液下曝氣機結構國內外研究概況及發展趨勢

李維斌 施衛東

摘要：對目前國內外液下曝氣機結構研究情況進行了概述，分析了目前液下曝氣機運行過程中存在的問題，結合實際提出了開發研制新型液下曝氣機結構及相應的控制模式，為今后液下曝氣機研究開發指明了研究方向。

關鍵詞：液下曝氣機；結構；控制模式；發展趨勢

中圖分類號：Ｓ２７７．９文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）03－0579-04

Ｄｉｓｓｃｕｓｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｅｒａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ＬＩ Ｗｅｉ－ｂｉｎａ，ＳＩ Ｗｅｉ－ｄｏｎｇｂ

（ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ； ｂ．Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３， Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ uｎｄｅｒｗａｔｅｒ aｅｒａｔｉｏｎ mａｃｈｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ eｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ fｉｅｌｄ， ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ uｎｄｅｒｗａｔｅｒ aｅｒａｔｉｏｎ mａｃｈｉｎｅ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ uｎｄｅｒｗａｔｅｒ aｅｒａｔｉｏｎ mａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｓｅｄ． Ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ uｎｄｅｒｗａｔｅｒ aｅｒａｔｉｏｎ mａｃｈｉｎｅ ｌａｔｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｅｒａｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ； ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｓ

城市污水處理和工業廢水處理是環保產業“十二五”發展重點之一，即重點發展日處理能力２０萬t以上的城市污水處理技術和設備，其中包括研制開發適用于不同工況的新型曝氣設備及其制造工藝。根據我國加快城鎮化建設的要求，加速發展日處理能力１０萬t以下的中小型城市污水處理技術和設備。因此，研究開發曝氣設備并進行產業化具有很高的經濟效益和社會效益。而對曝氣機曝氣部件的設計及其曝氣機理研究則是上述所有開發研究的基礎［１，２］。

城市污水主要污染物基本都是容易被微生物分解的物質。在城市污水處理工藝技術方案中，采用曝氣充氧培養微生物對有機污染物質進行分解，一般都是采取初沉、曝氣、二沉、回流或排出的工藝流程；近年來還出現了曝氣、二沉、回流或排出的三合一體間歇式曝氣工藝。城市污水屬于可生化處理的中性污水，工藝技術要求并不復雜，而處理工藝技術方案的關鍵是曝氣技術的選用［３，４］。

曝氣充氧是城市污水處理工藝運行中最重要的技術保障手段，也是工藝運行的動態控制核心；在城市污水處理運行費用中，動力消耗所占比例約為８０％，而曝氣充氧能耗又要占裝置總動力消耗的約８０％；由此可見，所選用的曝氣形式及技術在城市污水處理工藝技術方案中的重要地位［５］。

曝氣機作為曝氣充氧的主要設備，其性能的好壞決定污水處理成本的高低，文章針對目前國內外曝氣機結構現狀，提出改進曝氣機結構，從而達到提高曝氣機充氧、節約能源的目的。

１國外曝氣機研究情況

國外曝氣機的生產已經成系統、成規模的進行。各種類型曝氣機規格齊全、品種繁多，目前研究的重點為曝氣機的最優（經濟性）運行以及相應基礎研究。下面介紹國外對曝氣機主要的研究方向。

１．１與溶氧效率有關的參數

溶氧效率也就是溶氧量與能耗的關系，是衡量曝氣機曝氣性能的一個主要指標。國外已經開始研究曝氣機的各種幾何參數和運行參數對溶氧效率的影響。Ｏｇｎｅａｎ［６］研究了立軸式曝氣機的溶氧量和能耗之間的關系，認為對于一個理想的曝氣機，為了得到最優的溶氧效率，轉速和溶氧體積都是惟一確定的，現在這種理論已經得到了共識。也就是為了獲得最優的溶氧效率，必須合理確定曝氣機的幾何參數（葉輪直徑等）、運行參數（轉速、溶氣量）。

Ｍｉｃｈａｅｌ等［７］研究了不同的槳輪直徑、槳輪長度、深度和槳輪轉速下小型槳輪曝氣機溶氧量與能耗的關系，這些數據為設計不同馬力的槳輪曝氣機提供了最優設計準則［６，７］。

１．２以溶氧效率為基礎的經濟性比較及試驗

以溶氧效率為基礎可以衡量各種曝氣機的經濟性。例如在含鹽度為１０％～３０％的海水中，復葉曝氣機的溶氧效率為１．２０ ｋｇ Ｏ２／（ｋW·ｈ），而小型槳輪曝氣機的溶氧效率為 ０．８５ ｋｇ Ｏ２／（ｋW·ｈ）。

在池塘水產業中，大型池塘一般用槳輪曝氣機和復葉曝氣機，而小型池塘一般用散氣曝氣系統或者立泵曝氣機。池塘水產業中的標準溶氧效率為１．３６ ｋｇ Ｏ２／（ｋW·ｈ），而這些曝氣設備的溶氧效率大多數超過２．0０ ｋｇ Ｏ２／（ｋW·ｈ）［８－１０］。

國外對不同曝氣設備的經濟性評價已經有了系統的評價理論和完善的設備。由于不同的操作環境（污水特性）對溶氧效率的影響不同，因此，國外已經制訂了用于標定曝氣設備溶氧效率的標準條件和現場條件兩種不同的標準。標準條件就是在清水或者自來水中進行測試，而現場條件就是在現場或者相似的污水中進行試驗。

綜上所述，國外對曝氣機的研究都是在充氧機理及經濟化運行方面，而對于結構的改進等方面研究較少。

２國內曝氣機研究情況

國內對曝氣機的研究在上個世紀末還基本上是空白，對于城市生活污水和工業廢水的處理，以前基本上是采用溶氣氣浮（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ａｉｒ Ｆｌｏｔａｔｉｏｎ）設備，后來逐步開始進口國外的產品。現在在污水處理行業中仍然有應用其他替代設備的情況。21世紀以后國內開始有企業進行相關產品的生產，但是對于曝氣機結構的設計理論和曝氣機理的研究尚需進一步深入。

２．１表面曝氣

曝氣分為表面曝氣、淺層曝氣和深層曝氣等，表面曝氣常用的有轉刷曝氣和轉盤曝氣。轉刷曝氣主要用于氧化溝的曝氣，對污水進行充氧。刷體由碳鋼或不銹鋼材料制成，具有曝氣、水平推流以及混合等作用，是理想的曝氣設備。其工作原理是在一個主軸上均勻布置刷體，刷體在驅動裝置的作用下隨主軸一起旋轉，刷片與水接觸，將水拋入空中，形成水躍，充分與空氣接觸，空氣迅速溶入水中，完成充氧過程。轉刷曝氣機的主要特點有：①采用專用機構以及調心軸承，自動保持軸及刷片的平穩運行；②刷片采用不銹鋼或者碳鋼鍍鋅材料，耐腐蝕，壽命長達１０年以上；③安裝維護方便，投資小，運行費用低廉；④可根據氧化溝寬度靈活布置，并可根據溶解氧自動控制運行［１１］。

同轉刷曝氣機一樣，轉盤曝氣機也主要用于氧化溝的曝氣，對污水進行充氧。這種曝氣機的轉盤上均勻布置著無數的輪牙、潑水瓢、貯氧溝和離心槽，盤片在傳動裝置的驅動下快速旋轉，將水拋入空中與空氣接觸，空氣迅速溶于水中，達到充氧的目的。具體各個部件的作用為：輪牙主要起推動作用；潑水瓢使水霧與氧氣充分混合，處于飽和狀態，再落入池中，它形成流線型，阻力小，潑水效果好。貯氧溝強制將溝內的氣泡帶入水中并切割打碎，使之充分與池內的水混合。離心槽則使停留在盤片處的“死水”在離心力的作用下沿離心槽射出，并和氧氣充分接觸。這種曝氣機的特點為：①傳動機構運行可靠；②盤片采用復合玻璃鋼模壓成型，耐腐蝕，壽命長達１０年以上；③安裝維護方便，運行費用低；④充氧能力不夠時可以加裝盤片，增加充氧能力；⑤可以用一臺驅動電機拖動兩臺轉盤，中間采用雙出軸減速機拖動，負荷平衡；⑥可根據氧化溝寬度靈活布置，并可根據溶解氧自動控制運行［１２］。

２．２淺層曝氣

淺層曝氣主要用于印染、石油化工、煤氣、農藥、造紙、制革等工業廢水及城市污水的凈化處理，可以安裝在活性污泥法的生物化學處理的曝氣池中，集攪拌、混合、充氧為一體，高效繁殖好氧菌。圖１和圖２為兩種不同的淺層葉輪曝氣機。從圖中可以看出，兩種淺層曝氣機的淹沒深度只有１０ ｃｍ和４ ｃｍ。

圖１為倒傘形曝氣機，其工作原理是污水在旋轉葉輪葉片的強力推進下，水幕從葉輪周邊甩出，形成水躍，裹進大量空氣，葉輪由下向上呈錐形擴大，運行時迫使污水上下循環流動，不斷更新液面，致使污水和空氣大面積混合，溶解大量氧氣，供給微生物吸收，達到凈化污水的目的。這種曝氣機適用于活性污泥處理污水的各種曝氣池等工業廢水和城市生活污水的處理，特別適用于卡魯塞爾氧化溝中。圖２為Ｅ形葉輪曝氣機［１３，１４］。

２．３深層曝氣（液下曝氣）

深層曝氣包括射流曝氣和葉輪曝氣兩種，主要特點是曝氣設備在液面以下，氣體是通過引氣管導入的，這種曝氣設備由于是在深水處，噪音小，是目前廣泛采用的曝氣方法。

下面主要介紹葉輪式深層曝氣，葉輪式深層曝氣又根據電機是否在液下分為液下曝氣機和潛水曝氣機兩類。

2.3.1液下曝氣機圖３是兩種節能型液下曝氣機，圖３中①為增壓節能曝氣機，這種曝氣機的工作原理是：電動機帶動導氣管內的送風增壓葉輪高速旋轉，通過高速旋轉的兩級（或多級）送風增壓葉輪，使進氣的流速和壓力得到提高，氣流再經加速導向錐作用速度得到更進一步提高。同時攪拌推動流葉輪高速旋轉，在葉背和葉前中心尾流區產生較強負壓，空氣通過導氣直管和多級空氣傳動增壓加速裝置直接吸入。水從葉背進入，水和氣在混合室內混合并被強烈攪拌，混合液在葉輪的推力作用下進入混液區，重新被壓力水滲透乳化，通過導向分配器形成高速水柱，定向輻射到水池的縱深服務面上，乳化后的空氣因失壓迅速分離成微小氣泡，從而提高了氧的轉移率，達到了充氧凈化污水的目的。

圖３中②為國內某代理公司引進的美國專利曝氣技術——美國ＡＥＲＯＭＩＸ公司生產的微風微細曝氣器。該曝氣機微氣泡總量和直徑可方便調節，可適應不同粒徑懸浮物的去除，同時避免了泡沫和浮渣的外溢。引氣曝氣機微氣泡的產生是利用電機帶動周邊有微孔的散氣盤高速旋轉，在水中形成一個負壓區，液面上的空氣被吸入水中去填補真空，空氣進入水中，被轉盤割成直徑１０～１００ μｍ的氣泡［１５，１６］。

其工作原理是：待處理的污水首先經進水口進入裝有引氣曝氣機的小型充氣段，在充氣段內污水上升過程中與曝氣機產生的微氣泡混合，形成氣水混合物。由于氣水混合物和液體之間密度不平衡產生了一個垂直向上的浮力，上浮過程中，微氣泡附著在固體懸浮物上，將固體懸浮物浮到水面并在氣泡的支撐下維持在水面上，間歇地被鏈條式割渣機從氣浮槽的進口推倒出口端，通過螺旋輸送器將其排出，凈化的污水經溢流槽排放或去下一級處理設施。

2.3.2潛水曝氣機潛水電機就是電機也淹沒于水下的曝氣機組。潛水曝氣機有效利用流體噴射及離心泵工作原理，采用潛水電機直接驅動葉輪高速旋轉，充滿葉輪中的水隨著葉輪高速旋轉，在離心力的作用下甩出葉輪，從而使葉輪中心形成真空以吸入空氣，空氣隨水混合經葉輪、混合室，在離心力作用下高速噴出。水流噴射極強，造成有效的對流環擾動，使空氣泡更進一步分割成眾多細小氣泡。由于氣泡直徑小，上升速度緩慢，潛水曝氣機一般安裝于池底，氣泡到達水面距離遠，從而增長了大氣中氧氣溶解于水的時間，氣泡經多次切割，噴射擾動后，變成無數的細小氣泡，其表面積很大，使空氣中氧更易溶解于水中，促其污水和氧氣充分混合接觸，完成生化過程，進而達到凈化污水的目的。潛水曝氣機廣泛應用于普通活性污泥法、氧化溝法、生物接觸氧化ＳＢＲ法等污水處理工藝。

圖４為導葉式潛水曝氣機，這種曝氣機的工作原理是：配氣輪將空氣和水混合后輸送到推流轉輪的入口，在入口處與大水流混合，經導流葉片后由噴嘴噴出。

其他類型的曝氣機有颶風曝氣機（圖５ａ）、散流式曝氣機（圖５ｂ）、膜片式曝氣機（圖５ｃ）以及提水曝氣機等［１７］。

３我國曝氣機目前存在的問題及發展趨勢

目前我國環保產業發展迅速，但是環保設備的研究開發，尤其是自主創新的環保設備研究開發與環保產業的發展尚不適應。用于活性污泥法的曝氣設備品種與質量均不能滿足環保產業的發展需求，研究開發新型的曝氣設備具有實際應用價值。

活性污泥法是我國污水處理廠目前采用的主要二級處理方法，活性污泥法中至關重要的環節是溶解氧濃度的控制，溶解氧濃度低或高會造成出水水質不達標或曝氣過量，這些都會直接影響活性污泥法的處理效果。因此，調節活性污泥法污水中的溶解氧濃度，是目前各個污水處理廠要解決的主要問題，而控制曝氣機的運行方式及選擇合適種類的曝氣機是主要解決方法，我國曝氣機發展趨勢有以下4個方面。

１）根據曝氣相關理論、氧傳質理論、氣液兩相流理論提出新的液下曝氣機結構設計理論，并利用ＣＡＤ軟件實現計算機輔助設計。

２）對所設計的不同結構形式液下曝氣機進行整機試驗研究，測量其充氧能力，計算氧利用率，推導轉速與充氧效果之間的關系，對新結構形式的液下曝氣機與普通液下曝氣機在同功率、同樣潛水深度進行充氧能力對比，對同功率不同潛水深度曝氣機進行充氧能力對比，研制出高效曝氣機。

３）利用模型轉換關系，設計小型玻璃結構曝氣機，在小型玻璃槽中利用示蹤粒子，采用ＰＩＶ粒子成像技術，研究不同結構尺寸的曝氣機曝氣氣泡直徑大小，設計出充氣氣泡直徑小的曝氣機。

４）創建溶解氧模糊控制器（利用在水中設置溶解氧測定儀來測定溶解氧濃度與所需溶解氧差別來控制曝氣機運行）來實現液下曝氣機優化運行，節約能源。

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收稿日期：２０１１－０５－１６

基金項目：中國博士后基金項目（１１４００２０２１）；江蘇大學高級人才啟動基金（１１ＪＤＧ０５３）

作者簡介：李維斌（１９７６－），男，遼寧沈陽人，副教授，主要從事環保設備研究與開發，（電話）１３９１４５６３６９９（電子信箱）ｌｉｗｅｉｂｉｎｌｉｌｙ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ；

通訊作者，施衛東，研究員，博士生導師，從事流體機械的研究與開發，（電話）１３５０５２８８３１２（電子信箱）ｗｄｓｈｉ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ。