双曲面搅拌机在污水处理中的应用

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和水平（潜水）式两种常用方式，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。针对以上问题，经过四年的试验，借助同行的设计经验，我们终于研制成功具有自主知识产权的双曲面搅拌机，并申请了国家专利(ZL200620068740.X)，经过在北京高碑店污水厂和上海吴淞污水厂等单位历时三年多的实际应用，获得了良好的效果，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。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. 工作原理及其结构

        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，形成自上而下地循环水流，故可获得在轴向（y）和径向（x）方向的交叉水流(如图1、2)。正是由于双曲面搅拌机叶轮的结构特性和接近池底安装的特点，其工作位置决定了它对悬浮物的防沉降作用是直接的，在工作中可获得理想的搅拌效果，能有效地消除搅拌死角。大比表面积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3)。

3.工程应用

        双曲面搅拌机整机由动力部分和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4、5) 。干式安装，通过传动利用桥架定位，由干式电机和减速机作动力，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，运行较平稳，减速机噪音小于60分贝。潜水式安装，可免去桥架，采用潜水动力，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。

       在实际应用中，叶轮的锥形反曲面设计最大限度地将液体对叶轮表面的压力通过导流体有效地分布到叶面的扩散区，利用叶轮表面渐开的等分凸台改变流体运动方向，沿着叶轮外缘的切线方向，在重力加速下形成离心力，转换成径向流。它最大的优点在于叶轮工作时不会产生紊流，从而保证了进水区与出水区的互不干挠，有序的水流循环加上叶轮工作时从叶轮中心形成的负压，使进水区的能量形成自动补充，即形成轴向流，这样双曲面搅拌机即使在没有池壁的反射下也能形成轴向和径向流。目前在北京、上海两家用户的池深均超过8米，从实际工作情况来看，搅拌效果均很理想。由此可见水深对双曲面的影响不大，如果是传统搅拌机在这样的场合下就很难达到这样的效果，这正是水平搅拌机的局限性。 因为水平搅拌只能解决一个层流，它的轴向流和径向流远达不到双曲面的服务面积，尤其是在搅拌机的边界水流上很容易产生紊流，加上单向水流很难满足池底及池角处的完全搅拌，尤其在厌氧段，容易产生沉淀物。此外，常用桨式搅拌的方式与水平搅拌的不同在于桨式搅拌机以径向流为主，剪切力较强，水平搅拌机主要为轴向流，径向流较小，推流能力较强，如果要提高搅拌效果只能增加动力和转速，利用池壁的反射原理才能形成回流。但对大范围和有死角的工况，随着功率和转速的提高，会带来增加能耗、结构可靠性等诸多问题，而且及易发生缠绕。

4.工作特点

        双曲面搅拌机作为一种高效搅拌混合设备，适用于各种低黏度的液体之间、固液、气液之间的混合搅拌；不仅适用于圆形池、方形池，在长方形水池中分单元布置使用也比较常用。

        在我国现有各种污水处理工艺中，双曲面搅拌机主要可以克服传统叶片（浆）式搅拌易出现死角，曝气工艺水气混合效果不佳的问题，发挥其搅拌均匀的优势。主要特点表现在以下几个方面：

        (1)可以用在各种液体与固体、气体混合的场合，可替代现有搅拌设备，实现三维立体、螺旋状的混合，使搅拌更均匀，提高搅拌效率。

        (2)大比表面积叶轮，功率配备小，循环水流大，能耗低，在常规市政污水搅拌中相比传统搅拌方式节能30%-50%。

        (3)整机结构紧凑，运行可靠，安装维护便捷。

        (4)该叶轮由增强纤维或钢制材料制作而成，能适应不同的工况要求，使用寿命长。

5.应用前景

        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。目前由于环境污染日趋严重，以及全社会环保意识的提高，污水治理已越来越受到重视，国内中小城镇污水治理率逐步提高，同时对现有污水处理厂的工艺技术升级改造，必然对高效节能的关键设备技术产生迫切的需求，而双曲面叶轮搅拌方案在水体搅拌效果和节能方面具有明显优势。所以通过正确和积极的推广，我们相信这种双曲面搅拌方案将成为未来理想的、主导的搅拌方式，在污水处理工艺及其它搅拌混合场所发挥重要作用。