CN105060466B - 自净型水力生物转筒 - Google Patents

Abstract

本发明为主要用于河流自净的水力生物转筒，其主要特征是由漂浮式水轮机、浮筒式生物转筒、水力排泥设施、动力传动机构和辅助动力组成，以水力为主要的动力源。在进水流量较大时，可仅靠水力驱动。在进水流量小水力驱动困难时，通过动力转轴上设置的单向（离合器）轴承25，可实现外加动力和水力的叠加。通过转速监控传感器（或溶解氧传感器）23提供信号，经PLC转换信号控制变频电机24的转速从而实现动力的最小投入。本发明可广泛运用于河流污染处理，其特点是转轴长度大，转速可调，运行费用低，在某些条件下可做到无人值守,是值得大力推广的节能污水处理设备。

Description

自净型水力生物转筒

技术领域

本发明涉及的是污水处理行业中污水处理设备的创新发明。

背景技术

好氧生化治理是污染治理的一个重要技术手段。常规的好氧生化治理往往需要消耗大量的能源。以厦门市为例,采用活性污泥法处理并达二级排放标准的情况下，动力消耗费用往往占运营成本的25-45%，为运营成本中最大的支出。因此，通过技术手段降低动力消耗的支出是有效降低污水处理运营成本的关键。

《2013年中国环境状况公报》十大流域的国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为71.7%、19.3%和9.0%。主要污染指标为化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量。在未来的较长时期内，威胁国人健康的河流污染治理仍然是我国环境工作者的重要使命。

发明内容

自然界的水体往往存在着一定的重力势能和动能。如果尽量利用水体自身携带的重力势能和动能进行污水处理，往往可大大降低能源的消耗。本发明主要针对河流污染治理，在大量采用已申报（在审）专利2015204075026“漂浮式水轮机”和2015103851823“浮筒式生物转筒”相关技术（申请人和本专利申请人相同）的同时，对生物转筒技术进行了进一步的改进和创新，提出全新低能耗的好氧水力生物转筒的污染治理解决方案。

为系统性地说明发明内容，有必要先阐述河流污染好氧治理的难点。

1、河水流量大，采用常规技术需较大的建设成本和运营成本。生物转筒技术一般采用1-2小时的水力停留时间，即使河水流量仅为1立方米/秒，单单氧化池即需占用3600-7200立方米的池容，因此建设成本较高。大流量也意味着将产生高昂电耗和药耗以及较大的运营管理费用。

2、河面一般都较宽，常规生物转筒设备使用困难。即使占用河面进行污水处理，常规生物转筒设备7-8米的转轴长度往往无法横跨水面，仅能对河流的部分污水进行处理。采用筑坝的方式缩短或分割河面宽度的情况下，又将大大增加了土建投资。

3、较严重有机污染的河流往往存在淤泥处理的问题。淤泥处理不当将产生臭气溢出的问题，严重影响处理效果。

4、河水流量变化大。丰水期的流量往往是枯水期流量的数倍甚至数十倍，因此需要处理设备具有良好的耐冲击负荷的特性。

为了解决以上问题，”自净型水力生物转筒”(以下简称“水力转筒”)通过采用了以下的技术方案，很好地解决了以上问题。

1、采用水轮机和生物转筒结合一体化的方案。

生物转筒技术耐冲击负荷和动力消耗低的特性是自生物转盘技术发展以来就具有的明显特点。本发明继承了生物转筒技术的这一优势，和水轮机一体化，使用水力为主要动力源的特征，又使得本发明在运营成本上具有更加明显的优势。

2、采用模块化的漂浮式结构。

模块化的设计利于快速加工生产和安装，漂浮式结构有效地解决了转轴长度增加后，中部将产生较大弯矩的问题，可灵活应对河面宽度的变化。同时，在无条件建设氧化槽的情况，设备可直接利用水面进行安装，省去了征地的费用，因而克服了生物转筒技术占地大的缺点。

3、利用水力进行排泥。

河底淤泥是河水发臭主要原因，因此不间断的清理河底淤泥十分必要。一体化的水轮机带动生物转筒转动的同时也为螺旋排泥设备提供动力（螺旋排泥设备经过变速后连续低速运行），氧化槽和沉淀池合建一举两得，进一步降低了土建造价，降低了能耗。

4、设置辅助变频动力和转速监控传感器(或溶解氧传感器)。

在枯水期水流量小，水轮机产生的动力不足的情况下，会直接影响生物转筒的好氧处理效果。通过设置转速监控传感器(或溶解氧传感器)、变频电机和单向（离合器）轴承可将水力和外加动力叠加，并实现动力的最小投入。

