搅拌设备在污水工艺中的节能技术改进探讨
来源：南京贝特环保通用设备制造有限公司 阅读：7924 更新时间：2010-11-10 16:36摘要：在污水处理工艺中，搅拌机械是辅以完成生化工艺必不可少的装备，搅拌机的方式和效率直接影响到最终的工艺处理效果及处理成本，本文基于目前在水处理过程中常用的搅拌方式，介绍几点关于传统潜水搅拌机的节能技改方向以及一种节能高效、立体螺旋式的双曲面搅拌形式――双曲面搅拌机，对于新建污水处理工程或原有污水处理厂升级改造科学贯彻国家节能减排战略具有重要的济经和社会意义。
关键字： 搅拌 双曲面 污水处理 节能
1. 前言
在市政、化工造纸及其它多种水处理工艺中，水体搅拌混合是其中关键工艺过程之一。传统的搅拌机械分为立轴折桨式、水平（潜水）推进式以及其它混合形式，由于安装的方式和叶桨形式决定了其搅拌形态，无论在能耗上还是在搅拌效果上均不太理想，不仅给污水厂的运营成本带来不必要的增加，而且会直接影响到最终的工艺处理效果。据初步统计，在污水处理工艺过程中搅拌混合的能耗占总能耗的近二成。针对以上问题，我们经过多年的流体设备生产研发，借助同行的设计经验，对传流潜水搅拌推流设备进行了节能技术改造，取得了初步成果。同时我们会同国内科研院所研制成功了具有自主知识产权的双曲面搅拌机 (ZL200620068740.X)。通过在北京高碑店污水厂、上海吴淞污水厂以及深圳水务集团等单位历时多年的实际应用，获得了良好的效果，如在深圳水务集团旗下常州城北污水厂及常州江边污水厂的改建工程和新建工程中采用了近100台套，取得了大面积推广的成功经验。填补了该类产品在国内的空白，并成为替代进口的首选产品。在此，我们将在制造和运行过程中的一些成功经验与同行分享。
2.技术改进路线
2.1潜水搅拌机
传统潜水搅拌机在污水处理工艺中作为一种成熟的产品，在国内应用广泛，它主要由潜水电机、叶轮和安装系统组成（见图1）。为简化整机结构，多采用多级电机配合直联结构；叶轮有铸造、焊接等形式。传统的潜水搅拌机虽具有结构紧凑、安装维护较方便等特点，但由于叶轮形式及动力配备方案的因素，在能耗及效率方面具有一定的提升空间。针对以上的原因，同时兼顾产品可靠性，我们做出如下四项节能技术改进：
 |
（一）、高效叶轮－－叶轮作为一个高速旋转的部件，铸件结构精度较差，难以保证叶轮的平衡性，我们将叶轮重新进行了水力测试研究，改进为全冲压式焊接结构、后掠式叶轮，在水力效率及平衡性方面得到了有效提升。
（二）节能动力－－针对传统潜水搅拌机的多级电机能效较低、电机体积大、成本高等问题，我们提出了常规四级电机配套一体化高效斜齿轮减速机的动力方案。改进后的节能型潜水搅拌机的主要组成部分有潜水电机、减速机、叶轮及安装系统组成（图2）。
 |
同等条件下相比多级电机综合效率可提高约15%，实例对比情况可见下表（表1）
 |
（三）、可靠密封－－潜水搅拌作为常期在液下工作的设备，密封是其可靠工作的最基本保障，对此我们设计两道独立机械密封，并在两道机械密封中间的油室设置传感器，配合独有的接线盒设计，确保水下设备的长期可靠工作。
（四）、耐久设计－－针对潜水搅拌通常为24h连续工作的特点，我们选配永久性润滑轴承，设计达到寿命10万小时，在正常情况下，基本确保该部件终身免维护。
2.2潜水推流器
传统潜水推流器主要应用在氧化沟工艺及其它混合场所当中，主要结构为：潜水电机、摆线针轮减速器、香蕉形叶桨及安装系统。存在的问题主要为减速机寿命较短、效率低，叶轮效率差等问题。对此，我们做出如下三项主要节能技术改进：
（一）、高效叶桨－－传统的香蕉形叶桨在国内使用已有超过20年的使用历史，其间很少有大的技术改进，在结构强度、水力外形、旋转平衡性方面都存在很的提升空间。对此我们针对这种大直径、低转速的叶桨重新做了水力建模，研制推出了“阔叶型”叶桨，各性能得到了显著提高，详情可见如下对比情况（表2）。
 |
 |
