液下曝气机结构国内外研究概况及发展趋势

李维斌 施卫东

摘要：对目前国内外液下曝气机结构研究情况进行了概述，分析了目前液下曝气机运行过程中存在的问题，结合实际提出了开发研制新型液下曝气机结构及相应的控制模式，为今后液下曝气机研究开发指明了研究方向。

关键词：液下曝气机；结构；控制模式；发展趋势

中图分类号：Ｓ２７７．９文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）03－0579-04

Ｄｉｓｓｃｕｓｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｅｒａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ＬＩ Ｗｅｉ－ｂｉｎａ，ＳＩ Ｗｅｉ－ｄｏｎｇｂ

（ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ； ｂ．Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３， Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ uｎｄｅｒｗａｔｅｒ aｅｒａｔｉｏｎ mａｃｈｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ eｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ fｉｅｌｄ， ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ uｎｄｅｒｗａｔｅｒ aｅｒａｔｉｏｎ mａｃｈｉｎｅ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ uｎｄｅｒｗａｔｅｒ aｅｒａｔｉｏｎ mａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｓｅｄ． Ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ uｎｄｅｒｗａｔｅｒ aｅｒａｔｉｏｎ mａｃｈｉｎｅ ｌａｔｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｅｒａｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ； ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｓ

城市污水处理和工业废水处理是环保产业“十二五”发展重点之一，即重点发展日处理能力２０万t以上的城市污水处理技术和设备，其中包括研制开发适用于不同工况的新型曝气设备及其制造工艺。根据我国加快城镇化建设的要求，加速发展日处理能力１０万t以下的中小型城市污水处理技术和设备。因此，研究开发曝气设备并进行产业化具有很高的经济效益和社会效益。而对曝气机曝气部件的设计及其曝气机理研究则是上述所有开发研究的基础［１，２］。

城市污水主要污染物基本都是容易被微生物分解的物质。在城市污水处理工艺技术方案中，采用曝气充氧培养微生物对有机污染物质进行分解，一般都是采取初沉、曝气、二沉、回流或排出的工艺流程；近年来还出现了曝气、二沉、回流或排出的三合一体间歇式曝气工艺。城市污水属于可生化处理的中性污水，工艺技术要求并不复杂，而处理工艺技术方案的关键是曝气技术的选用［３，４］。

曝气充氧是城市污水处理工艺运行中最重要的技术保障手段，也是工艺运行的动态控制核心；在城市污水处理运行费用中，动力消耗所占比例约为８０％，而曝气充氧能耗又要占装置总动力消耗的约８０％；由此可见，所选用的曝气形式及技术在城市污水处理工艺技术方案中的重要地位［５］。

曝气机作为曝气充氧的主要设备，其性能的好坏决定污水处理成本的高低，文章针对目前国内外曝气机结构现状，提出改进曝气机结构，从而达到提高曝气机充氧、节约能源的目的。

１国外曝气机研究情况

国外曝气机的生产已经成系统、成规模的进行。各种类型曝气机规格齐全、品种繁多，目前研究的重点为曝气机的最优（经济性）运行以及相应基础研究。下面介绍国外对曝气机主要的研究方向。

１．１与溶氧效率有关的参数

溶氧效率也就是溶氧量与能耗的关系，是衡量曝气机曝气性能的一个主要指标。国外已经开始研究曝气机的各种几何参数和运行参数对溶氧效率的影响。Ｏｇｎｅａｎ［６］研究了立轴式曝气机的溶氧量和能耗之间的关系，认为对于一个理想的曝气机，为了得到最优的溶氧效率，转速和溶氧体积都是惟一确定的，现在这种理论已经得到了共识。也就是为了获得最优的溶氧效率，必须合理确定曝气机的几何参数（叶轮直径等）、运行参数（转速、溶气量）。

Ｍｉｃｈａｅｌ等［７］研究了不同的桨轮直径、桨轮长度、深度和桨轮转速下小型桨轮曝气机溶氧量与能耗的关系，这些数据为设计不同马力的桨轮曝气机提供了最优设计准则［６，７］。

１．２以溶氧效率为基础的经济性比较及试验

以溶氧效率为基础可以衡量各种曝气机的经济性。例如在含盐度为１０％～３０％的海水中，复叶曝气机的溶氧效率为１．２０ ｋｇ Ｏ２／（ｋW·ｈ），而小型桨轮曝气机的溶氧效率为 ０．８５ ｋｇ Ｏ２／（ｋW·ｈ）。

在池塘水产业中，大型池塘一般用桨轮曝气机和复叶曝气机，而小型池塘一般用散气曝气系统或者立泵曝气机。池塘水产业中的标准溶氧效率为１．３６ ｋｇ Ｏ２／（ｋW·ｈ），而这些曝气设备的溶氧效率大多数超过２．0０ ｋｇ Ｏ２／（ｋW·ｈ）［８－１０］。

国外对不同曝气设备的经济性评价已经有了系统的评价理论和完善的设备。由于不同的操作环境（污水特性）对溶氧效率的影响不同，因此，国外已经制订了用于标定曝气设备溶氧效率的标准条件和现场条件两种不同的标准。标准条件就是在清水或者自来水中进行测试，而现场条件就是在现场或者相似的污水中进行试验。

综上所述，国外对曝气机的研究都是在充氧机理及经济化运行方面，而对于结构的改进等方面研究较少。

２国内曝气机研究情况

国内对曝气机的研究在上个世纪末还基本上是空白，对于城市生活污水和工业废水的处理，以前基本上是采用溶气气浮（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ａｉｒ Ｆｌｏｔａｔｉｏｎ）设备，后来逐步开始进口国外的产品。现在在污水处理行业中仍然有应用其他替代设备的情况。21世纪以后国内开始有企业进行相关产品的生产，但是对于曝气机结构的设计理论和曝气机理的研究尚需进一步深入。

２．１表面曝气

曝气分为表面曝气、浅层曝气和深层曝气等，表面曝气常用的有转刷曝气和转盘曝气。转刷曝气主要用于氧化沟的曝气，对污水进行充氧。刷体由碳钢或不锈钢材料制成，具有曝气、水平推流以及混合等作用，是理想的曝气设备。其工作原理是在一个主轴上均匀布置刷体，刷体在驱动装置的作用下随主轴一起旋转，刷片与水接触，将水抛入空中，形成水跃，充分与空气接触，空气迅速溶入水中，完成充氧过程。转刷曝气机的主要特点有：①采用专用机构以及调心轴承，自动保持轴及刷片的平稳运行；②刷片采用不锈钢或者碳钢镀锌材料，耐腐蚀，寿命长达１０年以上；③安装维护方便，投资小，运行费用低廉；④可根据氧化沟宽度灵活布置，并可根据溶解氧自动控制运行［１１］。

同转刷曝气机一样，转盘曝气机也主要用于氧化沟的曝气，对污水进行充氧。这种曝气机的转盘上均匀布置着无数的轮牙、泼水瓢、贮氧沟和离心槽，盘片在传动装置的驱动下快速旋转，将水抛入空中与空气接触，空气迅速溶于水中，达到充氧的目的。具体各个部件的作用为：轮牙主要起推动作用；泼水瓢使水雾与氧气充分混合，处于饱和状态，再落入池中，它形成流线型，阻力小，泼水效果好。贮氧沟强制将沟内的气泡带入水中并切割打碎，使之充分与池内的水混合。离心槽则使停留在盘片处的“死水”在离心力的作用下沿离心槽射出，并和氧气充分接触。这种曝气机的特点为：①传动机构运行可靠；②盘片采用复合玻璃钢模压成型，耐腐蚀，寿命长达１０年以上；③安装维护方便，运行费用低；④充氧能力不够时可以加装盘片，增加充氧能力；⑤可以用一台驱动电机拖动两台转盘，中间采用双出轴减速机拖动，负荷平衡；⑥可根据氧化沟宽度灵活布置，并可根据溶解氧自动控制运行［１２］。

２．２浅层曝气

浅层曝气主要用于印染、石油化工、煤气、农药、造纸、制革等工业废水及城市污水的净化处理，可以安装在活性污泥法的生物化学处理的曝气池中，集搅拌、混合、充氧为一体，高效繁殖好氧菌。图１和图２为两种不同的浅层叶轮曝气机。从图中可以看出，两种浅层曝气机的淹没深度只有１０ ｃｍ和４ ｃｍ。

图１为倒伞形曝气机，其工作原理是污水在旋转叶轮叶片的强力推进下，水幕从叶轮周边甩出，形成水跃，裹进大量空气，叶轮由下向上呈锥形扩大，运行时迫使污水上下循环流动，不断更新液面，致使污水和空气大面积混合，溶解大量氧气，供给微生物吸收，达到净化污水的目的。这种曝气机适用于活性污泥处理污水的各种曝气池等工业废水和城市生活污水的处理，特别适用于卡鲁塞尔氧化沟中。图２为Ｅ形叶轮曝气机［１３，１４］。

