淺析氧化溝常用曝氣設(shè)備的能效值

王月萍

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005）

淺析氧化溝常用曝氣設(shè)備的能效值

王月萍

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005）

對(duì)污水處理廠常用的幾種曝氣設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)對(duì)比和經(jīng)濟(jì)分析；簡(jiǎn)述了幾種曝氣設(shè)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(gòu)筑物占地面積小，高效、低耗的新型曝氣設(shè)備。

能效比值；曝氣設(shè)備；動(dòng)力效率；節(jié)能理念

1 曝氣設(shè)備的概況及應(yīng)用

曝氣設(shè)備是污水處理廠氧化溝工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，也是污水處理工藝中的高能耗設(shè)備，其能耗占整個(gè)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(guān)鍵在于要選對(duì)曝氣設(shè)備。選用高效低耗的曝氣設(shè)備可以提高曝氣充氧能力，更重要的是可以節(jié)約能源并降低污水處理的成本。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2012年底，我國(guó)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(shè)備，約15%的污水處理廠選用臥軸式曝氣設(shè)備，約50%的污水處理廠選用鼓風(fēng)曝氣，另約10%的污水處理廠采用其他形式的曝氣設(shè)備。

污水治理工藝的曝氣設(shè)備是污水治理工藝實(shí)施的重要保證，是污水治理成敗的關(guān)鍵設(shè)備。過(guò)去的幾十年內(nèi)，曝氣設(shè)備主要用于解決污水處理中的難題，并沒(méi)有兼顧到設(shè)備的能耗，即設(shè)備的能效比問(wèn)題。在提倡節(jié)能減排、降低污水處理成本的當(dāng)今，對(duì)這些關(guān)鍵常用曝氣設(shè)備進(jìn)行能效值分析比較很有必要，只有通過(guò)分析比較，才能打破選用設(shè)備的慣性思維，樹(shù)立節(jié)約能源的正確理念，才能促進(jìn)我國(guó)曝氣設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)的健康發(fā)展。

目前，我國(guó)應(yīng)用的曝氣設(shè)備形式林林總總，主要有表曝、底曝、潛水曝氣機(jī)等，如表曝中的葉輪曝氣機(jī)、轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)盤(pán)曝氣機(jī)，有齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)、也有齒輪箱連接傳動(dòng)件驅(qū)動(dòng)的各種形式的曝氣機(jī)，其能效值各不相同。

關(guān)于曝氣設(shè)備的選型依據(jù)，大多用戶都是參照商家宣傳的曝氣設(shè)備的理論動(dòng)力效率值，而理論動(dòng)力效率僅僅是衡量曝氣設(shè)備水力件——曝氣葉輪技術(shù)工作性能的一個(gè)指標(biāo)值（即技術(shù)指標(biāo)），并非是整臺(tái)曝氣裝置能耗與充氧量（即經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）的綜合反映。能效比值能完整反映曝氣設(shè)備的綜合性能—技術(shù)指標(biāo)值和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)值，即在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位時(shí)間的充氧量與整臺(tái)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(shù)性能，同時(shí)也反映了驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，因此能效比值可一目了然地反映曝氣設(shè)備的性能優(yōu)劣，是曝氣設(shè)備技術(shù)、經(jīng)濟(jì)（運(yùn)行費(fèi)用）、綜合性能評(píng)判的基本依據(jù)。

2 曝氣設(shè)備的能效比值

2.1 曝氣設(shè)備的能效比值計(jì)算公式

曝氣設(shè)備的能效比值可用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：E — 曝氣設(shè)備的能效比值，kgO2/kW·h；

Q — 曝氣設(shè)備的充氧量，kg；

U — 電壓，V；

I — 曝氣設(shè)備工作時(shí)的實(shí)際運(yùn)行電流，A；

COSφ——電機(jī)功率因素。

2.2 污水治理工藝常用曝氣設(shè)備的能效比值

污水治理工藝中常用的幾種曝氣設(shè)備的能效比值見(jiàn)下表。

曝氣設(shè)備能效比值一覽表 （單位：kgO2/kW·h）

2.3 常用曝氣設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例分析

（1）平板型葉輪曝氣機(jī)

該曝氣機(jī)的水力構(gòu)件——曝氣葉輪的主要結(jié)構(gòu)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(jī)、減速傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)工作，葉片對(duì)水體進(jìn)行攪拌、拋灑（見(jiàn)圖1）。

圖1 平板型曝氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作圖

該形式的曝氣設(shè)備在湖南省某污水處理廠應(yīng)用，水力件葉輪直徑為3000mm，配套電機(jī)額定功率為75kW，但實(shí)際工作時(shí)的充氧量嚴(yán)重不足，根本滿足不了氧化溝工藝的需氧量。國(guó)外最先進(jìn)的雷同產(chǎn)品標(biāo)稱(chēng)理論動(dòng)力效率（技術(shù)指標(biāo)）為2.7kgO2/kW·h，但其實(shí)際的能效比值（經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）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(shù)，因而在運(yùn)行時(shí)，同樣的運(yùn)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(jī)

該曝氣機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)工作時(shí)，因離心力的作用，水體沿直立葉片周向甩出（見(jiàn)圖2）。

圖2 倒傘型葉輪曝氣機(jī)

該型號(hào)的曝氣設(shè)備曾經(jīng)在山東某污水處理廠應(yīng)用，曝氣葉輪直徑為4000mm，配套電機(jī)額定功率為160kW，選用了德國(guó)產(chǎn)安全系數(shù)為2.8的減速機(jī)，工作時(shí)的運(yùn)行電流為265A，實(shí)測(cè)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(yùn)行時(shí)，葉輪底部的水隨葉輪旋轉(zhuǎn)的離心力環(huán)向拋灑，消耗了很大的功率，但被拋灑出的泥水混合體因?yàn)槊芏容^高，加上葉輪葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行傳質(zhì)反應(yīng)，故而充氧能力較低，即同樣的能耗能效比值偏低。

（3）轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)

轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)主要由電機(jī)、減速傳動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)刷主體構(gòu)成，轉(zhuǎn)刷主體設(shè)置了若干個(gè)鋼制葉片。當(dāng)轉(zhuǎn)刷主體旋轉(zhuǎn)時(shí)，水在不斷旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移的過(guò)程（見(jiàn)圖3）。

圖3 轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)工作圖

德國(guó)、丹麥以及日本等國(guó)家的轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)的理論動(dòng)力效率均低于1.8kgO2/kW·h，即能效比不超過(guò)1.5kgO2/kW·h。

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

轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)限制了氧化溝的最大有效水深不宜超過(guò)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(shè)備要大很多。因此，轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)的綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能不高。

（4）轉(zhuǎn)碟（盤(pán)）曝氣機(jī)

轉(zhuǎn)碟（盤(pán)）曝氣設(shè)備與轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)的區(qū)別在于曝氣水力構(gòu)件為曝氣轉(zhuǎn)盤(pán)，盤(pán)面上設(shè)有等腰三角形楔形凸塊和小型凹坑。其現(xiàn)場(chǎng)工作圖見(jiàn)圖4。

圖4 轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作圖

轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的理論動(dòng)效率均不大于2.0kgO2/kW·h，其能效比值相應(yīng)較低，不超過(guò)1.65 kgO2/kW·h。

原因分析：轉(zhuǎn)碟（盤(pán)）曝氣機(jī)的工作原理主要是應(yīng)用了液體的附壁效應(yīng)，工作時(shí)，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(jìn)行接觸混合，但楔形凸塊與凹坑所能截?fù)P的水體同樣不可能很多，能效比值也不會(huì)高。另外，由于轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)為非金屬材料制成，三角形楔形凸塊在泥水混合介質(zhì)中工作時(shí)極易被磨損，曝氣性能也會(huì)逐年衰減，一般在運(yùn)行兩年后，曝氣效果就會(huì)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(shè)備在開(kāi)始使用時(shí)那樣推水上揚(yáng)，最終導(dǎo)致充氧量與工藝設(shè)計(jì)的需氧量差距太大，5～6年后不得不更換曝氣轉(zhuǎn)盤(pán)，但更換曝氣盤(pán)的再投入會(huì)很大，因而其綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能也差。

目前國(guó)內(nèi)在用的轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)均系國(guó)外20世紀(jì)50～60年代的產(chǎn)品，國(guó)外已經(jīng)淘汰，但在國(guó)內(nèi)仍有不少污水處理廠還在使用，與國(guó)家低碳環(huán)保的方針相悖。

（5）微孔曝氣裝置

微孔曝氣裝置屬于鼓風(fēng)曝氣類(lèi)，由空氣發(fā)生設(shè)備（如風(fēng)機(jī)）供風(fēng)，通過(guò)管路向布置在水池底部的曝氣頭（如盤(pán)式、管式橡膠分散布?xì)馄?，剛玉、陶瓷布?xì)馄鞯龋┕╋L(fēng)向污水中擴(kuò)散傳質(zhì)（見(jiàn)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(guò)微孔分散成若干細(xì)流在水中擴(kuò)散。

