污水處理用倒傘型表面曝氣機的典型應用

文 | 機械工業環保產業發展中心王春蘭

中冶華天工程技術有限公司張鑫珩

1 概述

環境科學是多學科綜合的邊緣科學，環境污染治理行業并非是一般的普通行業，是一個復合型產業，一個污水處理工程幾乎涵蓋了化學、化工、生物、物理、水力、流體、輸送等領域。

污水處理工程中，工藝與設備是相輔相成的，即使有再高級的設備而缺乏可行的工藝去應用，設備發揮不了相應的作用；反之，即使最好的污水治理工藝，如果沒有相應的設備用以保證工藝實施，也是達不到工藝要求的。可以這樣結論：在污水處理行業，需要接受挑戰的并非是工藝，而是與工藝相適應的高效節能的曝氣設備！

在水污染治理工程工藝中，無論是AO法，還是A2/O，或是SBR法，從泵站提升到格柵攔污，從除砂到水解酸化之攪拌，從曝氣充氧到推流循環，從排泥到污泥脫水，最主要的能源消耗設備是水泵和曝氣設備，其次是攪拌推流設備。這三段工藝設備的能耗，占污水處理廠設備總能耗95%以上。

2 常見污水處理曝氣設備應用比較

采用生物方法處理各種污水的其中一關鍵工藝——曝氣工藝，是整個污水處理系統能耗最高的工藝段。因而，曝氣設備的供氧性能和能耗水平歷來就是業界關心和重視的核心問題。

污水處理廠常用的曝氣設備有：采用風機供風式的底層微孔曝氣設備，約占市場40%；臥軸式表面曝氣，約占市場25%；立軸式表面曝氣，約占市場20%。不論采用哪種型式的曝氣設備，都需要大量電能供它們消耗轉換，方能達到曝氣的效果，它們在運行中的能耗普遍高，曝氣充氧效果則各有千秋。

2.1 底層微孔曝氣器

從上世紀初期出現的小孔徑曝氣器，發到近年來的可變微孔橡膠膜曝氣器及鐘罩式微孔曝氣器，底層微孔曝氣的氧總轉移系數、氧利用率、能效比值等方面都有了顯著的提高，在不考慮風機能效的前提下，可變微孔曝氣的理論動力效率已達4～6kgO2/kW·h。

但這種擴散型充氧傳質形式，存在幾種致命的缺陷：①曝氣器下方氧化溝底部易積泥，且不易清理；②存在曝氣盲區和死角，水中溶解氧不均勻；③曝氣頭維護、保養、更換破損的曝氣頭困難，有時會影響正常生產；④微孔易堵塞，曝氣能力逐年衰減，表現為壽命短。⑤微孔曝氣器需要配備強大的鼓風機，管線長、阻力大，功率大、耗電高。

微孔曝氣用于市政污水時，曝氣膜片每年都需要清洗，正常情況下，六年即需要更新，重置費用很高，無形增加了污水處理的成本。

2.2 臥軸式表面曝氣機

臥軸式表面曝氣機包括臥軸式轉刷和轉碟兩種曝氣設備，這種曝氣設備的曝氣充氧能力受浸沒深度影響較大，并且需與導流板配合使用。臥軸式表面曝氣機推流效果較好，相對的曝氣充氧力能力較低，而且呈現表面富氧、中、底部貧氧的不均勻缺陷。

臥軸式轉刷曝氣機因為能效比值較低，市場占比較少。轉碟曝氣機是利用曝氣轉盤上的鍥形凸塊和凹坑進行揚水曝氣，鍥形凸塊在污水中易磨損，且左右兩邊的磨損程度并不一致，一方面造成運轉不平衡、能耗加大；另一方面使傳動部件易受損，維修頻率及維修費用明顯增高；更重要的是曝氣充氧能力也呈逐年遞減，數年后仍需更新重置，投入成本明顯增加。

2.3 立軸式表面曝氣機

立軸式表面曝氣傳動原理或結構差異不大，但曝氣葉輪的結構形式較多，如泵（E）型葉輪、開（K）型葉輪、平板葉輪和倒傘型葉輪等。

我國初期污水處理工程中應用的立軸式表面曝氣機，大多是美國EIMCO公司的倒傘曝氣機和荷蘭DHV公司休柏特型的倒傘曝氣機，以及國內仿制該兩款曝氣機的同類產品，其理論動力效率都未超過2.4kgO2/kW·h。國內在進行曝氣產品技術認定以及編制行業標準時，一些單位的自我保護意識占據了主導地位，將立軸式曝氣機的理論動力效力規定得較低，如JB/T10670-2006《倒傘型表面曝氣機》中僅規定理論動力效率為2.1kgO2/kW·h；而在JB/T10670-2014《倒傘型表面曝氣機》修訂版中，倒傘型表面曝氣機的理論動力效率僅規定為2.2kgO2/kW·h，似乎經過近十年的發展，倒傘型表面曝氣機的性能指標僅提高了0.1 kgO2/kW·h 。事實并非如此，在JB/T12579-2015《多功能高效曝氣裝置》中規定：倒傘型曝氣機的理論動力效率最低應為3.0kgO2/kW·h，可見立軸式表面曝氣機在近十年中不僅有所發展，而且發生了顛覆性的創新革命。

