文 | 机械工业环保产业发展中心王春兰

中冶华天工程技术有限公司张鑫珩

1 概述

环境科学是多学科综合的边缘科学，环境污染治理行业并非是一般的普通行业，是一个复合型产业，一个污水处理工程几乎涵盖了化学、化工、生物、物理、水力、流体、输送等领域。

污水处理工程中，工艺与设备是相辅相成的，即使有再高级的设备而缺乏可行的工艺去应用，设备发挥不了相应的作用；反之，即使最好的污水治理工艺，如果没有相应的设备用以保证工艺实施，也是达不到工艺要求的。可以这样结论：在污水处理行业，需要接受挑战的并非是工艺，而是与工艺相适应的高效节能的曝气设备！

在水污染治理工程工艺中，无论是AO法，还是A2/O，或是SBR法，从泵站提升到格栅拦污，从除砂到水解酸化之搅拌，从曝气充氧到推流循环，从排泥到污泥脱水，最主要的能源消耗设备是水泵和曝气设备，其次是搅拌推流设备。这三段工艺设备的能耗，占污水处理厂设备总能耗95%以上。

2 常见污水处理曝气设备应用比较

采用生物方法处理各种污水的其中一关键工艺——曝气工艺，是整个污水处理系统能耗最高的工艺段。因而，曝气设备的供氧性能和能耗水平历来就是业界关心和重视的核心问题。

污水处理厂常用的曝气设备有：采用风机供风式的底层微孔曝气设备，约占市场40%；卧轴式表面曝气，约占市场25%；立轴式表面曝气，约占市场20%。不论采用哪种型式的曝气设备，都需要大量电能供它们消耗转换，方能达到曝气的效果，它们在运行中的能耗普遍高，曝气充氧效果则各有千秋。

2.1 底层微孔曝气器

从上世纪初期出现的小孔径曝气器，发到近年来的可变微孔橡胶膜曝气器及钟罩式微孔曝气器，底层微孔曝气的氧总转移系数、氧利用率、能效比值等方面都有了显著的提高，在不考虑风机能效的前提下，可变微孔曝气的理论动力效率已达4～6kgO2/kW·h。

但这种扩散型充氧传质形式，存在几种致命的缺陷：①曝气器下方氧化沟底部易积泥，且不易清理；②存在曝气盲区和死角，水中溶解氧不均匀；③曝气头维护、保养、更换破损的曝气头困难，有时会影响正常生产；④微孔易堵塞，曝气能力逐年衰减，表现为寿命短。⑤微孔曝气器需要配备强大的鼓风机，管线长、阻力大，功率大、耗电高。

微孔曝气用于市政污水时，曝气膜片每年都需要清洗，正常情况下，六年即需要更新，重置费用很高，无形增加了污水处理的成本。

2.2 卧轴式表面曝气机

卧轴式表面曝气机包括卧轴式转刷和转碟两种曝气设备，这种曝气设备的曝气充氧能力受浸没深度影响较大，并且需与导流板配合使用。卧轴式表面曝气机推流效果较好，相对的曝气充氧力能力较低，而且呈现表面富氧、中、底部贫氧的不均匀缺陷。

卧轴式转刷曝气机因为能效比值较低，市场占比较少。转碟曝气机是利用曝气转盘上的锲形凸块和凹坑进行扬水曝气，锲形凸块在污水中易磨损，且左右两边的磨损程度并不一致，一方面造成运转不平衡、能耗加大；另一方面使传动部件易受损，维修频率及维修费用明显增高；更重要的是曝气充氧能力也呈逐年递减，数年后仍需更新重置，投入成本明显增加。

2.3 立轴式表面曝气机

立轴式表面曝气传动原理或结构差异不大，但曝气叶轮的结构形式较多，如泵（E）型叶轮、开（K）型叶轮、平板叶轮和倒伞型叶轮等。

我国初期污水处理工程中应用的立轴式表面曝气机，大多是美国EIMCO公司的倒伞曝气机和荷兰DHV公司休柏特型的倒伞曝气机，以及国内仿制该两款曝气机的同类产品，其理论动力效率都未超过2.4kgO2/kW·h。国内在进行曝气产品技术认定以及编制行业标准时，一些单位的自我保护意识占据了主导地位，将立轴式曝气机的理论动力效力规定得较低，如JB/T10670-2006《倒伞型表面曝气机》中仅规定理论动力效率为2.1kgO2/kW·h；而在JB/T10670-2014《倒伞型表面曝气机》修订版中，倒伞型表面曝气机的理论动力效率仅规定为2.2kgO2/kW·h，似乎经过近十年的发展，倒伞型表面曝气机的性能指标仅提高了0.1 kgO2/kW·h 。事实并非如此，在JB/T12579-2015《多功能高效曝气装置》中规定：倒伞型曝气机的理论动力效率最低应为3.0kgO2/kW·h，可见立轴式表面曝气机在近十年中不仅有所发展，而且发生了颠覆性的创新革命。

纵观目前我国城镇污水处理厂普遍使用的三大类曝气设备，从能效比值、使用寿命、投资等方面进行比较，立轴式倒伞型曝气设备的应用占据较好优势，具有非常广阔的市场应用前景。

3 新旧两代倒伞曝气机的应用对比

下面将对山东寿光某污水处理厂使用的新旧两代倒伞型曝气机进行应用对比分析。

1、污水处理概况

处理能力12×104m3/d，处理工艺为连体三沟式卡鲁赛尔氧化沟工艺；单沟配备了3台叶轮φ4000mm倒伞曝气机，单沟处理能力4×104m3/d，全厂共用9台叶轮φ4000mm的倒伞曝气机，日处理水量12万～14万m3/d，单机处理负荷：40000/3=13333 m3/d。

2、进水水质：

该厂处理的污水是城市生活污水和工业废水的混合水，水质为：

CODcr ： 600mg/L BOD5：200～220 mg/L

3、原先使用曝气设备：

图1 山东寿光某污水处理厂早期使用的曝气机叶轮

选用的9台倒伞曝气机系国内某企业仿制休伯特型曝气机；曝气叶轮：φ4000mm（仿制的休柏特型），如图1所示。

配套电机：ABB

型号规格：M2QA315L 4A

功 率：160kW

输入电压：UN=380V

额定电流：IN=287.8≈288A转 速：i=1480r/min

减速机：SEW

型号规格：M3PVSF80

速 比：i=44.876

输出扭矩：T=117kN.m

传动效率: η=95.5%(经校核计算实为93.9%)

4、使用效果及存在问题

倒伞曝气机在运行时，由曝气机叶片推流扬起的水跃（类似瓢泼洒水）挟裹空气充氧，除了曝气机周边水花翻腾，池面根本观察不到微小气泡。且当曝气机叶轮浸没到一定深度时，电机不能驱动叶轮旋转，为了不使电机超负荷运行，故只好将曝气机叶轮上提，在低于规定的浸没深度条件下运行。

4.1 充氧量低：

设计需要的充氧量：340kgO2/单机 h

运行实际的充氧量：230kgO2/单机 h

由于将叶轮浸没深度减少运行，导致反应池充氧量严重不足。实际充氧量仅是设计要求充氧量的2/3，所处理的污水根本不能达标。

4.2 运行时的电能消耗高：

运行电流表显示的线电流 IN=265A。

9台倒伞曝气机全部满负荷运行，月电费为82.4577万元，年电费为989.4929万元。

4.3 原因分析：原曝气机能耗高、效率低的原因，除了电机减速机匹配选型存在问题，最根本的原因是仿制的休伯特型曝气叶轮存在结构缺陷。

5、改造

5.1改造方案

为降低改造费用，电机、减速机仍保留，只将9台仿制的休伯特型曝气叶轮全部更换成新型复合型倒伞叶轮。

5.2 改造前后运行情况对比见表1

表1倒伞表面曝气机改造前后运行时耗电情况对比表

表2新型倒伞型曝气机替换老一代设备取得的社会和经济效益分析表

表1是改造前后两代倒伞型曝气机运行时耗电情况对比表，改造后不仅出水水质得到更进一步的改善，且节能降耗效果方面：单台曝气机的输入功率下降42.81kW，全年累计节约电费242万元。

图2 改造后曝气机工作效果图

通过近一年的运行表明，改造后的表面曝气机在节能、降耗、增效方面达到了预期效果，为该公司降低了运行费用，达到了节能降耗、提高处理效果、增加经济效益的目的。

4 新型倒伞型曝气机推广应用的社会和经济效益对比

据统计，2014年全年排放COD2294.6万吨，若用新型倒伞型曝气机（即JB/T12579-2015《多功能高效曝气装置》中的最低论动力效率为3.0 kgO2/kW·h）对现有市场占比20%的老一代倒伞型曝气机（即JB/T10670-2014《倒伞型表面曝气机》规定的理论动力效率为2.2kgO2/kW·h的曝气机）进行改造，则实现的社会和经济效益对比见表2：

由表2可以看出，新型倒伞型表面曝气机的应用将带来非常显著的社会和经济效益。

5 结束语

环境保护已被列为基本国策，“节能降耗”是国家的一贯方针，“节能减排”是世界性的压力。在不断前进、改革的过程中，追求产品技术含量比追求效益的意义更加重大。当自身利益与社会效益发生冲突时，科研、设计、技术……所有的科技都必须放在首要位置，企业自身的利益做出坚决让步，只有从事环保装备的企业注重自身的社会形象、尊重科技，才能真正生产制造出高效、节能的环保设备，才能真正做到服务社会。■