摘要 在污水處理工藝中，攪拌機(jī)械是輔以完成生化工藝必不可少的裝備，攪拌機(jī)的方式和效率直接影響到最終的工藝處理效果及處理成本，本文基于目前在水處理過程中常用的攪拌方式，介紹幾點(diǎn)關(guān)于傳統(tǒng)潛水?dāng)嚢铏C(jī)的節(jié)能技改方向以及一種節(jié)能高效、立體螺旋式的雙曲面攪拌形式――雙曲面攪拌機(jī)，對于新建污水處理工程或原有污水處理廠升級(jí)改造科學(xué)貫徹國家節(jié)能減排戰(zhàn)略具有重要的濟(jì)經(jīng)和社會(huì)意義。
關(guān)鍵字： 攪拌 雙曲面 污水處理 節(jié)能
1. 前言
在市政、化工造紙及其它多種水處理工藝中，水體攪拌混合是其中關(guān)鍵工藝過程之一。傳統(tǒng)的攪拌機(jī)械分為立軸折槳式、水平（潛水）推進(jìn)式以及其它混合形式，由于安裝的方式和葉槳形式?jīng)Q定了其攪拌形態(tài)，無論在能耗上還是在攪拌效果上均不太理想，不僅給污水廠的運(yùn)營成本帶來不必要的增加，而且會(huì)直接影響到最終的工藝處理效果。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，在污水處理工藝過程中攪拌混合的能耗占總能耗的近二成。針對以上問題，我們經(jīng)過多年的流體設(shè)備生產(chǎn)研發(fā)，借助同行的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對傳流潛水?dāng)嚢柰屏髟O(shè)備進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)改造，取得了初步成果。通過在北京高碑店污水廠、上海吳淞污水廠以及深圳水務(wù)集團(tuán)等單位歷時(shí)多年的實(shí)際應(yīng)用，獲得了良好的效果，如在深圳水務(wù)集團(tuán)旗下常州城北污水廠及常州江邊污水廠的改建工程和新建工程中采用了近100臺(tái)套，取得了大面積推廣的成功經(jīng)驗(yàn)。填補(bǔ)了該類產(chǎn)品在國內(nèi)的空白，并成為替代進(jìn)口的首選產(chǎn)品。在此，我們將在制造和運(yùn)行過程中的一些成功經(jīng)驗(yàn)與同行分享。
2.技術(shù)改進(jìn)路線
2.1潛水?dāng)嚢铏C(jī)
傳統(tǒng)潛水?dāng)嚢铏C(jī)在污水處理工藝中作為一種成熟的產(chǎn)品，在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，它主要由潛水電機(jī)、葉輪和安裝系統(tǒng)組成（見圖1）。為簡化整機(jī)結(jié)構(gòu)，多采用多級(jí)電機(jī)配合直聯(lián)結(jié)構(gòu)；葉輪有鑄造、焊接等形式。傳統(tǒng)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)雖具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維護(hù)較方便等特點(diǎn)，但由于葉輪形式及動(dòng)力配備方案的因素，在能耗及效率方面具有一定的提升空間。針對以上的原因，同時(shí)兼顧產(chǎn)品可靠性，我們做出如下四項(xiàng)節(jié)能技術(shù)改進(jìn)：
（一）、高效葉輪－－葉輪作為一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的部件，鑄件結(jié)構(gòu)精度較差，難以保證葉輪的平衡性，我們將葉輪重新進(jìn)行了水力測試研究，改進(jìn)為全沖壓式焊接結(jié)構(gòu)、后掠式葉輪，在水力效率及平衡性方面得到了有效提升。
（二）、節(jié)能動(dòng)力－－針對傳統(tǒng)潛水?dāng)嚢铏C(jī)的多級(jí)電機(jī)能效較低、電機(jī)體積大、成本高等問題，我們提出了常規(guī)四級(jí)電機(jī)配套一體化高效斜齒輪減速機(jī)的動(dòng)力方案。改進(jìn)后的節(jié)能型潛水?dāng)嚢铏C(jī)的主要組成部分有潛水電機(jī)、減速機(jī)、葉輪及安裝系統(tǒng)組成（圖2）。同等條件下相比多級(jí)電機(jī)綜合效率
可提高約15%，實(shí)例對比情況可見下表（表1）
圖1
圖2
表1.節(jié)能型潛水?dāng)嚢铏C(jī)實(shí)例對比表
| 型號(hào) | 動(dòng)力方案 | 配套 | 工作 | 效率 | 功率因數(shù) | 實(shí)際 | 結(jié)構(gòu)簡評(píng) |
| 電機(jī) | 電流 | 電耗 |
