新型碟式表曝机的开发及应用
1.研究开发的目标
1.1研究目的和意义
长期以来，我国的水环境污染污染日益加剧，不但给工农业生产带来巨大损失，严重制约国民经济的持续发展，而且对人民的生活和健康，甚至对人民的基本生存条件造成很大威胁，成为影响社会安定的一个不容忽视的因素。近年来，我国城市污水处理厂的建设正以前所未有的速度发展，目前有数百座城市污水处理厂正在建设之中。
在城市污水处理厂的主导工艺中，氧化沟工艺由于其具有的流程简捷、经济高效、管理方便、设备简单等特点，以及在脱氮方面所具备的较强功能，颇受重视，已得到日益广泛的应用，尤其适用于中小型城市污水处理厂。
氧化沟工艺的关键设备是表面曝气机，在多种表面曝气机中，碟式表曝机具有较为突出的优点：较高的充氧效率；极强的搅拌能力；方便地拆卸安装；灵活的控制调节；耐腐蚀长寿命。尤其在节能控制和减少占地方面具有明显优势。近年来随着奥贝尔氧化沟技术和关键设备的引进，进口的碟式表曝机显示出很好的性能，但规格少、跨距小、价格昂贵，难以适合我国污水处理工程的需要。因此，开发研制高质量的碟式表曝机成为污水处理行业的一项重要任务。
为此，在国家“九五”科技攻关项目“污水处理成套关键技术设备与器材研究”中，滚动增加了“新型碟式表曝机的研究”的内容，由国家城市给水排水工程技术研究中心承担，主要参加单位有天津国水设备工程有限公司和中国市政工程华北设计研究院。
1.2 国内外概况
美国U.S.FILTER ENVIREX是奥贝尔氧化沟技术及碟式表曝机设备的创始公司，对该设备的研究开发工作已进入成熟和应用阶段，目前全世界已有600多个采用奥贝尔氧化沟工艺及相关设备的污水处理厂在可靠运转。U.S.FILTER ENVIREX公司的转碟曝气机是国外先进碟式表曝机的代表，具有很强的竞争力。但该公司产品存在如下问题：价格昂贵不适合我国国情；碟片材质、充填技术和结构设计较陈旧，可以创新突破，提高性能；采用传统的实心钢轴，跨距一般小于6米，难以适用大规模污水处理厂。
国内的同类设备产品尚属发展阶段，小型企业由于资金和技术力量的不足，还没有形成规模化、产业化的产品。目前已有数家企业以手糊、压制玻璃钢或一般工艺的注塑方式生产碟片，生产规模小、产品重量较大、能耗较高且生产效率低、成本较高。产品的性能、效率、稳定性和寿命较国外产品尚有一定差距，现有的技术水平和生产能力难以满足我国污水处理行业高速发展的需要。
本研究注重消化吸收国外先进的设计和生产技术，在高起点上创新突破，目标世界领先水平，开发适合大、中、小型氧化沟工程的新型碟式表曝机，并形成产业化的生产能力，以替代价格昂贵的进口产品，满足国内市场的需求。形成新的经济增长点。
1.3 研究开发内容和技术指标
新型碟式表曝器是在对国外先进技术的消化吸收的基础上,进行开发研制的成果，现已规模化生产，质量优良、运行稳定可靠、低能耗、形成配套完善的新型碟式表曝器，初步形成产业化生产能力，主要性能达到国际同类产品的技术水平。
研究内容分为碟片材质、添加技术、成型工艺以及机械设备的传动技术等。其工艺设计技术指标为：
在经济浸没水深500mm，经济转速50rpm条件下：
单碟充氧能力：≥0.92 kgO2/h；
动力效率：≥1.94 kgO2/kwh；
碟片重量＜1
工作水深大、充氧与混合能力强；
具备产业化生产规模；
结构简单、装卸灵活、使用寿命长、安装维护方便。
1.4 研究开发情况
从1999年开始前期准备工作：项目负责人及技术研究人员积极筹措，并制定出研究开发计划。收集国内外相关技术资料，分析同类产品存在的问题，找出解决的方法；与国外技术先进的公司合作，消化吸收国外先进的制造技术，确定了研究和设计的技术路线，初步制定出适合我国国情的加工制造工艺。
2000年初开始研究碟片材质和制造工艺。中外合作完成了大型注塑模具的制造和优化，选择多种材料，进行碟片的试模生产，通过大量的试验，测定碟片的各项指标，经比较分析，确定了碟片的材质。同时，对充氮和添加等技术进行了试验研究，优选采用添加技术并确定了最佳的添加剂。再此基础上，选择注塑设备，研究成型工艺，成功完成了碟片的产业化生产。
机械轴和传动装置的设计，主要依靠我们已有的成功经验，突破了国外产品的模式，分别研究设计出10米以下跨距的全部机械传动设备图纸，并制造出样机进行机械性能测试，形成机械传动部分的加工工艺和产业化生产能力。
从开始前期准备至制造出样机及现场测试近两年时间，在这两年时间，本项目充分发挥国家城市给水排水工程技术研究中心、中国市政工程华北设计研究院的技术优势，以及天津国水设备工程有限公司的开发制造能力。由于研究成果所具备的技术优势，新型碟式表曝器迅速占领市场制高点，已经在多项大中型城市污水处理工程中得到采用，在国内形成较大影响。
2.研究和开发内容
2.1 新型碟式表曝机结构及工作原理
新型碟式表曝器由一组曝气转碟、水平传动轴、轴承及轴承座、驱动装置、联轴器、防溅挡板、玻璃钢防护罩等组成。
碟式表曝器由电机减速机驱动水平轴带动转碟旋转，作用是向污水中充氧，同时推动污水在沟中循环流动防止活性污泥沉淀，使污水和氧充分混合接触，完成生化过程。
碟式表曝器单个组合可横跨一条或多条通道，配给每条通道的转碟数是因输氧要求而定。在较大氧化沟设计中，将提供多个组合。对于一天中输氧量的波动，可用转碟的浸水深度变化来加以调整。对需氧量的长期变化或突发波动，可直接开关个别组合来调节。对遇到意外或事故情况时，可增加转碟的转数。
2.2 碟片形式和制作材料的优化
目前国内外转碟曝气机的碟片制造主要采用压制玻璃钢及高强度轻质模制塑料制造等几种方式。玻璃钢碟片重量较大、能耗较高、生产规模小、且生产效率低、成本较高，产品的性能、效率、稳定性较差；采用高强度轻质模制塑料制造的碟片具有很好的强度和韧性；且重量轻、能耗较低、成本较低；产品的性能、稳定性较高；生产效率高、易形成产业化生产能力。
碟片材料：我们经过对国外碟片材料的三代发展过程进行了反复研究和理论分析：第一、二代碟片材料采用玻璃钢，由于玻璃钢的比重大（比重＞1），玻璃钢做成的碟片每半片重量约为15kg，对水平轴及轴承的受力条件产生影响，增加了水平轴的挠度，降低了轴承的使用寿命，增加了能耗；且玻璃钢碟片为了降低重量，增加了固化剂的添加量，降低了玻璃钢碟片的机械性能，经几年污水中运行后，碟片在使用中有可能分层鳞片脱落，降低了碟片的使用寿命；第三代碟片材料采用高强度轻质模制塑料，由于碟片重量轻每半片重量约为10kg，因此改善了水平轴及轴承的受力情况，降低了水平轴的挠度，提高了轴承的使用寿命。我们选用三种不同牌号B1、B2、B3的高强度聚苯乙烯，试生产了数百片碟片，并对这三种塑料的碟片进行拉力试验、破坏性试验、韧性试验、不同PH值液体进行长时间浸泡试验。最终确定了适合国内污水处理工程长期运行的碟片材料为B3高强度聚苯乙烯，并实现了碟片的规模化生产。
转碟的结构设计：曝气转碟被设计成两个半片，两个半片有两个半法兰，采用四套不锈钢螺栓联接，较简便地和传动轴固定。根据国内钢管传动轴的特点采用防滑橡胶压条，传动轴外圆无须精加工即可紧密与碟片固定，降低了成本。在防滑橡胶压条设计上，我们充分考虑了橡胶的变形量，使防滑橡胶压条适用于钢管外径的不同偏差。碟片结构设计较国外产品有较大改进，实现了两半碟片自身的紧密配合，取消了国外同类产品在两半片之间的不锈钢连接片，减少了故障点。
2.3 碟片的比重和添加技术的采用
碟片的比重：氧化沟工艺中的转碟曝气机，一般位于走道板或防护罩下。如果碟片的比重大于1，由于意外原因造成碟片破损，破损的碟片将沉入水底，这将会扰动池底的污泥层，且破损的碟片不易被发现而及时更换，将降低转碟曝气机的整机的充氧及推流，严重的将会影响整个工艺。高强度聚苯乙烯塑料的比重为1.05，在注塑过程中采用了添加技术，在聚苯乙烯中加入添加剂，使碟片的比重小于1。这样在意外原因造成碟片破损时，破损的碟片将漂在水面上，易于被污水厂的监控系统或维护人员发现而及时更换，从而提高了转碟曝气机设备的可靠性。采用添加技术生产的注塑碟片较稳定，可减少碟片的缩水等质量缺陷，成品的合格率高、质量好，且添加技术及工艺是目前国外最先进的碟片生产技术及工艺，因此，在注塑过程中采用了添加技术和添加工艺，实现高起点的碟片国产化。
