造型。研發(fā)的污水處理設(shè)備具備以下特點：1）全套污水處理設(shè)備，工作人員可以通過實際的預(yù)處理、生物處理、深度處理等實際操作將污水處理成達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的出水；2）處理設(shè)備品種全：滿足不同的處理目的和處理條件。并在混凝氣浮池設(shè)計中對溶氣罐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元的分析及優(yōu)化。

水處理;工藝;設(shè)備結(jié)構(gòu)圖;設(shè)計計算;有限元分析及優(yōu)化

1.引言

水是人類生存的必需資源，解決水污染是一個迫在眉睫的世界問題。廢水中含有大量的木質(zhì)素、丹寧、樹脂、無機(jī)堿、纖維素、蛋白質(zhì)等，從而導(dǎo)致廢水的堿度變大、色度變深，產(chǎn)生一系列的難降解的物質(zhì)，造成水污染和生態(tài)環(huán)境的破壞。為了更好解決水污染這個根本性問題，研究污水處理設(shè)備及其工藝具有很大的研究意義和現(xiàn)實意義。

2.設(shè)計工藝原理

本課題是研究一種中試污水處理設(shè)備，從下面的工藝流程圖中可以看出，本設(shè)計有多種方案，可以滿足不同污水處理方案，工藝流程圖如圖1所示。從流程圖中可以看出整個污水處理包含四個部分，預(yù)處理區(qū)、厭氧區(qū)、好氧區(qū)、后處理區(qū)。其中預(yù)處理區(qū)包含隔油池、沉淀池、調(diào)節(jié)池、混凝攪拌、混凝氣浮。厭氧區(qū)包含UASB、AF。好氧區(qū)包含SBR池和生物轉(zhuǎn)盤。后處理區(qū)包含二沉池。

廢水生物處理技術(shù)是利用廣泛存在于自然界中的微生物的代謝作用凈化污水的方法，是一種建立在環(huán)境自凈基礎(chǔ)上的人工強化技術(shù)。這種技術(shù)通過創(chuàng)造適合微生物生長的條件，促進(jìn)微生物的代謝和增殖，加速有機(jī)物的分解，從而使污水得到凈化。根據(jù)參與污水凈化的微生物對溶解氧的需求，廢水的的生物處理技術(shù)可以分為厭氧生物處理技術(shù)及好氧生物處理技術(shù)等。厭氧生物處理方法常用來處理高濃度的有機(jī)廢水，好氧處理方法主要應(yīng)用在城鎮(zhèn)污水處理方面。

圖1 工藝流程圖

本套污水處理設(shè)備主要針對工業(yè)廢水和生活污水，處理最終水的標(biāo)準(zhǔn)是由具體生產(chǎn)工藝決定，設(shè)計的基本工藝原理如下：

工業(yè)廢水—隔油池—格柵調(diào)節(jié)池—混凝—厭氧生物處理—好氧生物處理—二沉池生活廢水—沉淀池—格柵調(diào)節(jié)池—混凝—厭氧生物處理—好氧生物處理—二沉池

3.生產(chǎn)布局如圖

根據(jù)污水處理設(shè)備的劃分，我們將其分六排，四個區(qū)域，其中前三排為預(yù)處理區(qū)，第四排為厭氧區(qū)，第五排為好氧區(qū)，第六排為后處理區(qū)。這些設(shè)備通過管道連接在一起，設(shè)備之間的水和氣的輸送通過電機(jī)的帶動，由電機(jī)提供輸送能量。如圖2。

圖2 工廠的生產(chǎn)布局

4.水處理設(shè)備的工作原理

工業(yè)廢水一般含有浮油，當(dāng)經(jīng)過斜板隔油池時,含油廢水沿管向下流動過程中，由于水相對較重，向下流動并從出水堰排出；浮油相對較輕，其沿斜管向上流動，最終在水面聚集并由撇油機(jī)將浮油撇走。生活廢水一般不進(jìn)行隔油處理，而將其進(jìn)行初步沉淀，由于豎流式沉淀池占地面積小，效率較高，因此本次設(shè)計采用豎流式沉淀池。污水通過中心管從上至下流動，通過喇叭口后在反射板的阻擋下，水流由下到上緩慢流動，大部分則得以沉降。隔油池出水或沉淀池出水進(jìn)入格柵調(diào)節(jié)池，經(jīng)過格柵除去一些較大固體污染物后，在折流板的作用下形成差流，在調(diào)節(jié)池中混合均勻后，均質(zhì)均量地流入混凝處理設(shè)備。該處的混凝設(shè)備分為混凝氣浮池和混凝攪拌池，可以根據(jù)不同需要將出水打入不同的混凝設(shè)備。污水中微小的懸浮物或者膠體在化學(xué)混凝劑的作用下，發(fā)生壓縮雙電層、吸附架橋及網(wǎng)捕效應(yīng)，凝結(jié)成大的顆粒并形成沉淀，以達(dá)到去除揮濁度和色度的目的?；炷龜嚢璩厥峭ㄟ^攪拌和靜置來實現(xiàn)混合和分離的目的，而混凝氣浮是通過混合管和加壓空氣氣浮來實現(xiàn)混合和分離的目的。

