1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。cA污水處理用表面曝氣機的節能效果與應用分析節能減排 科學發展污水處理用表面曝氣機的節能效果與應用分析張鑫珩， 王 穎， 吳天福（江蘇新天地環保工程裝備技術有限公司）摘 要：本文介紹了一種具有自主產權的高效率、低能耗的表面曝氣機，通過實際應用，與國內外所有倒傘曝氣機相比，其充氧動力效率高出80%以上，能耗下降30%左右，效果顯著。關鍵詞：復合葉輪倒傘曝氣機； 節能降耗； 應用效果1 引 言環境科學是多學科綜合的邊緣科學，污水處理工程技術幾乎涵蓋了化學、化工、生物、物理、水力、流體、輸送等學科和機械、材料

2、、電子、儀器儀表、自動化控制、起重、建筑等領域。所以，環境污染治理行業并非是一般的普通行業，而是一個復合型高新技術產業，要將該行業做好亦非易事。單就污水治理機械設備而言，至少要融會貫通機、電、流體、自動化控制和給排水專業技術。作為污水處理裝備技術人員也就必須成為集化學、生物和物理等專業科學知識于一體，并了解污水治理工藝的復合型技術人才，集研發、設計、制造能力于一身，并具有科技創新和發明創造環保機械產品的主動性。提出上述觀點的背景是我國的水污染治理技術裝備的自主創新和研究開發水平還比較低，與外國先進水平還有較大的差距。如果我們不正視這種現狀，不從科技開發和人才培養上下功夫，盲目夸大自身實力、沾沾

3、自喜，必將危及我國節能減排和環境保護的順利進行。我國環保產品制造業歷經近30年的發展和壯大，已經完成了從無到有的歷史使命。但以現在的工藝水平來審視，所有污水處理設備，除了粗、大、笨、能耗高、使用壽命短、維修麻煩以外，看不到技術含量較高的新產品，在世界環保產品的充氧機械技術前沿，充其量位居三流水平。因此，除了污水處理工程設施的投入外，維修費用的逐年再投入、還有保證污水處理設備正常運行所必須的能耗費用陸續不斷的投入，造成了污水處理費用虛高難降，給政府和民眾加重了用于污水處理的經濟負擔。中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要提出了“十一五”期間單位國內生產總值能耗降低20%左右，主要污

4、染物排放總量減少10%的約束性指標。同時，也提出了提高節能環保市場準入門檻、控制高耗能行業的過快增長以及提高高耗能產品差別電價標準的工作方案。時代的發展已經到了世界性的節能減排階段，而用于水污染處理等環保設備的節能降耗工作更應率先通過技術創新、應用推廣來達到節能降耗的目的與效果。2 我國曝氣裝備的發展過程及發展現狀在水污染治理工程工藝中，無論是AO法、A2/O法，或是SBR法及氧化溝法，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，從污泥回流到排泥和污泥脫水，最主要的能源消耗設備是各類水泵和曝氣設備，其次是污泥脫水與攪拌推流設備。這三個工藝段的設備能耗，約占污水處理廠設備

5、總能耗95%以上。采用生物方法處理各種污水，必須進行曝氣，而曝氣又是整個污水處理系統耗能最大的工藝段。一般而言，一個污水處理廠單為供氧曝氣而消耗的電能就約占據全廠總能耗的50%之多。因此，曝氣機械和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大事。縱觀曝氣機械和曝氣設備的發展歷史，可以看出人們的努力方向和取得的成就。早先，污水處理普遍使用原始的開孔型曝氣器，如擴散板、穿孔管等，此類曝氣設備充氧性能一般，而且阻力大，一旦堵塞，阻力更會急劇增加，其充氧性能就會明顯降低。后來，人們的注意力開始轉向空氣釋放器的研究，逐漸開發了螺旋式曝氣器和傘形曝氣器，此類曝氣器仍屬于大氣泡曝氣器，在70年代曾