２．３深层曝气（液下曝气）

深层曝气包括射流曝气和叶轮曝气两种，主要特点是曝气设备在液面以下，气体是通过引气管导入的，这种曝气设备由于是在深水处，噪音小，是目前广泛采用的曝气方法。

下面主要介绍叶轮式深层曝气，叶轮式深层曝气又根据电机是否在液下分为液下曝气机和潜水曝气机两类。

2.3.1液下曝气机图３是两种节能型液下曝气机，图３中①为增压节能曝气机，这种曝气机的工作原理是：电动机带动导气管内的送风增压叶轮高速旋转，通过高速旋转的两级（或多级）送风增压叶轮，使进气的流速和压力得到提高，气流再经加速导向锥作用速度得到更进一步提高。同时搅拌推动流叶轮高速旋转，在叶背和叶前中心尾流区产生较强负压，空气通过导气直管和多级空气传动增压加速装置直接吸入。水从叶背进入，水和气在混合室内混合并被强烈搅拌，混合液在叶轮的推力作用下进入混液区，重新被压力水渗透乳化，通过导向分配器形成高速水柱，定向辐射到水池的纵深服务面上，乳化后的空气因失压迅速分离成微小气泡，从而提高了氧的转移率，达到了充氧净化污水的目的。

图３中②为国内某代理公司引进的美国专利曝气技术——美国ＡＥＲＯＭＩＸ公司生产的微风微细曝气器。该曝气机微气泡总量和直径可方便调节，可适应不同粒径悬浮物的去除，同时避免了泡沫和浮渣的外溢。引气曝气机微气泡的产生是利用电机带动周边有微孔的散气盘高速旋转，在水中形成一个负压区，液面上的空气被吸入水中去填补真空，空气进入水中，被转盘割成直径１０～１００ μｍ的气泡［１５，１６］。

其工作原理是：待处理的污水首先经进水口进入装有引气曝气机的小型充气段，在充气段内污水上升过程中与曝气机产生的微气泡混合，形成气水混合物。由于气水混合物和液体之间密度不平衡产生了一个垂直向上的浮力，上浮过程中，微气泡附着在固体悬浮物上，将固体悬浮物浮到水面并在气泡的支撑下维持在水面上，间歇地被链条式割渣机从气浮槽的进口推倒出口端，通过螺旋输送器将其排出，净化的污水经溢流槽排放或去下一级处理设施。

2.3.2潜水曝气机潜水电机就是电机也淹没于水下的曝气机组。潜水曝气机有效利用流体喷射及离心泵工作原理，采用潜水电机直接驱动叶轮高速旋转，充满叶轮中的水随着叶轮高速旋转，在离心力的作用下甩出叶轮，从而使叶轮中心形成真空以吸入空气，空气随水混合经叶轮、混合室，在离心力作用下高速喷出。水流喷射极强，造成有效的对流环扰动，使空气泡更进一步分割成众多细小气泡。由于气泡直径小，上升速度缓慢，潜水曝气机一般安装于池底，气泡到达水面距离远，从而增长了大气中氧气溶解于水的时间，气泡经多次切割，喷射扰动后，变成无数的细小气泡，其表面积很大，使空气中氧更易溶解于水中，促其污水和氧气充分混合接触，完成生化过程，进而达到净化污水的目的。潜水曝气机广泛应用于普通活性污泥法、氧化沟法、生物接触氧化ＳＢＲ法等污水处理工艺。

图４为导叶式潜水曝气机，这种曝气机的工作原理是：配气轮将空气和水混合后输送到推流转轮的入口，在入口处与大水流混合，经导流叶片后由喷嘴喷出。

其他类型的曝气机有飓风曝气机（图５ａ）、散流式曝气机（图５ｂ）、膜片式曝气机（图５ｃ）以及提水曝气机等［１７］。

３我国曝气机目前存在的问题及发展趋势

目前我国环保产业发展迅速，但是环保设备的研究开发，尤其是自主创新的环保设备研究开发与环保产业的发展尚不适应。用于活性污泥法的曝气设备品种与质量均不能满足环保产业的发展需求，研究开发新型的曝气设备具有实际应用价值。

活性污泥法是我国污水处理厂目前采用的主要二级处理方法，活性污泥法中至关重要的环节是溶解氧浓度的控制，溶解氧浓度低或高会造成出水水质不达标或曝气过量，这些都会直接影响活性污泥法的处理效果。因此，调节活性污泥法污水中的溶解氧浓度，是目前各个污水处理厂要解决的主要问题，而控制曝气机的运行方式及选择合适种类的曝气机是主要解决方法，我国曝气机发展趋势有以下4个方面。

１）根据曝气相关理论、氧传质理论、气液两相流理论提出新的液下曝气机结构设计理论，并利用ＣＡＤ软件实现计算机辅助设计。

２）对所设计的不同结构形式液下曝气机进行整机试验研究，测量其充氧能力，计算氧利用率，推导转速与充氧效果之间的关系，对新结构形式的液下曝气机与普通液下曝气机在同功率、同样潜水深度进行充氧能力对比，对同功率不同潜水深度曝气机进行充氧能力对比，研制出高效曝气机。

