淺析氧化溝常用曝氣設備的能效值

王月萍

（中冶華天工程技術有限公司，安徽 馬鞍山 243005）

淺析氧化溝常用曝氣設備的能效值

王月萍

（中冶華天工程技術有限公司，安徽 馬鞍山 243005）

對污水處理廠常用的幾種曝氣設備進行了技術對比和經濟分析；簡述了幾種曝氣設備能效比值不平衡的基本原因；介紹了一種在同等工藝條件下，工程構筑物占地面積小，高效、低耗的新型曝氣設備。

能效比值；曝氣設備；動力效率；節能理念

1 曝氣設備的概況及應用

曝氣設備是污水處理廠氧化溝工藝中的關鍵設備，也是污水處理工藝中的高能耗設備，其能耗占整個污水處理廠能源消耗的60%以上，因此，降低污水處理的成本，關鍵在于要選對曝氣設備。選用高效低耗的曝氣設備可以提高曝氣充氧能力，更重要的是可以節約能源并降低污水處理的成本。

據統計，截至2012年底，我國共建有近4000座污水處理廠，其中約有25%的污水處理廠選用的是豎軸式曝氣設備，約15%的污水處理廠選用臥軸式曝氣設備，約50%的污水處理廠選用鼓風曝氣，另約10%的污水處理廠采用其他形式的曝氣設備。

污水治理工藝的曝氣設備是污水治理工藝實施的重要保證，是污水治理成敗的關鍵設備。過去的幾十年內，曝氣設備主要用于解決污水處理中的難題，并沒有兼顧到設備的能耗，即設備的能效比問題。在提倡節能減排、降低污水處理成本的當今，對這些關鍵常用曝氣設備進行能效值分析比較很有必要，只有通過分析比較，才能打破選用設備的慣性思維，樹立節約能源的正確理念，才能促進我國曝氣設備研發與生產的健康發展。

目前，我國應用的曝氣設備形式林林總總，主要有表曝、底曝、潛水曝氣機等，如表曝中的葉輪曝氣機、轉刷、轉盤曝氣機，有齒輪箱直接驅動、也有齒輪箱連接傳動件驅動的各種形式的曝氣機，其能效值各不相同。

關于曝氣設備的選型依據，大多用戶都是參照商家宣傳的曝氣設備的理論動力效率值，而理論動力效率僅僅是衡量曝氣設備水力件——曝氣葉輪技術工作性能的一個指標值（即技術指標），并非是整臺曝氣裝置能耗與充氧量（即經濟指標）的綜合反映。能效比值能完整反映曝氣設備的綜合性能—技術指標值和經濟指標值，即在標準狀態下，單位時間的充氧量與整臺裝置全部消耗的電能的比值，其不僅能衡量水力件曝氣葉輪的技術性能，同時也反映了驅動電機及傳動機構的效率，因此能效比值可一目了然地反映曝氣設備的性能優劣，是曝氣設備技術、經濟（運行費用）、綜合性能評判的基本依據。

2 曝氣設備的能效比值

2.1 曝氣設備的能效比值計算公式

曝氣設備的能效比值可用下列公式進行計算：

式中：E — 曝氣設備的能效比值，kgO2/kW·h；

Q — 曝氣設備的充氧量，kg；

U — 電壓，V；

I — 曝氣設備工作時的實際運行電流，A；

COSφ——電機功率因素。

2.2 污水治理工藝常用曝氣設備的能效比值

污水治理工藝中常用的幾種曝氣設備的能效比值見下表。

曝氣設備能效比值一覽表 （單位：kgO2/kW·h）

2.3 常用曝氣設備的應用實例分析

（1）平板型葉輪曝氣機

該曝氣機的水力構件——曝氣葉輪的主要結構為平板下方均勻布置了若干只三角形鏵犁式葉片，水力件葉輪在電機、減速傳動裝置的驅動下旋轉工作，葉片對水體進行攪拌、拋灑（見圖1）。

