国内旋转式撇水器关键设计点的优劣分析

1、国内旋转式撇水器关键设计点的优劣分析无锡金源环境保护设备有限公司 杨昕提要：本文通过介绍国内旋转式撇水器各关键部件的不同设计理念和方案，并进一步分析它们的优劣和适用场合。本文可以作为工艺设计人员设备选型时的参考，也可以作为年轻设计人员的基础入门学习。关键词：撇水器 自由出流 淹没出流 出水堰口 挡渣形式 出水总管支点预批式活性污泥法(SBR)和其变异工艺(如CAST法、ICEAS法、DAT-LAT法)因其所具有的流程简单、管理方便、占地少、处理效果好、投资成本和运行成本低等优点，目前在国内污水处理中得到了极大的推广和应用。该工艺所用的核心设备就是撇水器(又称为滗水器)。在各种形式的撇水器中间，

2、旋转式撇水器又因其具有处理量大、运行可靠、运行后适应工艺变化的调整能力大等优势，成为了使用最广泛的机型。正因为其所拥有的广阔市场和膨大的潜在用户，目前生产该产品的企业如雨后春笋般涌现，各种各样的旋转式撇水器使人眼花缭乱。笔者长期从事该产品的设计工作，感觉有必要把自己的一些想法和观点系统地阐述出来，作为工艺人员选型的参考或供年轻设计人员的入门学习。因为是个人的观点，难免存在错误之处，还望各位老师和同仁批评指正。通常一台完整的旋转式撇水器应该包括驱动系统、出水堰槽、挡渣机构、下降泻水管、出水总管，水下轴承、自控装置等部件。根据目前国内旋转式撇水器的现状，笔者感觉设计理念主要的差别在以下几个方面：堰

3、口到底采用淹没流出水还是非淹没流出水，这直接决定了驱动方式的选择、推杆与撇水器主体连接位置的确定。出水槽选择单口出流还是双口出流。是采用浮筒式挡渣还是采用固定式挡渣。水下轴承是单支点还是双支点。下面我们就来分析一下它们的优劣点。1 出水流态选择的分析：我们在此讨论的出水流态采用淹没流还是非淹没流，是指堰口处。对于出水总管外排口处的流态观点是统一的，原则上采用非淹没流(自由流出流)，即出水总管高于外排水面。否则必须按照淹没流出水计算出水总管的管道损耗，必然要抬高最低撇水水位标高或增大下降泻水管和出水总管的管径(此点可以参见本人的浅议旋转式撇水器几个关键尺寸的确定)下面的出水堰槽图1是采用由淹没流

4、到非淹没流出水的示意图，出水堰槽图2是采用衡定非淹没流出水的示意图。堰口采用淹没流出水的撇水器，并不能够使堰口的出水衡定在淹没流状态。它的整个撇水周期是由若干个相同的小周期组成的，在每个小周期内堰口的出水流态都由淹没流渐转为非淹没流。我们结合图1来具体说明这个流态的转变过程。图1左边视图为周期开始阶段的出水堰口流态状况，在驱动推杆的作用下堰口前部水位雍高H通常为100mm，此时堰后水位高度为80mm，即/H=0.8，这是形成淹没流的充份条件。根据标准堰流量计算公式计算此状态下的堰口负荷Q1max=m(2g)1/2H3/2=0.42(实验值)x(2g)1/20.13/2 =58.8l/m.s。因

5、为驱动推杆为步进式工作，当堰口前部水位雍高H为100mm时，即停止动作并保持一个时间t，在这个时间t内，堰口水位将逐渐下降，当水位下降到50mm时(如图1右边视图所示)，驱动推杆将重新工作。堰口水位雍高H=50mm将是该出流方式最低的堰口负荷，根据笔者浅议旋转式撇水器几个关键尺寸的确定文章中的计算结果可知此时为非淹没流出水，堰口负荷Q1min=22 l/m.s。所以我们可知该种出流方式的堰口平均负荷应该为Q1均=(58.8+22)/2=40.4 l/m.s。采用衡定非淹没流出水的撇水器堰口流态可以参见图2，根据笔者浅议旋转式撇水器几个关键尺寸的确定文章中的计算结果，最经济的堰口负荷取值可以达到

