新型碟式表曝機的開發(fā)及應用

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簡介： 本文敘述了氧化溝工藝的關鍵設備--新型碟式曝氣機的國內外現(xiàn)狀，指出了目前國內外產品存在的差距。描述了新型碟式曝氣機的研究及開發(fā)過程，以及新型碟式曝氣機的優(yōu)勢、創(chuàng)新點、應用情況和社會效益。
關鍵字：碟式表曝機　表面曝氣機　轉碟曝氣機　轉盤曝氣機　曝氣碟片

1.研究開發(fā)的目標

　　1.1研究目的和意義
　　長期以來，我國的水環(huán)境污染污染日益加劇，不但給工農業(yè)生產帶來巨大損失，嚴重制約國民經濟的持續(xù)發(fā)展，而且對人民的生活和健康，甚至對人民的基本生存條件造成很大威脅，成為影響社會安定的一個不容忽視的因素。近年來，我國城市污水處理廠的建設正以前所未有的速度發(fā)展，目前有數(shù)百座城市污水處理廠正在建設之中。
　　在城市污水處理廠的主導工藝中，氧化溝工藝由于其具有的流程簡捷、經濟高效、管理方便、設備簡單等特點，以及在脫氮方面所具備的較強功能，頗受重視，已得到日益廣泛的應用，尤其適用于中小型城市污水處理廠。
　　氧化溝工藝的關鍵設備是表面曝氣機，在多種表面曝氣機中，碟式表曝機具有較為突出的優(yōu)點：較高的充氧效率；極強的攪拌能力；方便地拆卸安裝；靈活的控制調節(jié)；耐腐蝕長壽命。尤其在節(jié)能控制和減少占地方面具有明顯優(yōu)勢。近年來隨著奧貝爾氧化溝技術和關鍵設備的引進，進口的碟式表曝機顯示出很好的性能，但規(guī)格少、跨距小、價格昂貴，難以適合我國污水處理工程的需要。因此，開發(fā)研制高質量的碟式表曝機成為污水處理行業(yè)的一項重要任務。
　　為此，在國家“九五”科技攻關項目“污水處理成套關鍵技術設備與器材研究”中，滾動增加了“新型碟式表曝機的研究”的內容，由國家城市給水排水工程技術研究中心承擔，主要參加單位有天津國水設備工程有限公司和中國市政工程華北設計研究院。

　　1.2 國內外概況
　　美國U.S.FILTER ENVIREX是奧貝爾氧化溝技術及碟式表曝機設備的創(chuàng)始公司，對該設備的研究開發(fā)工作已進入成熟和應用階段，目前全世界已有600多個采用奧貝爾氧化溝工藝及相關設備的污水處理廠在可靠運轉。U.S.FILTER ENVIREX公司的轉碟曝氣機是國外先進碟式表曝機的代表，具有很強的競爭力。但該公司產品存在如下問題：價格昂貴不適合我國國情；碟片材質、充填技術和結構設計較陳舊，可以創(chuàng)新突破，提高性能；采用傳統(tǒng)的實心鋼軸，跨距一般小于6米，難以適用大規(guī)模污水處理廠。
　　國內的同類設備產品尚屬發(fā)展階段，小型企業(yè)由于資金和技術力量的不足，還沒有形成規(guī)?；a業(yè)化的產品。目前已有數(shù)家企業(yè)以手糊、壓制玻璃鋼或一般工藝的注塑方式生產碟片，生產規(guī)模小、產品重量較大、能耗較高且生產效率低、成本較高。產品的性能、效率、穩(wěn)定性和壽命較國外產品尚有一定差距，現(xiàn)有的技術水平和生產能力難以滿足我國污水處理行業(yè)高速發(fā)展的需要。
　　本研究注重消化吸收國外先進的設計和生產技術，在高起點上創(chuàng)新突破，目標世界領先水平，開發(fā)適合大、中、小型氧化溝工程的新型碟式表曝機，并形成產業(yè)化的生產能力，以替代價格昂貴的進口產品，滿足國內市場的需求。形成新的經濟增長點。

　　1.3 研究開發(fā)內容和技術指標
　　新型碟式表曝器是在對國外先進技術的消化吸收的基礎上,進行開發(fā)研制的成果，現(xiàn)已規(guī)模化生產，質量優(yōu)良、運行穩(wěn)定可靠、低能耗、形成配套完善的新型碟式表曝器，初步形成產業(yè)化生產能力，主要性能達到國際同類產品的技術水平。
　　研究內容分為碟片材質、添加技術、成型工藝以及機械設備的傳動技術等。其工藝設計技術指標為：
　　在經濟浸沒水深500mm，經濟轉速50rpm條件下：
　　單碟充氧能力：≥0.92 kgO2/h；
　　動力效率：≥1.94 kgO2/kwh；
　　碟片重量＜1
　　工作水深大、充氧與混合能力強；
　　具備產業(yè)化生產規(guī)模；
　　結構簡單、裝卸靈活、使用壽命長、安裝維護方便。

　　1.4 研究開發(fā)情況
　　從1999年開始前期準備工作：項目負責人及技術研究人員積極籌措，并制定出研究開發(fā)計劃。收集國內外相關技術資料，分析同類產品存在的問題，找出解決的方法；與國外技術先進的公司合作，消化吸收國外先進的制造技術，確定了研究和設計的技術路線，初步制定出適合我國國情的加工制造工藝。
　　2000年初開始研究碟片材質和制造工藝。中外合作完成了大型注塑模具的制造和優(yōu)化，選擇多種材料，進行碟片的試模生產，通過大量的試驗，測定碟片的各項指標，經比較分析，確定了碟片的材質。同時，對充氮和添加等技術進行了試驗研究，優(yōu)選采用添加技術并確定了最佳的添加劑。再此基礎上，選擇注塑設備，研究成型工藝，成功完成了碟片的產業(yè)化生產。
　　機械軸和傳動裝置的設計，主要依靠我們已有的成功經驗，突破了國外產品的模式，分別研究設計出10米以下跨距的全部機械傳動設備圖紙，并制造出樣機進行機械性能測試，形成機械傳動部分的加工工藝和產業(yè)化生產能力。
　　從開始前期準備至制造出樣機及現(xiàn)場測試近兩年時間，在這兩年時間，本項目充分發(fā)揮國家城市給水排水工程技術研究中心、中國市政工程華北設計研究院的技術優(yōu)勢，以及天津國水設備工程有限公司的開發(fā)制造能力。由于研究成果所具備的技術優(yōu)勢，新型碟式表曝器迅速占領市場制高點，已經在多項大中型城市污水處理工程中得到采用，在國內形成較大影響。

2.研究和開發(fā)內容

　　2.1 新型碟式表曝機結構及工作原理
　　新型碟式表曝器由一組曝氣轉碟、水平傳動軸、軸承及軸承座、驅動裝置、聯(lián)軸器、防濺擋板、玻璃鋼防護罩等組成。
　　碟式表曝器由電機減速機驅動水平軸帶動轉碟旋轉，作用是向污水中充氧，同時推動污水在溝中循環(huán)流動防止活性污泥沉淀，使污水和氧充分混合接觸，完成生化過程。
　　碟式表曝器單個組合可橫跨一條或多條通道，配給每條通道的轉碟數(shù)是因輸氧要求而定。在較大氧化溝設計中，將提供多個組合。對于一天中輸氧量的波動，可用轉碟的浸水深度變化來加以調整。對需氧量的長期變化或突發(fā)波動，可直接開關個別組合來調節(jié)。對遇到意外或事故情況時，可增加轉碟的轉數(shù)。

　　2.2 碟片形式和制作材料的優(yōu)化
　　目前國內外轉碟曝氣機的碟片制造主要采用壓制玻璃鋼及高強度輕質模制塑料制造等幾種方式。玻璃鋼碟片重量較大、能耗較高、生產規(guī)模小、且生產效率低、成本較高，產品的性能、效率、穩(wěn)定性較差；采用高強度輕質模制塑料制造的碟片具有很好的強度和韌性；且重量輕、能耗較低、成本較低；產品的性能、穩(wěn)定性較高；生產效率高、易形成產業(yè)化生產能力。
　　碟片材料：我們經過對國外碟片材料的三代發(fā)展過程進行了反復研究和理論分析：第一、二代碟片材料采用玻璃鋼，由于玻璃鋼的比重大（比重＞1），玻璃鋼做成的碟片每半片重量約為15kg，對水平軸及軸承的受力條件產生影響，增加了水平軸的撓度，降低了軸承的使用壽命，增加了能耗；且玻璃鋼碟片為了降低重量，增加了固化劑的添加量，降低了玻璃鋼碟片的機械性能，經幾年污水中運行后，碟片在使用中有可能分層鱗片脫落，降低了碟片的使用壽命；第三代碟片材料采用高強度輕質模制塑料，由于碟片重量輕每半片重量約為10kg，因此改善了水平軸及軸承的受力情況，降低了水平軸的撓度，提高了軸承的使用壽命。我們選用三種不同牌號B1、B2、B3的高強度聚苯乙烯，試生產了數(shù)百片碟片，并對這三種塑料的碟片進行拉力試驗、破壞性試驗、韌性試驗、不同PH值液體進行長時間浸泡試驗。最終確定了適合國內污水處理工程長期運行的碟片材料為B3高強度聚苯乙烯，并實現(xiàn)了碟片的規(guī)?；a。
　　轉碟的結構設計：曝氣轉碟被設計成兩個半片，兩個半片有兩個半法蘭，采用四套不銹鋼螺栓聯(lián)接，較簡便地和傳動軸固定。根據(jù)國內鋼管傳動軸的特點采用防滑橡膠壓條，傳動軸外圓無須精加工即可緊密與碟片固定，降低了成本。在防滑橡膠壓條設計上，我們充分考慮了橡膠的變形量，使防滑橡膠壓條適用于鋼管外徑的不同偏差。碟片結構設計較國外產品有較大改進，實現(xiàn)了兩半碟片自身的緊密配合，取消了國外同類產品在兩半片之間的不銹鋼連接片，減少了故障點。

　　2.3 碟片的比重和添加技術的采用
　　碟片的比重：氧化溝工藝中的轉碟曝氣機，一般位于走道板或防護罩下。如果碟片的比重大于1，由于意外原因造成碟片破損，破損的碟片將沉入水底，這將會擾動池底的污泥層，且破損的碟片不易被發(fā)現(xiàn)而及時更換，將降低轉碟曝氣機的整機的充氧及推流，嚴重的將會影響整個工藝。高強度聚苯乙烯塑料的比重為1.05，在注塑過程中采用了添加技術，在聚苯乙烯中加入添加劑，使碟片的比重小于1。這樣在意外原因造成碟片破損時，破損的碟片將漂在水面上，易于被污水廠的監(jiān)控系統(tǒng)或維護人員發(fā)現(xiàn)而及時更換，從而提高了轉碟曝氣機設備的可靠性。采用添加技術生產的注塑碟片較穩(wěn)定，可減少碟片的縮水等質量缺陷，成品的合格率高、質量好，且添加技術及工藝是目前國外最先進的碟片生產技術及工藝，因此，在注塑過程中采用了添加技術和添加工藝，實現(xiàn)高起點的碟片國產化。
　　通過反復研究和幾十次的試生產，我們掌握了添加技術及生產工藝，并確定了添加劑的配比，使采用添加技術和添加工藝生產的注塑碟片達到國外同類產品的品質。

　　2.4 模具研制和成型工藝優(yōu)化
　　模具：曝氣碟片的模具為引進技術，在設計中充分考慮國內的大型注塑設備性能特點，設計頂桿位置和尺寸、注塑壓力、鎖模力、定模方式。根據(jù)碟片的結構形式及塑流分析，設計出最佳入水位置，模具采用熱流道板分流到多個熱嘴，幾個熱嘴分布在產品最佳入水點，膠料從這些地方進入模腔。熱流道板有多組發(fā)熱線，用多組溫控箱來控制溫度。外接冷卻水水溫及冷卻時間根據(jù)我國的氣候、環(huán)境溫度及注塑機參數(shù)設計并可在一定范圍內調節(jié)，使該模具的加工工藝適合我國國情，并能在國內批量生產碟片。
　　成型工藝：注塑設備采用日本三菱大型注塑機。為了滿足碟片的結構需要，我們設計改造了大型注塑筒，使其射膠能力達到碟片的生產要求，并研究制定了生產成型工藝及檢驗標準，進行了碟片的試生產。我們經過幾十次的試生產，確定了最佳的鎖模力、熱嘴及熱流道的溫度、炮筒溫度、注塑壓力、保壓壓力、背壓壓力、回壓壓力、射膠量、射膠位置、射膠速度。在冷卻形式和冷卻溫度等成型工藝上，我們采用了雙水溫的冷卻形式，以適應碟片不同壁厚及位置的冷卻溫度，制造出了較理想的碟片產品，形成了產業(yè)化生產能力。

　　2.5 碟片的性能測試
　　由于轉碟曝氣機是用于污水處理廠中，將長期在污水環(huán)境工作，所以要求轉碟的碟片能夠抵抗多種化學物質的腐蝕，針對此項要求，我們做了"碟片抗化學試劑腐蝕試驗"，將各種材料的碟片放入不同的化學試劑中浸泡一定時間后，觀察碟片強度和表面狀況的變化。試驗結果表明， B3材料的碟片對酸（包括強酸和弱酸）、堿（包括強堿和弱堿）、有機物及無機物等化學物質具有很強的抗腐蝕性能，適合在污水環(huán)境下長期使用。同時我們還對碟片進行了拉力試驗、破壞性試驗、韌性試驗、變形測定等較全面的檢測，取得滿意的結果。
　　考慮到國內對碟片的充氧能力的測試還沒有一個嚴格的測試標準，在不同池容下測試的數(shù)據(jù)不同。因此，我們將碟片空運美國有關機構進行充氧能力的測試，碟片的主要工藝指標優(yōu)于美國的同類產品。

　　2.6 水平傳動軸的研制
　　新型碟式表曝器機械傳動部分的關鍵部件是水平轉動軸，國外采用6"實心圓鋼，其精度要求較高，且價格昂貴。國內必須采用實心圓鋼機加工，成品率較低，且加工費用高。另外，國外水平轉動軸跨度不能超過6米，對于溝寬大于6米的氧化溝，溝的中間必須增設土建支墩，否則水平轉動軸撓度過大，將影響曝氣機的整機性能。增設土建支墩將會增加土建投資，并可能影響氧化溝的水力流態(tài)。我們經多次調研及計算確定，曝氣機水平轉動軸采用厚壁20#優(yōu)質結構用無縫鋼管制造，利用計算機優(yōu)化設計及自編軟件計算其強度、撓度和疲勞強度。根據(jù)不同溝寬、碟片數(shù)及傳動功率，選擇不同直徑、壁厚的鋼管。單軸長度可達10米。
　　為了適合不同結構形式的氧化溝工藝，我們設計了多種的水平軸傳動形式：主要有單根水平軸傳動形式和雙根水平軸傳動形式。雙根水平軸傳動形式由一個電機驅動減速機經聯(lián)軸器帶動兩根水平轉動軸同時轉動，此結構形式適用于超大溝寬的氧化溝，或者用于兩個溝由單臺驅動裝置驅動的氧化溝。

　　2.7 軸承和軸承座的研制
　　軸承及軸承座：曝氣機水平轉動軸的支承軸承設計選型上，充分考慮了轉速、負載、支點跨距大、安裝誤差、溫度造成的水平軸伸縮及使用壽命等因素，采用合理尺寸的調心滾動軸承，其可自動調心且使用壽命，油脂潤滑。軸承帶有分開式軸承座，安裝維護方便，并設有游動支承座，以克服安裝誤差，補償因溫度變化引起的軸向伸縮。軸承座進行防腐處理，兩端設有密封性能較好的迷宮密封及兩個唇型密封，用以保證雙向密封,防止?jié)櫥孤┘拔畚镞M入軸承，適合潮濕的污水環(huán)境下長期運行。

　　2.8 驅動裝置和聯(lián)軸器
　　驅動裝置：曝氣機的驅動裝置直接影響到整個設備的可靠運行及長期運行費用。我們經多次調研，采用立式安裝的戶外型電動機及立式硬齒面圓柱齒輪減速機，具有良好的自潤滑系統(tǒng)，使用壽命長（壽命＞15年），故障率低。立式安裝的電機，使其遠離液面，因而減輕了水霧對電機絕緣性能的影響。電動機及減速機可用于24小時連續(xù)運行，允許中度沖擊負荷，并有較好的防腐涂層和密封，適合潮濕的污水環(huán)境下長期運行。
　　聯(lián)軸器：每套驅動裝置與水平轉軸之間由聯(lián)軸器連接；每套由兩個水平轉軸及一套驅動裝置組成的曝氣機，兩個水平轉軸之間由兩個軸承座分開，其間的連接也由一個聯(lián)軸器連接完成。此聯(lián)軸器采用撓性聯(lián)軸器，可補償水平轉軸的誤差，傳遞扭矩，減緩傳動上的沖擊震動。

3.研究成果和技術性能

　　3.1 主要研究成果
　　通過消化吸收國外先進技術和自主研究開發(fā)，成功地研制出效率高、重量輕、抗老化、成本較低、加工質量穩(wěn)定的碟式表曝機，總體性能優(yōu)于進口產品，適用于大、中、小規(guī)模的氧化溝工藝的污水處理廠。
　　該研究在碟片材料選擇、添加技術應用、碟片結構改進和機械傳動的優(yōu)化等方面有創(chuàng)新突破，達到國際領先水平。
　　形成了新型碟式表曝機系統(tǒng)的全套設計和生產工藝（包括碟片成型和機械制造等），滿足大規(guī)模產業(yè)化生產的要求。

　　3.2 主要技術經濟指標和性能參數(shù)
　　轉碟直徑：1400mm
　　轉碟比重：0.95 t/m3
　　半片轉碟重量約：10kg
　　單碟最大供氧能力：1.45kgO2/h
　　最大動力效率：2.11 kgO2/kw.h
　　最佳工作水深：約4.3米
　　轉碟浸沒水深：230～530mm
　　經濟浸沒水深：500mm
　　轉碟轉速：30～60 rpm
　　經濟轉速：50 rpm
　　主要技術經濟指標達到或超過國外同類產品的水平。

4.設備產業(yè)化和工程應用

　　4.1 產業(yè)化情況
　　技術創(chuàng)新和體制創(chuàng)新是推行產業(yè)化的基本思路。在實現(xiàn)產業(yè)化過程中，我們開拓思路，進行新的探索和實踐，取得了較顯著的成效。
　　主要工作包括：
　　成立了股份制的生產制造基地--天津國水設備制造公司（控股），負責關鍵的生產加工任務。我們的技術人員直接掌握生產指揮權和質量管理權，確?？蒲谐晒a品轉化的技術質量。
　　充分利用工業(yè)城市雄厚的基礎產業(yè)能力，優(yōu)選合作分包企業(yè)，在強化質量統(tǒng)一控制的前提下，以最經濟的成本，完成常規(guī)注塑和機械加工業(yè)務。
　　科研開發(fā)單位既做技術龍頭又做市場龍頭。以技術人員為主體、以股份制方式組建的“國水工程公司”， 發(fā)揮污水處理工藝和設備技術的綜合優(yōu)勢，成為市場競爭和經營的主體，迅速占領技術和市場的制高點。
　　為獲得世界一流技術和利用國際知名品牌，與世界最大的水處理制造公司U.S.Filte成立了合資公司--國美（天津）水務設備工程公司，與國際接軌，引入先進的技術和管理機制，并開拓國際市場。
　　1999年，我們得到國家"環(huán)保設備國產化"專項國債的支持，所獲300萬元資金全部用于生產基地的建設，新增一流的專用生產設備，加強了制造實力。
　　新的思路和機制取得了較顯著的成效，加速了產業(yè)化和規(guī)模化進程。目前已經形成年產值一億元的生產能力，顯示出很好的發(fā)展前景。

　　4.2 工程應用情況及社會效益
　　由于本成果具有較明顯的技術和經濟優(yōu)勢，具穩(wěn)定的產業(yè)化、規(guī)?；a能力和條件，加之在經營銷售方面的機制創(chuàng)新，所以在很短的時間內即形成了強有力的市場競爭能力。完全按照市場經濟的規(guī)律實現(xiàn)了依托工程的應用。從2000年3月至今，已經在9項大中型城市污水處理工程中中標，供貨量達200多臺套。尤其是通過競標獲勝，在國家經貿委和建設部的國產化示范工程--廊坊市污水處理廠工程中得到采用，在國內形成較大影響。
　　新型碟式表曝機通過在多項大中型城市污水處理工程中的成功運行，已反映出了具有較高的技術水平和較好的使用性能。
　　新型碟式表曝機從研制到成果轉化僅為一年時間，這在我國也屬于短期見效的有前途的有市場前景的新技術，可為今后在科研立項和轉化成果的工作中加以借鑒。
　　由于新型轉碟曝氣機優(yōu)異的技術性能，將可能成為表面曝氣設備的首選產品，在污水處理工程中發(fā)揮極其重要的作用，對保護水環(huán)境、節(jié)約能源和土地資源都具有一定的意義。