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压力曝气生物反应器结构设计陈立波3 苏显峰 闫广平(吉林化工学院)(吉化集团农药化工有限责任公司)(吉林化工学院)摘 要 对压力曝气生物反应器的结构进行了设计 反应器采用塔式结构,高径比为31,内设环流循环导流筒,采用膜片式微孔曝气器,并对反应器的附件、自动稳定系统和外围设施进行了优化。关键词 生物反应器 压力曝气 设计中图分类号 TQ05215 文献标识码 A 文章编号 025426094(2010)0620690204 压力曝气生物反应器采用压力曝气提高反应器中混合液的溶解氧,进而提高活性污泥微生物的活性,加快微生物降解废水中有机物的速度,提高反应器的溶解负荷率,减少设备造价。反应器中废水的混合形式采用完全混合式,污水与回流的活性污泥微生物进入反应器后,立即与设备内微生物充分混合,减小污水在水质、水量方面的变化对活性污泥产生的影响,提高设备抗负荷冲击能力,适用于中等浓度有机废水的好氧生物处理1。反应器结构直接影响反应器内部微生物的活性、沉降性能及降解有机物的速度,同时也是该处理系统是否稳定运行的关键。笔者结合实际污水处理工程,对压力曝气生物反应器结构及附属设备进行了优化研究。1 反应器结构1.1 结构形式压力容器多为球形及柱形(塔式)。在高压条件下,从材料抗拉方面球形容器优与柱形容器,但柱形结构具有的优点是占地面积小;曝气器、导流筒及液位计等安装方便,易于维修;制造方便,造价低。由于压力曝气生物反应器属低压容器,柱形容器完全可以满足其压力需求,同时考虑上述原因,本反应器采用柱形(塔式)结构2。1.2 主要结构尺寸在反应器容积一定情况下,尽量减小反应器材料(钢板)厚度,可减轻设备重量和造价。在反应器容积一定时(设为100m3),取不同的H/D值,设计压力为0.35 MPa,材料为碳素热轧钢板Q235A。查 锅炉压力容器法规标准,t=113 MPa,取腐蚀裕度C2=2.5mm,焊缝系数=0.8(单面焊接,局部无损探伤),计算相应的设备设计厚度,列于表1中3。表1 不同H/D值下设备设计参数设 计 参 数H/D12345Di/mm5 0323 9943 4193 1702 943设计直径/mm5 0004 0003 5003 2003 000圆筒高度/mm5 0327 98810 257 12 680 14 715圆筒设计高度/mm5 1008 00010 000 12 500 15 000圆筒计算厚度/mm9.767.756.636.155.71封头计算厚度/mm9.757.746.636.145.70腐蚀裕度/mm2.502.502.502.502.50设计厚度/mm12.2510.249.138.648.20设计厚度取值/mm12.510.59.59.08.5设备重量/t12.0610.529.7310.0710.41 由表1可知,在反应器容积相同情况下,设备的直径越大,壁厚越大。在H/D=3时,设备的总重量最小,并且设备的比例较合理。因此,设计时,取H/D值在3左右,使设备重量最小。1.3 内部附件设置1.3.1 进水管位置设置在反应器底部封头进水管(图1中4位096 化 工 机 械 2010年3陈立波,男,1965年12月生,教授。吉林省吉林市,132022。置),可利用进水的冲击力将反应器中沉淀的污泥重新冲刷起来,返回反应器中,同时距污泥回流管较近,可使污水与污泥尽快接触,达到充分混合的目的。图1 反应器管口位置示意图1.3.2 出水管位置出水管位置应尽量远离进水管及曝气管,防止反应器中水流发生短流,影响处理效果。同时,也应距液面有一定距离,防止液面起伏时,曝气空气进入出水管,降低反应器曝气压力。经过试验,出水口设在反应器筒体上半部为最适宜位置(图1中6、7位置)。1.3.3 污泥回流管位置 污泥回流管口位置应尽量接近进水管,以便回流污泥与污水尽早接触,充分混合。同时,要尽量远离出水口,防止发生短流,影响反应器的处理效果。经试验研究,污泥回流管设在反应器底部封头处为最佳位置(图1中5位置)。1.3.4 导流筒、导流板采用环流反应器循环结构,循环动力来自曝气器的压缩空气,曝气器既向反应器内提供微生物降解有机物所需要的氧气,又为气升提供动力。反应器中导流筒、导流板的位置如图2所示,导流筒的最佳结构尺寸De/D=0.4(De为导流筒直径、D为反应器直径)、长度为5De。图2 导流筒、导流板位置示意图1.3.5 微孔曝气器微孔曝气器具有较好的氧传递效率,本反应器采用橡胶膜微孔曝气器,该曝气器安装在导流筒外侧,位置距导流筒底部边缘为0.5m左右为最佳(图3)。图3 空气扩散器、人孔位置示意图196第37卷 第6期 化 工 机 械 1.3.6 安全阀安全阀在系统中起安全保护作用。当反应器中压力超过规定值时,安全阀打开,将其中的一部分气体排入大气,使反应器压力不超过允许值,从而保证反应器不因压力过高而发生事故。该生物反应器采用直动式安全阀,装于其封头顶部。1.3.7 液位计液位计是指示反应器中混合液的液位,防止液位过高,使混合液通过反应器尾气管流出;同时防止因液位过低(低于导流筒上边缘)使导流筒的作用失效,且降低反应器的有效容积。该生物反应器采用磁翻柱液位计,安装于其筒体外设计液位处。1.3.8 人孔压力曝气生物反应器内部安装有微孔曝气器,为及时修补破损的曝气器,在反应器筒体侧面上开设人孔,便于人员进入反应器检修作用。另外,人孔位置要尽量接近曝气装置(图3)。1.3.9 设备防腐压力曝气生物反应器采用Q235碳钢制造,采用涂刷环氧树脂进行防腐。2 自动稳定系统2.1 液位稳定系统压力曝气生物反应器利用浮球阀门调节出水流量,保证液位恒定(图4)。该液位稳定系统中浮球始终漂在水上,当水面上涨时,浮球也跟着上升,带动连杆与另一端的阀门相连,当上升到一定位置时,连杆支起橡胶活塞垫,封闭水源;当水位下降时,浮球也下降,连杆又带动活塞垫开启。