6、經普遍應用于工業廢水的生物處理。80年代，受世界性能源危機的警示，人們開始重視節能并提高曝氣設備的充氧性能。剛玉和鈦板的中微孔曝氣器就是在這一段時間內誕生的，由于其性能較之老式大孔曝氣器有了較大提高，因此一經推出便迅速獲得廣泛的應用、占領了國內環保市場。90年代，國外新研發的可張孔橡膠膜微孔曝氣器（曝氣管）及鐘罩式微孔曝氣器相繼進入我國，又逐步取代了剛玉和鈦板的中微孔曝氣器，在國內污水處理廠和工業廢水設施得到普遍應用。此類曝氣器，氧轉移系數、氧利用率、動力效率得到很大提高，具有優良的充氧性能，但阻力大，易損壞，使用壽命短，維護修理非常麻煩，尤其是能耗相當高。從90年代開始，我國污水處理所使用的

7、曝氣設備，除了采用鼓風壓氣、微孔曝氣器擴散的底部曝氣形式外，還有鼓風壓氣射流曝氣。機械曝氣設備中，除自吸式潛水曝氣機、泵類曝氣機等動態曝氣裝置外，應用最多的就是旋轉型曝氣機。旋轉型曝氣機分為兩種類型，一種是臥軸（橫軸）式，如：轉刷型機械表面曝氣機、轉碟型機械表面曝氣機，另一種是立軸（豎軸）式的機械曝氣機。其中立軸式機械曝氣機又分不同類型，一類是電機及變速機構都潛沉在水底，通過葉輪旋轉產生負壓，自吸氣體進入水中混合的潛水型立軸曝氣機；另一類是電機及變速機構在上，葉輪在水面的分體式葉輪型機械表面曝氣機；在傳統的立軸式葉輪曝氣機行列中，其傳動原理或結構差異不大，但葉輪結構形式又分泵（E）型葉輪、開（

8、K）型葉輪、平板葉輪和倒傘型葉輪等。此外還有一個類型是通過水泵吸水、注入水射器，形成噴射挾氣的泵葉輪型旋轉射流曝氣機。上述各種類型的曝氣機都是為了相同的目的，起著同一個作用，并且全都需要大量電能供它們消耗轉換，方能達到一定的充氧曝氣的效果，它們在運行中的充氧效果各有千秋，但其能耗普遍較高。毋庸置疑，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，也達不到工藝要求。在污水處理行業，需要接受挑戰的是與先進工藝相適應的高效節能的曝氣設備。3 表面曝氣設備的性能比較與問題分析3.1 表面曝氣設備的性能比較所有采用動力的

9、曝氣都存在同一共性能源消耗與能效比的問題。目前，國內外曝氣機的能效比差異很大。不管是通過世行、亞行貸款引進、我國污水廠大量應用的美國EIMCO公司的倒傘曝氣機1，荷蘭DHV公司休柏特型的倒傘曝氣機，還是國內仿制的同類產品，其主要技術指標理論動力效率一般都未能超過2.8 kgO2/kWh（見表1）；而且國外進口曝氣機的性能參數，也只是國外供貨商自己宣傳的數值，或是通過計算得給出的，都未曾通過國內權威機構檢測認定和證明。受傳統曝氣設備的影響，我國的環保產品的認定及有關產品標準中規定的理論動力效率要求也偏低（僅為1.88kgO2/kWh），所以，與外國產品相比較時，很容易誤以為引進產品的技術性能就一

10、定先進。表1 曝氣設備充氧性能比較項 目理論動力效率（kgO2/kWh）充氧傳質形式優缺點浮動型泵葉輪表面曝氣機2.62.8提升混合型動力效力較高，但負壓區難以控制，易堵塞。豎軸式倒傘型表面曝氣機1.82.4完全混合型溶解氧表層高、中層低，底層無溶解氧。橫軸式轉碟型表面曝氣機2.02.6平流擴散混合型水體上、中、下溶解氧混合不均勻。橫軸式轉刷型表面曝氣機1.62.13.2 存在的主要問題泵型表面曝氣機的工作原理和性能與水泵相似，通過葉輪旋轉，使水急劇上下循環而形成強大回流，使液面不斷更新與空氣接觸而充氧，動力效率較普通倒傘曝氣機高，但葉輪制造工藝復雜，葉片偏多或偏少，分布位置稍有誤差等都會引起

