摘要：污水处理是石化公司生化池中不可或缺的环节，而搅拌器作为污水处理系统中的重要组成部分，对提高处理效率和环保达标排放具有重要作用。文章以某石化企业生化池污水处理工艺中的搅拌器为研究对象，通过对搅拌器的结构、参数等方面进行优化设计，探讨搅拌器在污水处理中的实际应用效果，有效提高污水处理系统的性能，降低处理成本，实现可持续发展。

　　关键词：污水处理,搅拌器,优化改造

　　Optimization and Renovation of Agitator in Sewage Treatment

　　LI Ting

　　(CNOOC Huizhou Petrochemical Co.,Ltd.,Huizhou 516086,China)

　　Abstract:Sewage treatment is an indispensable linkin the biochemical pond of a petrochemical company,and the agitator,as an important part of the sewage treatment system,has an important role in improving the treatment efficiency and environmental protection discharge standard.Taking the agitator in the sewage treatment process of the biochemical pond of a petrochemical enterprise as the research object,this paper optimizes the structure and parameters of the agitator,explores the practical application effect of the agitator in sewage treatment,effectively improves the performance of the sewage treatment system,reduces the treatment cost,and realizes sustainable development.

　　Keywords:sewage treatment;mixer;optimization and renovation

　　0引言

　　石化公司生化池是污水处理过程中的关键环节，它用于处理含有有机物的废水，通过生物降解将有机物转化为无害物质。在生化池中，搅拌器被广泛应用于提供充分的氧气和混合废水，促进生物降解的进行。然而，现有的搅拌器在实际应用中存在一些问题，如配套防爆设备成本较高、使用寿命短等，因此有必要对搅拌器进行优化改造。本文以某石化企业生化池污水处理工艺为例，通过设计一种新式的搅拌器，选择合理的技术参数和结构，研究出可行的搅拌器优化方案，以提高生化池的处理效率和环保效益。

　　1搅拌器在污水处理中的作用

　　1.1搅拌器的基本工作原理

　　简单来说，搅拌器是一种用于混合和搅拌液体的设备，它通过旋转或振动的方式将液体中的各组分混合均匀，其工作机理主要涉及流体力学和材料力学。

　　(1)液体的搅拌：搅拌器通过旋转或振动的动力，将液体中的不同组分混合均匀，避免废水中的污染物分布不均导致处理效果下降。由液体搅拌引发的搅拌器流体力学研究，尤其是基于湍流脉动特性等微观特性研究很早就被认为是搅拌器设计的重要方面[1]。

　　(2)悬浮物的悬浮：污水中常含有固体悬浮物，搅拌器通过产生涡流和剪切力，使悬浮物保持在液体中悬浮状态，防止其沉积和堆积。同时厌氧池内的活性污泥是在强水力剪切作用下，由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等因生物凝聚作用而形成的特殊生物膜[2]。

　　(3)溶解气体：污水处理整个过程中，为了进一步促进生物降解的反应，需要通入相关气体(例如氧气)溶入液体中。而搅拌器通过搅拌液体，大大增加了气液相接触的界面，提高了混合强度，从而大大提升了气体的溶解效率。

　　1.2搅拌器在生化池中的应用

　　生化池作为污水处理的常用设施，广泛应用于石化企业的污水处理生产中，而搅拌器在生化池功能中发挥着重要的作用。

　　(1)提供氧气：生化池中的生物降解反应需要氧气的参与，搅拌器通过增加液体表面的气液界面积，促进氧气的传递和溶解，提供充足的氧气供给生物反应。

　　(2)混合废水：生化池中的废水通常包含有机物、微生物和悬浮物等，搅拌器能够将这些组分混合均匀，避免废水中的不同成分沉积和分层。

　　(3)促进生物降解：搅拌器通过提供合适的混合强度和液体流动条件，促进生物降解反应的进行，加快有机物的降解速度和处理效果。

　　2搅拌器的优化选择

　　2.1搅拌器类型的选择

　　在进行搅拌器的优化改造时，首先需要选择适合石化公司生化池污水处理的搅拌器类型。一般来说，机械型、气体型和超声波型等搅拌器目前在各行各业均有应用。因此，在选型时要充分考虑以下三种因素。

　　(1)实现均匀混合的效果：因为介质、工作时长或结构等因素限制，不同类型的搅拌器会出现不同的混合效果。所以，需要根据实际情况，以能实现均匀混合为原则，选择合适的搅拌器类型。

　　(2)能耗和运行成本：不同类型的搅拌器在能耗和运行成本方面可能存在差异，需选择能够满足处理要求并具有较低能耗的搅拌器类型。

　　(3)搅拌器的适用性：搅拌器类型需要与生化池的设计和操作条件相匹配，考虑生化池的尺寸、液位、混合物性质等因素。

　　2.2搅拌器参数的选择

　　(1)叶片几何尺寸和数量：优化叶片的几何尺寸和数量，对剪切力和涡流的形成有帮助，从而提高混合效果。

　　(2)搅拌速度和功率：通过调整搅拌器的转速和功率，优化搅拌效果和能耗之间的平衡，达到最佳的处理效果和能源利用效率。

　　(3)搅拌器的安装位置和角度：考虑生化池的结构和流动条件，优化搅拌器的安装位置和角度，确保搅拌器能够充分覆盖池内的液体并产生均匀的搅拌效果。本文选择优化的搅拌器主要从搅拌器的结构、搅拌速度和功率方面考虑优化方案。

　　3搅拌器优化设计措施

　　3.1优化设计思路

　　本文以某石化企业生化池污水处理工艺中应用的搅拌器为例，在优化前该企业使用桨叶，由电动机带动，直接放在污水中。该搅拌器已经在介质复杂的污水中，长年累月地使用了多年，不仅要配备与之相适应的减速器，同时桨叶的转速影响了水流速度，此外相关防爆要求、介质腐蚀等因素导致该搅拌装置使用寿命缩短，由此带来的维修维护和运营成本较高。所以，根据以上问题，需要综合考虑重新选择合适的搅拌器类型。

　　经过综合对比并参考该企业过去使用循环水场水轮机的经验，采用一种新的解决方案来应对这个难题，那就是使用直驱推流器的水力涡轮机。该款水力涡轮机属于一种超低比转速微型涡轮机，是用水流的能量驱动污水处理的推流器。推流桨叶通过金属键连到涡轮机的输出轴上，采取外部泵提供的适应性水头能量提供推流器的能源，这种方式完全颠覆了原先采用的特种电动机设计。这种方案不仅能够适应恶劣的工作环境，还能够显著延长使用寿命并大幅降低企业的运营和维护成本，从而产生良好的经济和社会效益。这样就实现了推流器按照设计工况旋转，取代原先使用的电动机驱动方式，同时也符合污水处理中要求的防爆要求，同时还采用了防腐材质，能够有效防止介质腐蚀。此外也解决了不同转速直联的问题。这种方案还采用了连续工作多年的设计技术，极大地减少了检修工作量。

　　3.2优化设计选型

　　结合原潜水搅拌器桨叶的相关参数，将新型搅拌器的设计相关参数定为：

　　(1)主要参数：设计转速680 r/min，旋转方向顺时针，输出功率4 kW，涡轮机驱动净水头20.38 m，涡轮机转轮的最大直径375 mm。

　　(2)其他参数：设定涡轮机的效率为85%，静压水头为20.38 m，经济流速为3 m/s，水轮机的流量为0.023 562 m3/s。管道直径0.10 m，将DN100定为涡轮机输水管型材。

　　根据相关设计经验，考虑采用冲击类型的水轮机。但是，要充分考虑出流是带有压力的液流，基于这个因素，本文研究了一款能实现有压出流且超低比转速的特种水轮机，可以解决上述存在的问题以及满足相关限制条件。

　　3.3结构型式

　　经过研究，决定采取梯形蜗壳的设计结构，该搅拌器的涡轮机主要由蜗壳、导叶部分、转轮部分和尾水部分组成。

　　(1)蜗壳。采用梯形蜗壳设计，每个断面在0°~180°之间为正方形，而在180°~360°之间为渐变的长方形。蜗壳的设计原则是保持蜗壳内的平均流速恒定，并使蜗壳的出流口呈圆环形轴向出流，同时满足速度矩的恒定。

　　(2)导叶部分。该部分是实现蜗壳出水口冲出的液流，用无冲角的模式导入导叶栅的进水口，环量形态转为切向形态。液流加速从导叶栅的通道中冲出导叶，其流出角度与设计高度相关，之后进入桨叶栅内。需要说明的是，不仅实现上述功能，导叶部分还是连接蜗壳、前后轴承以及固定整个机体的重要载体。

　　(3)转轮部分。转轮部分是结构重要的部位，用桨叶栅的转轮和导叶，以及尾水部分中静态连接的护罩构成。在这部分，桨叶栅能够延续导叶栅的液流，在无冲角的模式下，流入桨叶栅内，转化水流能量为机械能，轴向方向离开转轮，到达尾水部分。转轮是在金属键的连接下与涡轮轴相连。转轮护罩、导叶、尾水部分是转轮室的基本组成机构。

　　(4)尾水部分。为了最大程度地吸收流体动能，需要降低转轮后水流流速，此时需要尾水部分来实现，不仅提升涡轮的能量转化率，还提供给相关轴承的安装位置。

　　直驱推流器的水力涡轮机的结构如图1所示。

　　经过实验验证，本文成功设计了一款直驱推流器的水力涡轮机，它具有以下参数：输入水头为20.4 m，容积流量为84.45 m3/h，效率为85.3%。该水力涡轮机的形状类似圆柱，长度为465 mm，直径为352 mm，这些参数完全符合要求。