通过反复研究和几十次的试生产，我们掌握了添加技术及生产工艺，并确定了添加剂的配比，使采用添加技术和添加工艺生产的注塑碟片达到国外同类产品的品质。
2.4 模具研制和成型工艺优化
模具：曝气碟片的模具为引进技术，在设计中充分考虑国内的大型注塑设备性能特点，设计顶杆位置和尺寸、注塑压力、锁模力、定模方式。根据碟片的结构形式及塑流分析，设计出最佳入水位置，模具采用热流道板分流到多个热嘴，几个热嘴分布在产品最佳入水点，胶料从这些地方进入模腔。热流道板有多组发热线，用多组温控箱来控制温度。外接冷却水水温及冷却时间根据我国的气候、环境温度及注塑机参数设计并可在一定范围内调节，使该模具的加工工艺适合我国国情，并能在国内批量生产碟片。
成型工艺：注塑设备采用日本三菱大型注塑机。为了满足碟片的结构需要，我们设计改造了大型注塑筒，使其射胶能力达到碟片的生产要求，并研究制定了生产成型工艺及检验标准，进行了碟片的试生产。我们经过几十次的试生产，确定了最佳的锁模力、热嘴及热流道的温度、炮筒温度、注塑压力、保压压力、背压压力、回压压力、射胶量、射胶位置、射胶速度。在冷却形式和冷却温度等成型工艺上，我们采用了双水温的冷却形式，以适应碟片不同壁厚及位置的冷却温度，制造出了较理想的碟片产品，形成了产业化生产能力。
2.5 碟片的性能测试
由于转碟曝气机是用于污水处理厂中，将长期在污水环境工作，所以要求转碟的碟片能够抵抗多种化学物质的腐蚀，针对此项要求，我们做了"碟片抗化学试剂腐蚀试验"，将各种材料的碟片放入不同的化学试剂中浸泡一定时间后，观察碟片强度和表面状况的变化。试验结果表明， B3材料的碟片对酸（包括强酸和弱酸）、碱（包括强碱和弱碱）、有机物及无机物等化学物质具有很强的抗腐蚀性能，适合在污水环境下长期使用。同时我们还对碟片进行了拉力试验、破坏性试验、韧性试验、变形测定等较全面的检测，取得满意的结果。
考虑到国内对碟片的充氧能力的测试还没有一个严格的测试标准，在不同池容下测试的数据不同。因此，我们将碟片空运美国有关机构进行充氧能力的测试，碟片的主要工艺指标优于美国的同类产品。
2.6 水平传动轴的研制
新型碟式表曝器机械传动部分的关键部件是水平转动轴，国外采用6"实心圆钢，其精度要求较高，且价格昂贵。国内必须采用实心圆钢机加工，成品率较低，且加工费用高。另外，国外水平转动轴跨度不能超过6米，对于沟宽大于6米的氧化沟，沟的中间必须增设土建支墩，否则水平转动轴挠度过大，将影响曝气机的整机性能。增设土建支墩将会增加土建投资，并可能影响氧化沟的水力流态。我们经多次调研及计算确定，曝气机水平转动轴采用厚壁20#优质结构用无缝钢管制造，利用计算机优化设计及自编软件计算其强度、挠度和疲劳强度。根据不同沟宽、碟片数及传动功率，选择不同直径、壁厚的钢管。单轴长度可达10米。
为了适合不同结构形式的氧化沟工艺，我们设计了多种的水平轴传动形式：主要有单根水平轴传动形式和双根水平轴传动形式。双根水平轴传动形式由一个电机驱动减速机经联轴器带动两根水平转动轴同时转动，此结构形式适用于超大沟宽的氧化沟，或者用于两个沟由单台驱动装置驱动的氧化沟。
2.7 轴承和轴承座的研制
轴承及轴承座：曝气机水平转动轴的支承轴承设计选型上，充分考虑了转速、负载、支点跨距大、安装误差、温度造成的水平轴伸缩及使用寿命等因素，采用合理尺寸的调心滚动轴承，其可自动调心且使用寿命，油脂润滑。轴承带有分开式轴承座，安装维护方便，并设有游动支承座，以克服安装误差，补偿因温度变化引起的轴向伸缩。轴承座进行防腐处理，两端设有密封性能较好的迷宫密封及两个唇型密封，用以保证双向密封,防止润滑脂泄漏及污物进入轴承，适合潮湿的污水环境下长期运行。
2.8 驱动装置和联轴器