11、運動失衡，如果負壓區控制或處理不好，會明顯導致充氧量急劇下降，動力消耗陡增。轉刷、轉碟等類型的橫軸式曝氣機，是通過揚水與負壓裹挾空氣的，其表面推流混合效果較強，但因浸沒深度很淺，實際充氧性能有限，中、下層面的水難被不具備吸汲能力的葉片揚起，故而曝氣池的水深一般都得控制在3.5m以內。否則，極易沉泥淤積。由此看來，盡管機械表面曝氣機不如目前普遍使用的橡膠膜微孔曝氣裝置的充氧性能好，動力效率雖然相對高于機械曝氣機（一般為4.46.0 kgO2/kWh），但因后者屬于靜態擴散型充氧傳質形式，完全不具備機械攪拌混合的功能與能力，充氧傳質存在盲區和死角，即使用攪拌機攪拌推流，也難使溶解氧均勻；而且微孔曝

12、氣器需要配備大型的鼓風機，但是風機的噪聲次生污染大，管線長、阻力大，功率大、耗電高，易破損、壽命短，維修保養非常困難。與結構簡單，使用管理、維修保養極為方便的機械表面曝氣機比較，顯得弊多于利。能否克服各自的缺點，融會彼此的優點，或集優點于一身？為我國城鎮污水處理廠提供一種性能優良的充氧曝氣設備呢？回答是肯定的。4 新一代倒傘曝氣機產品性能分析4.1 新產品的開發近年來，環保裝備有關專業技術人員通過多年的技術積累和創新研發，將葉輪結構不斷優化、改進、升華，又相繼研發而推出了復合型的葉輪曝氣機、組合射流葉輪曝氣機，不斷地為我國環保裝備行業增添新的曝氣設備或裝置。江蘇新天地環保工程裝備技術有限公司的

13、技術人員在張鑫珩總工程師的帶領下，憑藉在30年研發、制造實際工作中積累的技術經驗和創新思維與能力，認真分析了葉輪和曝氣池中流體的狀態，并與某大學聯合利用CFD軟件優化設計，先后獲發明專利授權：倒傘表曝機（發明專利號：ZL200410103093.7）和曝氣機葉輪（發明專利號：ZL200610097979.4），以及新一代曝氣機（發明專利申請號：200820165.4)。將立軸曝氣機的葉輪結構不斷優化、改進、升華，研發出了QFYB系列復合型葉輪曝氣機，擁有了自主創新的知識產權，通過應用和檢測證明，在節能降耗方面取得了非常顯著的效果，能耗下降了35%，為節能減排作出了貢獻。圖1、圖2分別為QFYB

14、系列復合型葉輪曝氣機旋向流態流場和上下循環流態流場的計算機模擬圖。圖1 曝氣機旋向流態、流場圖 圖2 曝氣機上下循環流態、流場圖QFYB系列復合葉輪表面曝氣機的特殊結構使設備安裝比國內外所有產品都簡便，葉輪、機座等全部可從水池上面吊裝。設備維修時，毋須整個編組停機，也不用將溝（池）中污水排放并沖洗干凈后拆卸葉輪，維護操作管理極為方便。4.2 性能檢測QFYB系列復合葉輪倒傘曝氣機屬于完全混合型，能充分利用吸入水中的氧氣，不僅故障率極低，而且曝氣與混合效果最優、能耗低、效率高、能效比在目前階段已超過了國內所有同類產品。經同濟大學環境保護產品檢測中心檢測，該專利產品葉輪直徑為f4000的復合葉輪倒

15、傘曝氣機總動力效率為3.27kgO2/kWh（經濟指標），充氧能力達366.7 kgO2/ h，理論動力效率（技術指標）為3.74kgO2/kWh。國家標準規定，清、污水中的換算值，即，取中值0.825計算，該曝氣機在清水中的動力效率已高達4.4 kgO2/kWh。圖3為復合葉輪表面曝氣機與國內外表面曝氣機在清水和污水中動力效率的比較；圖4為直徑4000葉輪表面曝氣機與國內外表面曝氣機的配套功率以及充氧能力的比較。可見在同等能耗的條件下，新一代具有自主知識產權的復合葉輪表面曝氣機充氧量比原有表面曝氣機高出80%以上，而在同等充氧量的基礎上能耗下降30%以上，若電費以0.75元/度計算，每處理1