6、35 l/m.s，极端负荷也可以取到40 l/m.s。经比较可知，两种出流方式的堰口负荷差距不是太大，所以在实际运用时，两种撇水器出水堰槽的长度差距不是太大。但是在出水流态上，采用衡定非淹没流出水的撇水器因为是匀速平稳出水，对沉淀泥层不会产生扰动。而采用淹没流出水的撇水器，因其出水流态一直在淹没流 非淹没流 淹没流之间变化，出水速度非常不稳定，必然会对沉淀泥层产生一定的扰动，有可能使沉淀污泥随水流排出反应池，从而影响出水水质。在此需要说明的是非淹没流出水的撇水器因为它设计时考虑的就是非淹没流出水，所以如果因设计的误差产生堰负荷不够或流速达不到设计值，从而产生堰前水位雍高急剧升高的现象，这对于撇

7、水器正常工作是灾难性的。最终的结果只能以降低单位时间的撇水量为代价。究其原因是一个稳定的非淹没流出水的堰口，必然存在稳定的堰口水位雍高h和堰口槛高f。不管是出现堰口负荷超过设计值还是因后面管路负荷超标，都将造成堰前水位的雍高增高，雍高增高会增大出水流量，但当堰后水位高于堰顶，并达到堰前水位雍高的0.8倍时，将发生淹没出流，泄流能力将减小。此时要维持流量不变，则堰前水位必须更加雍高。瞬间增加在堰口上的巨大水流将把出水堰压入水中，增快的水流使出水量得到增大。短暂的一段时间后，随着堰前水位雍高的减小，出水流态又重新恢复成非淹没流出水，出水堰从水中又跃升出来。当这种情况反复出现时，对于撇水器的钢结构件

8、和驱动系统的损害是非常明显的。而按照淹没流设计的撇水器，因为设计时就考虑到上述情况，其驱动推杆的连接点在泻水管的中部，整个设备所受水流的冲击能力得到很大的增强。相比较来说采用非淹没出流的撇水器正常运行时的性能优势明显，但它超负荷运行的能力不大。而采用淹没流出流的撇水器运行时出水流态并不理想，但它超负荷运行的能力相对较大。通常后者与前者相比，因水流速度的加快，泻水管数量会少些，出水总管管径会小些。整体的制造成本应该后者低。采用非淹没出水的撇水器，典型的驱动方式是由减速机、升降丝杆、水平连杆、长连杆和摆动臂(固定在出水总管上)组成的连杆机构，该机型大撇水量工作时驱动问题已得到满意的解决。采用淹没流

9、 非淹没流 淹没流出水的撇水器，典型的驱动方式是电动推杆，电动推杆与泻水管的中间部位连接。其大撇水量工作时驱动问题目前解决的并不好。2 出水堰口形式的对比：旋转式撇水器通常都是单堰口出水，也有个别制造商采用双堰口出水。图3、图4分别为双堰口出水和单堰口出水撇水器的示意图。双堰口出水撇水器由驱动系统、摆臂杆、推杆、拉杆、双口出水堰、顶部旋转套、下降泻水管、出水总管等部件组成。其中摆臂杆、推杆、下降泻水管和理论连线A组成了驱动四连杆机构；而由拉杆、双口出水堰、下降泻水管和理论连线B组成的平行四边形，保准双口出水堰均匀、垂直地下降，两侧堰口的负荷保持在相等的范围内。我公司的MRD撇水器为单堰口出水撇

10、水器(如图4所示)，运行由水平杆、传动杆、摆臂和理论连线C组成的驱动四连杆机构来完成。通过两种结构的对比，我们可以清楚地知道，从提高单位长度出水堰的负荷(理论上双堰口应该是单堰口负荷的两倍)、降低制造成本来说，双堰口出水撇水器比单堰口出水撇水器有比较大的优势。但双堰口出水撇水器在结构上比单堰口出水撇水器复杂的多。它需解决如下几个问题：不仅要保证单条出水堰长度方向的水平，而且必须保准两侧堰口的负荷相等(即保准两侧堰口组成的平面与水平面平行)；必须保准顶部旋转套密封良好、运行平稳。拉杆连接滑套在推杆上运行灵活。所以我个人认为如果在设计、制造和安装方面没有绝对的把握，还是考虑选用单堰口出水的结构比较