自净型水力生物转筒的分类。

由于实际工程的条件往往不同，自净型水力生物转筒也必须根据条件的不同做一些变化。按进水方式的不同大致可以分成四大类，即两端进水型、中部进水型、径向进水型和轴流进水型。实际工程也可以是多种型号的组合。所有型号的共同特征是：均设置漂浮式水轮机、浮筒式生物转筒和水力排泥设备，水轮机转速可调且其外径和生物转筒外径相等。

1、两端进水型。两端进水型一般由两个重力型水轮机和生物转筒组合而成，一般都需要设置溢流堰，通过适当抬高进水的重力势能来提供整个设备的动力。污水由两端进入后沿转轴向中部流动，经好氧处理后再经中部的出水口排出氧化槽。通过调整进水流量来调整转速，多余流量通过旁通管流出或堰顶溢流。

2、中部进水型。一般由一个重力型水轮机和两边的两个生物转筒组合而成，一般都需要设置溢流堰。和两端进水型相反，污水由中部进入后沿转轴向两端流动，经好氧处理后再经两端的两个出水口分别排出氧化槽。同样通过调整进水流量来调整转速，多余流量通过旁通管或堰顶溢流。

3、径向进水型。径向进入的污水经生物转筒处理后同样径向排出，水轮机的叶轮外部为二维等变角螺线叶片，其长度和转轴等长，利用叶轮之间的空间设置轻质填料。一般都需要设置水槽（常年水流量较大能确保水轮机转速时可不设），确保水力转筒始终处于漂浮状态并为水轮机提供稳定的动力。水轮机的转速可调，即通过手动调整调速花篮改变叶轮角度，从而实现调速。

4、轴流进水型。在设备的一端进水，另一端排水。水轮机采用轴流型简易水轮机，其数量可根据需要选定，位置可在端部，也可在中部。一般都需要设置溢流堰，确保水力转筒始终处于漂浮状态。水轮机的转速可调，即通过手动调整调速花篮改变叶轮角度，从而实现调速。

自净型水力生物转筒的有益效果。

1、利用水力为主的动力源可大大降低运营费用。

2、四种类型的河流治理水力生物转筒可适应河流的任何宽度。

3、漂浮式一体化机身可适应河水流量的大幅变化并确保行洪安全。

4、 动力自动补偿的特点可做到无人值守。

5、可作为河流自净装置，其好氧处理的运营费用几乎为零。

特别申明：自净型水力生物转筒不仅可用于河流的好氧污水处理，还可运用于常规的(尤其是大流量和高浓度)污水处理工艺流程之中。本发明还可进行较大的改进和变形，以“漂浮式的水轮机”和“浮筒式生物转筒”相结合为特征的污水处理设备均在本发明权利保护范围之内。

附图说明

附图1和附图2为具体实施例一两端进水型河流治理生物转筒平立剖。

附图3和附图4为具体实施例二中间进水型河流治理生物转筒平立剖。

附图5和附图6为具体实施例三径向进水型河流治理生物转筒平立剖。

附图7和附图8为具体实施例四轴流进水型河流治理生物转筒平立剖。

所有的附图中：浮筒转轴1、叶轮2、轻质填料3、填料支架4、链轮5、链条6、钢轴7、排泥槽8、螺旋排泥转轴9、集泥槽10、排泥管11、氧化槽12、溢流堰13、稳定杆14、水轮机侧板15、水斗底板16、进水管及阀门17、排水管及阀门18、动力传递钢丝19、调速花篮20、架空钢筋砼大梁21、限位器22。转速监控传感器23、变频电机及变速器24、单向（离合器）轴承25。

具体实施例

本发明的四种水力生物转筒，可运用于多种河流污染治理，其中附图1至附图8为具体实施例一至例四，均可做为无需动力的河流自净装置，也可为有辅助动力的好氧处理工艺设备。下面分别详细介绍。