16、m3污水，可節省電費0.1元以上。與國內外同類產品相比，如果是日處理規模為10萬噸污水處理廠，則1年可以節約電費360萬元。4.3 基本原理QFYB系列復合葉輪表面曝氣機和表面曝氣機的葉輪以及剛推出的發明專利200810156400.6組合射流葉輪曝氣機，技術創新都集中表現在曝氣葉輪上，與國內外所有曝氣機葉輪結構不同的是，它科學地運用了流體特性與水力機械性能，利用勢能、動能可以相互轉換的原理，當葉輪旋轉時，葉片起著各自不同的作用，隨著葉輪旋轉時產生的離心負壓（圖5為水力分析的該曝氣機葉片背面壓強分布圖），水池中的污水連續不斷地被吸汲的同時、大量的氣體被吸入，氣、液、固三相進行劇烈混合后，呈霧狀

17、旋向噴射；因為污水表面張力較強，氣泡體積也小，所以穩定時間長，許許多多微氣泡累計體積與單個氣泡的體積相同時，其表面積比單個氣泡大的多，因為微氣泡穩定時間長，氧氣在微氣泡中停留時間也會延長，氧氣在水氣泡中一方面對污水氣泡壁的有機物進行氧化，另一方面為微生物提供生存和繁衍條件的氧源；所以，只要曝氣葉輪旋轉運動，葉片便會連續不斷將池中的污水吸汲噴射，形成上下循環流，同時葉片又不斷地進行切向攪拌和整流，另一方面又進行平面推流，氧化溝中便形成了旋向噴射、上下循環、平面推流的立體流態，使氧化溝內表、中、底三個層面的污水中溶解氧均勻地驟增。5 工程案例與應用分析5.1 山東壽光中冶華天水務有限公司污水處理廠

18、5.1.1工程概況山東壽光中冶華天水務有限公司污水處理廠由中冶華天技術有限公司（原冶金部馬鞍山鋼鐵設計研究院）采用TOT的模式，獲取了30年的特許經營權。該污水處理廠處理能力12104m3/d，處理工藝為連體三溝式卡魯塞爾氧化溝工藝；單溝配備了3臺葉輪4000倒傘曝氣機，單溝處理能力4104m3/d，全廠共用9臺4000葉輪的倒傘曝氣機，日處理水量12萬14萬m3/d，單機處理負荷：13333 15555m3/d。5.1.2 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，BOD5：200220 mg/L。5.1.3 原先使用曝氣設備選用的9臺倒傘曝

19、氣機系國內某企業仿制休伯特型曝氣機。配套電機：ABB（江蘇大中電機公司產品） 型號規格：M2QA315L 4A圖5 葉片背面壓強分布圖 功 率：160kW 輸入電壓：UN=380V 額定電流：IN=287.8288A 轉 速：n1=1480r/min減速機：SEW天津公司出產 型號規格：M3PVSF80 速 比：i=44.876 輸出扭矩：TN2=117kN.m 傳動效率: =95.5%(經校核計算實為94.9%)曝氣葉輪：4000（仿制的休柏特型），如圖6所示。圖6 被自主知識產權曝氣機取代更換下來的休柏特型倒傘曝氣機葉輪5.1.4 存在問題1) 充氧量嚴重不足根據該廠技術人員提供的情況，曝

20、氣機葉輪浸沒到相應深度時，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，使葉輪半裸露于水面運行，但一旦半裸露于水面運行，單機充氧能力又會驟然下降。工程設計充氧量為340kgO2/ h（單機），將葉輪提升到水面運行，導致反應池充氧量嚴重不足，實際充氧量比設計要求缺失1/3，運行的實際充氧量為230kgO2/ h（單機），不能滿足設計充氧量的需要，而電機功率消耗減少有限，所以，處理的污水根本不能達標。2) 電能消耗虛高曝氣機運行時電流表顯示的線電流I0=265A。單機功率消耗：（含線損）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。

21、5.1.5 技術改造方案根據對采集數據的分析，得出結論：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以外，最根本的原因是仿制的休伯特型曝氣葉輪存在結構缺陷。運行時，由曝氣機葉片推流而揚起的水躍（類似瓢潑脈沖灑水）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浮起。由于葉輪甩水時負載較重，動力消耗自然增大。曝氣機的機械傳動機構中，如果軸承支點布置不合理，輸出軸懸臂過長也都可能造成能耗增高。我司專業技術人員向該污水廠書面提出了設備整改方案。1) 根據現狀，建議采用發明專利（專利號：ZL200410103093.7）復合葉輪倒傘曝氣機，取代現休伯特曝氣機，復合葉輪倒傘

22、曝氣機專利技術生產的產品經過國家權威檢測機構實地檢測，污水中的理論動力效率高達3.50 kgO2/kWh，完全能滿足工程設計需氧量340kgO2/ h（單機）的需要。2) 要達到理想的推流，必須增加推流器，將曝氣機的充氧混合與推流功能分開，使設備各自發揮最佳效果，同時節約能耗。氧化溝污水處理的工藝特點是推流式完全混合延時曝氣，單純依靠曝氣機實現以上所有功能是不可能的，功率分配也不合理，曝氣機充氧混合另加推流器進行底部推流絕不比單用曝氣機實現曝氣、推流復合功能的能耗高。方案交中冶華天工程有限公司技術論證后，便進行了實施。針對休伯特型曝氣機存在的主要問題，該公司為節約改造投資，決定保留電機和減速機

23、，采用發明專利復合葉輪曝氣機的葉輪和傳動機構。經過三個月的緊張施工，9臺曝氣機的節能降耗改造工作順利結束。5.1.6 改造前后的能效分析比較1）改造前A 減速機：M3PVSF80傳動比：i=44.876，額定輸出扭矩：TN2=117kNmB 減速機應配電機功率2該減速機匹配的電機功率應為450kW，而實配的電機為160kW。C 曝氣機運行能耗輸入功率：電機輸出扭矩： D 結果分析實配電機功率與減速機應配電機功率比：160kW：423.08kW=37.8%實際輸出扭矩與額定輸出扭矩比：46.331kNm0.995()：117kNm=37.8%實配電機功率與減速機應配電機功率比為37.8%，實系小

24、馬拉大車，假設選用與電機相匹配的減速機，可以減少曝氣機運行時的功率消耗，用132kW的電機就足矣，這樣用160kW的電機驅動葉輪4000的曝氣機，又委實是大馬拉小車。2）改造后在山東壽光中冶華天水務有限公司污水處理廠支持與密切配合下，發明專利新一代高效節能曝氣機全部取代了休柏特型倒傘曝氣機。通過近一年的運行證明，改造后的復合葉輪表面曝氣機在節能、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、額外增加經濟效益的目的。如果全國的有關污水廠都像山東壽光污水廠一樣對曝氣機進行節能降耗的改造，那么，全國因此所節約的電能將是驚人的數字，同時也為政府和民眾減輕了用于污水

25、治理的經濟負擔，這可是既減排又節能，真正實現了環境、社會、經濟三項效益的科學統一與可持續發展。表2 倒傘表面曝氣機改造前后運行時耗電情況對比表指標項目配套電機型號工作電壓（V)額定電流（A)運行電流（A)電流表指示情況單機輸入/消耗功率（kW)全年累計電費（萬元）節約電費（萬元/年）改造前MZQ315L-4A380287.8265指針跳動幅度大、不穩定155.2/174.4990242（扣除新增推流器的電耗仍可節約235萬元）改造后MZQ315L-4A380287.8200左右穩定117/131.6748指標項目CODcr(mg/l)BOD5(mg/l)氧化溝溶解氧(mg/l)充氧量(kgO2/h)提升能力混合能力流態流場處理前進水處理后出水處理前進水處理后出水表層中層底層改造前60015016020030420230不佳脈沖式大片狀改造后60010011020015444340很好沒有脈沖現象，霧狀噴射圖5-2 改造后的曝氣機運行中圖7為改造后的曝氣機在運行中，表2為該廠設備改造