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矿井水处理厂絮凝剂投加装置改造

2021
10/09
03:40
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一、立项原因

为了达到公司节能降耗要求,环保分公司认真分析水厂工艺流程,对云冈污水处理厂的储药装置进行改造。云冈污水处理厂絮凝剂(PAC、PAM)投加工艺为:

1.将固体絮凝剂和清水加入搅拌罐中。

2.进行一定时间的搅拌使絮凝剂在水中充分的混合。

3.浓度达到标准后将溶液存于储液箱中备用。

我们在生产中发现药液在储液箱内容易发生沉淀,导致药液固体浓度降低,污水脱泥效果不佳;并且药液沉淀会结块堵塞加药管道和液位计,一段时间后会在储液箱底部板结,需要频繁清理储液箱底部沉淀。

为了解决这个问题,我们查阅了相关资料,未发现可以解决这一问题的研究成果。

我们收集了相关资料,构思了增加刮板机、机械搅拌、磁力搅拌、鼓风搅拌这4种方法来解决该问题,根据现场实际情况,讨论后决定选用增加机械搅拌的方式来防止溶液沉淀,在原储液罐的顶部安装了一台机械搅拌装置。

二、研究或革新内容及创新点

2.1、技术介绍

云冈污水处理厂设计处理能力4000m3/d,统计2020年7月至9月云冈污水处理厂运行数据,平均处理5350m3/d,超出设计能力33.75%。故实际生产中加药量大,药剂浓度高,药液为悬浊液,静置后会沉淀。

为了解决这个问题,我们利用机械搅拌来保证药剂在分散系中均匀分布,在原PAC、PAM储液箱(长×宽×高均为1×1×1.1m)的顶部各安装了一台搅拌装置,如图1所示。在储液罐顶部中心位置焊接一块5mm厚钢板(长150mm、宽150mm),钢板中间有直径D=70mm圆孔,钢板上稳装搅拌机减速机和电机,搅拌杆从圆孔中穿过,搅拌叶距容器底部有一定距离。

                                                                                           

图1:储液箱改造前后对比示意图

1-观察口,2-储液箱箱体,3-絮凝剂药液,4-药液投放管路,5-搅拌机电机,

6-搅拌机减速机,7-搅拌机搅拌杆,8-搅拌叶

 

2.2、设备选型与计算:

2.2.1选择叶片

常用的搅拌叶轮如图2所示

                                                                      

图2:常用的搅拌叶轮

a.螺旋桨叶轮,b.桨式叶轮,c.涡轮式叶轮,d.分散型叶轮(锯齿圆盘叶轮),

e.锚式叶轮,f.带状叶轮

a.螺旋桨叶轮

螺旋桨叶轮有3个叶片,叶片具有一定的螺旋角,其端部圆周速度通常为5~15m/s。叶轮旋转时,向前(或向后)挤压流体沿轴向排出,在罐内循环。

这种搅拌叶轮的排出能力较强,主要用于液~液系统的混合、均匀温度以及防止液~固系统的低浓度浆液发生沉淀。通常情况下,螺旋桨直径为搅拌罐直径的0.1~0.3倍。一般适于介质粘度为2~3Pa?s。搅拌器转速一般为200~400r/min,机械紧凑。为了防止形成水平旋流、提升搅拌效果,通常情况下要安装挡板、导管,或采取偏心和倾斜的安装方法。使用挡板或导管可以得到较好的轴向流。偏心安装飞禽走兽老虎机见于小型(0.1~1.5kW)便携式的搅拌设备。

b.桨式叶轮

桨式叶轮结构简单,细长的、连续的板状叶片焊、铆在轮毂上或对夹在搅拌轴上,因而价格低。通常,每个叶轮有2个叶片。实际应用中通常采用大直径低转速叶轮,剪切作用不大。由于可用大直径的叶轮,故可用于高粘度介质的搅拌,粘度可达50Pa·s。此时,为了使罐内上、下层介质易于交换,往往采用有3~5段的多段叶轮,或在桨叶上安装如图1(b)所示的横向叶片。

一般,桨式叶轮主要用于液~液系统以均匀温度、防止介质分离为目的的搅拌,以及用于液~固系统用来防止固体物的沉降。不适用于以介质微细化为目的的搅拌。

c.涡轮式叶轮

涡轮式叶轮通常有4~6个叶片,叶片可有不同的安装角度。叶片垂直安装的称之为平直涡轮式叶轮;叶片倾斜安装的称之为折叶涡轮式叶轮,如图1(c)所示。

折叶涡轮式叶轮是轴流式叶轮,轴向引入液体,轴向排出,形成上下有效的循环。对于要求有较大循环量,即排出量的液~液、液~固系统的搅拌,如均匀混合、反应、传热等场合,这是一种很有效的搅拌叶轮。

