一、立項原因
為了達到公司節(jié)能降耗要求，環(huán)保分公司認真分析水廠工藝流程，對云岡污水處理廠的儲藥裝置進行改造。云岡污水處理廠絮凝劑（PAC、PAM）投加工藝為：
1.將固體絮凝劑和清水加入攪拌罐中。
2.進行一定時間的攪拌使絮凝劑在水中充分的混合。
3.濃度達到標準后將溶液存于儲液箱中備用。
我們在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)藥液在儲液箱內容易發(fā)生沉淀，導致藥液固體濃度降低，污水脫泥效果不佳；并且藥液沉淀會結塊堵塞加藥管道和液位計，一段時間后會在儲液箱底部板結，需要頻繁清理儲液箱底部沉淀。
為了解決這個問題，我們查閱了相關資料，未發(fā)現(xiàn)可以解決這一問題的研究成果。
我們收集了相關資料，構思了增加刮板機、機械攪拌、磁力攪拌、鼓風攪拌這4種方法來解決該問題，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，討論后決定選用增加機械攪拌的方式來防止溶液沉淀，在原儲液罐的頂部安裝了一臺機械攪拌裝置。
二、研究或革新內容及創(chuàng)新點
2.1、技術介紹
云岡污水處理廠設計處理能力4000m3/d，統(tǒng)計2020年7月至9月云岡污水處理廠運行數(shù)據(jù)，平均處理5350m3/d，超出設計能力33.75%。故實際生產(chǎn)中加藥量大，藥劑濃度高，藥液為懸濁液，靜置后會沉淀。
為了解決這個問題，我們利用機械攪拌來保證藥劑在分散系中均勻分布，在原PAC、PAM儲液箱（長×寬×高均為1×1×1.1m）的頂部各安裝了一臺攪拌裝置，如圖1所示。在儲液罐頂部中心位置焊接一塊5mm厚鋼板（長150mm、寬150mm），鋼板中間有直徑D=70mm圓孔，鋼板上穩(wěn)裝攪拌機減速機和電機，攪拌桿從圓孔中穿過，攪拌葉距容器底部有一定距離。
圖1：儲液箱改造前后對比示意圖
1-觀察口，2-儲液箱箱體，3-絮凝劑藥液，4-藥液投放管路，5-攪拌機電機，
6-攪拌機減速機，7-攪拌機攪拌桿，8-攪拌葉
2.2、設備選型與計算：
2.2.1選擇葉片
常用的攪拌葉輪如圖2所示
圖2：常用的攪拌葉輪
a.螺旋槳葉輪，b.槳式葉輪，c.渦輪式葉輪，d.分散型葉輪（鋸齒圓盤葉輪），
e.錨式葉輪，f.帶狀葉輪
a.螺旋槳葉輪
螺旋槳葉輪有3個葉片，葉片具有一定的螺旋角，其端部圓周速度通常為5～15m/s。葉輪旋轉時，向前（或向后）擠壓流體沿軸向排出，在罐內循環(huán)。
這種攪拌葉輪的排出能力較強，主要用于液～液系統(tǒng)的混合、均勻溫度以及防止液～固系統(tǒng)的低濃度漿液發(fā)生沉淀。通常情況下，螺旋槳直徑為攪拌罐直徑的0.1～0.3倍。一般適于介質粘度為2～3Pa?s。攪拌器轉速一般為200～400r/min，機械緊湊。為了防止形成水平旋流、提升攪拌效果，通常情況下要安裝擋板、導管，或采取偏心和傾斜的安裝方法。使用擋板或導管可以得到較好的軸向流。偏心安裝更多見于小型（0.1～1.5kW）便攜式的攪拌設備。
b.槳式葉輪
槳式葉輪結構簡單，細長的、連續(xù)的板狀葉片焊、鉚在輪轂上或對夾在攪拌軸上，因而價格低。通常，每個葉輪有2個葉片。實際應用中通常采用大直徑低轉速葉輪，剪切作用不大。由于可用大直徑的葉輪，故可用于高粘度介質的攪拌，粘度可達50Pa·s。此時，為了使罐內上、下層介質易于交換，往往采用有3～5段的多段葉輪，或在槳葉上安裝如圖1（b）所示的橫向葉片。
