桁架式吸泥機(jī)改造與應(yīng)用

邱 博

（石河子首創(chuàng)水務(wù)有限公司，新疆石河子 832003）

1 項目背景

石河子市污水處理廠生化池提標(biāo)改造后，與其相連的沉淀池沒有進(jìn)行改造，由于改造前沉淀池內(nèi)淤泥、垃圾、細(xì)小柵渣的原水雜物較多，經(jīng)常將吸入口、吸管堵塞，使吸泥泵無法正常工作。長期積泥厭氧后上翻，影響出水達(dá)標(biāo)。沉淀池原設(shè)備至今已停用近7 年，該設(shè)備選用兩臺3 kW 專用潛污泵（圖1），底部是一吸入口，用鋼絲吊入吸泥管導(dǎo)口后與出口耦合，此結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的缺陷：①潛污泵與吸泥管導(dǎo)耦合不徹底，吸力不足，維修時提出不方便；②吸泥口容易堵塞（圖2），導(dǎo)致吸泥機(jī)行走負(fù)載大、容易出軌。

圖1 3 kW 吸泥機(jī)專用泵

圖2 吸口堵塞

2 桁架式吸泥機(jī)設(shè)計計算

2.1 設(shè)備選型

石河子市污水處理廠一期設(shè)計處理量100 000 m3/d，采用A2/O 工藝，生化池分為四組池，每池處理量為25 000 m3/d，污泥回流比（外回流）按照20%～100%計算，每日外回流量按100%計算，即：25 000 m3/d，而大吸泥機(jī)24 h 滿負(fù)荷為2×500×24=24 000 m3/d，因此小吸泥機(jī)需滿足1000 m3/d 處理量，經(jīng)計算選擇與一期大吸泥機(jī)相同的軸流泵,性能參數(shù)見表1，每天開啟2～4 h 即可滿足工藝要求。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是提高設(shè)備互換性，提高設(shè)備利用率，減少冷備；每日只需開2～4 h，避開夜間運(yùn)行，降低人工勞動強(qiáng)度。

表1 300ZQ-85 軸流泵性能參數(shù)

2.2 吸泥管設(shè)計

（1）單管吸泥機(jī)的核心技術(shù)在吸泥管上，吸泥機(jī)的吸泥效果（主要指標(biāo)是吸泥均勻性）取決于吸泥管上孔的大小及分布，為了提高吸泥機(jī)吸泥的均勻性，采用3 種方式：①改變配孔比（開孔總面積與吸泥管橫截面積之比，孔是等孔徑等孔距分布）；②孔是等孔徑變孔距分布；③孔是等孔距變孔徑分布。

當(dāng)吸泥管上等孔徑等孔距布孔時，要使吸泥均勻，還需各吸泥孔對應(yīng)的作用水頭相等。由于管內(nèi)壓力沿流向不斷減小，而管外壓力恒定不變（等于水深），所以各吸泥孔的作用水頭不相等，從而導(dǎo)致等孔徑等孔距布孔吸泥不均勻[1]。由于是利舊改造，此吸泥管原設(shè)計為等孔距變孔徑L 形結(jié)構(gòu)，因此只需將孔徑相近的段截下，按照離泵越遠(yuǎn)孔徑越大的原則，焊接成一個整體呈倒T 形結(jié)構(gòu)即可滿足使用需求。

（2）現(xiàn)有的吸泥管有兩排孔，按照不同孔徑分段加工，按照孔徑大小進(jìn)行分割，泥孔直徑30 mm、等效泥孔直徑為42 mm的泥管部分長約3.5 m；其余泥孔直徑為20 mm、等效泥孔直徑為28 mm 的部分長約6 m，然后進(jìn)行優(yōu)化組合。經(jīng)過計算，保留其中9 m 組合成新的泥管。泥管設(shè)計計算過程如下：

則泥管內(nèi)各點(diǎn)處的壓力為：h=Y-H（x）

式中 L——吸泥管長度，m

D——吸泥管直徑，m

λ——管道排泥摩阻系數(shù)（表1）

Y——泥管到池面的距離，m吸泥孔孔眼流量為：

式中 q——孔眼流量，m3/s

D——吸泥孔直徑，m

Cd——流量系數(shù)，取0.62

g——重力加速度，取9.82 m/s2

對于變孔徑等孔距布孔，各孔的流量相等，因此：

式中 l——孔間距，m

由于污水處理是一個連續(xù)運(yùn)行過程，可以將泥管到池面距離Y看成一個定值，從而可知吸泥孔的流量與吸泥管內(nèi)壓力H（x）和吸泥孔的直徑d 有關(guān)。用Φ 表示吸泥管單位長度吸泥量，單位為（m3/s）/m，則：