圖5 微孔曝氣裝置現(xiàn)場(chǎng)工作圖

一些膜片式微孔曝氣頭的生產(chǎn)廠商在宣傳冊(cè)中稱(chēng)其理論動(dòng)力效率高達(dá)5.5kgO2/kW·h，但因剛玉、陶瓷、橡膠的彈縮率各不相同，該數(shù)值其實(shí)只反映了該類(lèi)曝氣頭在安裝初期的氣體釋放能力，若將風(fēng)機(jī)能效比值、傳動(dòng)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(guò)3.0kgO2/kW·h。

原因分析：空氣經(jīng)過(guò)橡膠膜片式微孔曝氣頭釋放為氣泡的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)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(dòng)力效率及能效比值均會(huì)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(shí)上絕大多數(shù)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(jīng)在多家污水處理廠的應(yīng)用證實(shí)，從第二年開(kāi)始每年需對(duì)膜片進(jìn)行維護(hù)清洗，同時(shí)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(jiàn)，采用微孔曝氣裝置的后期維護(hù)、保養(yǎng)費(fèi)用極高。

3 曝氣設(shè)備的發(fā)展

3.1 曝氣設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)選用的曝氣設(shè)備品種較為復(fù)雜，上世紀(jì)末本世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)眾多的污水處理廠相繼引進(jìn)了荷蘭DHV公司、蘭迪公司、美國(guó)EMIC公司等外商生產(chǎn)的表面曝氣機(jī)，鑒于彼時(shí)國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)這些設(shè)備的認(rèn)知有限，無(wú)專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力或是無(wú)暇對(duì)這些引進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行性能、效率及能效等方面的檢測(cè)，只能注重設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)、可靠性高的特點(diǎn)。因而在使用過(guò)程中，為這些設(shè)備的高能耗以及維修配件價(jià)格昂貴而付出了巨額學(xué)費(fèi)。

我國(guó)環(huán)保裝備特別是污水凈化設(shè)備的制造起步于20世紀(jì)80年代初，初始總認(rèn)為環(huán)保裝備屬粗、大、笨，沒(méi)有什么技術(shù)含量。所以某些地區(qū)的鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村辦企業(yè)借機(jī)迅速介入環(huán)保行業(yè)，導(dǎo)致這個(gè)階段的環(huán)保產(chǎn)業(yè)只是外延擴(kuò)大、低水平重復(fù)、科技含量極低，絕大多數(shù)產(chǎn)品都始于一知半解的互相抄襲仿制，缺少原創(chuàng)設(shè)計(jì)，使環(huán)保產(chǎn)品的研發(fā)、制造經(jīng)歷了二十多年的技術(shù)徘徊。

三十多年的實(shí)踐已經(jīng)證明，我國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，依靠過(guò)去的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)或作坊式的個(gè)體企業(yè)，是不可能研發(fā)出具有較高技術(shù)含量的關(guān)鍵設(shè)備的，道理很簡(jiǎn)單，這類(lèi)小型企業(yè)只可能抄襲模仿，不可能真正投入資金研發(fā)新產(chǎn)品，因?yàn)橐坏┭邪l(fā)失敗，損失的是自己的利益，故而環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，行業(yè)內(nèi)的同類(lèi)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，一些小企業(yè)為此競(jìng)相壓價(jià)，導(dǎo)致環(huán)保產(chǎn)品市場(chǎng)存在生產(chǎn)偷工減料，產(chǎn)品質(zhì)量外觀粗糙，設(shè)備運(yùn)行可靠性差、使用壽命短，處理效果達(dá)不到工藝要求，設(shè)備維修技術(shù)革新能力欠缺，運(yùn)行成本高，環(huán)保產(chǎn)品成套化、系列化水平低，多品種、亂標(biāo)準(zhǔn)甚至是無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，嚴(yán)重地影響了投資效益，極大地浪費(fèi)了國(guó)家的能源。

3.2 曝氣設(shè)備的發(fā)展及新型多功能、高效率曝氣機(jī)

隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)力度的加強(qiáng)，水污染治理的市場(chǎng)需求不斷提高，在短短的一二十年間，各級(jí)環(huán)保研究院所、眾多高等學(xué)府，亦或是企業(yè)與院校合作的“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合體，以及若干省級(jí)、國(guó)家級(jí)的環(huán)保工業(yè)園，紛紛以“項(xiàng)目”的名義爭(zhēng)取國(guó)家資金扶持，但在氧化溝常用曝氣設(shè)備方面，最終能拿出與國(guó)外先進(jìn)同類(lèi)產(chǎn)品相比者幾乎沒(méi)有，應(yīng)用在工程中的裝備成果與國(guó)家所投入的扶持資金不成正比。