常規(guī)型 D=620mm; n=480rpm T=2600N | 12P 電機(jī) | 7.5kW | 25A | 0.69 | 0.56 | 9. 2度/小時(shí) | 結(jié)構(gòu)相對簡單，便于生產(chǎn)制造，運(yùn)行效率較低 |
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節(jié)能型 D=620mm; n=480rpm T=2600N | 4P電機(jī)＋ 斜齒輪減速機(jī) | 7.5kW | 13A | 0.87 | 0.85 | 7.3度/小時(shí) | 結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)要求高，運(yùn)行效率較高 |
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年節(jié)約費(fèi)用： 360天＊24小時(shí)＊（9.2－7.3＝1.9）度＊0.6元/度＊1臺(tái)＝9849元 |
（三）、可靠密封－－潛水?dāng)嚢枳鳛槌Ｆ谠谝合鹿ぷ鞯脑O(shè)備，密封是其可靠工作的最基本保障，對此我們設(shè)計(jì)兩道獨(dú)立機(jī)械密封，并在兩道機(jī)械密封中間的油室設(shè)置傳感器，配合獨(dú)有的接線盒設(shè)計(jì)，確保水下設(shè)備的長期可靠工作。
（四）、耐久設(shè)計(jì)－－針對潛水?dāng)嚢柰ǔ?4h連續(xù)工作的特點(diǎn)，我們選配永久性潤滑軸承，設(shè)計(jì)達(dá)到壽命10萬小時(shí)，在正常情況下，基本確保該部件終身免維護(hù)。
2.2潛水推流器
傳統(tǒng)潛水推流器主要應(yīng)用在氧化溝工藝及其它混合場所當(dāng)中，主要結(jié)構(gòu)為：潛水電機(jī)、擺線針輪減速器、香蕉形葉槳及安裝系統(tǒng)。存在的問題主要為減速機(jī)壽命較短、效率低，葉輪效率差等問題。對此，我們做出如下三項(xiàng)主要節(jié)能技術(shù)改進(jìn)：
（一）、高效葉槳－－傳統(tǒng)的香蕉形葉槳在國內(nèi)使用已有超過20年的使用歷史，其間很少有大的技術(shù)改進(jìn)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、水力外形、旋轉(zhuǎn)平衡性方面都存在很的提升空間。對此我們針對這種大直徑、低轉(zhuǎn)速的葉槳重新做了水力建模，研制推出了“闊葉型”葉槳，各性能得到了顯著提高，詳情可見如下對比情況（表2）。
表2.葉槳型式性能結(jié)構(gòu)比較表
| 葉槳型式 | 比表面積 | 聯(lián)接方式 | 推力 | 能耗 |
| 傳統(tǒng)形葉槳 | 一般 | 軸銷式 | 一般 | 較高 |
| 闊葉形葉槳 | 增加1/3 | 法蘭式 | 提升30% | 降低30% |
（二）、齒輪減速－－由于傳統(tǒng)機(jī)型使用的擺線針輪減速器其固有結(jié)構(gòu)原因及國內(nèi)裝配質(zhì)量原因，存在壽命較短、發(fā)熱高，效率差等問題。我們選用了高效的斜齒輪減速機(jī)，并解決了該型減速機(jī)的潛水密封、水下潤滑及一體化裝配等技術(shù)難題，使整機(jī)的綜合性能得到了有效提升，可見如下對比情況（表3）。
表3.減速機(jī)性能對比表
| 減速型式 | 效 率 | 負(fù) 載 | 磨 損 | 結(jié) 構(gòu) |
| 擺線針輪式 | 85% | 穩(wěn)定性差，發(fā)熱較高 | 較嚴(yán)重 | 零散部件較多，裝配精度較差 |
| 斜齒輪式 | 95% | 穩(wěn)定性好，發(fā)熱較低 | 一般 | 結(jié)構(gòu)緊湊，一體化配置，齒輪及裝配精度高。 |
（三）、雙軌安裝－－由于采用斜齒輪減速機(jī)、“闊葉型”葉槳，推力及效率大幅提高，雙導(dǎo)軌系統(tǒng)可提供更加有效、穩(wěn)定的安裝效果，達(dá)到延長整機(jī)的使用壽命的效果，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。
2.3雙曲面攪拌機(jī)
