污水处理设备设计及有限元分析

2015-12-15是丽云

铜陵职业技术学院学报 2015年3期

关键词：气罐混凝沉淀池

是丽云

（无锡机电高等职业技术学校，江苏无锡214028）

污水处理设备设计及有限元分析

是丽云

（无锡机电高等职业技术学校，江苏无锡214028）

对中试污水处理设备进行了工艺原理设计，阐述了各个设备单体的工作原理，按照结构设计尺寸构建了每一设备单体的三维造型。研发的污水处理设备具备以下特点：1）全套污水处理设备，工作人员可以通过实际的预处理、生物处理、深度处理等实际操作将污水处理成达到排放标准的出水；2）处理设备品种全：满足不同的处理目的和处理条件。并在混凝气浮池设计中对溶气罐进行了结构设计和有限元的分析及优化。

水处理;工艺;设备结构图;设计计算;有限元分析及优化

1.引言

水是人类生存的必需资源，解决水污染是一个迫在眉睫的世界问题。废水中含有大量的木质素、丹宁、树脂、无机碱、纤维素、蛋白质等，从而导致废水的碱度变大、色度变深，产生一系列的难降解的物质，造成水污染和生态环境的破坏。为了更好解决水污染这个根本性问题，研究污水处理设备及其工艺具有很大的研究意义和现实意义。

2.设计工艺原理

本课题是研究一种中试污水处理设备，从下面的工艺流程图中可以看出，本设计有多种方案，可以满足不同污水处理方案，工艺流程图如图1所示。从流程图中可以看出整个污水处理包含四个部分，预处理区、厌氧区、好氧区、后处理区。其中预处理区包含隔油池、沉淀池、调节池、混凝搅拌、混凝气浮。厌氧区包含UASB、AF。好氧区包含SBR池和生物转盘。后处理区包含二沉池。

废水生物处理技术是利用广泛存在于自然界中的微生物的代谢作用净化污水的方法，是一种建立在环境自净基础上的人工强化技术。这种技术通过创造适合微生物生长的条件，促进微生物的代谢和增殖，加速有机物的分解，从而使污水得到净化。根据参与污水净化的微生物对溶解氧的需求，废水的的生物处理技术可以分为厌氧生物处理技术及好氧生物处理技术等。厌氧生物处理方法常用来处理高浓度的有机废水，好氧处理方法主要应用在城镇污水处理方面。

图1 工艺流程图

本套污水处理设备主要针对工业废水和生活污水，处理最终水的标准是由具体生产工艺决定，设计的基本工艺原理如下：

工业废水—隔油池—格栅调节池—混凝—厌氧生物处理—好氧生物处理—二沉池生活废水—沉淀池—格栅调节池—混凝—厌氧生物处理—好氧生物处理—二沉池

3.生产布局如图

根据污水处理设备的划分，我们将其分六排，四个区域，其中前三排为预处理区，第四排为厌氧区，第五排为好氧区，第六排为后处理区。这些设备通过管道连接在一起，设备之间的水和气的输送通过电机的带动，由电机提供输送能量。如图2。

图2 工厂的生产布局

4.水处理设备的工作原理

工业废水一般含有浮油，当经过斜板隔油池时,含油废水沿管向下流动过程中，由于水相对较重，向下流动并从出水堰排出；浮油相对较轻，其沿斜管向上流动，最终在水面聚集并由撇油机将浮油撇走。生活废水一般不进行隔油处理，而将其进行初步沉淀，由于竖流式沉淀池占地面积小，效率较高，因此本次设计采用竖流式沉淀池。污水通过中心管从上至下流动，通过喇叭口后在反射板的阻挡下，水流由下到上缓慢流动，大部分则得以沉降。隔油池出水或沉淀池出水进入格栅调节池，经过格栅除去一些较大固体污染物后，在折流板的作用下形成差流，在调节池中混合均匀后，均质均量地流入混凝处理设备。该处的混凝设备分为混凝气浮池和混凝搅拌池，可以根据不同需要将出水打入不同的混凝设备。污水中微小的悬浮物或者胶体在化学混凝剂的作用下，发生压缩双电层、吸附架桥及网捕效应，凝结成大的颗粒并形成沉淀，以达到去除挥浊度和色度的目的。混凝搅拌池是通过搅拌和静置来实现混合和分离的目的，而混凝气浮是通过混合管和加压空气气浮来实现混合和分离的目的。

接着，混凝装置出水进入厌氧生物处理设备，以此来降低其中的有机物浓度。厌氧生物处理方法常用来处理高浓度的有机废水。这里的厌氧处理设备有上流式厌氧污泥床反应器(UASB)和厌氧生物滤池（AF），可以根据不同的污水水质，通过调节管路将混凝设备出水打入所需的池子。

