潜水搅拌器在水处理领域中的应用研究

仇寿平

（山东省水利工程局有限公司，山东 济南250014）

搅拌器是混凝工艺的最主要设备之一。由电动机三角带传动代动叶轮旋转，将药物和处理水充分混合均匀，是减少药剂作用时间、强化药物反应质量的必要设备。搅拌器的能耗和效率极大的影响着水处理产业的运行和发展，具有其特殊的经济效益和社会效益。

1 潜水搅拌器应用现状

潜水搅拌器又称潜水推进器主要组成包括潜水电机、密封机构、叶轮、手摇卷扬机构、电气控制等，其中叶轮是潜水搅拌器运行过程中的核心部件，按照叶轮形态的不同可将潜水搅拌器分成八类。

潜水搅拌器的主要作用原理是：叶轮在电机驱动下连续高速地旋转，形成不同程度的湍流和体积流，在此过程中液体产生旋向射流，在沿着射流表面的剪切应力的作用下，旋向体积流体之外的液体通过卷吸作用产生交叉混合现象。最终搅拌器效果受到多重因素影响，包括叶轮的大小、形状、搅拌速度、电机转速、叶片间隙、叶片安放角、搅拌器安装角度、有无导流壳等设备参数，以及流体的密度、粘度，池子的体积、形状等外部环境因素。

在实际水处理工程应用中，潜水搅拌器的转速一般为100～1 500 r/min，叶轮直径在900 mm以下。主要起到三方面作用：一是水力循环，尤其在污水生化处理中的厌氧池、缺氧池和氧化沟中应用十分广泛；二是提高传氧效率，改变在好氧阶段由曝气头释放气泡的路径，提高传氧效率，节省能耗；三是混合搅拌，使混合溶液或不同介质强迫对流并均匀混合，最典型的就是其在净水厂混凝沉淀阶段的应用，速度梯度递减的搅拌器帮助混凝剂迅速混匀，发挥絮凝作用。

2 潜水搅拌器研究进展

2.1 国外研究进展

1976年，瑞士ITT飞力公司推出了世界上第一台潜水搅拌器，1992年第一代污水处理搅拌器横空出世。在实际的应用过程中发现，搅拌器的叶轮形式等结构参数和操作参数对搅拌效果产生重要影响。搅拌器搅拌槽内两相体系的数值水平起源于加拿大学者Anlie，这位学者结合单项流体的分区流动模型，认为固体颗粒物运动形式取决于局部流体速度、颗粒沉降速度和局部湍流强度。Nouri在全挡板的条件下，用PDA法（反相高效液相）测定了装有Rushton涡轮桨的搅拌罐中固体颗粒的平均速度和均方速度，探究了固体颗粒尺寸和固体体积浓度等因素对搅拌罐中固体颗粒流速的影响。

20世纪80年代，第四代大规模集成电路计算机获得普及，计算机和实验测量技术不断发展，涌现出了一大批智能高效的模拟操作软件，Fluent、Turbogrid、Pro-E、ICEM、CFX等流体模拟软件的使用大大提高了搅拌设备的研究效率，搅拌器的性能优化和种类扩充得到迅速发展。G.R.Kasat等利用Fluent软件（流体、热传递等复杂流体模拟软件）建立了一种固-液反应器的模型，对反应器内流相流场及反应器内的混合过程进行了模拟计算，最终实现良好的效果。Bennani利用CDF方法将搅拌器中静态部分和旋转部分拆分进行数值模拟和实验验证，推导出搅拌器中展现的流体力学特性。PF Van-SD Ghagare从技术、安全和环保角度对搅拌器发动机的安全性和可靠性进行详细的分析。许多新型的搅拌器应运而生，如法国ROBIN公司的HPM桨，德国EKATO公司的INTERPRO桨，美国LIGHTHIN公司的A310、A315、A410和A6000系列桨，加拿大PROCHEM公司的MAXFLO轴流桨等都在生产中得到广泛应用。

2.2 国内研究进展

相较国外，国内对潜水搅拌器研究的开展相对较晚。早期的潜水搅拌器大都依靠进口，大的企业选择与国外的企业合资引进对方的技术；另一些则是直接购买国外的产品，进行测绘研究，通过逆向仿真技术建造产品。

2.2.1 以软件为基础的机理探究

20世纪90年代，南京蓝深集团公司率先进行潜水搅拌器规模化生产，形成了一系列产品，但都基本不具有创新性。接近21世纪，国内一些制造厂家采取与研究单位、高校合作的方式，将实际生产情况与软件模拟开发相结合，潜水搅拌器才真正进入快速发展阶段。