“自吸式復(fù)合葉輪曝氣機(jī)”是由國(guó)內(nèi)企業(yè)的環(huán)保裝備專(zhuān)家?guī)ьI(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)潛心研究出來(lái)的高科技含量的一種新型多功能、高效率曝氣機(jī)，該曝氣機(jī)是集汲水噴灑、揚(yáng)水挾氣、吸氣噴射三位一體的多功能葉輪曝氣機(jī)，奇特的水力構(gòu)件（曝氣葉輪）顛覆了當(dāng)今世界上所有曝氣機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)形式，打破了普通曝氣機(jī)只能完成一次傳氧過(guò)程的曝氣模式，巧妙地將機(jī)械運(yùn)動(dòng)與流體特性完美結(jié)合（見(jiàn)圖6）。

圖6 新型復(fù)合葉輪曝氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作圖

該技術(shù)成果目前已在國(guó)內(nèi)多家污水處理廠應(yīng)用并通過(guò)了有關(guān)檢測(cè)。新型的復(fù)合葉輪曝氣機(jī)在某污水處理廠對(duì)仿休柏特型曝氣設(shè)備進(jìn)行改造后，運(yùn)行電流為225A，實(shí)際充氧量為Q=350kgO2/h，其能效比值實(shí)為2.5kgO2/kW·h。改造后的9臺(tái)曝氣設(shè)備全年節(jié)約電費(fèi)200萬(wàn)元（以電費(fèi)繳費(fèi)單前后對(duì)比為證）。

該新型曝氣設(shè)備與國(guó)外目前最先進(jìn)的曝氣設(shè)備相比，動(dòng)力效率與能效比提高了30%～50%（見(jiàn)圖7）；因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)的有效水深比現(xiàn)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(jié)約了1/3～2/5，從而大幅度節(jié)省了一次性投資與運(yùn)行費(fèi)用；又因該曝氣設(shè)備顛覆了當(dāng)今世界上所有機(jī)械曝氣設(shè)備的現(xiàn)有功能，而且延長(zhǎng)了使用壽命，節(jié)省了維修和保養(yǎng)的再投資。該自主原創(chuàng)發(fā)明成果不但獲得了國(guó)家專(zhuān)利授權(quán)（中國(guó)專(zhuān)利授權(quán)號(hào)：201210095371.2），而且申報(bào)了美國(guó)專(zhuān)利（美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺篜CT/CN2013/073243）。

圖7 新型復(fù)合葉輪曝氣機(jī)與轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)同時(shí)工作效果比較

4 結(jié)語(yǔ)

用戶在選用曝氣設(shè)備時(shí)，不能只是簡(jiǎn)單地從表面看曝氣設(shè)備的理論動(dòng)力效率和價(jià)值，而應(yīng)根據(jù)自身的處理量?jī)?yōu)先選擇適用的、能效比值高的曝氣設(shè)備，能效值高的設(shè)備價(jià)格目前雖比普通曝氣設(shè)備略高，但是其運(yùn)行所節(jié)約的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了對(duì)其投入的費(fèi)用。

我國(guó)企業(yè)原創(chuàng)發(fā)明的“自吸式復(fù)合葉輪曝氣機(jī)”，多功能、高效率，并使國(guó)產(chǎn)污水處理裝備的研發(fā)邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。該新型曝氣機(jī)的能效比值現(xiàn)已超過(guò)了國(guó)內(nèi)外所有曝氣設(shè)備的能效比值，僅一家日處理量為12萬(wàn)噸的污水處理廠，在同等條件下便能節(jié)約價(jià)值200多萬(wàn)元的電能，既節(jié)約了能源又創(chuàng)造了高的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張?chǎng)午?國(guó)內(nèi)外的潛水?dāng)嚢铏C(jī)和倒傘曝氣機(jī)能效比較[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2006（12）：28-30.

[2] 張?chǎng)午?關(guān)于提升我國(guó)環(huán)保裝備技術(shù)水平的建議[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2010（8）：31-34.

[3] 丁南華，任洪強(qiáng)，王家廉.淺談宜興市環(huán)保企業(yè)體制轉(zhuǎn)型創(chuàng)新發(fā)展模式[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2014（6）：47-49.

聲 明

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《中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)》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