３）利用模型转换关系，设计小型玻璃结构曝气机，在小型玻璃槽中利用示踪粒子，采用ＰＩＶ粒子成像技术，研究不同结构尺寸的曝气机曝气气泡直径大小，设计出充气气泡直径小的曝气机。

４）创建溶解氧模糊控制器（利用在水中设置溶解氧测定仪来测定溶解氧浓度与所需溶解氧差别来控制曝气机运行）来实现液下曝气机优化运行，节约能源。

参考文献：

［１］ 窦玉凤，李文献． 气浮设备的应用与比较［Ｊ］． 陶瓷研究与职业教育，２００５，２（３）：３１－３４．

［２］ 王毅力，汤鸿宵．气浮净水技术研究及进展［Ｊ］．环境科学进展，１９９９，４（６）：９４－１０３．

［３］ 杨晓玲．用气浮法处理含重金属废水［Ｊ］．云南冶金，２００６，２９（４）：３８－４０．

［４］ 高相升．浅析ＫＲＯＦＴＡ气浮设备［Ｊ］．中国环保产业，１９９７，２（４）：３２－３４．

［５］ 陈泉源，张泾生，朱凌云． 新型气浮设备的原理及其特点［Ｊ］． 矿冶工程，２００５，１（２）：２０－２２．

［６］ ＯＧＮＥＡＮ Ｔ． Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｘｙｇｅｎ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｂｙ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｈａｆｔ ａｅｒａｔｏｒｓ［Ｊ］． Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９７，３６（５）：１３２５－１３３２．

［７］ ＭＩＣＨＡＥＬ Ｍ Ｊ，ＢＯＹＤ Ｃ． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｐａｄｄｌｅ ｗｈｅｅｌ ａｅｒａｔｏｒｓ［Ｊ］． Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９２，３６（５）：５５－６９．

［８］ ＫＡＵＬ Ｓ Ｎ，ＮＡＮＤＹ Ｔ，ＳＺＰＹＲＫＯＷＩＣＺ Ｌ． Ｓｃａｌｅ－ｕｐ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｒａｄｉａｌ ａｎｄ ｐｉｔｃｈ ｂｌａｄｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｅｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ，２００２，５９（２）：２５５－２６５．

［９］ ＰＥＴＥＲＳＯＮ Ｅ Ｌ，ＷＡＬＫＥＲ Ｍ Ｂ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｏｎ Ｔａｉｗａｎｅｓｅ ｐａｄｄｌｅｗｈｅｅｌ ａｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，２６（２）：１２９－１４７．

［１０］ ＰＡＮＤＩＴ Ａ Ｂ，ＮＩＲＡＮＪＡＮ Ｋ，ＤＡＩＤＳＯＮ Ｊ Ｆ． Ｐｕｍｐ－ｓｔｉｒｒｅｄ ａｅｒａｔｏｒ［Ｊ］． Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９１，４６（９）：２２９３－２３０１．

［１１］ 张继武，张强，王化军．浮选技术在含油污水处理中的应用进展［Ｊ］．工业用水与废水，２００１，２（６）：１１－１３．

［１２］ 王一平，黄伟飞．Ｏ２ＢＧ复叶式节能曝气机的性能及其应用［Ｊ］．环境工程，１９９９，１７（６）：２５－２８．

［１３］ 王禹，车庆华，张元伟．五种曝气器曝气性能的评价［Ｊ］．工业用水与废水，２００１，１３２（６）：４６－４７．

［１４］ 薛正锐，陈庆生．高效曝气器研制［Ｊ］．海洋水产研究，２０００，２１（２）：６６－７１．

［１５］ 吴敏，姚念民．关于微孔曝气器比较与选择的探讨［Ｊ］．环境保护，２００２（５）：１６－１８．

［１６］ 王晓华，蔡峥嵘，高永才，等．用鼓风曝气（采用旋混曝气器）代替表面曝气处理化工废水的节电及经济核算［Ｊ］．世界科技研究与发展，２００６，２３（６）：５９－６１．

［１７］ 邢旭明，朱彦兴，朱金安，等．大孔细泡新型旋混曝气器［Ｊ］．中国给水排水，１９９９，１５（１）：１２－１５．

收稿日期：２０１１－０５－１６

基金项目：中国博士后基金项目（１１４００２０２１）；江苏大学高级人才启动基金（１１ＪＤＧ０５３）

作者简介：李维斌（１９７６－），男，辽宁沈阳人，副教授，主要从事环保设备研究与开发，（电话）１３９１４５６３６９９（电子信箱）ｌｉｗｅｉｂｉｎｌｉｌｙ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ；

通讯作者，施卫东，研究员，博士生导师，从事流体机械的研究与开发，（电话）１３５０５２８８３１２（电子信箱）ｗｄｓｈｉ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ。