王 書(shū)，吳小艷

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的推進(jìn)和工業(yè)化程度的不斷提高，越來(lái)越多的工業(yè)廢水、農(nóng)畜業(yè)廢水、生活廢水等被排放，嚴(yán)重污染了水資源[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)外的治污裝備大多是以清理?yè)焓八胬鵀橹?，清理效率低，治污?jiàn)效慢，且不利于水質(zhì)改善。本文設(shè)計(jì)的水面治污裝置借助微生物與污染物的相互反應(yīng)，可加速污染物的分解，實(shí)現(xiàn)水面治污的目的，緩解河流污染的治理難題。

1 總體方案的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用CAD軟件對(duì)水面治污裝置進(jìn)行三維建模。水面治污裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—塑料浮球；2—骨架；3—橫梁；4—太陽(yáng)能板；5—保護(hù)罩；6—直流電動(dòng)機(jī)；7—主軸；8—滾子鏈；9—輸出軸；10—帶孔轉(zhuǎn)筒。

圖1 水面治污裝置結(jié)構(gòu)

水面治污裝置為船式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)裝置在水面作業(yè)的穩(wěn)定性。骨架選用等邊角不銹鋼，連接方式為焊接。帶孔轉(zhuǎn)筒安裝在骨架中部，一端與輸出軸相連，另一端與旋轉(zhuǎn)軸相連，分別采用滑動(dòng)軸承和圓柱銷定位。其表面均勻分布有直徑為1 mm的小孔(小孔直徑小于微生物顆粒長(zhǎng)度)，用于釋放微生物。水面治污裝置設(shè)置4個(gè)塑料浮筒，對(duì)稱分布在帶孔轉(zhuǎn)筒的兩側(cè)，由彈力繩索捆綁在骨架下方的橫梁和支撐骨架上，使其漂浮在水面上。選用JGB37-3530直流減速電機(jī)，其安裝方便，轉(zhuǎn)速比較緩慢，與帶孔轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速要求相匹配，采用太陽(yáng)能板為直流電機(jī)持續(xù)供電[5-7]。

1.2 工作過(guò)程及原理

電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器在滑動(dòng)軸承的作用下驅(qū)動(dòng)滾子鏈帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。輸出軸與帶孔轉(zhuǎn)筒相連，帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒緩慢旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒中可溶于水的微生物通過(guò)轉(zhuǎn)筒上的微孔釋放至水中，與污染物發(fā)生反應(yīng)，加速污染物的分解，以達(dá)到綠色清污的效果。

2 主要參數(shù)理論計(jì)算

2.1 微生物水溶液質(zhì)量計(jì)算

治污裝置橫置于水面，污水經(jīng)轉(zhuǎn)筒表面的微孔流進(jìn)，與筒內(nèi)的微生物顆?；旌闲纬晌⑸锼芤?。治污裝置借助塑料浮筒漂浮在水面上，帶孔轉(zhuǎn)筒緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，微生物水溶液經(jīng)微孔被勻速甩出，釋放至水中與污染物發(fā)生反應(yīng)。隨著微生物水溶液不斷地與污染物發(fā)生反應(yīng)，微生物水溶液的濃度不斷降低。因此，為保證治污裝置正常工作，確保治污裝置的最大工作時(shí)長(zhǎng)，需及時(shí)補(bǔ)充微生物顆粒，保證微生物水溶液一直處于具有治污能力的濃度范圍內(nèi)。由于存在大氣壓強(qiáng)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)微生物水溶液的液面高度與水面始終齊平。轉(zhuǎn)筒橫向截面水面分析簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)筒橫向截面水面分析簡(jiǎn)化模型

設(shè)|OO'|=h,∠O'OD=α，則有：

(1)

=h×|O'D|

(2)

式(1)～(2)中，R為帶孔轉(zhuǎn)筒半徑。

轉(zhuǎn)筒內(nèi)微生物水溶液的橫向表面積S為：

S=2SAOC+S△COD+SAEB

(3)

式(3)中，α'=90°-α。

轉(zhuǎn)筒內(nèi)微生物水溶液的質(zhì)量M為：

M=ρ1×V1+M1

=ρ1×S×L+M1

(4)

式(4)中，M為微生物水溶液的質(zhì)量；M1為微生物顆粒的質(zhì)量；ρ1為水的密度，取ρ1=1.0×103kg/m3；V1為微生物水溶液的體積；L為轉(zhuǎn)筒的長(zhǎng)度。

2.2 塑料浮筒參數(shù)計(jì)算

塑料浮筒的作用是使治污裝置穩(wěn)定地漂浮在水面上，能正常地進(jìn)行去污作業(yè)。為保證治污裝置的入水深度穩(wěn)定在水下0.4 m左右，需要對(duì)其進(jìn)行受力分析，計(jì)算治污裝置漂浮狀態(tài)下承受的最大浮力，即求得塑料浮筒所承受的最小壓力，從而確定塑料浮筒的質(zhì)量和體積。

對(duì)治污裝置進(jìn)行受力分析：

F2=G-F1

(5)

G=(M0+M)g

(6)

F1=ρ1gV2=ρ1gSL

(7)

式(5)～(7)中，F(xiàn)2為塑料浮筒承受的最小壓力；G為治污裝置的重力；F1為治污裝置工作狀態(tài)下所受的浮力；M0為治污裝置的重量；V2為治污裝置工作狀態(tài)下排開(kāi)水的體積。

聯(lián)立式(5)～(7)，即可求得塑料浮筒承受的最小壓力F2，即治污裝置漂浮狀態(tài)下所需承受的最大浮力。

對(duì)塑料浮筒進(jìn)行受力分析：

G'=F2

(8)

G'=M2=ρ2V3g

(9)

式(8)～(9)中，G＇為塑料浮筒的重力；M2為塑料浮筒的質(zhì)量；V3為塑料浮筒的體積。

聯(lián)立式(8)～(9)，即可計(jì)算出塑料浮筒的質(zhì)量和體積。

2.3 帶孔轉(zhuǎn)筒受力分析

治污裝置在啟動(dòng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)筒與微生物水溶液的質(zhì)心較靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)發(fā)生了偏移。新質(zhì)心系O'1繞轉(zhuǎn)筒質(zhì)心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R'=|x|。轉(zhuǎn)筒漂浮工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)筒內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)所受重力與浮力為作用力與反作用力，大小相等，方向相反。以新質(zhì)心系中O'1為例，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?，?duì)其進(jìn)行受力分析。轉(zhuǎn)筒受力分析如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)筒受力分析

初次啟動(dòng)時(shí)，t=0，新質(zhì)心O'1與O點(diǎn)處于水平狀態(tài)，φ=ωt，則：

P=-m1v1=-m1ω|x|

(10)

式(10)中，ω為轉(zhuǎn)筒水面工作時(shí)的角速度；x為質(zhì)心偏移量，即轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。

由動(dòng)量定理的投影式可得：

dPx/dt=Fx，dPy/dt=Fy

(11)

Px=-m1ωxsinωt,Py=-m1ωxcosωt

(12)

聯(lián)立式(10)～(12)，即可計(jì)算出質(zhì)點(diǎn)的基礎(chǔ)水平約束力和鉛直約束力為：

Fx=-m1ω2xcosωt

(13)

Fy=-m1ω2xsinωt

(14)

初次啟動(dòng)時(shí)t= 0，有：Fx=-m1ω2x，

Fy= 0。

則轉(zhuǎn)筒所受合力為:

F=∑Fx=-∑m1ω2x

(15)

∑m1=M+M3

(16)

式(15)～(16)中，M3為轉(zhuǎn)筒與輸出軸和旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量；ω=2πn/60。

2.4 輸出軸軸徑計(jì)算

治污裝置輸出軸與帶孔轉(zhuǎn)筒相連，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)帶孔轉(zhuǎn)筒緩慢旋轉(zhuǎn)釋放微生物水溶液。輸出軸材料選用Q235-A，帶孔轉(zhuǎn)筒水面工作時(shí)的輸出功率P0為：