11、稳妥。3 挡渣机构形式的对比：旋转式撇水器不具备排渣功能，所以都必须考虑设置挡渣机构，以便在出水堰口处形成一个清水区，保证出水的达标。通常旋转式撇水器的挡渣机构有浮筒式和固定挡渣板两种形式。固定挡渣板式由内侧挡渣板、外侧挡渣板和侧挡板组成(见图6)。设计时必须确定撇水的最高水位标高、最低水位标高以及分别对应的堰口水位雍高(工作时撇水器必须在上述确定范围内运行，否则可能会使挡渣板失去挡渣作用)。上述参数确定后，通常内侧挡渣板的高端在堰口最大雍高水位上面100mm，下段在最小雍高水位下面120mm；外侧挡板高端在最小雍高水位上面100mm。浮筒挡渣式由外侧浮筒、内侧出水堰口和两侧挡板组成一个清水区

12、域，浮筒通常设计为工作时与水面的交接线正好在浮筒的中心位置，并且浮筒是随水面自由升降的。所以在撇水器正常工作的前提下，撇水标高的调整不会影响浮筒挡渣机构的挡渣功能。总的来说，固定挡渣板式和出水堰合并为一体，制造成本较低，但适应撇水工艺调整的能力小。浮筒挡渣式结构较复杂，制造成本较大，但其本身的功能可以适应撇水工艺在较大范围内的调整。在此需要说明的是，同样采用浮筒式挡渣，采用电动推杆驱动的撇水器与采用连杆驱动的撇水器还有所区别。曝气时撇水器应该停在超高位置，为了尽量减短电动推杆的伸缩长度，一般电动推杆驱动的撇水器超高值只取200mm(如图7左面所示)，如没有浮筒挡杆，浮筒将浸入水面。曝气时，在剧

13、烈波动的水流推动下必然浮上落下摆动不停，并会不时冲击出水堰槽，所以浮筒挡杆的设置是必不可少的。设置了浮筒挡杆，在撇水器下降撇水时，必然在浮筒下部有一段区域的浮渣将随出水外排，但水量与整体撇水量相比很小，应该可以忽略。而连杆驱动撇水器不存在推杆长度的限制，撇水器超高值取400500mm，浮筒在超高位可以搁置在出水槽上(如图7右面所示)。下降撇水时，在浮力的作用下浮筒将向外向上推出，把浮渣彻底挡在浮筒的外侧。相比较来说，后者的设计理念更合理些。5 出水总管支点形式的对比：一般旋转式撇水器在小吨位撇水量，出水总管采用双支点；大吨位撇水量时采用四支点。但有些设备制造商为了降低制造成本，小吨位的撇水器制

14、造取消了出水端支点，靠出水端的外排接管为支点，详见图8。笔者从原则上是反对如此设计的。因为所有的旋转式撇水器在出水端都要安装出水旋转套(如图8所示)。旋转套采用动静配合密封，密封件通常有橡胶或石棉盘根两种。如取消旋转套处支点，驱动推杆施加在出水总管中间的推力F必须要通过密封件才能传递到过墙支点。非金属的密封件长期承受单边磨损力(撇水器运行时通常只旋转45°55°)的作用很容易损坏。又因为在水下，每次维修不仅麻烦，而且影响撇水器的运行。所以采取双支点是合理的，在旋转套处安放一个支点，推力F将通过旋转外套传递给支点，内外旋转套之间的非金属密封件，将不承受外加的推力，运行状况极大改善。使用寿命将得到延长。6 结论：总之，目前旋转式撇水器的形式多种多样，结构千姿百态。有些形式和结构明显是存在不合理因素，是不能采用的。有些形式和结构得由具体情况来决定是合理的、还是不合理的。真正要制造、使用好旋转式撇水器，还是要加强对其工作原理的探讨和研究，