四川工业学院的张礼达、陈维森于1997年进行了轴流式叶片奇点分布法CAD软件设计，详细研究了轴流式叶轮的结构表征。随后周国忠等基于CFX软件（内部流动分析数据模拟）建立了混合过程模型，并借助于流体动力学的相关理论，对搅拌槽内单层涡轮桨的混合过程进行了数值模拟分析，结果表明选取的流动场对流体混合过程的模拟结果有重要影响，观测点及流体入口位置在一定程度上也会影响流体混合所需时间。徐伟幸等基于Fluent软件建立了三维湍流的流场模型，对搅拌作用机理进行深层探究，证明潜水搅拌器叶轮周围液体会随叶轮转动产生旋转的射流，该射流中心区域速度快于周边区域，射流以体积流的形式向外输送液体。王振松等利用CFX软件建立搅拌槽内固液两相流场的模型，采用了比较标准的I模型对清水以及固液两相混合流场进行对比分析研究，研究发现了搅拌槽内混合流场的分布规律及该规律对槽内混合颗粒的悬浮情况的影响，并利用实验验证了模拟结果的准确性与可靠性。田飞通过对潜水搅拌器的数值模拟，发现搅拌器导管的存在能有效削减反应器的边壁效应。金建华对潜水搅拌器的固液两相流进行数值模拟，得出经潜水搅拌器搅拌后固体颗粒的运动和分布情况，为水处理工作的开展提供帮助。北京化工大学薛才红等利用Fluent软件，以搅拌功率为优化对象，对比分析了两减小密封腔内流动死区面积、增大强制涡流区域面积。徐顺等通过模型的建立，对搅拌器运行的有关参数——电机转速、叶片间隙、叶片安放角、搅拌器安装角度、有无导流壳等进行了详细而全面的分析，得出最优参数（转速576 r/min、叶片间隙6 mm、叶片安放角度4°、搅拌器安装角度45°、不设导流管），有助于研究工作的实际应用。

2.2.2 以应用为目的的结构创新

除了对潜水搅拌器运行参数和作用机理的有关探索，最近的搅拌器研究已经逐渐向搅拌器的结构创新领域延伸。

田飞等基于升力线理论，推导出潜水搅拌器轴推力和电机功率的理论表达式，得出了搅拌功率和转速的数量关系，并设计出优化的潜水搅拌器叶轮。刘晓满对潜水搅拌器进行优化，改进了叶轮的安装方式。刘永奇等通过应用变频调速技术适时控制机泵及搅拌器电机转速，使电机在输出相同转矩的同时电流减小，从而达到降低功率、减少功耗的目的。奚金平等研究了往复回转搅拌机的搅拌原理、传动结构、材质特性、装配精度，并采用储能式飞轮结构改善运行状况；改变了传动结构，由齿轮直接传动改为带传动；选用高强度合金钢材质，克服零件磨损；采用T型传动臂结构联接输入轴和输出轴，克服预紧力，有效地防止T型传动臂对拨叉的撞击。经过改造的往复回转搅拌机在生产中获得良好应用。张晓宁等根据前人的设计经验，在无摆动的潜水搅拌器的基础上增设了往复摆动的功能，使得潜水搅拌器在运行中一定幅度摆动，扩大了搅拌的影响范围，提高了搅拌效果。广州李学峰等设计了由若干个搅拌器模块组成、可自由拆卸的模块化搅拌器，可以满足生产中的不同搅拌要求，具有一定实用优势。近年来国内研发出一系列搅拌器，如北京化工大学的CBY型桨，华东理工大学的新型平直叶RAF翼型桨，江苏石油化工学院JH型轴流式桨等。

3结语

潜水搅拌器是水处理工艺最关键的设备之一，其搅拌效率的提升对水处理优化、成本控制和全行业发展都有着重要意义。对搅拌器的应用现状和研究进展进行全面整理和总结具有重要的理论价值和工程运用价值。

然而，在现阶段搅拌器的研究过程中尚存在一些问题未得到解决。一是潜水搅拌器的旋转射流机理尚未完全了解；二是在软件得到全面开发的今天，搅拌器从理论设计到方案优化的全过程没有形成统一、完善的算法架构；三是现阶段潜水搅拌器的研究更多局限于室内软件模拟，而真正涉及现场验证的研究少之又少；四是潜水搅拌器研发学科与使用学科脱轨，对诸如絮体形成的均方根梯度等的水处理知识涉及甚少，不利于研究成果在混凝工艺的推广应用。

这些问题等待更多科研人员和现场工作者去探索与推进。在此过程中水利工程、能源动力、机械制造、软件工程、环境工程等多学科领域的交流，将帮助我国更好的提升搅拌器制造水平，在不久的将来真正走向国际前沿。