从涡轮叶轮的使用情况看,叶轮直径/罐直径大体为0.25~0.5,转速大约在50~300r/min的范围适应的流体粘度最高达30Pa·s。

d.分散型叶轮(锯齿圆盘叶轮)

在金属圆盘的外缘镶装锯齿形的叶片见图1(d),通过高速回转,可在叶轮锯齿状叶片周围得到极高的剪切力。这种叶轮的转速范围通常为500~3000r/min,圆周速度达15~30m/s。对低粘度流体,叶轮直径与罐径之比大约为0.25~0.35,这个比值随着粘度增加而变大,但最大不能超过0.5。

这种叶轮可用于高剪切力、流体高度分散细化的场合,如液~液的树脂混合;固~液系统高岭土、粘土等分散混合等。由于大部分能量消耗于产生剪切力而转换成热量,这就会使罐内流体温度上升。若要求流体温度不宜升高,则需采取冷却措施(夹套等)。

e.锚式叶轮

如图1(e)所示,这类叶轮的叶、罐直径比比较大,大都以低转数回转。流动形式以水平旋转流为主,流体排量大,但剪切作用不大。锚式叶轮使在罐壁附近的流体流速比较大,因而传热效果较好。从搅拌效果分析,在搅拌轴附近存在着没有搅拌的部分。一般,锚式叶轮可用于夹套散热、晶析等目的。由于叶轮较大,也可用于高浓度和沉降性较大浆液的搅拌。

从使用的情况分析,叶轮直径和罐直径的比值,对于搅拌低粘度流体,为0.7~0.9;对于搅拌高粘度流体,为0.8~0.95。适宜的转数范围为10~50r/min,适应的粘度范围由低粘度到200~300Pa·s。

f.带状叶轮

带状叶轮或称螺线叶轮,是将细长的带状金属板依一定的螺旋形状卷制而成。一般,金属带的宽度约为叶轮直径的5%~15%。2根带的叶轮多一些,见图1(f)。叶轮直径和罐直径的比值比较大,可达0.9以上,甚至和罐壁只有很小间隙。

这种叶轮胜任对更高粘度流体的搅拌,如对合成橡胶、合成树脂及其原料制备时需要搅拌的场合,也适合粉状体、泥状物的搅拌,但不适合没有粘附性、易于分散细化的物料和粘度低的浆液。

储液箱现有检查口位置偏离箱体中心,药液粘度为5.3×10-3~10.7×10-3Pa?s,高温会加速药液变质,物料颗粒越分散越好。考虑到以上条件,选用螺旋桨叶轮。螺旋桨叶轮直径小,机械紧凑,循环流量大,可安装在现有检查口偏储液箱中心位置处。既不需要破坏箱体,也对检查口效用影响不大,同时偏心安装有利于液体流动,搅拌效果好。而且螺旋桨叶轮转速较高,物料颗粒分散效果好。

2.2.2搅拌叶轮的设计

1.叶轮直径的设计

通常情况下,螺旋桨直径为搅拌罐直径的0.2~0.5倍,0.33倍居多。现场储液罐为方罐,边长,取其等效圆罐直径D为1000~1000mm,则螺旋桨直径为200mm~707mm,取螺旋桨直径为400mm。

2.段数

液深与罐径之比在1±0.2范围内,且流体粘度较低,所以只需1段叶轮。

3.叶轮安装位置

对于低粘度的液~液搅拌,当液深与罐径之比在1±0.2范围内,需1段叶轮时,叶轮应安装在距搅拌罐底0.1~0.2液深的位置。取叶轮距搅拌罐底200mm。

2.2.3搅拌功率的计算

搅拌功率由下式计算:

      kW

式中:Np——功率准数,是一无因次数;

n——回转数,r/min;

Di——叶轮直径,m;

d——液体密度,kg/m3;

gc——重力换算系数,(kg·m)/(kg·s2)。

Np受叶轮形状、几何条件、挡板情况等影响,是雷诺数Re的函数。

 

当Re> 104时,罐内为湍流,Np几乎是一个定值。查Np与Re关系图得Np=0.35。

搅拌功率:

 

考虑工作环境温度为25℃,温度修正系数Kt=1.1,安全系数取Kn=1.2,减速机机械效率η取95%,搅拌电机功率PN:

 

因没有对应功率电机,就近取搅拌电机功率PN=0.75kW。

 

                                                                                   

图3:质量分数为4%的PAC药液静置过程图

1-充分搅拌,2-静置30min,3-静置1h,4-静置2h,5-静置3h,

6-静置6h,7-静置12h,8-静置24h

通过实验确定药剂沉降时间,进而确定搅拌机启动频率。我公司选用的PAC药剂中水不溶物质量分数为1.8%~2.3%,药液中PAC的质量分数为2.5%~10%,经过实验室进行的微型实验,测定质量分数为2.5%~10%的药液在静置19~32min后出现了的沉淀,1.5h~3h时沉淀不再增加。浓度越高沉淀出现得越快,沉淀的量也越大。

                

图4:质量分数为0.1%的PAM药液静置过程图

1-充分搅拌,2-静置30min,3-静置1h,4-静置2h,5-静置3h,

6-静置6h,7-静置12h,8-静置24h

我公司选用的PAM药剂中水不溶物质量分数为1.2%~1.5%,药液中PAM的质量分数为0.06%~0.25%,经过实验室进行的微型实验,测定质量分数为0.06%~0.25%的药液在静置24~38min后出现了的沉淀,2h~2.5h时沉淀不再增加。浓度越高沉淀出现得越快,沉淀的量也越大。

                            

图5:PAC、PAM药液沉淀图

1-PAC药液沉淀图,2- PAM药液沉淀图

2.3、储液箱搅拌加药技术的创新特点:

● 药液浓度稳定且可控

● 工作强度小

● 节约药剂

● 药剂利用率高

● 设备材料损耗小


 

图6:储液箱改造效果图

      图7:储液箱搅拌机细节图


该装置设置了就地控制箱。操作员根据药液的浓度,每隔1.5~3小时搅拌10~30min。该装置提高了药剂的利用率,大大减轻了工人劳动强度,有着良好的社会经济效益。

三、经济社会效益及应用情况

3.1经济社会效益

该技术主要有以下三项效益:

3.1.1降低劳动强度

统计改造前后各3个月的生产数据进行对比,改造前平均每月维修加药系统6次,改造后平均每月维修加药系统2次。本次改造将加药系统维护次数缩减了2/3。

3.1.2节约药剂

统计改造前后各3个月的生产数据进行对比,改造前药剂每半月需清掏一次,PAC储液箱底部板结药剂量烘干后约为50kg,PAM储液箱底部板结药剂量烘干后约为1.5kg;改造后PAC、PAM储液箱均不必清掏。故每年共节约1200kgPAC和36kgPAM。

3.1.3提高设备工作效率

清掏储液罐和维修加药管路时会暂停水处理,每月因清掏储液罐和维修加药管路暂停水处理约24h,水处理平均速度为230m3/h,故经过改造每年可多处理水6万余吨。

3.2改造经济成本分析

3.2.1改造投入

加装的2台减速机型号相同,每台设备费用1000元,使用寿命5年,维护费用200元/年,折旧费用200元/年。总价800元/年。

用电电费以0.5082元/度计算,搅拌频率以每3h搅拌20min计算,每年搅拌973.33h。搅拌机电机功率为0.75kW,则每年搅拌机电费为:

 

3.2.2改造产出

按照目前市场价格一个维修工的年工资为7万元,维修组共4人。改造后每月减少维修加药系统4次,每次约0.75个工日,则节约维修所需的人工成本约为:

 

以PAC单价3.6元/kg、PAM单价29.7元/kg进行计算,改造后因无药剂沉淀而每年节约药剂的总价为:

 

本次改造提高了设备工作效率,每年增加的效益为(每月节约维修时间24h进行水处理,水处理售价以5元/m3计算,水处理药剂和设备成本以1.4元/m3计算):

 

3.2.3经济效果成本比较

经过以上分析可知:本次创新投入2000元购买设备,每年可为水厂创造效益约为:

 

平均每月可为水厂创造效益约为:

 

3.3应用情况

目前,该技术已经在晋能控股煤业集团云冈矿污水处理厂得到了运用。采用该技术,大大降低了劳动强度,节约了药剂,提高了设备工作效率,社会经济效益十分显著。

四、总体性能指标与国内外、集团公司内其他单位技术的比较

目前污水处理生产中主要有两种加药方式,分别是:

1、由药剂混合罐直接向目标地投加混合的药液。

2、药剂混合罐混合好的药液先放入储液箱后,从储液箱向目标地投加。

第一种加药方式的主要缺点如下:

1、药剂浓度波动大。

2、不便控制药剂浓度。

第二种加药方式的主要缺点如下:

1、药剂易发生沉淀。

2、药剂在水中分布不均匀。

两种加药方式各有其优点和不足,通过分析,结合二者的长处研究出了储液箱搅拌加药技术。采用这种加药技术既可以使药液浓度均匀,又便于控制药液浓度。投资小,维护简单,耗费人力物力小,资源利用率高。

五、存在的问题及推广应用前景

储液箱搅拌加药技术具有环保、便捷、高效等优点。它可以应用于悬浊液转运,无需复杂的工艺和大量的成本。因为便于控制药液浓度,所以该装置对各种工作情况的适应性较好。

储液箱搅拌加药技术为污水处理企业提供了一种新的药液投加思路。储液箱搅拌加药技术是污水处理的发展趋势,它既能给企业提供良好的经济效益,同时也可以提供积极的社会效益。因此,该技术在污水处理方面进行推广具有很高的社会经济效益。

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