水力攪拌器在污水處理中的應用

　　攪拌器在石油化工、污水處理及其他生產(chǎn)領(lǐng)域的應用范圍廣闊，目前在石化行業(yè)的污水處理中，大量使用潛水攪拌器。該種設備結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，但長期置于水下，維護成本較高。新型的水力攪拌器可很好的解決此問題。

　　一、背景

　　污水處理廠使用的推流器(潛水攪拌器)，是污水處理生產(chǎn)流程中的一種推流裝置，在污水處理廠中數(shù)量眾多且不可或缺，目前市面大都采用電動機直接驅(qū)動推流槳葉，放置于污水處理池中。由于其長年累月工作在復雜多變的污水中，且轉(zhuǎn)速受推流槳葉限制，大多不是同步轉(zhuǎn)速，因而往往需要配備減速箱，有的還有防爆等特殊要求，其工作環(huán)境苛刻，使用壽命較短，企業(yè)運行、維護成本較高。需要考慮合適的設備型式。

　　二、解決方案

　　經(jīng)綜合對比，參考循環(huán)水場水輪機的經(jīng)驗，采用直驅(qū)推流器的水力渦輪機可很好地解決該這一難題。這是一種利用水流能量驅(qū)動污水處理廠推流器的超低比轉(zhuǎn)速微型水力渦輪機，推流槳葉通過鍵連接直接安裝于渦輪機的輸出軸上，利用外加水泵提供的、與之適應的富含水頭能量的水流驅(qū)動，取代原特種電動機，不但滿足其惡劣的工作環(huán)境，還大大延長了使用年限，大大降低了企業(yè)的運行、維護成本，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　利用外加水泵抽取推流器所在污水池水、或者污水處理廠處理過的合格水，形成一定水頭、一定流量的高能水流，將之一對一、一對多接入所發(fā)明的驅(qū)動污水處理廠推流器的超低比轉(zhuǎn)速微型水力渦輪機，驅(qū)動推流器按設計工況旋轉(zhuǎn)，替代原來驅(qū)動的電動機，在技術(shù)上是可行的。由于這種驅(qū)動污水處理廠推流器的超低比轉(zhuǎn)速微型水力渦輪機采用有能水流驅(qū)動，滿足防爆要求;采用防腐材料制造，滿足防腐要求;針對推流器非同步轉(zhuǎn)速設計，滿足同轉(zhuǎn)速直聯(lián)要求;采用多年連續(xù)工作設計，極大減少了檢維修工作量。

　　三、設計選型

　　根據(jù)給定的原潛水攪拌器槳葉的額定轉(zhuǎn)速、額定功率，確定直驅(qū)推流器的水力渦輪機的設計參數(shù)，設計轉(zhuǎn)速n=680r/min，旋轉(zhuǎn)方向按出流方向為順時針;輸出功率P=4kW，渦輪機驅(qū)動凈水頭H=20.38m，渦輪機轉(zhuǎn)輪最大直徑d=375mm。

　　根據(jù)渦輪機出力公式：P=9.8QHη，渦輪機出力P=4kW，初定渦輪機效率為η=85%，渦輪機靜壓水頭H=20.38m，按經(jīng)濟流速3m/s計算，水輪機流量Q=0.023562m3/s，根據(jù)比轉(zhuǎn)速公式ns=nPH54，得比轉(zhuǎn)速ns=31.4075，流量Q=0.023562m3/s，取管道直徑D=0.10m，得管道平均流速：vˉ=3m/s，選定渦輪機輸水水管型號為DN100。

　　根據(jù)水輪機比轉(zhuǎn)速及水輪機設計經(jīng)驗，該型水輪機宜采用沖擊式水輪機，但考慮該水輪機出流為有壓出流，因而必須發(fā)明一種新型的、適用于有壓出流的、超低比轉(zhuǎn)速的特種水輪機，以滿足工作條件的限制，因而發(fā)明了直驅(qū)推流器的水力渦輪機。

