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：N_p——功率准数，是一无因次数；

n——回转数，r/min；

D_i——叶轮直径，m；

d——液体密度，kg/m³；

g_c——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，N_p几乎是一个定值。查N_p与Re关系图得N_p=0.35。

搅拌功率：

 

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

 

因没有对应功率电机，就近取搅拌电机功率P_N=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