矿井水处理厂絮凝剂投加装置改造
集团总工程师
正高级工程师
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。
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1000～1000
mm，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。
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。
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。
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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