驱动装置：曝气机的驱动装置直接影响到整个设备的可靠运行及长期运行费用。我们经多次调研，采用立式安装的户外型电动机及立式硬齿面圆柱齿轮减速机，具有良好的自润滑系统，使用寿命长（寿命＞15年），故障率低。立式安装的电机，使其远离液面，因而减轻了水雾对电机绝缘性能的影响。电动机及减速机可用于24小时连续运行，允许中度冲击负荷，并有较好的防腐涂层和密封，适合潮湿的污水环境下长期运行。
联轴器：每套驱动装置与水平转轴之间由联轴器连接；每套由两个水平转轴及一套驱动装置组成的曝气机，两个水平转轴之间由两个轴承座分开，其间的连接也由一个联轴器连接完成。此联轴器采用挠性联轴器，可补偿水平转轴的误差，传递扭矩，减缓传动上的冲击震动。
3.研究成果和技术性能
3.1 主要研究成果
通过消化吸收国外先进技术和自主研究开发，成功地研制出效率高、重量轻、抗老化、成本较低、加工质量稳定的碟式表曝机，总体性能优于进口产品，适用于大、中、小规模的氧化沟工艺的污水处理厂。
该研究在碟片材料选择、添加技术应用、碟片结构改进和机械传动的优化等方面有创新突破，达到国际领先水平。
形成了新型碟式表曝机系统的全套设计和生产工艺（包括碟片成型和机械制造等），满足大规模产业化生产的要求。
3.2 主要技术经济指标和性能参数
转碟直径：1400mm
转碟比重：0.95 t/m3
半片转碟重量约：10kg
单碟最大供氧能力：1.45kgO2/h
最大动力效率：2.11 kgO2/kw.h
最佳工作水深：约4.3米
转碟浸没水深：230～530mm
经济浸没水深：500mm
转碟转速：30～60 rpm
经济转速：50 rpm
主要技术经济指标达到或超过国外同类产品的水平。
4.设备产业化和工程应用
4.1 产业化情况
技术创新和体制创新是推行产业化的基本思路。在实现产业化过程中，我们开拓思路，进行新的探索和实践，取得了较显著的成效。
主要工作包括：
成立了股份制的生产制造基地--天津国水设备制造公司（控股），负责关键的生产加工任务。我们的技术人员直接掌握生产指挥权和质量管理权，确保科研成果产品转化的技术质量。
充分利用工业城市雄厚的基础产业能力，优选合作分包企业，在强化质量统一控制的前提下，以最经济的成本，完成常规注塑和机械加工业务。
科研开发单位既做技术龙头又做市场龙头。以技术人员为主体、以股份制方式组建的“国水工程公司”， 发挥污水处理工艺和设备技术的综合优势，成为市场竞争和经营的主体，迅速占领技术和市场的制高点。
为获得世界一流技术和利用国际知名品牌，与世界最大的水处理制造公司U.S.Filte成立了合资公司--国美（天津）水务设备工程公司，与国际接轨，引入先进的技术和管理机制，并开拓国际市场。
1999年，我们得到国家"环保设备国产化"专项国债的支持，所获300万元资金全部用于生产基地的建设，新增一流的专用生产设备，加强了制造实力。
新的思路和机制取得了较显著的成效，加速了产业化和规模化进程。目前已经形成年产值一亿元的生产能力，显示出很好的发展前景。
4.2 工程应用情况及社会效益
由于本成果具有较明显的技术和经济优势，具稳定的产业化、规模化生产能力和条件，加之在经营销售方面的机制创新，所以在很短的时间内即形成了强有力的市场竞争能力。完全按照市场经济的规律实现了依托工程的应用。从2000年3月至今，已经在9项大中型城市污水处理工程中中标，供货量达200多台套。尤其是通过竞标获胜，在国家经贸委和建设部的国产化示范工程--廊坊市污水处理厂工程中得到采用，在国内形成较大影响。
新型碟式表曝机通过在多项大中型城市污水处理工程中的成功运行，已反映出了具有较高的技术水平和较好的使用性能。
新型碟式表曝机从研制到成果转化仅为一年时间，这在我国也属于短期见效的有前途的有市场前景的新技术，可为今后在科研立项和转化成果的工作中加以借鉴。
由于新型转碟曝气机优异的技术性能，将可能成为表面曝气设备的首选产品，在污水处理工程中发挥极其重要的作用，对保护水环境、节约能源和土地资源都具有一定的意义。
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