潛水攪拌器在水處理領域中的應用研究

仇壽平

（山東省水利工程局有限公司，山東 濟南250014）

攪拌器是混凝工藝的最主要設備之一。由電動機三角帶傳動代動葉輪旋轉(zhuǎn)，將藥物和處理水充分混合均勻，是減少藥劑作用時間、強化藥物反應質(zhì)量的必要設備。攪拌器的能耗和效率極大的影響著水處理產(chǎn)業(yè)的運行和發(fā)展，具有其特殊的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 潛水攪拌器應用現(xiàn)狀

潛水攪拌器又稱潛水推進器主要組成包括潛水電機、密封機構(gòu)、葉輪、手搖卷揚機構(gòu)、電氣控制等，其中葉輪是潛水攪拌器運行過程中的核心部件，按照葉輪形態(tài)的不同可將潛水攪拌器分成八類。

潛水攪拌器的主要作用原理是：葉輪在電機驅(qū)動下連續(xù)高速地旋轉(zhuǎn)，形成不同程度的湍流和體積流，在此過程中液體產(chǎn)生旋向射流，在沿著射流表面的剪切應力的作用下，旋向體積流體之外的液體通過卷吸作用產(chǎn)生交叉混合現(xiàn)象。最終攪拌器效果受到多重因素影響，包括葉輪的大小、形狀、攪拌速度、電機轉(zhuǎn)速、葉片間隙、葉片安放角、攪拌器安裝角度、有無導流殼等設備參數(shù)，以及流體的密度、粘度，池子的體積、形狀等外部環(huán)境因素。

在實際水處理工程應用中，潛水攪拌器的轉(zhuǎn)速一般為100～1 500 r/min，葉輪直徑在900 mm以下。主要起到三方面作用：一是水力循環(huán)，尤其在污水生化處理中的厭氧池、缺氧池和氧化溝中應用十分廣泛；二是提高傳氧效率，改變在好氧階段由曝氣頭釋放氣泡的路徑，提高傳氧效率，節(jié)省能耗；三是混合攪拌，使混合溶液或不同介質(zhì)強迫對流并均勻混合，最典型的就是其在凈水廠混凝沉淀階段的應用，速度梯度遞減的攪拌器幫助混凝劑迅速混勻，發(fā)揮絮凝作用。

2 潛水攪拌器研究進展

2.1 國外研究進展

1976年，瑞士ITT飛力公司推出了世界上第一臺潛水攪拌器，1992年第一代污水處理攪拌器橫空出世。在實際的應用過程中發(fā)現(xiàn)，攪拌器的葉輪形式等結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對攪拌效果產(chǎn)生重要影響。攪拌器攪拌槽內(nèi)兩相體系的數(shù)值水平起源于加拿大學者Anlie，這位學者結(jié)合單項流體的分區(qū)流動模型，認為固體顆粒物運動形式取決于局部流體速度、顆粒沉降速度和局部湍流強度。Nouri在全擋板的條件下，用PDA法（反相高效液相）測定了裝有Rushton渦輪槳的攪拌罐中固體顆粒的平均速度和均方速度，探究了固體顆粒尺寸和固體體積濃度等因素對攪拌罐中固體顆粒流速的影響。

20世紀80年代，第四代大規(guī)模集成電路計算機獲得普及，計算機和實驗測量技術不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了一大批智能高效的模擬操作軟件，F(xiàn)luent、Turbogrid、Pro-E、ICEM、CFX等流體模擬軟件的使用大大提高了攪拌設備的研究效率，攪拌器的性能優(yōu)化和種類擴充得到迅速發(fā)展。G.R.Kasat等利用Fluent軟件（流體、熱傳遞等復雜流體模擬軟件）建立了一種固-液反應器的模型，對反應器內(nèi)流相流場及反應器內(nèi)的混合過程進行了模擬計算，最終實現(xiàn)良好的效果。Bennani利用CDF方法將攪拌器中靜態(tài)部分和旋轉(zhuǎn)部分拆分進行數(shù)值模擬和實驗驗證，推導出攪拌器中展現(xiàn)的流體力學特性。PF Van-SD Ghagare從技術、安全和環(huán)保角度對攪拌器發(fā)動機的安全性和可靠性進行詳細的分析。許多新型的攪拌器應運而生，如法國ROBIN公司的HPM槳，德國EKATO公司的INTERPRO槳，美國LIGHTHIN公司的A310、A315、A410和A6000系列槳，加拿大PROCHEM公司的MAXFLO軸流槳等都在生產(chǎn)中得到廣泛應用。

2.2 國內(nèi)研究進展

相較國外，國內(nèi)對潛水攪拌器研究的開展相對較晚。早期的潛水攪拌器大都依靠進口，大的企業(yè)選擇與國外的企業(yè)合資引進對方的技術；另一些則是直接購買國外的產(chǎn)品，進行測繪研究，通過逆向仿真技術建造產(chǎn)品。

2.2.1 以軟件為基礎的機理探究

20世紀90年代，南京藍深集團公司率先進行潛水攪拌器規(guī)模化生產(chǎn)，形成了一系列產(chǎn)品，但都基本不具有創(chuàng)新性。接近21世紀，國內(nèi)一些制造廠家采取與研究單位、高校合作的方式，將實際生產(chǎn)情況與軟件模擬開發(fā)相結(jié)合，潛水攪拌器才真正進入快速發(fā)展階段。

四川工業(yè)學院的張禮達、陳維森于1997年進行了軸流式葉片奇點分布法CAD軟件設計，詳細研究了軸流式葉輪的結(jié)構(gòu)表征。隨后周國忠等基于CFX軟件（內(nèi)部流動分析數(shù)據(jù)模擬）建立了混合過程模型，并借助于流體動力學的相關理論，對攪拌槽內(nèi)單層渦輪槳的混合過程進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明選取的流動場對流體混合過程的模擬結(jié)果有重要影響，觀測點及流體入口位置在一定程度上也會影響流體混合所需時間。徐偉幸等基于Fluent軟件建立了三維湍流的流場模型，對攪拌作用機理進行深層探究，證明潛水攪拌器葉輪周圍液體會隨葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的射流，該射流中心區(qū)域速度快于周邊區(qū)域，射流以體積流的形式向外輸送液體。王振松等利用CFX軟件建立攪拌槽內(nèi)固液兩相流場的模型，采用了比較標準的I模型對清水以及固液兩相混合流場進行對比分析研究，研究發(fā)現(xiàn)了攪拌槽內(nèi)混合流場的分布規(guī)律及該規(guī)律對槽內(nèi)混合顆粒的懸浮情況的影響，并利用實驗驗證了模擬結(jié)果的準確性與可靠性。田飛通過對潛水攪拌器的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)攪拌器導管的存在能有效削減反應器的邊壁效應。金建華對潛水攪拌器的固液兩相流進行數(shù)值模擬，得出經(jīng)潛水攪拌器攪拌后固體顆粒的運動和分布情況，為水處理工作的開展提供幫助。北京化工大學薛才紅等利用Fluent軟件，以攪拌功率為優(yōu)化對象，對比分析了兩減小密封腔內(nèi)流動死區(qū)面積、增大強制渦流區(qū)域面積。徐順等通過模型的建立，對攪拌器運行的有關參數(shù)——電機轉(zhuǎn)速、葉片間隙、葉片安放角、攪拌器安裝角度、有無導流殼等進行了詳細而全面的分析，得出最優(yōu)參數(shù)（轉(zhuǎn)速576 r/min、葉片間隙6 mm、葉片安放角度4°、攪拌器安裝角度45°、不設導流管），有助于研究工作的實際應用。

2.2.2 以應用為目的的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

除了對潛水攪拌器運行參數(shù)和作用機理的有關探索，最近的攪拌器研究已經(jīng)逐漸向攪拌器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新領域延伸。

田飛等基于升力線理論，推導出潛水攪拌器軸推力和電機功率的理論表達式，得出了攪拌功率和轉(zhuǎn)速的數(shù)量關系，并設計出優(yōu)化的潛水攪拌器葉輪。劉曉滿對潛水攪拌器進行優(yōu)化，改進了葉輪的安裝方式。劉永奇等通過應用變頻調(diào)速技術適時控制機泵及攪拌器電機轉(zhuǎn)速，使電機在輸出相同轉(zhuǎn)矩的同時電流減小，從而達到降低功率、減少功耗的目的。奚金平等研究了往復回轉(zhuǎn)攪拌機的攪拌原理、傳動結(jié)構(gòu)、材質(zhì)特性、裝配精度，并采用儲能式飛輪結(jié)構(gòu)改善運行狀況；改變了傳動結(jié)構(gòu)，由齒輪直接傳動改為帶傳動；選用高強度合金鋼材質(zhì)，克服零件磨損；采用T型傳動臂結(jié)構(gòu)聯(lián)接輸入軸和輸出軸，克服預緊力，有效地防止T型傳動臂對撥叉的撞擊。經(jīng)過改造的往復回轉(zhuǎn)攪拌機在生產(chǎn)中獲得良好應用。張曉寧等根據(jù)前人的設計經(jīng)驗，在無擺動的潛水攪拌器的基礎上增設了往復擺動的功能，使得潛水攪拌器在運行中一定幅度擺動，擴大了攪拌的影響范圍，提高了攪拌效果。廣州李學峰等設計了由若干個攪拌器模塊組成、可自由拆卸的模塊化攪拌器，可以滿足生產(chǎn)中的不同攪拌要求，具有一定實用優(yōu)勢。近年來國內(nèi)研發(fā)出一系列攪拌器，如北京化工大學的CBY型槳，華東理工大學的新型平直葉RAF翼型槳，江蘇石油化工學院JH型軸流式槳等。

3結(jié)語

潛水攪拌器是水處理工藝最關鍵的設備之一，其攪拌效率的提升對水處理優(yōu)化、成本控制和全行業(yè)發(fā)展都有著重要意義。對攪拌器的應用現(xiàn)狀和研究進展進行全面整理和總結(jié)具有重要的理論價值和工程運用價值。

然而，在現(xiàn)階段攪拌器的研究過程中尚存在一些問題未得到解決。一是潛水攪拌器的旋轉(zhuǎn)射流機理尚未完全了解；二是在軟件得到全面開發(fā)的今天，攪拌器從理論設計到方案優(yōu)化的全過程沒有形成統(tǒng)一、完善的算法架構(gòu)；三是現(xiàn)階段潛水攪拌器的研究更多局限于室內(nèi)軟件模擬，而真正涉及現(xiàn)場驗證的研究少之又少；四是潛水攪拌器研發(fā)學科與使用學科脫軌，對諸如絮體形成的均方根梯度等的水處理知識涉及甚少，不利于研究成果在混凝工藝的推廣應用。

這些問題等待更多科研人員和現(xiàn)場工作者去探索與推進。在此過程中水利工程、能源動力、機械制造、軟件工程、環(huán)境工程等多學科領域的交流，將幫助我國更好的提升攪拌器制造水平，在不久的將來真正走向國際前沿。