　　基于这一搅拌器优化设计的成果，可以构建一种全新的水力搅拌器系统。该系统主要整合了泵、叶轮、搅拌主机和其他通道等系统部件，选择直连式的架构，实现了模块紧凑连接、能耗低、维护简易等突出特点。在轴向推力的提升、防缠绕自我清洁等方面也表现出不俗的水准，如图2所示。

　　通过进行为期半年的现场试验，验证了该水力搅拌系统的可行性。在试验中，使用经过处理的压舱水(具有一定的压力)来满足搅拌需求，并利用压舱水本身的压力来节省一部分电能，取得了良好的节能效果。

　　3.4优化结果分析

　　通过阶段性的运行，可以得出该搅拌器较为可靠运行，其工作温度低于40℃、pH值在5～9区间，同时对于安装深度要求不能大于20 m，在液体排除缠绕物或者其他杂质的情况下，搅拌器能够广泛用于需要混合悬浮物的污水处理工艺中。并且能够满足安全要求较高的工况环境，还能够满足对金属盐类、纤维大量存在的液体、固态颗粒大量存在的污水处理，取得了较好的应用成效。

　　4搅拌器优化改造的经济效益

　　4.1成本效益分析

　　搅拌器的优化改造对石化公司生化池污水处理的经济效益具有重要影响。

　　(1)硬件成本：搅拌器优化改造的时候，需要着重考虑硬件成本这一核心成本要素，涵盖购置、安装及改造调试的成本。

　　(2)运行成本：涵盖能耗、维保、人工等费用。

　　(3)处理效果改进：评估搅拌器优化改造对生化池污水处理效果的影响，包括COD降解率的提升、处理效率的提高等，从而节省后续处理步骤的成本。

　　(4)经济指标：搅拌器主要从设备折旧、投资回收等角度分析经济指标。

　　4.2环境效益分析

　　搅拌器的优化改造还对石化公司生化池污水处理的环境效益产生积极影响。进行环境效益分析可以评估搅拌器优化改造对环境保护和可持续发展的贡献。

　　(1)污水处理效果改进：评估搅拌器优化改造对废水处理效果的提升，包括有机物去除率的提高、废水排放标准达标等，从而减少对环境的污染。

　　(2)节能效益：对搅拌器进行优化改造后，评估其能耗，同时换算温室气体排放降幅。

　　(3)资源利用效率：通过对搅拌器进行优化改造，重点评估其对废水中有机物和资源回收利用效率的提高，以减少对自然资源的消耗。

　　(4)环境指标分析：应用环境指标如污染物减排量、能源节约量、碳排放减少量等对搅拌器优化改造的环境效益进行评估和比较。

　　经过试运行和分析，更新改造后确保了生化池厌氧段污泥充分混合均匀，达到生产的需要，确保了安全生产正常运行，对污水的治理符合环保要求。该新型水力搅拌器机械结构简单，易损件只有轴承及机械密封，耐腐蚀，搅拌无死角，水下无电源。改造后的搅拌器维护成本和备件费用大约每年可节省20万元左右，取得了良好的经济效益和环保效益。

　　5结语

　　通过对石化公司生化池污水处理中搅拌器的优化改造，使搅拌器可以提高混合效果、降低能耗、改善污水处理效果，但在以下四个方面还可以进一步研究和探索。

　　(1)计算流体力学CFD技术，为搅拌器的研究和模拟提供更为科学的方法[3]。以后可以结合物联网和大数据技术，实现搅拌器的智能化管理和优化控制，提高处理效果和能源利用效率。

　　(2)深入研究搅拌器与生物反应器的协同作用，优化搅拌器与反应器的匹配，提高生化池污水处理的整体效果。

　　(3)开展更多新技术的应用研究，如生物膜技术、光催化技术等，探索搅拌器与这些新技术的结合，提升污水处理的效果和经济性。

　　(4)进一步研究搅拌器优化改造对环境效益的影响，深入评估其在资源回收和碳减排方面的贡献程度。

　参考文献：

　　[1]戴干策，范自晖，姚一平.搅拌反应器中湍流微结构的研究[J].高校化学工程学报，1986(1)：91-102.

　　[2]李宗义，王海磊，程彦伟，等.成熟厌氧颗粒污泥的结构及其特征[J].微生物学报，2003，30(3)：56-59.

　　[3]MIDDLETON J C,PIERCE F,LYNCH P M.Computations of flow fields and complex reaction yield in turbulent stirred reactors,and comparison with experimental data[J].Chermical engineering research design,1986(64):　18-22.