污水经过厌氧生物处理后，水质情况仍不能达到污水排放的标准，必须进行好氧生物处理。好氧池的作用是让活性污泥或生物膜进行有氧呼吸，进一步把有机物分解成无机物，进一步去除水中污染物。一般通过液位差将污水从厌氧处理设备打到好氧池。这里的好氧处理设备有序批式活性污泥池（SBR）和好氧生物转盘。如果将污水打到SBR池，污水依次经过进水、曝气、静置、出水四个阶段，好氧悬浮微生物利用其进行自身增殖，并通过污泥沉淀的形式被排出。如果将污水打入生物转盘，污水中的有机物将被盘片上生长的生物膜分解。这里盘片起到了生物膜载体的作用。在运行过程中，盘片上的生物膜与废水和大气交替接触。在与废水接触过程中，生物膜吸附并分解污水中的有机物；在与空气接触过程中，生物膜吸附氧气，同时氧化吸附有机物。在这样的不断循环过程中，废水中的有机物得以净化，微生物膜也得以更新。

好氧处理后的出水一般都要接入二次沉淀设备，这里的二沉设备为高效的升流式异向流斜板式沉淀池。待处理的污水由下至上流过多层斜板时，沉降性能满足条件的固体颗粒物质在流动过程中沉降下来并落入底部的泥斗，而经过沉降后的水则通过斜板到达清水出水区并排出。

5.混凝气浮池设计和溶气罐的有限元分析

气浮池设计计算分析

设计参数的选择：

a气浮池有效水深通常为2.0-2.5m，气浮池有效容积V＝0.83m3

b废水在气浮池停留时间一般为10-20min，其表面负荷约为6-8m3/(m2·h)

c集水管在分离池底部均匀布置

（1）气浮所需空气量Q

在溶气压力P下溶解的空气，经减压释放后，理论上释放的空气量A：

式中：

A：减压至一个标准大气压下释放的空气量，g/d

ρ：空气密度，g/L，这里取20℃空气密度为1.164g/L

Cs：在一定温度下，一个大气压下的空气溶解度，这里取18.7mL/L

p：溶气的绝对压力，这里取0.2MPa

f：加压溶气系统的溶气效率，根据相关资料，取85%

QR：加压溶气水的流量，根据设计要求，这里取10m3/d

气浮的悬浮固体干重S为：

式中：

S：悬浮固体干重，g/d

Q：气浮处理的废水量，m3/d

Sa：废水中的悬浮固体浓度，g/m3，这里按400g/ m3计算

因此，气固比a，g/g

（2）分离室表面积Ac：

式中：

Ac：分离池的表面积，m2

有效池高h，m：，取1.4m

超高取0.3m，则气浮池总高H=1.7m，池径为0.9m。

（3）气浮池上安装的刮泥板设计

设计数据的选择：

1）气浮池池径为0.9m

2）污水停留时间为15min

3）污水悬浮物含量为400mg/L，去除率为ε=60%

4）气浮池池壁对污泥的摩擦系数μ=0.1

5）刮泥板外缘直径0.79m，外缘线速度为2m/min

6）刮泥机悬挂部分的重量W=70kg

7）旋转轴钢球直径d=3cm

8）滚动摩擦力臂K=0.05cm

9）安全系数n=3

10）刮泥板旋转功率N1=0.00086kw：电动机功率N2=0.0037kw：

混凝气浮池在设计过程中对溶气罐的要求比较高，关系操作人员的生命安全。我们对溶气罐进行设计计算，然后选择用有限元对其分析，确保设计符合要求。

溶气罐直径Dd，m

式中：

I：过流密度，这里取1000m3/(m2·d)

QR：气浮处理的废水量m3/d，根据中试设备日处理要求，为10m3/d0.113m，取Dd=0.12m

则

溶气罐高度h：

式中：

h1：罐顶、底封头高度，这里取0.06m

h2：布水区高度，一般取0.2-0.3，这里取0.3

h3：贮水区高度，一般取1m

则h=2h1+h2+h3=1.42m

有限元分析

（1）首先我们对溶气罐进行模型简化，删除不必要的结构特征。如图3所示。

（2）材质分配。选用Q235钢材，屈服强度为235MPa，材料为各向同性的，材料的主要属性为泊松比为0.27，杨氏模量为199948MPa，热扩散系数为1.17e-05/C。

（3）设置位移约束。将底部的支架固定住。

图3 压力溶气罐的三维图

图4 简化后的模型

图5 PROE前处理图

（4）设置压力载荷。将溶气罐的内表面选定，内部的最大的压强为0.4MPa,分析在这个压强下溶气罐所受到的力和位移的变化情况。

（5）划分网格。

（6）设置完后，得到proe的前处理部分的情况如图4、5所示。

（7）经过proe的分析得到溶气罐的应力云图和位移云图（如图6,7所示）。为了更加的明显的区别溶气罐各个部位的受力的情况，调整PRO/E的有限元的颜色设置。在图中得出最大的应力为43.43N/ mm2，最大的位移为0.015mm，最大应力满足设计要求，最大位移为小位移，不做考虑。其中最大的应力出现在底部圆孔和支架处，最大的位移出现在溶气罐的顶部。