文 | 機(jī)械工業(yè)環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心王春蘭

中冶華天工程技術(shù)有限公司張?chǎng)午?/p>

1 概述

環(huán)境科學(xué)是多學(xué)科綜合的邊緣科學(xué)，環(huán)境污染治理行業(yè)并非是一般的普通行業(yè)，是一個(gè)復(fù)合型產(chǎn)業(yè)，一個(gè)污水處理工程幾乎涵蓋了化學(xué)、化工、生物、物理、水力、流體、輸送等領(lǐng)域。

污水處理工程中，工藝與設(shè)備是相輔相成的，即使有再高級(jí)的設(shè)備而缺乏可行的工藝去應(yīng)用，設(shè)備發(fā)揮不了相應(yīng)的作用；反之，即使最好的污水治理工藝，如果沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備用以保證工藝實(shí)施，也是達(dá)不到工藝要求的?？梢赃@樣結(jié)論：在污水處理行業(yè)，需要接受挑戰(zhàn)的并非是工藝，而是與工藝相適應(yīng)的高效節(jié)能的曝氣設(shè)備！

在水污染治理工程工藝中，無(wú)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?dāng)嚢?，從曝氣充氧到推流循環(huán)，從排泥到污泥脫水，最主要的能源消耗設(shè)備是水泵和曝氣設(shè)備，其次是攪拌推流設(shè)備。這三段工藝設(shè)備的能耗，占污水處理廠(chǎng)設(shè)備總能耗95%以上。

2 常見(jiàn)污水處理曝氣設(shè)備應(yīng)用比較

采用生物方法處理各種污水的其中一關(guān)鍵工藝——曝氣工藝，是整個(gè)污水處理系統(tǒng)能耗最高的工藝段。因而，曝氣設(shè)備的供氧性能和能耗水平歷來(lái)就是業(yè)界關(guān)心和重視的核心問(wèn)題。

污水處理廠(chǎng)常用的曝氣設(shè)備有：采用風(fēng)機(jī)供風(fēng)式的底層微孔曝氣設(shè)備，約占市場(chǎng)40%；臥軸式表面曝氣，約占市場(chǎng)25%；立軸式表面曝氣，約占市場(chǎng)20%。不論采用哪種型式的曝氣設(shè)備，都需要大量電能供它們消耗轉(zhuǎn)換，方能達(dá)到曝氣的效果，它們?cè)谶\(yùn)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(jì)初期出現(xiàn)的小孔徑曝氣器，發(fā)到近年來(lái)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(zhuǎn)移系數(shù)、氧利用率、能效比值等方面都有了顯著的提高，在不考慮風(fēng)機(jī)能效的前提下，可變微孔曝氣的理論動(dòng)力效率已達(dá)4～6kgO2/kW·h。

但這種擴(kuò)散型充氧傳質(zhì)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(qū)和死角，水中溶解氧不均勻；③曝氣頭維護(hù)、保養(yǎng)、更換破損的曝氣頭困難，有時(shí)會(huì)影響正常生產(chǎn)；④微孔易堵塞，曝氣能力逐年衰減，表現(xiàn)為壽命短。⑤微孔曝氣器需要配備強(qiáng)大的鼓風(fēng)機(jī)，管線(xiàn)長(zhǎng)、阻力大，功率大、耗電高。

微孔曝氣用于市政污水時(shí)，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(fèi)用很高，無(wú)形增加了污水處理的成本。

2.2 臥軸式表面曝氣機(jī)

臥軸式表面曝氣機(jī)包括臥軸式轉(zhuǎn)刷和轉(zhuǎn)碟兩種曝氣設(shè)備，這種曝氣設(shè)備的曝氣充氧能力受浸沒(méi)深度影響較大，并且需與導(dǎo)流板配合使用。臥軸式表面曝氣機(jī)推流效果較好，相對(duì)的曝氣充氧力能力較低，而且呈現(xiàn)表面富氧、中、底部貧氧的不均勻缺陷。

臥軸式轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)因?yàn)槟苄П戎递^低，市場(chǎng)占比較少。轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)是利用曝氣轉(zhuǎn)盤(pán)上的鍥形凸塊和凹坑進(jìn)行揚(yáng)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(yùn)轉(zhuǎn)不平衡、能耗加大；另一方面使傳動(dòng)部件易受損，維修頻率及維修費(fèi)用明顯增高；更重要的是曝氣充氧能力也呈逐年遞減，數(shù)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(jī)

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

我國(guó)初期污水處理工程中應(yīng)用的立軸式表面曝氣機(jī)，大多是美國(guó)EIMCO公司的倒傘曝氣機(jī)和荷蘭DHV公司休柏特型的倒傘曝氣機(jī)，以及國(guó)內(nèi)仿制該兩款曝氣機(jī)的同類(lèi)產(chǎn)品，其理論動(dòng)力效率都未超過(guò)2.4kgO2/kW·h。國(guó)內(nèi)在進(jìn)行曝氣產(chǎn)品技術(shù)認(rèn)定以及編制行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一些單位的自我保護(hù)意識(shí)占據(jù)了主導(dǎo)地位，將立軸式曝氣機(jī)的理論動(dòng)力效力規(guī)定得較低，如JB/T10670-2006《倒傘型表面曝氣機(jī)》中僅規(guī)定理論動(dòng)力效率為2.1kgO2/kW·h；而在JB/T10670-2014《倒傘型表面曝氣機(jī)》修訂版中，倒傘型表面曝氣機(jī)的理論動(dòng)力效率僅規(guī)定為2.2kgO2/kW·h，似乎經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，倒傘型表面曝氣機(jī)的性能指標(biāo)僅提高了0.1 kgO2/kW·h 。事實(shí)并非如此，在JB/T12579-2015《多功能高效曝氣裝置》中規(guī)定：倒傘型曝氣機(jī)的理論動(dòng)力效率最低應(yīng)為3.0kgO2/kW·h，可見(jiàn)立軸式表面曝氣機(jī)在近十年中不僅有所發(fā)展，而且發(fā)生了顛覆性的創(chuàng)新革命。

縱觀目前我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)普遍使用的三大類(lèi)曝氣設(shè)備，從能效比值、使用壽命、投資等方面進(jìn)行比較，立軸式倒傘型曝氣設(shè)備的應(yīng)用占據(jù)較好優(yōu)勢(shì)，具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

3 新舊兩代倒傘曝氣機(jī)的應(yīng)用對(duì)比

下面將對(duì)山東壽光某污水處理廠(chǎng)使用的新舊兩代倒傘型曝氣機(jī)進(jìn)行應(yīng)用對(duì)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(tái)葉輪φ4000mm倒傘曝氣機(jī)，單溝處理能力4×104m3/d，全廠(chǎng)共用9臺(tái)葉輪φ4000mm的倒傘曝氣機(jī)，日處理水量12萬(wàn)～14萬(wàn)m3/d，單機(jī)處理負(fù)荷：40000/3=13333 m3/d。

2、進(jìn)水水質(zhì)：

該廠(chǎng)處理的污水是城市生活污水和工業(yè)廢水的混合水，水質(zhì)為：

CODcr ： 600mg/L BOD5：200～220 mg/L

3、原先使用曝氣設(shè)備：

圖1 山東壽光某污水處理廠(chǎng)早期使用的曝氣機(jī)葉輪

選用的9臺(tái)倒傘曝氣機(jī)系國(guó)內(nèi)某企業(yè)仿制休伯特型曝氣機(jī)；曝氣葉輪：φ4000mm（仿制的休柏特型），如圖1所示。

配套電機(jī)：ABB

型號(hào)規(guī)格：M2QA315L 4A

功 率：160kW

輸入電壓：UN=380V

額定電流：IN=287.8≈288A轉(zhuǎn) 速：i=1480r/min

減速機(jī)：SEW

型號(hào)規(guī)格：M3PVSF80

速 比：i=44.876

輸出扭矩：T=117kN.m

傳動(dòng)效率: η=95.5%(經(jīng)校核計(jì)算實(shí)為93.9%)

4、使用效果及存在問(wèn)題

倒傘曝氣機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由曝氣機(jī)葉片推流揚(yáng)起的水躍（類(lèi)似瓢潑灑水）挾裹空氣充氧，除了曝氣機(jī)周邊水花翻騰，池面根本觀察不到微小氣泡。且當(dāng)曝氣機(jī)葉輪浸沒(méi)到一定深度時(shí)，電機(jī)不能驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，為了不使電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，故只好將曝氣機(jī)葉輪上提，在低于規(guī)定的浸沒(méi)深度條件下運(yùn)行。

4.1 充氧量低：

設(shè)計(jì)需要的充氧量：340kgO2/單機(jī) h

運(yùn)行實(shí)際的充氧量：230kgO2/單機(jī) h

由于將葉輪浸沒(méi)深度減少運(yùn)行，導(dǎo)致反應(yīng)池充氧量嚴(yán)重不足。實(shí)際充氧量?jī)H是設(shè)計(jì)要求充氧量的2/3，所處理的污水根本不能達(dá)標(biāo)。

4.2 運(yùn)行時(shí)的電能消耗高：

運(yùn)行電流表顯示的線(xiàn)電流 IN=265A。

9臺(tái)倒傘曝氣機(jī)全部滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，月電費(fèi)為82.4577萬(wàn)元，年電費(fèi)為989.4929萬(wàn)元。

4.3 原因分析：原曝氣機(jī)能耗高、效率低的原因，除了電機(jī)減速機(jī)匹配選型存在問(wèn)題，最根本的原因是仿制的休伯特型曝氣葉輪存在結(jié)構(gòu)缺陷。

5、改造

5.1改造方案

為降低改造費(fèi)用，電機(jī)、減速機(jī)仍保留，只將9臺(tái)仿制的休伯特型曝氣葉輪全部更換成新型復(fù)合型倒傘葉輪。

5.2 改造前后運(yùn)行情況對(duì)比見(jiàn)表1

表1倒傘表面曝氣機(jī)改造前后運(yùn)行時(shí)耗電情況對(duì)比表

表2新型倒傘型曝氣機(jī)替換老一代設(shè)備取得的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益分析表

表1是改造前后兩代倒傘型曝氣機(jī)運(yùn)行時(shí)耗電情況對(duì)比表，改造后不僅出水水質(zhì)得到更進(jìn)一步的改善，且節(jié)能降耗效果方面：?jiǎn)闻_(tái)曝氣機(jī)的輸入功率下降42.81kW，全年累計(jì)節(jié)約電費(fèi)242萬(wàn)元。

圖2 改造后曝氣機(jī)工作效果圖

通過(guò)近一年的運(yùn)行表明，改造后的表面曝氣機(jī)在節(jié)能、降耗、增效方面達(dá)到了預(yù)期效果，為該公司降低了運(yùn)行費(fèi)用，達(dá)到了節(jié)能降耗、提高處理效果、增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。

4 新型倒傘型曝氣機(jī)推廣應(yīng)用的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全年排放COD2294.6萬(wàn)噸，若用新型倒傘型曝氣機(jī)（即JB/T12579-2015《多功能高效曝氣裝置》中的最低論動(dòng)力效率為3.0 kgO2/kW·h）對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)占比20%的老一代倒傘型曝氣機(jī)（即JB/T10670-2014《倒傘型表面曝氣機(jī)》規(guī)定的理論動(dòng)力效率為2.2kgO2/kW·h的曝氣機(jī)）進(jìn)行改造，則實(shí)現(xiàn)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見(jiàn)表2：

由表2可以看出，新型倒傘型表面曝氣機(jī)的應(yīng)用將帶來(lái)非常顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)境保護(hù)已被列為基本國(guó)策，“節(jié)能降耗”是國(guó)家的一貫方針，“節(jié)能減排”是世界性的壓力。在不斷前進(jìn)、改革的過(guò)程中，追求產(chǎn)品技術(shù)含量比追求效益的意義更加重大。當(dāng)自身利益與社會(huì)效益發(fā)生沖突時(shí)，科研、設(shè)計(jì)、技術(shù)……所有的科技都必須放在首要位置，企業(yè)自身的利益做出堅(jiān)決讓步，只有從事環(huán)保裝備的企業(yè)注重自身的社會(huì)形象、尊重科技，才能真正生產(chǎn)制造出高效、節(jié)能的環(huán)保設(shè)備，才能真正做到服務(wù)社會(huì)?！?/p>