具体实施例一为两端进水型：详附图1和附图2。该型需建设溢流堰13，水流通过进水管及阀门17进入重力式水轮机（如果存在多余流量则通过进水管及阀门17上的旁通管流出或通过溢流堰堰顶溢流），水流驱动水轮机及生物转筒转动后进入氧化槽12。水轮机的水斗有叶轮2、两片水轮机侧板15及水斗底板16围合组成，水轮机的叶轮2采用阻力较小的螺线叶片，叶轮2和水斗底板16连接处可成一定的夹角，也可为90度。水斗底板16和两片水轮机侧板15也形成了一个围合的浮筒，水斗底板16也即浮筒的圆形外壁。为了维持浮力的大致平衡，由于水轮机单位长度一般比单位长度的生物转筒更重，因此水轮机浮筒直径一般大于生物转筒直径。生物转筒设纤维（绳）状轻质填料3，仅在生物转筒的两端设固定支架4。本例生物转筒由两个模块组成，两个模块的两端又分别连接一个单独的重力式水轮机。从侧面看整个设备类似一个以稳定杆14上端为圆心的钟摆结构。为了便于稳定机身和稳定输出排泥动力，设链轮5、链条6、钢轴7和稳定杆14。氧化槽12的底面是由两段圆弧连接而成，圆弧的圆心分别是静止（非工作）状态下浮筒转轴1的圆心和稳定杆14上端的圆心。为了尽量缩小氧化槽12的容积，稳定杆14在非工作状态时和水平面成一定夹角，本例为45度。水轮机带动生物转筒转动的同时，并通过多级链轮链条的传递，将动力输出到螺旋排泥转轴9，对称结构的螺旋排泥转轴9因链轮的减速，连续不断的缓慢转动，将排泥槽8中的老化生物膜及污泥源源不断地输送至两端的集泥槽10，再通过排泥管11排出。螺旋排泥转轴9的最大特点是同样采用空心的浮筒转轴，并设小孔和塞子。可通过调节压仓水量来调节浮筒转轴的工作状态，使其整体比重略大于水，且转轴中部不至于承受较大弯矩（在转轴较长时分隔成相对独立不少于3段的多段，每一段均设置小孔和塞子，便于注水调整各段浮力的大小从而控制转轴中部弯矩在可承受范围内）。本例中水面以上的钢轴7均需预埋，固定在河岸上。钢轴7上的链轮5均设滚动轴承。本例中水面以下的链轮5均采用刚性连接，不设轴承。稳定杆14和水轮机水轮机侧板15中心转轴连接处设滑动轴承，稳定杆14上端和钢轴7连接处不设轴承。

需指出的是：在进水无法提供足够动力的情况下，可加设辅助动力及其控制装置。具体措施是增设转速监控传感器23（或溶解氧传感器）和变频电机24，将电机转轴（钢轴7）上的链轮5的轴承更换为单向（离合器）轴承25，这样就可以实现动力的最小投入并确保好氧处理效果。变频调速的方案有两种，一是采用交流变频，二是采用直流变频。交流变频即为采用交流变频器调整交流电的频率从而实现交流电机转速及出力的调整。直流变频即为采用PWM控制器调整直流电的供电密度，从而实现直流电机的转速和出力的调整。两种方案均需转速监控传感器23（或溶解氧传感器）提供信号源，经PLC转换成控制信号，实现变频电机的调速。本设备还可用于无氧化槽12的使用环境，在该环境使用时，只需提供水力转筒的漂浮空间，排泥设备需另行设置，相应取消其动力传递设施。

具体实施例二为中部进水型：详附图3和附图4。和具体实施例一基本类似，不同的是水轮机设置在中部，水轮机的数量由两个变成一个，水轮机的宽度因进水水量的变化可能发生变化，另外进水管及阀门17和出水管及阀门18的位置也相应发生变化。水流从中部进入后向两端流动。同样需指出的是：在进水无法提供足够动力的情况下，可加设辅助动力，包含转速监控传感器23、变频电机及减速器24和单向（离合器）轴承25。这样就可以实现动力的最小投入并确保好氧处理效果。本设备还可用于无氧化槽12的使用环境，在该环境使用时，只需提供水力转筒的漂浮空间，排泥设备需另行设置，相应取消动力传递设施。

具体实施例三为径向进水型：详附图5和附图6。该型最大的特点是机身既是水轮机，又是生物转筒。生物转筒的浮筒转轴1也是水轮机的浮筒转轴1。水轮机属于转桨类水轮机。水轮机的叶轮2长度和机身长度等长，每片叶轮2分两段，其中一段为矩形，垂直固定在浮筒外壁，另一段采用阻力较小的螺线叶片，通过铰链和矩形叶轮连接，每个模块的螺线叶轮2设置数个调速花篮20，通过调整调速花篮20的长度来改变活动叶轮2的角度，从而达到调速的目的。叶轮2之间的空隙设置轻质填料3，每个模块的两端设置填料支架4。和前例类似，机身的两端设稳定杆14、链轮5、链条6、钢轴7及滚动轴承等传动系统，将动力传递到螺旋排泥转轴9，对称结构的螺旋排泥转轴9因链轮的减速，连续不断的缓慢转动，将排泥槽8中的老化生物膜及污泥源源不断地输送至两端的集泥槽10，再通过排泥管11排出。螺旋排泥转轴9的最大特点是同样采用空心的浮筒转轴，并设小孔和塞子。可通过调节压仓水量来调节浮筒转轴的工作状态，使其整体比重略大于水，且转轴中部不至于承受较大弯矩。本例设有辅助动力，包含转速监控传感器23、变频电机及减速器24和单向（离合器）轴承25。水面以上的钢轴7（不含电机钢轴7）需预埋，固定在河岸上。氧化槽12同样由两段不同圆心和半径的圆弧面组成。稳定杆14同样采用45度角安装。无水轮机侧板15（浮筒模块的两端设侧板），无进水管及阀门17和出水管及阀门18。同样需指出的是：本设备还可用于无氧化槽12的使用环境，在该环境使用时，只需提供水力转筒的漂浮空间，排泥设备需另行设置，相应取消其动力传递设施。