圖1 平板型曝氣機現場工作圖

該形式的曝氣設備在湖南省某污水處理廠應用，水力件葉輪直徑為3000mm，配套電機額定功率為75kW，但實際工作時的充氧量嚴重不足，根本滿足不了氧化溝工藝的需氧量。國外最先進的雷同產品標稱理論動力效率（技術指標）為2.7kgO2/kW·h，但其實際的能效比值（經濟指標）不大于2.2kgO2/kW·h。

原因分析：三角形鏵犁式的葉片，雖然吃水深度較深，但由于忽略了泥水阻力系數，因而在運行時，同樣的運行速度，葉片承受的阻力卻大不相同，吃水深的肯定承受的阻力更大些，所以，能耗必定高，能效比值必然低。

（2）倒傘型葉輪曝氣機

該曝氣機的葉輪結構為：在直徑不同的傘形葉輪下方呈輻射狀均勻布置若干葉片，傘形葉輪旋轉工作時，因離心力的作用，水體沿直立葉片周向甩出（見圖2）。

圖2 倒傘型葉輪曝氣機

該型號的曝氣設備曾經在山東某污水處理廠應用，曝氣葉輪直徑為4000mm，配套電機額定功率為160kW，選用了德國產安全系數為2.8的減速機，工作時的運行電流為265A，實測充氧能力為Q=230kgO2/h，則能效比值為

原因分析：由于葉輪的底部縷空，在運行時，葉輪底部的水隨葉輪旋轉的離心力環向拋灑，消耗了很大的功率，但被拋灑出的泥水混合體因為密度較高，加上葉輪葉片結構設計不盡合理，拋灑出的泥水不可能形成霧狀而只能是大塊片狀，空氣中的氧只能在片狀水體的表面進行傳質反應，故而充氧能力較低，即同樣的能耗能效比值偏低。

（3）轉刷曝氣機

轉刷曝氣機主要由電機、減速傳動裝置及轉刷主體構成，轉刷主體設置了若干個鋼制葉片。當轉刷主體旋轉時，水在不斷旋轉的轉刷葉片的作用下，被平板葉片舀出拋灑到空氣中，與裹入的空氣混合，完成了將空氣中的氧向水中轉移的過程（見圖3）。

圖3 轉刷曝氣機及現場工作圖

德國、丹麥以及日本等國家的轉刷曝氣機的理論動力效率均低于1.8kgO2/kW·h，即能效比不超過1.5kgO2/kW·h。

原因分析：根據水力特性，泥水的混合體是不可能在旋轉的動態平板刷片上停留的，更不可能載攜較多的泥水隨刷片旋轉上揚，因而這種曝氣形式的能效比值注定不可能高。

轉刷曝氣機限制了氧化溝的最大有效水深不宜超過3.5米，在處理污水量相同的情況下，氧化溝的占地面積較普通的豎軸式曝氣設備要大很多。因此，轉刷曝氣機的綜合經濟技術性能不高。

（4）轉碟（盤）曝氣機

轉碟（盤）曝氣設備與轉刷曝氣機的區別在于曝氣水力構件為曝氣轉盤，盤面上設有等腰三角形楔形凸塊和小型凹坑。其現場工作圖見圖4。

圖4 轉碟曝氣機現場工作圖

轉碟曝氣機的理論動效率均不大于2.0kgO2/kW·h，其能效比值相應較低，不超過1.65 kgO2/kW·h。

原因分析：轉碟（盤）曝氣機的工作原理主要是應用了液體的附壁效應，工作時，三角形的楔形凸塊與凹坑將水體切向拋灑，與裹入的空氣進行接觸混合，但楔形凸塊與凹坑所能截揚的水體同樣不可能很多，能效比值也不會高。另外，由于轉碟曝氣機的轉盤為非金屬材料制成，三角形楔形凸塊在泥水混合介質中工作時極易被磨損，曝氣性能也會逐年衰減，一般在運行兩年后，曝氣效果就會明顯降低，三角形凸塊棱角逐漸被磨鈍成為稍帶棱邊的亞流線形，不能如新設備在開始使用時那樣推水上揚，最終導致充氧量與工藝設計的需氧量差距太大，5～6年后不得不更換曝氣轉盤，但更換曝氣盤的再投入會很大，因而其綜合經濟技術性能也差。

