王月萍

（中冶华天工程技术有限公司，安徽 马鞍山 243005）

浅析氧化沟常用曝气设备的能效值

王月萍

（中冶华天工程技术有限公司，安徽 马鞍山 243005）

对污水处理厂常用的几种曝气设备进行了技术对比和经济分析；简述了几种曝气设备能效比值不平衡的基本原因；介绍了一种在同等工艺条件下，工程构筑物占地面积小，高效、低耗的新型曝气设备。

能效比值；曝气设备；动力效率；节能理念

1 曝气设备的概况及应用

曝气设备是污水处理厂氧化沟工艺中的关键设备，也是污水处理工艺中的高能耗设备，其能耗占整个污水处理厂能源消耗的60%以上，因此，降低污水处理的成本，关键在于要选对曝气设备。选用高效低耗的曝气设备可以提高曝气充氧能力，更重要的是可以节约能源并降低污水处理的成本。

据统计，截至2012年底，我国共建有近4000座污水处理厂，其中约有25%的污水处理厂选用的是竖轴式曝气设备，约15%的污水处理厂选用卧轴式曝气设备，约50%的污水处理厂选用鼓风曝气，另约10%的污水处理厂采用其他形式的曝气设备。

污水治理工艺的曝气设备是污水治理工艺实施的重要保证，是污水治理成败的关键设备。过去的几十年内，曝气设备主要用于解决污水处理中的难题，并没有兼顾到设备的能耗，即设备的能效比问题。在提倡节能减排、降低污水处理成本的当今，对这些关键常用曝气设备进行能效值分析比较很有必要，只有通过分析比较，才能打破选用设备的惯性思维，树立节约能源的正确理念，才能促进我国曝气设备研发与生产的健康发展。

目前，我国应用的曝气设备形式林林总总，主要有表曝、底曝、潜水曝气机等，如表曝中的叶轮曝气机、转刷、转盘曝气机，有齿轮箱直接驱动、也有齿轮箱连接传动件驱动的各种形式的曝气机，其能效值各不相同。

关于曝气设备的选型依据，大多用户都是参照商家宣传的曝气设备的理论动力效率值，而理论动力效率仅仅是衡量曝气设备水力件——曝气叶轮技术工作性能的一个指标值（即技术指标），并非是整台曝气装置能耗与充氧量（即经济指标）的综合反映。能效比值能完整反映曝气设备的综合性能—技术指标值和经济指标值，即在标准状态下，单位时间的充氧量与整台装置全部消耗的电能的比值，其不仅能衡量水力件曝气叶轮的技术性能，同时也反映了驱动电机及传动机构的效率，因此能效比值可一目了然地反映曝气设备的性能优劣，是曝气设备技术、经济（运行费用）、综合性能评判的基本依据。

2 曝气设备的能效比值

2.1 曝气设备的能效比值计算公式

曝气设备的能效比值可用下列公式进行计算：

式中：E — 曝气设备的能效比值，kgO2/kW·h；

Q — 曝气设备的充氧量，kg；

U — 电压，V；

I — 曝气设备工作时的实际运行电流，A；

COSφ——电机功率因素。

2.2 污水治理工艺常用曝气设备的能效比值

污水治理工艺中常用的几种曝气设备的能效比值见下表。

曝气设备能效比值一览表 （单位：kgO2/kW·h）

2.3 常用曝气设备的应用实例分析

（1）平板型叶轮曝气机

该曝气机的水力构件——曝气叶轮的主要结构为平板下方均匀布置了若干只三角形铧犁式叶片，水力件叶轮在电机、减速传动装置的驱动下旋转工作，叶片对水体进行搅拌、抛洒（见图1）。

图1 平板型曝气机现场工作图

该形式的曝气设备在湖南省某污水处理厂应用，水力件叶轮直径为3000mm，配套电机额定功率为75kW，但实际工作时的充氧量严重不足，根本满足不了氧化沟工艺的需氧量。国外最先进的雷同产品标称理论动力效率（技术指标）为2.7kgO2/kW·h，但其实际的能效比值（经济指标）不大于2.2kgO2/kW·h。

原因分析：三角形铧犁式的叶片，虽然吃水深度较深，但由于忽略了泥水阻力系数，因而在运行时，同样的运行速度，叶片承受的阻力却大不相同，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）倒伞型叶轮曝气机

该曝气机的叶轮结构为：在直径不同的伞形叶轮下方呈辐射状均匀布置若干叶片，伞形叶轮旋转工作时，因离心力的作用，水体沿直立叶片周向甩出（见图2）。

图2 倒伞型叶轮曝气机

该型号的曝气设备曾经在山东某污水处理厂应用，曝气叶轮直径为4000mm，配套电机额定功率为160kW，选用了德国产安全系数为2.8的减速机，工作时的运行电流为265A，实测充氧能力为Q=230kgO2/h，则能效比值为

原因分析：由于叶轮的底部缕空，在运行时，叶轮底部的水随叶轮旋转的离心力环向抛洒，消耗了很大的功率，但被抛洒出的泥水混合体因为密度较高，加上叶轮叶片结构设计不尽合理，抛洒出的泥水不可能形成雾状而只能是大块片状，空气中的氧只能在片状水体的表面进行传质反应，故而充氧能力较低，即同样的能耗能效比值偏低。

（3）转刷曝气机

转刷曝气机主要由电机、减速传动装置及转刷主体构成，转刷主体设置了若干个钢制叶片。当转刷主体旋转时，水在不断旋转的转刷叶片的作用下，被平板叶片舀出抛洒到空气中，与裹入的空气混合，完成了将空气中的氧向水中转移的过程（见图3）。

图3 转刷曝气机及现场工作图

德国、丹麦以及日本等国家的转刷曝气机的理论动力效率均低于1.8kgO2/kW·h，即能效比不超过1.5kgO2/kW·h。

原因分析：根据水力特性，泥水的混合体是不可能在旋转的动态平板刷片上停留的，更不可能载携较多的泥水随刷片旋转上扬，因而这种曝气形式的能效比值注定不可能高。

转刷曝气机限制了氧化沟的最大有效水深不宜超过3.5米，在处理污水量相同的情况下，氧化沟的占地面积较普通的竖轴式曝气设备要大很多。因此，转刷曝气机的综合经济技术性能不高。

（4）转碟（盘）曝气机

转碟（盘）曝气设备与转刷曝气机的区别在于曝气水力构件为曝气转盘，盘面上设有等腰三角形楔形凸块和小型凹坑。其现场工作图见图4。

图4 转碟曝气机现场工作图

转碟曝气机的理论动效率均不大于2.0kgO2/kW·h，其能效比值相应较低，不超过1.65 kgO2/kW·h。

原因分析：转碟（盘）曝气机的工作原理主要是应用了液体的附壁效应，工作时，三角形的楔形凸块与凹坑将水体切向抛洒，与裹入的空气进行接触混合，但楔形凸块与凹坑所能截扬的水体同样不可能很多，能效比值也不会高。另外，由于转碟曝气机的转盘为非金属材料制成，三角形楔形凸块在泥水混合介质中工作时极易被磨损，曝气性能也会逐年衰减，一般在运行两年后，曝气效果就会明显降低，三角形凸块棱角逐渐被磨钝成为稍带棱边的亚流线形，不能如新设备在开始使用时那样推水上扬，最终导致充氧量与工艺设计的需氧量差距太大，5～6年后不得不更换曝气转盘，但更换曝气盘的再投入会很大，因而其综合经济技术性能也差。

目前国内在用的转刷曝气机、转碟曝气机均系国外20世纪50～60年代的产品，国外已经淘汰，但在国内仍有不少污水处理厂还在使用，与国家低碳环保的方针相悖。

（5）微孔曝气装置

微孔曝气装置属于鼓风曝气类，由空气发生设备（如风机）供风，通过管路向布置在水池底部的曝气头（如盘式、管式橡胶分散布气器，刚玉、陶瓷布气器等）供风向污水中扩散传质（见图5）。曝气头的工作原理与家用淋浴的莲蓬头和花洒一样，将集中的气输入水底，通过微孔分散成若干细流在水中扩散。

图5 微孔曝气装置现场工作图

一些膜片式微孔曝气头的生产厂商在宣传册中称其理论动力效率高达5.5kgO2/kW·h，但因刚玉、陶瓷、橡胶的弹缩率各不相同，该数值其实只反映了该类曝气头在安装初期的气体释放能力，若将风机能效比值、传动效率及管路压降综合折算后，该曝气装置的初期能效比不超过3.0kgO2/kW·h。

原因分析：空气经过橡胶膜片式微孔曝气头释放为气泡的过程中会产生阻力，加之污水中的钙镁积垢堵塞，削弱了膜片式曝气头的弹性，随着日积月累垢物的堵塞，这种阻力也将逐渐增大，理论动力效率及能效比值均会逐年下降。

大多选用微孔曝气装置的用户只是误将曝气装置第一年的曝气效果看作是其始终如一的水平，事实上绝大多数的膜片式微孔曝气在使用4～5年后，其阻力损失即为8000～9000Pa。

微孔曝气装置经在多家污水处理厂的应用证实，从第二年开始每年需对膜片进行维护清洗，同时必须逐年更换掉一部分曝气头，直到5～6年后全部更新。足见，采用微孔曝气装置的后期维护、保养费用极高。

3 曝气设备的发展

3.1 曝气设备的应用现状

目前，国内选用的曝气设备品种较为复杂，上世纪末本世纪初，国内众多的污水处理厂相继引进了荷兰DHV公司、兰迪公司、美国EMIC公司等外商生产的表面曝气机，鉴于彼时国内企业对这些设备的认知有限，无专业技术能力或是无暇对这些引进的设备进行性能、效率及能效等方面的检测，只能注重设备的使用寿命长、可靠性高的特点。因而在使用过程中，为这些设备的高能耗以及维修配件价格昂贵而付出了巨额学费。

我国环保装备特别是污水净化设备的制造起步于20世纪80年代初，初始总认为环保装备属粗、大、笨，没有什么技术含量。所以某些地区的乡、镇、村办企业借机迅速介入环保行业，导致这个阶段的环保产业只是外延扩大、低水平重复、科技含量极低，绝大多数产品都始于一知半解的互相抄袭仿制，缺少原创设计，使环保产品的研发、制造经历了二十多年的技术徘徊。

三十多年的实践已经证明，我国环保产业的发展，依靠过去的乡镇企业或作坊式的个体企业，是不可能研发出具有较高技术含量的关键设备的，道理很简单，这类小型企业只可能抄袭模仿，不可能真正投入资金研发新产品，因为一旦研发失败，损失的是自己的利益，故而环保产业发展至今，行业内的同类产品竞争日趋激烈，一些小企业为此竞相压价，导致环保产品市场存在生产偷工减料，产品质量外观粗糙，设备运行可靠性差、使用寿命短，处理效果达不到工艺要求，设备维修技术革新能力欠缺，运行成本高，环保产品成套化、系列化水平低，多品种、乱标准甚至是无标准化生产，严重地影响了投资效益，极大地浪费了国家的能源。

3.2 曝气设备的发展及新型多功能、高效率曝气机

随着国家环境保护力度的加强，水污染治理的市场需求不断提高，在短短的一二十年间，各级环保研究院所、众多高等学府，亦或是企业与院校合作的“产、学、研”结合体，以及若干省级、国家级的环保工业园，纷纷以“项目”的名义争取国家资金扶持，但在氧化沟常用曝气设备方面，最终能拿出与国外先进同类产品相比者几乎没有，应用在工程中的装备成果与国家所投入的扶持资金不成正比。

“自吸式复合叶轮曝气机”是由国内企业的环保装备专家带领技术团队潜心研究出来的高科技含量的一种新型多功能、高效率曝气机，该曝气机是集汲水喷洒、扬水挟气、吸气喷射三位一体的多功能叶轮曝气机，奇特的水力构件（曝气叶轮）颠覆了当今世界上所有曝气机的叶轮结构形式，打破了普通曝气机只能完成一次传氧过程的曝气模式，巧妙地将机械运动与流体特性完美结合（见图6）。

图6 新型复合叶轮曝气机现场工作图

该技术成果目前已在国内多家污水处理厂应用并通过了有关检测。新型的复合叶轮曝气机在某污水处理厂对仿休柏特型曝气设备进行改造后，运行电流为225A，实际充氧量为Q=350kgO2/h，其能效比值实为2.5kgO2/kW·h。改造后的9台曝气设备全年节约电费200万元（以电费缴费单前后对比为证）。

该新型曝气设备与国外目前最先进的曝气设备相比，动力效率与能效比提高了30%～50%（见图7）；因为工作时的有效水深比现有的水深提高了2/5左右，因而处理同量的水，工程占地面积节约了1/3～2/5，从而大幅度节省了一次性投资与运行费用；又因该曝气设备颠覆了当今世界上所有机械曝气设备的现有功能，而且延长了使用寿命，节省了维修和保养的再投资。该自主原创发明成果不但获得了国家专利授权（中国专利授权号：201210095371.2），而且申报了美国专利（美国专利申请号：PCT/CN2013/073243）。

图7 新型复合叶轮曝气机与转碟曝气机同时工作效果比较

4 结语

用户在选用曝气设备时，不能只是简单地从表面看曝气设备的理论动力效率和价值，而应根据自身的处理量优先选择适用的、能效比值高的曝气设备，能效值高的设备价格目前虽比普通曝气设备略高，但是其运行所节约的费用远远超过了对其投入的费用。

我国企业原创发明的“自吸式复合叶轮曝气机”，多功能、高效率，并使国产污水处理装备的研发迈上了一个新的台阶。该新型曝气机的能效比值现已超过了国内外所有曝气设备的能效比值，仅一家日处理量为12万吨的污水处理厂，在同等条件下便能节约价值200多万元的电能，既节约了能源又创造了高的经济效益。

[1] 张鑫珩.国内外的潜水搅拌机和倒伞曝气机能效比较[J].中国环保产业，2006（12）：28-30.

[2] 张鑫珩.关于提升我国环保装备技术水平的建议[J].中国环保产业，2010（8）：31-34.

[3] 丁南华，任洪强，王家廉.浅谈宜兴市环保企业体制转型创新发展模式[J].中国环保产业，2014（6）：47-49.

声 明

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《中国环保产业》编辑部

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