P0=|F|xω

(17)

輸出軸為實(shí)心軸，軸徑按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：

(18)

式(18)中，n為轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速；c為常數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》手冊(cè)，取c=149。

由于輸出軸上開(kāi)有鍵槽，鍵槽會(huì)削弱輸出軸的強(qiáng)度，因此最終確定輸出軸軸徑為：

d'≥d×(1+5%×a)

(19)

式(19)中，a為軸上的鍵槽個(gè)數(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

在黃石市試驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行水面治污裝置試驗(yàn)，水域面積為900 m2，水體污染嚴(yán)重，平均酸堿度pH<3 。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)異味

潔凈的水是無(wú)色無(wú)味的，水體若受到污染便會(huì)產(chǎn)生各種臭味。

2)渾濁度

水體發(fā)生渾濁是懸浮在水中的膠體顆粒物發(fā)生散射產(chǎn)生的現(xiàn)象，渾濁度可以直觀地體現(xiàn)水體受污染的程度。將治理后的水樣與標(biāo)準(zhǔn)渾濁液進(jìn)行比較，分為渾濁、較渾濁、較清澈、清澈4個(gè)等級(jí)。

3)水面漂浮物去除率

水面漂浮物去除率T的計(jì)算公式為：

(20)

式(20)中，Q為治污處理后每平方米內(nèi)漂浮物的質(zhì)量；Q0為治污處理前每平方米內(nèi)漂浮物的總質(zhì)量。

4)平均酸堿度pH

pH表示水中氫離子的濃度，若pH異常，則表示水體受到污染。測(cè)定方法選用比色法，取治理后的水樣，加入一定量的指示劑，與pH標(biāo)準(zhǔn)色列進(jìn)行比較：pH<7，酸性；pH=7，中性；pH>7，堿性；6.5

3.3 試驗(yàn)方案

按照入水深度、轉(zhuǎn)筒速度將試驗(yàn)分成A,B,C 3組，試驗(yàn)周期相同，治污36 h后進(jìn)行取樣觀察，對(duì)比分析水面治污裝置的整體性能及治污能力。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)水面治污裝置進(jìn)行調(diào)試后下水作業(yè)，對(duì)于每項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均進(jìn)行多次試驗(yàn)后取平均值。水面治污裝置試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水面治污裝置試驗(yàn)結(jié)果

1)由表1可以看出，除裝置發(fā)生異常無(wú)法正常作業(yè)外，3組試驗(yàn)水體的pH值與治理前(pH<3)相比均有所提高，水質(zhì)均得到了改善，說(shuō)明裝置整體性能穩(wěn)定，治污能力表現(xiàn)突出。

2)當(dāng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為10 r/min和15 r/min時(shí)，隨著入水深度的加深，治污能力表現(xiàn)為先增大后減弱的趨勢(shì)。在入水深度為0.4 m，轉(zhuǎn)速為15 r/min時(shí)，治污能力表現(xiàn)最優(yōu)。

3)當(dāng)保持入水深度不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的增大，治污能力逐漸增強(qiáng)，但在水下0.4 m和0.5 m，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速增至20 r/min時(shí)，裝置發(fā)生異常，無(wú)法正常作業(yè)。這說(shuō)明轉(zhuǎn)筒在水下作業(yè)時(shí)的抗扭矩能力還有待提高。

4 結(jié)論

為緩解河流污染的治理難題，利用微生物與污染物的反應(yīng)設(shè)計(jì)了一款水面治污裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)入水深度為0.4 m，轉(zhuǎn)速為15 r/min時(shí)，機(jī)械化和工作效率最高，裝置傳動(dòng)平穩(wěn)，水面適應(yīng)能力強(qiáng)，裝置治污能力表現(xiàn)最優(yōu)。但在水下0.4 m和0.5 m，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速增至20 r/min時(shí)，裝置發(fā)生異常，無(wú)法正常作業(yè)，轉(zhuǎn)筒抗扭矩能力還有待提高，仍需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其具有更高的推廣應(yīng)用價(jià)值。