若將吸泥孔編號，用i 表示孔的編號，以i 為角標(biāo)的量表示第i 個孔對應(yīng)的相關(guān)量，則第i 個孔的單位長度吸泥量為：

由式（1）～式（5）可得：

由吸泥量等于排泥量可知：

式中 Y1——吸泥管與泵出口中心間距，m

hw——沿程阻力等損失之和

已知：L=9 m，D=0.24 m，Y=4.8 m，Y1=1.2 m，Q=0.139 m3/s；d=0.028～0.042 m。

計算得：V=3.09 m/s，V0=1.545 m/s，hw=0.34 m，H0=1.91 m。

將計算結(jié)果帶入式（6）可計算出任意孔的流量。

按照泥管中心對稱的原則，對泥管進(jìn)行重新焊接，分別是1.5 m 長30 mm 孔管，3 m 長25 mm 孔管，右側(cè)鏡像對稱。

表2 部分管徑下對應(yīng)的管道排泥摩阻系數(shù)

圖3 吸泥管吸泥示意

2.3 吸泥均勻度驗證

設(shè)計吸泥完全均勻的吸泥管，不切實際也是不可能的，尤其是利用舊材料進(jìn)行改造。但只要經(jīng)設(shè)計得到的某一布孔方法能夠使吸泥的均勻程度在一個可以接受的范圍內(nèi)，就認(rèn)為這種設(shè)計結(jié)果是合理的。為了便于衡量吸泥管吸泥的均勻程度，引入吸泥均勻度的概念：吸泥均勻度指吸泥管上不同吸泥孔對應(yīng)的單位長度吸泥量中最小值與最大值的比值：

表3 為分段等孔徑等孔距布孔流量，流量單位為（m3/s）×10-3。將數(shù)據(jù)代入式（9）得：η=129.114/132.03×100%=97.7%。經(jīng)過計算可知，該吸泥管有很好的吸泥均勻度，而且此布孔方法的加工制造難度適中，便于操作。實際應(yīng)用中，如果池面跨度較小，可以不用考慮布孔方式，也能有較好的吸泥均勻度；當(dāng)吸泥管較長時也可以增加分段數(shù)量，以保證有較好的吸泥均勻度。吸泥機(jī)改造設(shè)計見圖4。

圖4 吸泥機(jī)改造設(shè)計

表3 分段等孔徑等孔距布孔流量

2.4 改造效益

石河子市污水處理廠一期沉淀池從5 月底開始改造，于6月中旬4 臺小吸泥機(jī)投入運(yùn)行，改造花費(fèi)8.5 萬元，軸流泵花費(fèi)6 萬元，吊裝費(fèi)1 萬元，材料費(fèi)1 萬元，合計花費(fèi)16.5 萬元。市場報價基本在20 萬元左右，自己改造節(jié)約近4 萬余元，并且使用相同設(shè)備，提高了設(shè)備利用率，降低設(shè)備冷備數(shù)量，設(shè)備故障率低從而降低設(shè)備維修費(fèi)用，根據(jù)改造前、后設(shè)備單耗統(tǒng)計（表4），單臺設(shè)備運(yùn)行日節(jié)約電耗30 kW·h，4 臺設(shè)備合計節(jié)約120 kW·h，雖然設(shè)備功率較原設(shè)備略有增長，但是從長期運(yùn)行的角度來看，改造達(dá)到了節(jié)能效果。

表4 改造前、后設(shè)備單耗

3 結(jié)束語

石河子市污水處理廠一期沉淀池由于常年未清泥導(dǎo)致污泥集聚較多，隨著氣溫升高出現(xiàn)厭氧浮泥現(xiàn)象，對后續(xù)工藝處理造成一定影響。改造后，不僅解決了出水水質(zhì)問題，而且降低了職工的勞動強(qiáng)度，從長期運(yùn)維的角度看，不僅節(jié)省了制造、維修費(fèi)用，而且達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。