图4 液位稳定系统示意图2.2 压力稳定系统反应器中的压力变化将影响反应器的运行参数、处理效果及整个处理系统的稳定运行。因此,压力曝气生物反应器内的压力必须恒定。反应器压力恒定装置采用较成熟的自动控制系统,控制系统(图5)包括压力传感器、压力变送器(PI)、压力调节器(PIC)以及调节阀(PV)等。图5 压力恒定系统示意图3 外围设施3.1 物料计量设施进入反应器的物料主要有污水、回流污泥和压缩空气。为使反应器平稳运行,需对进入反应器的物料进行计量,故采用涡街流量计计量。3.2 压力指示设施反应器的曝气压力需实时测定,采用电感压力变送器把被测介质的压力值转换成标准的直流电流信号,在中央控制室中与二次仪表进行配套,以实现生产过程的自动检测和控制,该系统具有机械式指针直接指示压力值的特点,以便于现场工艺检查与调校。3.3DO在线监测设施压力曝气生物反应器基本原理就是采用压力曝气提高反应器中溶解氧浓度。反应器中溶解氧的浓度随处理废水的性质及处理出水的要求需进行调整,因此要对反应器的溶解氧浓度(DO)实时测定。4 结论经试验研究,优化出压力曝气生物反应器结构为圆柱形(塔式)结构,高径比H/D为31,内设导流筒(导流筒的最佳尺寸De/D=0.4),采用膜片式微孔曝气;反应器进水管、污泥回流管安装在设备底部封头上,出水管安装设备筒体侧面中上位置,尾气排放管安装于设备顶部封头上,进水(下转第711页)296 化 工 机 械 2010年一定弧度后,被传动系统强制牵引至标准弧度滚轮组内,在挤压力的作用下塑性变形成标准规格的半管。挤压成形的半管在摩擦力的作用下被推至末端弯曲轮组3,在杠杆原理的作用下被不定心弯曲成圆弧半管。调整弯曲轮组相对位置可得到不同直径的圆弧半管,直至圆弧半径满足要求。挤压弯曲成型的圆弧半管在封闭箱体末端延伸出标定长度后切下,反复此过程直至辊架上钢带压制完毕后,更换钢带4。4 结束语该设备应用于生产以后,大大减轻了工人的劳动强度、提高了生产效率;在缩短生产周期的同时,使产品质量获得大幅度提高、降低了生产成本。为确保操作过程安全可靠,设计采用了封闭箱体结构,生产过程中连续性强,操作人员近距离操作环节少。由于实际生产中半圆管尺寸规格繁多,制造时需进行轮组更换,一定程度上存在不便利的因素,这个问题可通过建立备用滚轮组库的方法来解决。参考文献1 岂文千.钢管煨弯机.机械工人(冷加工),1981(1):582 胡庆泉,简支梁挠度计算的几种方法及比较.河南交通科技,1997(3):11123 杨祖考.薄壁钢管弯曲模具设计.金属成形工艺,1999,17(5):25274 李文彦.薄壁钢管弯曲工艺.机械工人(热加工),1997(10):14(收稿日期:2010203219,修回日期:2010211213)Design of All2Purpose Sem icircle Tube MakersGAO M in1,ZHANG Q ijiang2,L IFeng3(1Northeast D ianli University,Jilin,132012,Jilin,China;2CNPC Pipeline Construction Adm inistration Depart m ent,Beijing,100101,China;3Jihua M achinery Co Ltd,Jilin,132021,Jilin,China)AbstractThe design process of all2purpose semicircle tube makers a device for rolling semicircle tubesusing metal plates/beltswas presented.KeywordsTubeMaker,Rolling,Technology(上接第692页)处设导流板;反应器顶部封头安装弹簧式安全阀,侧部安装磁翻柱液位计,由此实现了该反应器的优化设计。参考文献1 曹敬华,明欲晓.压力对加压生物反应器氧转移的影响.中国给水排水,2002,18(9):34362 陈立波.压力曝气生物反应器在工业废水处理中的应用.化工机械,2006,33(3):1711733 劳动部锅炉压力容器检测研究中心.锅炉压力容器法规标准.沈阳:东北工学院出版社,1990.268311(收稿日期:2010203217,修回日期:2010211202)Structure Design of the Pressurized Aeration B io2ReactorsCHEN Libo1,SU Xianfeng2,YAN Guangp ing1(1Jilin Institute of Chem ical Technology,Jilin,132022,Jilin,China;2Jihua Pesticide Chem ical Co Ltd,Jilin,132021,Jilin,China)AbstractThe structure of the tower type pressurized aeration bio2reactors was designed,the ratio of heightand diameterwas 31,the circulatory loop draft tubeswere installed in the reactors,the membrane micro2holeaeratorswere used,and the accessories of the reactors,automatic steady components and system facilities,and peripheral equipmentwere optimized.KeywordsBio2Reactor,Pressurized Aeration,Design117第37卷 第6期 化 工 机 械