桁架式吸泥機改造與應用

邱 博

（石河子首創水務有限公司，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改造后，與其相連的沉淀池沒有進行改造，由于改造前沉淀池內淤泥、垃圾、細小柵渣的原水雜物較多，經常將吸入口、吸管堵塞，使吸泥泵無法正常工作。長期積泥厭氧后上翻，影響出水達標。沉淀池原設備至今已停用近7 年，該設備選用兩臺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口后與出口耦合，此結構設計存在的缺陷：①潛污泵與吸泥管導耦合不徹底，吸力不足，維修時提出不方便；②吸泥口容易堵塞（圖2），導致吸泥機行走負載大、容易出軌。

圖1 3 kW 吸泥機專用泵

圖2 吸口堵塞

2 桁架式吸泥機設計計算

2.1 設備選型

石河子市污水處理廠一期設計處理量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24 h 滿負荷為2×500×24=24 000 m3/d，因此小吸泥機需滿足1000 m3/d 處理量，經計算選擇與一期大吸泥機相同的軸流泵,性能參數見表1，每天開啟2～4 h 即可滿足工藝要求。這樣做的優點是提高設備互換性，提高設備利用率，減少冷備；每日只需開2～4 h，避開夜間運行，降低人工勞動強度。

表1 300ZQ-85 軸流泵性能參數

2.2 吸泥管設計

（1）單管吸泥機的核心技術在吸泥管上，吸泥機的吸泥效果（主要指標是吸泥均勻性）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，還需各吸泥孔對應的作用水頭相等。由于管內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，此吸泥管原設計為等孔距變孔徑L 形結構，因此只需將孔徑相近的段截下，按照離泵越遠孔徑越大的原則，焊接成一個整體呈倒T 形結構即可滿足使用需求。

（2）現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，然后進行優化組合。經過計算，保留其中9 m 組合成新的泥管。泥管設計計算過程如下：

則泥管內各點處的壓力為：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（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，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運行過程，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壓力H（x）和吸泥孔的直徑d 有關。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 為角標的量表示第i 個孔對應的相關量，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，右側鏡像對稱。

表2 部分管徑下對應的管道排泥摩阻系數

圖3 吸泥管吸泥示意

2.3 吸泥均勻度驗證

設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行改造。但只要經設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，就認為這種設計結果是合理的。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。將數據代入式（9）得：η=129.114/132.03×100%=97.7%。經過計算可知，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；當吸泥管較長時也可以增加分段數量，以保證有較好的吸泥均勻度。吸泥機改造設計見圖4。

圖4 吸泥機改造設計

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 臺小吸泥機投入運行，改造花費8.5 萬元，軸流泵花費6 萬元，吊裝費1 萬元，材料費1 萬元，合計花費16.5 萬元。市場報價基本在20 萬元左右，自己改造節約近4 萬余元，并且使用相同設備，提高了設備利用率，降低設備冷備數量，設備故障率低從而降低設備維修費用，根據改造前、后設備單耗統計（表4），單臺設備運行日節約電耗30 kW·h，4 臺設備合計節約120 kW·h，雖然設備功率較原設備略有增長，但是從長期運行的角度來看，改造達到了節能效果。

表4 改造前、后設備單耗

3 結束語

石河子市污水處理廠一期沉淀池由于常年未清泥導致污泥集聚較多，隨著氣溫升高出現厭氧浮泥現象，對后續工藝處理造成一定影響。改造后，不僅解決了出水水質問題，而且降低了職工的勞動強度，從長期運維的角度看，不僅節省了制造、維修費用，而且達到了節能降耗的目的。