（二）、齿轮减速－－由于传统机型使用的摆线针轮减速器其固有结构原因及国内装配质量原因，存在寿命较短、发热高，效率差等问题。我们选用了高效的斜齿轮减速机，并解决了该型减速机的潜水密封、水下润滑及一体化装配等技术难题，使整机的综合性能得到了有效提升，可见如下对比情况（表3）。
 |
（三）、双轨安装－－由于采用斜齿轮减速机、“阔叶型”叶桨，推力及效率大幅提高，双导轨系统可提供更加有效、稳定的安装效果，达到延长整机的使用寿命的效果，提高了系统的可维护性。
2.3双曲面搅拌机
对比推流式搅拌机，我们研发了立体螺旋式搅拌方式，即双曲面搅拌机。其体现为在双曲面叶轮体上表面为双曲线母线绕叶轮体轴线旋转形成的双曲面结构。其独特的叶轮结构设计，最大限度地将流体特性与机械运动相结合。双曲线的方程为xy=b曲线沿y轴旋转而构成的曲面体；为了迎合水体流动，设计从叶轮的中心进水，这一方面减少了进水紊流，另一方面保证了液体对叶轮表面的压力均匀，从而保证整机在运动状态下的平衡。在渐开双弧面上均布有八条导流叶片，借助液体自重压力作补充进水获得的势能与叶轮旋转时产生的离心力形成动能，液体在重力加速度的作用下经双曲面结构过渡沿叶轮圆周方向作切线运动，在池壁的反射作用下，形成立体螺旋状的循环水流[1]，故可获得在轴向（y）和径向（x）方向的交叉水流(如图3、4)。正是由于双曲面搅拌机叶轮的结构特性和适当的安装位置等特点，决定了它对悬浮物的防沉降均匀混合作用，在工作中可获得理想的搅拌效果，能有效地消除搅拌死角。同时，由于其大比表面积叶轮可获得大面积的水体交换。
 |
 |
其叶轮结构由导流体、搅拌部件及传动部分等组成(如图2)。
 |
双曲面搅拌机整机由动力部分、轴动轴、底座、双曲面叶轮体及安装附件组成，为了满足用户不同工况条件下的使用，将安装设计为干式(也称立轴式)和潜水式两种(如图5、6) 。
 |
 |
干式安装，通过传动轴利用桥架定位，由干式电机和减速机作动力，工作可靠，维护方便，它用于含固率高，水温高，含有磨蚀性的液体中，由于叶轮具有自动纠偏功能，
我们经过不断技术改进，解决了悬臂轴的强度刚度技术问题后，目前已做到轴长达10米，无水下轴承，运行较平稳。
潜水式安装，可免去桥架，采用潜水电机为动力，利用设备自重定位，安装灵活方便，适用在水深较深且水质稳定，不含磨蚀性的水体，水温不大于40℃，PH值6~9之间，其特点是无噪音，无视觉障碍。
在由上海市政工程设计研究院设计的深水集团常州城北污水厂改造新建项目，采用改良A/A/O工艺，其中水解酸化池中厌缺氧段单池尺寸为52米×21米，池深9.1米，水深8.1米，总计布置60台GSJ-2000型及GSJ-2500型双曲面搅拌机，全部采用桥架式安装。在稍后建设的常州江边污水厂，业主原准备采用进口产品，由于常州城北厂的成功运用，最后还是选用36台GSJ-2500型产品。经计算，仅常州城北污水厂采用双曲面的搅拌功率为165kW，而传统搅拌装置只能解决“层流”，循环流量远不如双曲面搅拌机，如按照传统搅拌方式其需要的搅拌功率约为243kW，可以看出其节能效果非常明显。
三．效果与前景
经过技术改进的潜水搅拌机、潜水推流器及双曲面搅拌机作为一种节能高效的混合搅拌装置，在双相固液或三相固液气的搅拌均具有广泛的运用前景。另随着全社会环保意识的提高，国家节能减排政策及发展低碳经济的战略决策，经济高效治理污水已越来越受到重视，国内中小城镇污水治理率和出水标准要求逐步提高。目前各污水处理厂出水标准多要求由一级A提升至一级B，对脱磷除氮的要求更高，必然对高效节能的关键设备技术产生迫切的需求。增加厌氧搅拌反应或水解酸化过程，是目前应用比较普遍的方法，而搅拌混合设备又是该工艺段的关键设备，特别是双曲面混合时的流态其柔和均匀的水流特性在水体搅拌效果和节能方面更具有明显优势。所以，相信我们的技术改进与创新在污水处理工艺及其它搅拌混合场所必将发挥重要的作用。
参考文献
[1] 王福军．计算流体动力学分析[M]．北京：清华大学出版社，2004
[2] 郑邦民.计算水动力学[M].武汉：武汉大学出版社，2001
