水面治污装置的设计与实现

王 书，吴小艳

(湖北理工学院 机电工程学院,湖北 黄石 435003)

0 引言

随着我国城市化建设的推进和工业化程度的不断提高，越来越多的工业废水、农畜业废水、生活废水等被排放，严重污染了水资源[1-4]。目前，国内外的治污装备大多是以清理捡拾水面垃圾为主，清理效率低，治污见效慢，且不利于水质改善。本文设计的水面治污装置借助微生物与污染物的相互反应，可加速污染物的分解，实现水面治污的目的，缓解河流污染的治理难题。

1 总体方案的设计

1.1 结构设计

利用CAD软件对水面治污装置进行三维建模。水面治污装置结构如图1所示。

1—塑料浮球；2—骨架；3—横梁；4—太阳能板；5—保护罩；6—直流电动机；7—主轴；8—滚子链；9—输出轴；10—带孔转筒。

图1 水面治污装置结构

水面治污装置为船式结构，这种结构可以增强装置在水面作业的稳定性。骨架选用等边角不锈钢，连接方式为焊接。带孔转筒安装在骨架中部，一端与输出轴相连，另一端与旋转轴相连，分别采用滑动轴承和圆柱销定位。其表面均匀分布有直径为1 mm的小孔(小孔直径小于微生物颗粒长度)，用于释放微生物。水面治污装置设置4个塑料浮筒，对称分布在带孔转筒的两侧，由弹力绳索捆绑在骨架下方的横梁和支撑骨架上，使其漂浮在水面上。选用JGB37-3530直流减速电机，其安装方便，转速比较缓慢，与带孔转筒的转速要求相匹配，采用太阳能板为直流电机持续供电[5-7]。

1.2 工作过程及原理

电动机通过弹性联轴器在滑动轴承的作用下驱动滚子链带动输出轴转动。输出轴与带孔转筒相连，带动转筒缓慢旋转，转筒中可溶于水的微生物通过转筒上的微孔释放至水中，与污染物发生反应，加速污染物的分解，以达到绿色清污的效果。

2 主要参数理论计算

2.1 微生物水溶液质量计算

治污装置横置于水面，污水经转筒表面的微孔流进，与筒内的微生物颗粒混合形成微生物水溶液。治污装置借助塑料浮筒漂浮在水面上，带孔转筒缓慢转动，微生物水溶液经微孔被匀速甩出，释放至水中与污染物发生反应。随着微生物水溶液不断地与污染物发生反应，微生物水溶液的浓度不断降低。因此，为保证治污装置正常工作，确保治污装置的最大工作时长，需及时补充微生物颗粒，保证微生物水溶液一直处于具有治污能力的浓度范围内。由于存在大气压强，转筒内微生物水溶液的液面高度与水面始终齐平。转筒横向截面水面分析简化模型如图2所示。

图2 转筒横向截面水面分析简化模型

设|OO'|=h,∠O'OD=α，则有：

(1)

=h×|O'D|

(2)

式(1)～(2)中，R为带孔转筒半径。

转筒内微生物水溶液的横向表面积S为：

S=2SAOC+S△COD+SAEB

(3)

式(3)中，α'=90°-α。

转筒内微生物水溶液的质量M为：

M=ρ1×V1+M1

=ρ1×S×L+M1

(4)

式(4)中，M为微生物水溶液的质量；M1为微生物颗粒的质量；ρ1为水的密度，取ρ1=1.0×103kg/m3；V1为微生物水溶液的体积；L为转筒的长度。

2.2 塑料浮筒参数计算

塑料浮筒的作用是使治污装置稳定地漂浮在水面上，能正常地进行去污作业。为保证治污装置的入水深度稳定在水下0.4 m左右，需要对其进行受力分析，计算治污装置漂浮状态下承受的最大浮力，即求得塑料浮筒所承受的最小压力，从而确定塑料浮筒的质量和体积。

对治污装置进行受力分析：

F2=G-F1

(5)

G=(M0+M)g

(6)

F1=ρ1gV2=ρ1gSL

(7)

式(5)～(7)中，F2为塑料浮筒承受的最小压力；G为治污装置的重力；F1为治污装置工作状态下所受的浮力；M0为治污装置的重量；V2为治污装置工作状态下排开水的体积。

联立式(5)～(7)，即可求得塑料浮筒承受的最小压力F2，即治污装置漂浮状态下所需承受的最大浮力。

对塑料浮筒进行受力分析：

G'=F2

(8)

G'=M2=ρ2V3g

(9)

式(8)～(9)中，G＇为塑料浮筒的重力；M2为塑料浮筒的质量；V3为塑料浮筒的体积。

联立式(8)～(9)，即可计算出塑料浮筒的质量和体积。

2.3 带孔转筒受力分析

治污装置在启动工作时，转筒与微生物水溶液的质心较静止状态时发生了偏移。新质心系O'1绕转筒质心O点转动，转动半径R'=|x|。转筒漂浮工作状态下，转筒内各质点所受重力与浮力为作用力与反作用力，大小相等，方向相反。以新质心系中O'1为例，逆时针方向为正方向，对其进行受力分析。转筒受力分析如图3所示。

图3 转筒受力分析

初次启动时，t=0，新质心O'1与O点处于水平状态，φ=ωt，则：

P=-m1v1=-m1ω|x|

(10)

式(10)中，ω为转筒水面工作时的角速度；x为质心偏移量，即转动半径。

由动量定理的投影式可得：

dPx/dt=Fx，dPy/dt=Fy

(11)

Px=-m1ωxsinωt,Py=-m1ωxcosωt

(12)

联立式(10)～(12)，即可计算出质点的基础水平约束力和铅直约束力为：

Fx=-m1ω2xcosωt

(13)

Fy=-m1ω2xsinωt

(14)

初次启动时t= 0，有：Fx=-m1ω2x，

Fy= 0。

则转筒所受合力为:

F=∑Fx=-∑m1ω2x

(15)

∑m1=M+M3

(16)

式(15)～(16)中，M3为转筒与输出轴和旋转轴的质量；ω=2πn/60。

2.4 输出轴轴径计算

治污装置输出轴与带孔转筒相连，由直流电机驱动，带动带孔转筒缓慢旋转释放微生物水溶液。输出轴材料选用Q235-A，带孔转筒水面工作时的输出功率P0为：

P0=|F|xω

(17)

输出轴为实心轴，轴径按扭转强度条件进行估算，计算公式为：

(18)

式(18)中，n为转筒的转速；c为常数，查《机械设计》手册，取c=149。

由于输出轴上开有键槽，键槽会削弱输出轴的强度，因此最终确定输出轴轴径为：

d'≥d×(1+5%×a)

(19)

式(19)中，a为轴上的键槽个数。

3 现场试验

3.1 试验环境

在黄石市试验基地内进行水面治污装置试验，水域面积为900 m2，水体污染严重，平均酸碱度pH<3 。

3.2 评价指标

1)异味

洁净的水是无色无味的，水体若受到污染便会产生各种臭味。

2)浑浊度

水体发生浑浊是悬浮在水中的胶体颗粒物发生散射产生的现象，浑浊度可以直观地体现水体受污染的程度。将治理后的水样与标准浑浊液进行比较，分为浑浊、较浑浊、较清澈、清澈4个等级。

3)水面漂浮物去除率

水面漂浮物去除率T的计算公式为：

(20)

式(20)中，Q为治污处理后每平方米内漂浮物的质量；Q0为治污处理前每平方米内漂浮物的总质量。

4)平均酸碱度pH

pH表示水中氢离子的浓度，若pH异常，则表示水体受到污染。测定方法选用比色法，取治理后的水样，加入一定量的指示剂，与pH标准色列进行比较：pH<7，酸性；pH=7，中性；pH>7，碱性；6.5

3.3 试验方案

按照入水深度、转筒速度将试验分成A,B,C 3组，试验周期相同，治污36 h后进行取样观察，对比分析水面治污装置的整体性能及治污能力。

3.4 试验结果分析

对水面治污装置进行调试后下水作业，对于每项测试指标均进行多次试验后取平均值。水面治污装置试验结果见表1。

表1 水面治污装置试验结果

1)由表1可以看出，除装置发生异常无法正常作业外，3组试验水体的pH值与治理前(pH<3)相比均有所提高，水质均得到了改善，说明装置整体性能稳定，治污能力表现突出。

2)当转筒转速为10 r/min和15 r/min时，随着入水深度的加深，治污能力表现为先增大后减弱的趋势。在入水深度为0.4 m，转速为15 r/min时，治污能力表现最优。

3)当保持入水深度不变时，随着转筒转速的增大，治污能力逐渐增强，但在水下0.4 m和0.5 m，转筒转速增至20 r/min时，装置发生异常，无法正常作业。这说明转筒在水下作业时的抗扭矩能力还有待提高。

4 结论

为缓解河流污染的治理难题，利用微生物与污染物的反应设计了一款水面治污装置。试验结果表明，当入水深度为0.4 m，转速为15 r/min时，机械化和工作效率最高，装置传动平稳，水面适应能力强，装置治污能力表现最优。但在水下0.4 m和0.5 m，转筒转速增至20 r/min时，装置发生异常，无法正常作业，转筒抗扭矩能力还有待提高，仍需对其结构进行设计优化，使其具有更高的推广应用价值。