目前國內在用的轉刷曝氣機、轉碟曝氣機均系國外20世紀50～60年代的產品，國外已經淘汰，但在國內仍有不少污水處理廠還在使用，與國家低碳環保的方針相悖。

（5）微孔曝氣裝置

微孔曝氣裝置屬于鼓風曝氣類，由空氣發生設備（如風機）供風，通過管路向布置在水池底部的曝氣頭（如盤式、管式橡膠分散布氣器，剛玉、陶瓷布氣器等）供風向污水中擴散傳質（見圖5）。曝氣頭的工作原理與家用淋浴的蓮蓬頭和花灑一樣，將集中的氣輸入水底，通過微孔分散成若干細流在水中擴散。

圖5 微孔曝氣裝置現場工作圖

一些膜片式微孔曝氣頭的生產廠商在宣傳冊中稱其理論動力效率高達5.5kgO2/kW·h，但因剛玉、陶瓷、橡膠的彈縮率各不相同，該數值其實只反映了該類曝氣頭在安裝初期的氣體釋放能力，若將風機能效比值、傳動效率及管路壓降綜合折算后，該曝氣裝置的初期能效比不超過3.0kgO2/kW·h。

原因分析：空氣經過橡膠膜片式微孔曝氣頭釋放為氣泡的過程中會產生阻力，加之污水中的鈣鎂積垢堵塞，削弱了膜片式曝氣頭的彈性，隨著日積月累垢物的堵塞，這種阻力也將逐漸增大，理論動力效率及能效比值均會逐年下降。

大多選用微孔曝氣裝置的用戶只是誤將曝氣裝置第一年的曝氣效果看作是其始終如一的水平，事實上絕大多數的膜片式微孔曝氣在使用4～5年后，其阻力損失即為8000～9000Pa。

微孔曝氣裝置經在多家污水處理廠的應用證實，從第二年開始每年需對膜片進行維護清洗，同時必須逐年更換掉一部分曝氣頭，直到5～6年后全部更新。足見，采用微孔曝氣裝置的后期維護、保養費用極高。

3 曝氣設備的發展

3.1 曝氣設備的應用現狀

目前，國內選用的曝氣設備品種較為復雜，上世紀末本世紀初，國內眾多的污水處理廠相繼引進了荷蘭DHV公司、蘭迪公司、美國EMIC公司等外商生產的表面曝氣機，鑒于彼時國內企業對這些設備的認知有限，無專業技術能力或是無暇對這些引進的設備進行性能、效率及能效等方面的檢測，只能注重設備的使用壽命長、可靠性高的特點。因而在使用過程中，為這些設備的高能耗以及維修配件價格昂貴而付出了巨額學費。

我國環保裝備特別是污水凈化設備的制造起步于20世紀80年代初，初始總認為環保裝備屬粗、大、笨，沒有什么技術含量。所以某些地區的鄉、鎮、村辦企業借機迅速介入環保行業，導致這個階段的環保產業只是外延擴大、低水平重復、科技含量極低，絕大多數產品都始于一知半解的互相抄襲仿制，缺少原創設計，使環保產品的研發、制造經歷了二十多年的技術徘徊。

三十多年的實踐已經證明，我國環保產業的發展，依靠過去的鄉鎮企業或作坊式的個體企業，是不可能研發出具有較高技術含量的關鍵設備的，道理很簡單，這類小型企業只可能抄襲模仿，不可能真正投入資金研發新產品，因為一旦研發失敗，損失的是自己的利益，故而環保產業發展至今，行業內的同類產品競爭日趨激烈，一些小企業為此競相壓價，導致環保產品市場存在生產偷工減料，產品質量外觀粗糙，設備運行可靠性差、使用壽命短，處理效果達不到工藝要求，設備維修技術革新能力欠缺，運行成本高，環保產品成套化、系列化水平低，多品種、亂標準甚至是無標準化生產，嚴重地影響了投資效益，極大地浪費了國家的能源。