接著，混凝裝置出水進(jìn)入?yún)捬跎锾幚碓O(shè)備，以此來降低其中的有機(jī)物濃度。厭氧生物處理方法常用來處理高濃度的有機(jī)廢水。這里的厭氧處理設(shè)備有上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)和厭氧生物濾池（AF），可以根據(jù)不同的污水水質(zhì)，通過調(diào)節(jié)管路將混凝設(shè)備出水打入所需的池子。

污水經(jīng)過厭氧生物處理后，水質(zhì)情況仍不能達(dá)到污水排放的標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行好氧生物處理。好氧池的作用是讓活性污泥或生物膜進(jìn)行有氧呼吸，進(jìn)一步把有機(jī)物分解成無機(jī)物，進(jìn)一步去除水中污染物。一般通過液位差將污水從厭氧處理設(shè)備打到好氧池。這里的好氧處理設(shè)備有序批式活性污泥池（SBR）和好氧生物轉(zhuǎn)盤。如果將污水打到SBR池，污水依次經(jīng)過進(jìn)水、曝氣、靜置、出水四個階段，好氧懸浮微生物利用其進(jìn)行自身增殖，并通過污泥沉淀的形式被排出。如果將污水打入生物轉(zhuǎn)盤，污水中的有機(jī)物將被盤片上生長的生物膜分解。這里盤片起到了生物膜載體的作用。在運行過程中，盤片上的生物膜與廢水和大氣交替接觸。在與廢水接觸過程中，生物膜吸附并分解污水中的有機(jī)物；在與空氣接觸過程中，生物膜吸附氧氣，同時氧化吸附有機(jī)物。在這樣的不斷循環(huán)過程中，廢水中的有機(jī)物得以凈化，微生物膜也得以更新。

好氧處理后的出水一般都要接入二次沉淀設(shè)備，這里的二沉設(shè)備為高效的升流式異向流斜板式沉淀池。待處理的污水由下至上流過多層斜板時，沉降性能滿足條件的固體顆粒物質(zhì)在流動過程中沉降下來并落入底部的泥斗，而經(jīng)過沉降后的水則通過斜板到達(dá)清水出水區(qū)并排出。

5.混凝氣浮池設(shè)計和溶氣罐的有限元分析

氣浮池設(shè)計計算分析

設(shè)計參數(shù)的選擇：

a氣浮池有效水深通常為2.0-2.5m，氣浮池有效容積V＝0.83m3

b廢水在氣浮池停留時間一般為10-20min，其表面負(fù)荷約為6-8m3/(m2·h)