縱觀目前我國城鎮污水處理廠普遍使用的三大類曝氣設備，從能效比值、使用壽命、投資等方面進行比較，立軸式倒傘型曝氣設備的應用占據較好優勢，具有非常廣闊的市場應用前景。

3 新舊兩代倒傘曝氣機的應用對比

下面將對山東壽光某污水處理廠使用的新舊兩代倒傘型曝氣機進行應用對比分析。

1、污水處理概況

處理能力12×104m3/d，處理工藝為連體三溝式卡魯賽爾氧化溝工藝；單溝配備了3臺葉輪φ4000mm倒傘曝氣機，單溝處理能力4×104m3/d，全廠共用9臺葉輪φ4000mm的倒傘曝氣機，日處理水量12萬～14萬m3/d，單機處理負荷：40000/3=13333 m3/d。

2、進水水質：

該廠處理的污水是城市生活污水和工業廢水的混合水，水質為：

CODcr ： 600mg/L BOD5：200～220 mg/L

3、原先使用曝氣設備：

圖1 山東壽光某污水處理廠早期使用的曝氣機葉輪

選用的9臺倒傘曝氣機系國內某企業仿制休伯特型曝氣機；曝氣葉輪：φ4000mm（仿制的休柏特型），如圖1所示。

配套電機：ABB

型號規格：M2QA315L 4A

功 率：160kW

輸入電壓：UN=380V

額定電流：IN=287.8≈288A轉 速：i=1480r/min

減速機：SEW

型號規格：M3PVSF80

速 比：i=44.876

輸出扭矩：T=117kN.m

傳動效率: η=95.5%(經校核計算實為93.9%)

4、使用效果及存在問題

倒傘曝氣機在運行時，由曝氣機葉片推流揚起的水躍（類似瓢潑灑水）挾裹空氣充氧，除了曝氣機周邊水花翻騰，池面根本觀察不到微小氣泡。且當曝氣機葉輪浸沒到一定深度時，電機不能驅動葉輪旋轉，為了不使電機超負荷運行，故只好將曝氣機葉輪上提，在低于規定的浸沒深度條件下運行。

4.1 充氧量低：

設計需要的充氧量：340kgO2/單機 h

運行實際的充氧量：230kgO2/單機 h

由于將葉輪浸沒深度減少運行，導致反應池充氧量嚴重不足。實際充氧量僅是設計要求充氧量的2/3，所處理的污水根本不能達標。

4.2 運行時的電能消耗高：

運行電流表顯示的線電流 IN=265A。

9臺倒傘曝氣機全部滿負荷運行，月電費為82.4577萬元，年電費為989.4929萬元。

4.3 原因分析：原曝氣機能耗高、效率低的原因，除了電機減速機匹配選型存在問題，最根本的原因是仿制的休伯特型曝氣葉輪存在結構缺陷。

5、改造

5.1改造方案

為降低改造費用，電機、減速機仍保留，只將9臺仿制的休伯特型曝氣葉輪全部更換成新型復合型倒傘葉輪。

5.2 改造前后運行情況對比見表1

表1倒傘表面曝氣機改造前后運行時耗電情況對比表

表2新型倒傘型曝氣機替換老一代設備取得的社會和經濟效益分析表

表1是改造前后兩代倒傘型曝氣機運行時耗電情況對比表，改造后不僅出水水質得到更進一步的改善，且節能降耗效果方面：單臺曝氣機的輸入功率下降42.81kW，全年累計節約電費242萬元。

圖2 改造后曝氣機工作效果圖

通過近一年的運行表明，改造后的表面曝氣機在節能、降耗、增效方面達到了預期效果，為該公司降低了運行費用，達到了節能降耗、提高處理效果、增加經濟效益的目的。

4 新型倒傘型曝氣機推廣應用的社會和經濟效益對比

據統計，2014年全年排放COD2294.6萬噸，若用新型倒傘型曝氣機（即JB/T12579-2015《多功能高效曝氣裝置》中的最低論動力效率為3.0 kgO2/kW·h）對現有市場占比20%的老一代倒傘型曝氣機（即JB/T10670-2014《倒傘型表面曝氣機》規定的理論動力效率為2.2kgO2/kW·h的曝氣機）進行改造，則實現的社會和經濟效益對比見表2：

由表2可以看出，新型倒傘型表面曝氣機的應用將帶來非常顯著的社會和經濟效益。

5 結束語

環境保護已被列為基本國策，“節能降耗”是國家的一貫方針，“節能減排”是世界性的壓力。在不斷前進、改革的過程中，追求產品技術含量比追求效益的意義更加重大。當自身利益與社會效益發生沖突時，科研、設計、技術……所有的科技都必須放在首要位置，企業自身的利益做出堅決讓步，只有從事環保裝備的企業注重自身的社會形象、尊重科技，才能真正生產制造出高效、節能的環保設備，才能真正做到服務社會。■