3.2 曝氣設備的發展及新型多功能、高效率曝氣機

隨著國家環境保護力度的加強，水污染治理的市場需求不斷提高，在短短的一二十年間，各級環保研究院所、眾多高等學府，亦或是企業與院校合作的“產、學、研”結合體，以及若干省級、國家級的環保工業園，紛紛以“項目”的名義爭取國家資金扶持，但在氧化溝常用曝氣設備方面，最終能拿出與國外先進同類產品相比者幾乎沒有，應用在工程中的裝備成果與國家所投入的扶持資金不成正比。

“自吸式復合葉輪曝氣機”是由國內企業的環保裝備專家帶領技術團隊潛心研究出來的高科技含量的一種新型多功能、高效率曝氣機，該曝氣機是集汲水噴灑、揚水挾氣、吸氣噴射三位一體的多功能葉輪曝氣機，奇特的水力構件（曝氣葉輪）顛覆了當今世界上所有曝氣機的葉輪結構形式，打破了普通曝氣機只能完成一次傳氧過程的曝氣模式，巧妙地將機械運動與流體特性完美結合（見圖6）。

圖6 新型復合葉輪曝氣機現場工作圖

該技術成果目前已在國內多家污水處理廠應用并通過了有關檢測。新型的復合葉輪曝氣機在某污水處理廠對仿休柏特型曝氣設備進行改造后，運行電流為225A，實際充氧量為Q=350kgO2/h，其能效比值實為2.5kgO2/kW·h。改造后的9臺曝氣設備全年節約電費200萬元（以電費繳費單前后對比為證）。

該新型曝氣設備與國外目前最先進的曝氣設備相比，動力效率與能效比提高了30%～50%（見圖7）；因為工作時的有效水深比現有的水深提高了2/5左右，因而處理同量的水，工程占地面積節約了1/3～2/5，從而大幅度節省了一次性投資與運行費用；又因該曝氣設備顛覆了當今世界上所有機械曝氣設備的現有功能，而且延長了使用壽命，節省了維修和保養的再投資。該自主原創發明成果不但獲得了國家專利授權（中國專利授權號：201210095371.2），而且申報了美國專利（美國專利申請號：PCT/CN2013/073243）。

圖7 新型復合葉輪曝氣機與轉碟曝氣機同時工作效果比較

4 結語

用戶在選用曝氣設備時，不能只是簡單地從表面看曝氣設備的理論動力效率和價值，而應根據自身的處理量優先選擇適用的、能效比值高的曝氣設備，能效值高的設備價格目前雖比普通曝氣設備略高，但是其運行所節約的費用遠遠超過了對其投入的費用。

我國企業原創發明的“自吸式復合葉輪曝氣機”，多功能、高效率，并使國產污水處理裝備的研發邁上了一個新的臺階。該新型曝氣機的能效比值現已超過了國內外所有曝氣設備的能效比值，僅一家日處理量為12萬噸的污水處理廠，在同等條件下便能節約價值200多萬元的電能，既節約了能源又創造了高的經濟效益。

[1] 張鑫珩.國內外的潛水攪拌機和倒傘曝氣機能效比較[J].中國環保產業，2006（12）：28-30.

[2] 張鑫珩.關于提升我國環保裝備技術水平的建議[J].中國環保產業，2010（8）：31-34.

[3] 丁南華，任洪強，王家廉.淺談宜興市環保企業體制轉型創新發展模式[J].中國環保產業，2014（6）：47-49.

聲 明

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《中國環保產業》編輯部

Simple Analysis on Energy Efficiency Ratio of Aeration Equipment of Oxidation Channel

WANG Yue-ping
(Huatian Engineering & Technology Corporation. MCC, Anhui Ma’anshan 243005, China)

The paper presents the technical contrast and economic analysis of the several aeration equipment in the sewage treatment plant; explains the basic reasons of the energy efficiency ratio unbalance of the several aeration equipment; introduces one of the new type aeration equipment---its engineering construction accounting for a small area, high efficiency and low consumption under the coequality technology condition.

energy efficiency ratio; aeration equipment; dynamical efficiency; concept of energy saving

X703.3

A

1006-5377（2014）11-0042-05