c集水管在分離池底部均勻布置

（1）氣浮所需空氣量Q

在溶氣壓力P下溶解的空氣，經(jīng)減壓釋放后，理論上釋放的空氣量A：

式中：

A：減壓至一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下釋放的空氣量，g/d

ρ：空氣密度，g/L，這里取20℃空氣密度為1.164g/L

Cs：在一定溫度下，一個大氣壓下的空氣溶解度，這里取18.7mL/L

p：溶氣的絕對壓力，這里取0.2MPa

f：加壓溶氣系統(tǒng)的溶氣效率，根據(jù)相關(guān)資料，取85%

QR：加壓溶氣水的流量，根據(jù)設(shè)計要求，這里取10m3/d

氣浮的懸浮固體干重S為：

式中：

S：懸浮固體干重，g/d

Q：氣浮處理的廢水量，m3/d

Sa：廢水中的懸浮固體濃度，g/m3，這里按400g/ m3計算

因此，氣固比a，g/g

（2）分離室表面積Ac：

式中：

Ac：分離池的表面積，m2

有效池高h(yuǎn)，m：，取1.4m

超高取0.3m，則氣浮池總高H=1.7m，池徑為0.9m。

（3）氣浮池上安裝的刮泥板設(shè)計

設(shè)計數(shù)據(jù)的選擇：

1）氣浮池池徑為0.9m

2）污水停留時間為15min

3）污水懸浮物含量為400mg/L，去除率為ε=60%

4）氣浮池池壁對污泥的摩擦系數(shù)μ=0.1

5）刮泥板外緣直徑0.79m，外緣線速度為2m/min

6）刮泥機(jī)懸掛部分的重量W=70kg

7）旋轉(zhuǎn)軸鋼球直徑d=3cm

8）滾動摩擦力臂K=0.05cm

9）安全系數(shù)n=3

10）刮泥板旋轉(zhuǎn)功率N1=0.00086kw：電動機(jī)功率N2=0.0037kw：

混凝氣浮池在設(shè)計過程中對溶氣罐的要求比較高，關(guān)系操作人員的生命安全。我們對溶氣罐進(jìn)行設(shè)計計算，然后選擇用有限元對其分析，確保設(shè)計符合要求。

溶氣罐直徑Dd，m

式中：

I：過流密度，這里取1000m3/(m2·d)

QR：氣浮處理的廢水量m3/d，根據(jù)中試設(shè)備日處理要求，為10m3/d0.113m，取Dd=0.12m

則

溶氣罐高度h：

式中：

h1：罐頂、底封頭高度，這里取0.06m

h2：布水區(qū)高度，一般取0.2-0.3，這里取0.3

h3：貯水區(qū)高度，一般取1m

則h=2h1+h2+h3=1.42m

有限元分析

（1）首先我們對溶氣罐進(jìn)行模型簡化，刪除不必要的結(jié)構(gòu)特征。如圖3所示。

（2）材質(zhì)分配。選用Q235鋼材，屈服強度為235MPa，材料為各向同性的，材料的主要屬性為泊松比為0.27，楊氏模量為199948MPa，熱擴(kuò)散系數(shù)為1.17e-05/C。

（3）設(shè)置位移約束。將底部的支架固定住。

圖3 壓力溶氣罐的三維圖

圖4 簡化后的模型

圖5 PROE前處理圖

（4）設(shè)置壓力載荷。將溶氣罐的內(nèi)表面選定，內(nèi)部的最大的壓強為0.4MPa,分析在這個壓強下溶氣罐所受到的力和位移的變化情況。

（5）劃分網(wǎng)格。

（6）設(shè)置完后，得到proe的前處理部分的情況如圖4、5所示。

（7）經(jīng)過proe的分析得到溶氣罐的應(yīng)力云圖和位移云圖（如圖6,7所示）。為了更加的明顯的區(qū)別溶氣罐各個部位的受力的情況，調(diào)整PRO/E的有限元的顏色設(shè)置。在圖中得出最大的應(yīng)力為43.43N/ mm2，最大的位移為0.015mm，最大應(yīng)力滿足設(shè)計要求，最大位移為小位移，不做考慮。其中最大的應(yīng)力出現(xiàn)在底部圓孔和支架處，最大的位移出現(xiàn)在溶氣罐的頂部。

圖6 溶氣罐應(yīng)力圖

圖7 溶氣罐的位移圖

溶氣罐的優(yōu)化

雖然設(shè)計滿足要求，但是依然可以對溶氣罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，下面本文就對溶氣罐進(jìn)行敏感度的分析，選擇底部圓的半徑和底部圓角半徑為變化的參數(shù)。通過proe的計算得出底部圓半徑的敏感度的情況如圖8所示，底部圓角半徑的敏感度情況如圖9所示。

6.結(jié)論

從圖8中可以看出當(dāng)?shù)撞繄A孔的半徑在30mm時，溶氣罐的最大應(yīng)力最小，在圖9中，底部圓角半徑與最大應(yīng)力是成反比的關(guān)系，選擇4mm的底部圓角半徑。經(jīng)過優(yōu)化，溶氣罐的最大應(yīng)力有明顯的減小，如圖10所示，驗證了設(shè)計的合理性。

圖8 底部圓半徑的敏感度分析

圖9 底部圓角半徑的敏感度分析

圖10 優(yōu)化后的應(yīng)力云圖

[1]李偉.高效一體化小型水處理設(shè)備技術(shù)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[2]臧貴巖，韓玉寶.污水處理設(shè)備現(xiàn)狀及國產(chǎn)現(xiàn)代化[J].城市建設(shè)與商業(yè)網(wǎng)點，2009，（5）：26-27.

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（責(zé)任編輯：朱明星）

X703.3

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1671-752X（2015）03-0060-04

2015-06-04

是麗云（1973-），女，江蘇無錫人，無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計、精密測量原理。