桁架式吸泥机改造与应用

邱 博

（石河子首创水务有限公司，新疆石河子 832003）

1 项目背景

石河子市污水处理厂生化池提标改造后，与其相连的沉淀池没有进行改造，由于改造前沉淀池内淤泥、垃圾、细小栅渣的原水杂物较多，经常将吸入口、吸管堵塞，使吸泥泵无法正常工作。长期积泥厌氧后上翻，影响出水达标。沉淀池原设备至今已停用近7 年，该设备选用两台3 kW 专用潜污泵（图1），底部是一吸入口，用钢丝吊入吸泥管导口后与出口耦合，此结构设计存在的缺陷：①潜污泵与吸泥管导耦合不彻底，吸力不足，维修时提出不方便；②吸泥口容易堵塞（图2），导致吸泥机行走负载大、容易出轨。

图1 3 kW 吸泥机专用泵

图2 吸口堵塞

2 桁架式吸泥机设计计算

2.1 设备选型

石河子市污水处理厂一期设计处理量100 000 m3/d，采用A2/O 工艺，生化池分为四组池，每池处理量为25 000 m3/d，污泥回流比（外回流）按照20%～100%计算，每日外回流量按100%计算，即：25 000 m3/d，而大吸泥机24 h 满负荷为2×500×24=24 000 m3/d，因此小吸泥机需满足1000 m3/d 处理量，经计算选择与一期大吸泥机相同的轴流泵,性能参数见表1，每天开启2～4 h 即可满足工艺要求。这样做的优点是提高设备互换性，提高设备利用率，减少冷备；每日只需开2～4 h，避开夜间运行，降低人工劳动强度。

表1 300ZQ-85 轴流泵性能参数

2.2 吸泥管设计

（1）单管吸泥机的核心技术在吸泥管上，吸泥机的吸泥效果（主要指标是吸泥均匀性）取决于吸泥管上孔的大小及分布，为了提高吸泥机吸泥的均匀性，采用3 种方式：①改变配孔比（开孔总面积与吸泥管横截面积之比，孔是等孔径等孔距分布）；②孔是等孔径变孔距分布；③孔是等孔距变孔径分布。

当吸泥管上等孔径等孔距布孔时，要使吸泥均匀，还需各吸泥孔对应的作用水头相等。由于管内压力沿流向不断减小，而管外压力恒定不变（等于水深），所以各吸泥孔的作用水头不相等，从而导致等孔径等孔距布孔吸泥不均匀[1]。由于是利旧改造，此吸泥管原设计为等孔距变孔径L 形结构，因此只需将孔径相近的段截下，按照离泵越远孔径越大的原则，焊接成一个整体呈倒T 形结构即可满足使用需求。

（2）现有的吸泥管有两排孔，按照不同孔径分段加工，按照孔径大小进行分割，泥孔直径30 mm、等效泥孔直径为42 mm的泥管部分长约3.5 m；其余泥孔直径为20 mm、等效泥孔直径为28 mm 的部分长约6 m，然后进行优化组合。经过计算，保留其中9 m 组合成新的泥管。泥管设计计算过程如下：

则泥管内各点处的压力为：h=Y-H（x）

式中 L——吸泥管长度，m

D——吸泥管直径，m

λ——管道排泥摩阻系数（表1）

Y——泥管到池面的距离，m吸泥孔孔眼流量为：

式中 q——孔眼流量，m3/s

D——吸泥孔直径，m

Cd——流量系数，取0.62

g——重力加速度，取9.82 m/s2

对于变孔径等孔距布孔，各孔的流量相等，因此：

式中 l——孔间距，m

由于污水处理是一个连续运行过程，可以将泥管到池面距离Y看成一个定值，从而可知吸泥孔的流量与吸泥管内压力H（x）和吸泥孔的直径d 有关。用Φ 表示吸泥管单位长度吸泥量，单位为（m3/s）/m，则：

若将吸泥孔编号，用i 表示孔的编号，以i 为角标的量表示第i 个孔对应的相关量，则第i 个孔的单位长度吸泥量为：

由式（1）～式（5）可得：

由吸泥量等于排泥量可知：

式中 Y1——吸泥管与泵出口中心间距，m

hw——沿程阻力等损失之和

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。

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

将计算结果带入式（6）可计算出任意孔的流量。

按照泥管中心对称的原则，对泥管进行重新焊接，分别是1.5 m 长30 mm 孔管，3 m 长25 mm 孔管，右侧镜像对称。

表2 部分管径下对应的管道排泥摩阻系数

图3 吸泥管吸泥示意

2.3 吸泥均匀度验证

设计吸泥完全均匀的吸泥管，不切实际也是不可能的，尤其是利用旧材料进行改造。但只要经设计得到的某一布孔方法能够使吸泥的均匀程度在一个可以接受的范围内，就认为这种设计结果是合理的。为了便于衡量吸泥管吸泥的均匀程度，引入吸泥均匀度的概念：吸泥均匀度指吸泥管上不同吸泥孔对应的单位长度吸泥量中最小值与最大值的比值：

表3 为分段等孔径等孔距布孔流量，流量单位为（m3/s）×10-3。将数据代入式（9）得：η=129.114/132.03×100%=97.7%。经过计算可知，该吸泥管有很好的吸泥均匀度，而且此布孔方法的加工制造难度适中，便于操作。实际应用中，如果池面跨度较小，可以不用考虑布孔方式，也能有较好的吸泥均匀度；当吸泥管较长时也可以增加分段数量，以保证有较好的吸泥均匀度。吸泥机改造设计见图4。

图4 吸泥机改造设计

表3 分段等孔径等孔距布孔流量

2.4 改造效益

石河子市污水处理厂一期沉淀池从5 月底开始改造，于6月中旬4 台小吸泥机投入运行，改造花费8.5 万元，轴流泵花费6 万元，吊装费1 万元，材料费1 万元，合计花费16.5 万元。市场报价基本在20 万元左右，自己改造节约近4 万余元，并且使用相同设备，提高了设备利用率，降低设备冷备数量，设备故障率低从而降低设备维修费用，根据改造前、后设备单耗统计（表4），单台设备运行日节约电耗30 kW·h，4 台设备合计节约120 kW·h，虽然设备功率较原设备略有增长，但是从长期运行的角度来看，改造达到了节能效果。

表4 改造前、后设备单耗

3 结束语

石河子市污水处理厂一期沉淀池由于常年未清泥导致污泥集聚较多，随着气温升高出现厌氧浮泥现象，对后续工艺处理造成一定影响。改造后，不仅解决了出水水质问题，而且降低了职工的劳动强度，从长期运维的角度看，不仅节省了制造、维修费用，而且达到了节能降耗的目的。