對比推流式攪拌機(jī)，我們研發(fā)了立體螺旋式攪拌方式，即雙曲面攪拌機(jī)。其體現(xiàn)為在雙曲面葉輪體上表面為雙曲線母線繞葉輪體軸線旋轉(zhuǎn)形成的雙曲面結(jié)構(gòu)。其獨(dú)特的葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度地將流體特性與機(jī)械運(yùn)動(dòng)相結(jié)合。雙曲線的方程為xy=b曲線沿y軸旋轉(zhuǎn)而構(gòu)成的曲面體；為了迎合水體流動(dòng)，設(shè)計(jì)從葉輪的中心進(jìn)水，這一方面減少了進(jìn)水紊流，另一方面保證了液體對葉輪表面的壓力均勻，從而保證整機(jī)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的平衡。在漸開雙弧面上均布有八條導(dǎo)流葉片，借助液體自重壓力作補(bǔ)充進(jìn)水獲得的勢能與葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力形成動(dòng)能，液體在重力加速度的作用下經(jīng)雙曲面結(jié)構(gòu)過渡沿葉輪圓周方向作切線運(yùn)動(dòng)，在池壁的反射作用下，形成立體螺旋狀的循環(huán)水流，故可獲得在軸向（y）和徑向（x）方向的交叉水流。正是由于雙曲面攪拌機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)特性和適當(dāng)?shù)陌惭b位置等特點(diǎn)，決定了它對懸浮物的防沉降均勻混合作用，在工作中可獲得理想的攪拌效果，能有效地消除攪拌死角。同時(shí)，由于其大比表面積葉輪可獲得大面積的水體交換。
雙曲面攪拌機(jī)整機(jī)由動(dòng)力部分、軸動(dòng)軸、底座、雙曲面葉輪體及安裝附件組成，為了滿足用戶不同工況條件下的使用，將安裝設(shè)計(jì)為干式(也稱立軸式)和潛水式兩種。
干式安裝，通過傳動(dòng)軸利用橋架定位，由干式電機(jī)和減速機(jī)作動(dòng)力，工作可靠，維護(hù)方便，它用于含固率高，水溫高，含有磨蝕性的液體中，葉輪具有自動(dòng)糾偏功能，經(jīng)過不斷技術(shù)改進(jìn)，解決了懸臂軸的強(qiáng)度剛度技術(shù)問題，目前已做到軸長達(dá)10米，無水下軸承，運(yùn)行較平穩(wěn)。
潛水式安裝，可免去橋架，采用潛水電機(jī)為動(dòng)力，利用設(shè)備自重定位，安裝靈活方便，適用在水深較深且水質(zhì)穩(wěn)定，不含磨蝕性的水體，水溫不大于40℃，PH值6~9之間，其特點(diǎn)是無噪音，無視覺障礙。
在上海市政工程設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的深水集團(tuán)常州城北污水廠改造新建項(xiàng)目中，采用改良A/A/O工藝，其中水解酸化池中厭缺氧段單池尺寸為52米×21米，池深9.1米，水深8.1米，總計(jì)布置60臺(tái)GSJ-2000型及GSJ-2500型雙曲面攪拌機(jī)，全部采用橋架式安裝。在那之后建設(shè)的常州江邊污水廠，業(yè)主原準(zhǔn)備采用進(jìn)口產(chǎn)品，由于常州城北廠的成功運(yùn)用，最后還是選用36臺(tái)GSJ-2500型產(chǎn)品。經(jīng)計(jì)算，僅常州城北污水廠采用雙曲面的攪拌功率為165kW，而傳統(tǒng)攪拌裝置只能解決“層流”，循環(huán)流量遠(yuǎn)不如雙曲面攪拌機(jī)，如按照傳統(tǒng)攪拌方式其需要的攪拌功率約為243kW，可以看出其節(jié)能效果非常明顯。
三．效果與前景
經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)、潛水推流器及雙曲面攪拌機(jī)作為一種節(jié)能高效的混合攪拌裝置，在雙相固液或三相固液氣的攪拌均具有廣泛的運(yùn)用前景。另隨著全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，國家節(jié)能減排政策及發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略決策，經(jīng)濟(jì)高效治理污水已越來越受到重視，國內(nèi)中小城鎮(zhèn)污水治理率和出水標(biāo)準(zhǔn)要求逐步提高。目前各污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)多要求由一級(jí)A提升至一級(jí)B，對脫磷除氮的要求更高，必然對高效節(jié)能的關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)產(chǎn)生迫切的需求。增加厭氧攪拌反應(yīng)或水解酸化過程，是目前應(yīng)用比較普遍的方法，而攪拌混合設(shè)備又是該工藝段的關(guān)鍵設(shè)備，特別是雙曲面混合時(shí)的流態(tài)柔和均勻的水流特性在水體攪拌效果和節(jié)能方面更具有明顯優(yōu)勢。所以，相信我們的技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新在污水處理工藝及其它攪拌混合場所必將發(fā)揮重要的作用。