具体实施例四为轴流进水型：详附图7和附图8。该型可用于宽度较小的河流或沟渠，也可用于有条件筑坝分隔河面的较宽河流。该型特点是一端进水，另一端出水。水轮机和生物转筒相对独立，仅靠浮筒转轴1连接为一体。本例水轮机在设备的两端，均为简易型轴流转桨水轮机。水轮机的叶轮2均可沿其中轴转动，中轴的一端垂直插接在浮筒外壁的支座内，另一端插接在外圈支架4的支座内，叶轮2 采用阻力较小的曲面叶片，设置数个调速花篮20，通过手动调整调速花篮20的长度来改变叶轮2的角度，从而达到调速的目的。水轮机之间设置生物转筒，生物转筒设置轻质填料3，每个模块的两端设置填料支架4。和前例不同，机身的两端设动力传递钢丝19，钢轴7需设置套管，套管内设两个轴承，链轮不设轴承（其中进水端需设置一个推力轴承，用于平衡水轮机产生的拉力）。链轮5、链条6、钢轴7及滚动轴承等传动系统均设置在架空钢筋砼大梁21上，将动力传递到螺旋排泥转轴9，单向排泥的螺旋排泥转轴9因链轮的减速，连续不断的缓慢转动，将排泥槽8中的老化生物膜及污泥源源不断地输送至出水端的集泥槽10（进水端的集泥槽10用于接纳上一级的污泥），再通过排泥管11排出。螺旋排泥转轴9的最大特点是同样采用空心的浮筒转轴，并设小孔和塞子。可通过调节压仓水量来调节浮筒转轴的工作状态，使其整体比重略大于水，且转轴中部不至于承受较大弯矩。溢流堰13用于确保水轮机的漂浮空间，限位器22用于限制机身位置不至于发生较大横向平移，但不限制其有限上浮。同样需指出：本例可设辅助动力，包含转速监控传感器23、变频电机及减速器24和单向（离合器）轴承25。这样就可以实现动力的最小投入并确保好氧处理效果。本设备还可用于无氧化槽12的使用环境，在该环境使用时，只需提供水力转筒的漂浮空间，排泥设备需另行设置，相应取消其动力传递设施。

关于水力转筒水头损失的说明：每一种类型的水力转筒均存在水头损失，由于影响整体设备水头损失的因素非常多，从理论上几乎无法精确计算。要想得到水力转筒水头损失的精确值就只有通过对成品进行实测。

Claims (9)

1.一种自净型水力生物转筒，其特征在于：由水轮机、浮筒式生物转筒、动力传递机构、水力排泥设施、氧化池和辅助动力组成，按进水方式的不同分为两端进水型、中间进水型、径向进水型和轴流进水型四种类型，水力排泥设施中的螺旋排泥转轴为空心浮筒式，且整个转轴的空腔分成多段，每段均设小孔和塞子。

2.根据权利要求1所述的自净型水力生物转筒，其特征在于：所有四种类型的水轮机和生物转筒均为漂浮式，均采用水力排泥。

3.根据权利要求1所述的自净型水力生物转筒，其特征在于：两端进水型的水轮机和生物转筒外径相同，但水轮机浮筒直径大于生物转筒的浮筒转轴直径。

4.根据权利要求1所述的自净型水力生物转筒，其特征在于：两端进水型和中间进水型的进水管均设旁通管，用于分流多余水量，便于调速。

5.根据权利要求1所述的自净型水力生物转筒，其特征在于：径向进水型和轴流进水型水轮机均为转浆式水轮机，可通过调节调速花篮改变浆叶角度从而实现调速。

6.根据权利要求1所述的自净型水力生物转筒，其特征在于：四种类型的自净型水力生物转筒的辅助动力采用转速监控传感器或溶解氧传感器、变频电机、单向轴承实现电机动力和水力的叠加，从而实现动力的最小投入。

7.根据权利要求6所述的自净型水力生物转筒，其特征在于：变频调速方案采用交流变频调速和直流变频调速两种方案。

8.根据权利要求7所述的自净型水力生物转筒，其特征在于：交流变频调速方案采用的是变频器和交流电机组合实现电机调速。

9.根据权利要求7所述的自净型水力生物转筒，其特征在于：直流变频调速方案采用的是PWM控制器和直流电机组合实现电机调速。