一般，槳式葉輪主要用于液～液系統(tǒng)以均勻溫度、防止介質分離為目的的攪拌，以及用于液～固系統(tǒng)用來防止固體物的沉降。不適用于以介質微細化為目的的攪拌。
c.渦輪式葉輪
渦輪式葉輪通常有4～6個葉片，葉片可有不同的安裝角度。葉片垂直安裝的稱之為平直渦輪式葉輪；葉片傾斜安裝的稱之為折葉渦輪式葉輪，如圖1（c）所示。
折葉渦輪式葉輪是軸流式葉輪，軸向引入液體，軸向排出，形成上下有效的循環(huán)。對于要求有較大循環(huán)量，即排出量的液～液、液～固系統(tǒng)的攪拌，如均勻混合、反應、傳熱等場合，這是一種很有效的攪拌葉輪。
從渦輪葉輪的使用情況看，葉輪直徑/罐直徑大體為0.25～0.5，轉速大約在50～300r/min的范圍適應的流體粘度最高達30Pa·s。
d.分散型葉輪(鋸齒圓盤葉輪)
在金屬圓盤的外緣鑲裝鋸齒形的葉片見圖1（d），通過高速回轉，可在葉輪鋸齒狀葉片周圍得到極高的剪切力。這種葉輪的轉速范圍通常為500～3000r/min，圓周速度達15～30m/s。對低粘度流體，葉輪直徑與罐徑之比大約為0.25～0.35，這個比值隨著粘度增加而變大，但最大不能超過0.5。
這種葉輪可用于高剪切力、流體高度分散細化的場合，如液～液的樹脂混合；固～液系統(tǒng)高嶺土、粘土等分散混合等。由于大部分能量消耗于產(chǎn)生剪切力而轉換成熱量，這就會使罐內流體溫度上升。若要求流體溫度不宜升高，則需采取冷卻措施（夾套等）。
e.錨式葉輪
如圖1（e）所示，這類葉輪的葉、罐直徑比比較大，大都以低轉數(shù)回轉。流動形式以水平旋轉流為主，流體排量大，但剪切作用不大。錨式葉輪使在罐壁附近的流體流速比較大，因而傳熱效果較好。從攪拌效果分析，在攪拌軸附近存在著沒有攪拌的部分。一般，錨式葉輪可用于夾套散熱、晶析等目的。由于葉輪較大，也可用于高濃度和沉降性較大漿液的攪拌。
從使用的情況分析，葉輪直徑和罐直徑的比值，對于攪拌低粘度流體，為0.7～0.9；對于攪拌高粘度流體，為0.8～0.95。適宜的轉數(shù)范圍為10～50r/min，適應的粘度范圍由低粘度到200～300Pa·s。
f.帶狀葉輪
帶狀葉輪或稱螺線葉輪，是將細長的帶狀金屬板依一定的螺旋形狀卷制而成。一般，金屬帶的寬度約為葉輪直徑的5%～15%。2根帶的葉輪多一些，見圖1（f）。葉輪直徑和罐直徑的比值比較大，可達0.9以上，甚至和罐壁只有很小間隙。
這種葉輪勝任對更高粘度流體的攪拌，如對合成橡膠、合成樹脂及其原料制備時需要攪拌的場合，也適合粉狀體、泥狀物的攪拌，但不適合沒有粘附性、易于分散細化的物料和粘度低的漿液。
儲液箱現(xiàn)有檢查口位置偏離箱體中心，藥液粘度為5.3×10-3～10.7×10-3Pa?s，高溫會加速藥液變質，物料顆粒越分散越好?？紤]到以上條件，選用螺旋槳葉輪。螺旋槳葉輪直徑小，機械緊湊，循環(huán)流量大，可安裝在現(xiàn)有檢查口偏儲液箱中心位置處。既不需要破壞箱體，也對檢查口效用影響不大，同時偏心安裝有利于液體流動，攪拌效果好。而且螺旋槳葉輪轉速較高，物料顆粒分散效果好。
2.2.2攪拌葉輪的設計
1.葉輪直徑的設計
通常情況下，螺旋槳直徑為攪拌罐直徑的0.2～0.5倍，0.33倍居多?，F(xiàn)場儲液罐為方罐，邊長
，取其等效圓罐直徑D為1000～1000
mm，則螺旋槳直徑為200mm～707mm，取螺旋槳直徑為400mm。
2.段數(shù)
液深與罐徑之比在1±0.2范圍內，且流體粘度較低，所以只需1段葉輪。
3.葉輪安裝位置
對于低粘度的液～液攪拌，當液深與罐徑之比在1±0.2范圍內，需1段葉輪時，葉輪應安裝在距攪拌罐底0.1～0.2液深的位置。取葉輪距攪拌罐底200mm。
2.2.3攪拌功率的計算
攪拌功率由下式計算：
kW
式中：Np——功率準數(shù)，是一無因次數(shù)；
n——回轉數(shù)，r/min；
Di——葉輪直徑，m；
d——液體密度，kg/m3；
gc——重力換算系數(shù)，（kg·m）/（kg·s2）。
Np受葉輪形狀、幾何條件、擋板情況等影響，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)。
當Re> 104時，罐內為湍流，Np幾乎是一個定值。查Np與Re關系圖得Np=0.35。
攪拌功率：
考慮工作環(huán)境溫度為25℃，溫度修正系數(shù)Kt=1.1，安全系數(shù)取Kn=1.2，減速機機械效率η取95%，攪拌電機功率PN：
因沒有對應功率電機，就近取攪拌電機功率PN=0.75kW。
圖3：質量分數(shù)為4%的PAC藥液靜置過程圖
1-充分攪拌，2-靜置30min，3-靜置1h，4-靜置2h，5-靜置3h，
6-靜置6h，7-靜置12h，8-靜置24h
通過實驗確定藥劑沉降時間，進而確定攪拌機啟動頻率。我公司選用的PAC藥劑中水不溶物質量分數(shù)為1.8%～2.3%，藥液中PAC的質量分數(shù)為2.5%～10%，經(jīng)過實驗室進行的微型實驗，測定質量分數(shù)為2.5%～10%的藥液在靜置19~32min后出現(xiàn)了的沉淀，1.5h～3h時沉淀不再增加。濃度越高沉淀出現(xiàn)得越快，沉淀的量也越大。
圖4：質量分數(shù)為0.1%的PAM藥液靜置過程圖
1-充分攪拌，2-靜置30min，3-靜置1h，4-靜置2h，5-靜置3h，
6-靜置6h，7-靜置12h，8-靜置24h
我公司選用的PAM藥劑中水不溶物質量分數(shù)為1.2%～1.5%，藥液中PAM的質量分數(shù)為0.06%～0.25%，經(jīng)過實驗室進行的微型實驗，測定質量分數(shù)為0.06%～0.25%的藥液在靜置24~38min后出現(xiàn)了的沉淀，2h～2.5h時沉淀不再增加。濃度越高沉淀出現(xiàn)得越快，沉淀的量也越大。
圖5：PAC、PAM藥液沉淀圖
1-PAC藥液沉淀圖，2- PAM藥液沉淀圖
2.3、儲液箱攪拌加藥技術的創(chuàng)新特點：
● 藥液濃度穩(wěn)定且可控
● 工作強度小
● 節(jié)約藥劑
● 藥劑利用率高
● 設備材料損耗小
圖6：儲液箱改造效果圖
圖7：儲液箱攪拌機細節(jié)圖
該裝置設置了就地控制箱。操作員根據(jù)藥液的濃度，每隔1.5～3小時攪拌10～30min。該裝置提高了藥劑的利用率，大大減輕了工人勞動強度，有著良好的社會經(jīng)濟效益。
三、經(jīng)濟社會效益及應用情況
3.1經(jīng)濟社會效益
該技術主要有以下三項效益：
3.1.1降低勞動強度
統(tǒng)計改造前后各3個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行對比，改造前平均每月維修加藥系統(tǒng)6次，改造后平均每月維修加藥系統(tǒng)2次。本次改造將加藥系統(tǒng)維護次數(shù)縮減了2/3。
3.1.2節(jié)約藥劑
統(tǒng)計改造前后各3個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行對比，改造前藥劑每半月需清掏一次，PAC儲液箱底部板結藥劑量烘干后約為50kg，PAM儲液箱底部板結藥劑量烘干后約為1.5kg；改造后PAC、PAM儲液箱均不必清掏。故每年共節(jié)約1200kgPAC和36kgPAM。
3.1.3提高設備工作效率
清掏儲液罐和維修加藥管路時會暫停水處理，每月因清掏儲液罐和維修加藥管路暫停水處理約24h，水處理平均速度為230m3/h，故經(jīng)過改造每年可多處理水6萬余噸。
3.2改造經(jīng)濟成本分析
3.2.1改造投入
加裝的2臺減速機型號相同，每臺設備費用1000元，使用壽命5年，維護費用200元/年，折舊費用200元/年。總價800元/年。
用電電費以0.5082元/度計算，攪拌頻率以每3h攪拌20min計算，每年攪拌973.33h。攪拌機電機功率為0.75kW，則每年攪拌機電費為：
3.2.2改造產(chǎn)出
按照目前市場價格一個維修工的年工資為7萬元，維修組共4人。改造后每月減少維修加藥系統(tǒng)4次，每次約0.75個工日，則節(jié)約維修所需的人工成本約為：
以PAC單價3.6元/kg、PAM單價29.7元/kg進行計算，改造后因無藥劑沉淀而每年節(jié)約藥劑的總價為：
本次改造提高了設備工作效率，每年增加的效益為（每月節(jié)約維修時間24h進行水處理，水處理售價以5元/m3計算，水處理藥劑和設備成本以1.4元/m3計算）：
3.2.3經(jīng)濟效果成本比較
經(jīng)過以上分析可知：本次創(chuàng)新投入2000元購買設備，每年可為水廠創(chuàng)造效益約為：
平均每月可為水廠創(chuàng)造效益約為：
3.3應用情況
目前，該技術已經(jīng)在晉能控股煤業(yè)集團云岡礦污水處理廠得到了運用。采用該技術，大大降低了勞動強度，節(jié)約了藥劑，提高了設備工作效率，社會經(jīng)濟效益十分顯著。
四、總體性能指標與國內外、集團公司內其他單位技術的比較
目前污水處理生產(chǎn)中主要有兩種加藥方式，分別是：
1、由藥劑混合罐直接向目標地投加混合的藥液。
2、藥劑混合罐混合好的藥液先放入儲液箱后，從儲液箱向目標地投加。
第一種加藥方式的主要缺點如下：
1、藥劑濃度波動大。
2、不便控制藥劑濃度。
第二種加藥方式的主要缺點如下：
1、藥劑易發(fā)生沉淀。
2、藥劑在水中分布不均勻。
兩種加藥方式各有其優(yōu)點和不足，通過分析，結合二者的長處研究出了儲液箱攪拌加藥技術。采用這種加藥技術既可以使藥液濃度均勻，又便于控制藥液濃度。投資小，維護簡單，耗費人力物力小，資源利用率高。
五、存在的問題及推廣應用前景
儲液箱攪拌加藥技術具有環(huán)保、便捷、高效等優(yōu)點。它可以應用于懸濁液轉運，無需復雜的工藝和大量的成本。因為便于控制藥液濃度，所以該裝置對各種工作情況的適應性較好。
儲液箱攪拌加藥技術為污水處理企業(yè)提供了一種新的藥液投加思路。儲液箱攪拌加藥技術是污水處理的發(fā)展趨勢，它既能給企業(yè)提供良好的經(jīng)濟效益，同時也可以提供積極的社會效益。因此，該技術在污水處理方面進行推廣具有很高的社會經(jīng)濟效益。