　　四、結(jié)構(gòu)型式

　　直驅(qū)推流器的水力渦輪機采用梯形蝸殼，分為四個部分：蝸殼、導葉部分、轉(zhuǎn)輪部分、尾水部分。

　　蝸殼采用梯形蝸殼，在00~1800之間的每個斷面為正方形，在1800~3600之間的每個斷面為漸變的長方形，蝸殼設計的原則：蝸殼內(nèi)的平均流速保持保持不變，蝸殼出流口為圓環(huán)形軸向出流，并且滿足速度矩為常數(shù)。

　　導葉部分的主要功能是將流出蝸殼圓環(huán)形出水口、具有一定環(huán)量的水流，無沖角地引入到導葉柵的進口端(切向進水)，并在導葉柵的流道中加速并按照設計的出流角度流出導葉，進入渦輪機轉(zhuǎn)輪的槳葉柵中;導葉部分第二個功能是作為蝸殼的連接部件、渦輪軸的前軸承安裝著力部件;導葉部分的第三個功能是安裝渦輪機的安裝固定支架，固定整個渦輪機。

　　轉(zhuǎn)輪部分由兩個主要部件組成：帶有槳葉柵的轉(zhuǎn)輪和與導葉部分、尾水部分靜連接的轉(zhuǎn)輪圍罩。轉(zhuǎn)輪的主要組成為槳葉柵，來自于導葉柵的速度水流，無沖角地沖入轉(zhuǎn)輪槳葉柵，將水流能量在槳葉柵中轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能后，軸向流出轉(zhuǎn)輪，進入尾水部分;轉(zhuǎn)輪通過輪轂的利用鍵安裝于渦輪軸上;轉(zhuǎn)輪圍罩與導葉部分、尾水部分組成轉(zhuǎn)輪室，創(chuàng)造出準輪的工作環(huán)境。

　　尾水部分主要是將轉(zhuǎn)輪流出的水流的速度進一步降低，以盡可能多的吸收水流的動能量，提高渦輪機的能量轉(zhuǎn)化效率；其另外的一個功能就是提供渦輪機后軸承的安裝著力點。

　　下圖為直驅(qū)推流器的水力渦輪機的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　通過實驗，直驅(qū)推流器的水力渦輪機輸入水頭20.4米、容積流量為84.45立方米每小時，效率85.3%，長度為465毫米，直徑為352毫米的類圓柱形，滿足推流器的安裝要求。

　　由此，可構(gòu)建一種新型的水力攪拌器系統(tǒng)，其由水泵、攪拌葉輪、水力攪拌機主機、安裝系統(tǒng)(含管道、金屬軟接等組成)等組成。水力攪拌機為直聯(lián)式結(jié)構(gòu)，既有結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、便于維護等優(yōu)點，且有軸向推力大、自潔防纏繞的良好功能。如圖2

　　通過現(xiàn)場數(shù)月的試驗，該水力攪拌系統(tǒng)現(xiàn)場采用處理后的壓艙水(有一定壓力)可很好地解決攪拌需求，同時還能利用壓艙水自有的壓頭，節(jié)省部分電能。

　　五、結(jié)語

　　綜上所述，在介質(zhì)溫度不超過40℃、pH值在5-9之間、潛水深度不超過20m、介質(zhì)中沒有纏繞物和漂浮物的情況下，該類水力攪拌器可適用于污水處理廠曝氣池、厭氧池和污泥池等含有懸浮物需混合、攪拌的場合。同時，工業(yè)流程中一些對操作安全性較高的環(huán)境，如含有金屬鹽、紙漿和纖維物質(zhì)的水、含有一些磨損顆粒、碎渣與金屬鹽的某些工業(yè)污水處理過程均可有效使用。對潛水攪拌器具有很好的替代作用。（來源：中海油惠州石化有限公司）