昆明市第二污水處理廠曝氣工藝改造

董偉新，施永生，李 麗

（1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明650233；2.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司云南分公司，云南昆明 650228）

1 概況

昆明市第二污水處理廠于1995年11月建成通水，設(shè)計(jì)規(guī)模 Q=10 萬 m3／d，峰值流量為 15 萬 m3／d，占地176畝。現(xiàn)狀納污面積為10.94 km2。污水廠尾水由盤龍江排入外海，現(xiàn)狀該污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。由于滇池水體目前已嚴(yán)重富營養(yǎng)化，為了加快滇池治理的步伐，滿足《滇池流域水污染防治十二五計(jì)劃》的要求，應(yīng)進(jìn)一步提高污水處理廠出水水質(zhì)，使其升級(jí)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

污水處理生化單元采用瑞典ET公司提供的多格厭氧池（A池）和A／O池為主體的表面曝氣A2／O工藝。工藝流程框圖如圖1所示，A／O池設(shè)計(jì)參數(shù)、尺寸及設(shè)備如表1所示。

圖1 二級(jí)處理工藝流程Fig.1 Secondary Treatment Processes

2 技改前生化池存在的問題

2.1 溶解氧濃度較低，曝氣池供氧量不足

A／O池形為同心圓，表曝設(shè)備轉(zhuǎn)蝶置于A／O池內(nèi)環(huán)道上，由于受力不均，使用年限長等因素導(dǎo)致軸承磨損，現(xiàn)運(yùn)行過程中檢修相當(dāng)頻繁，不能滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致曝氣池內(nèi)溶解氧達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，影響A／O池的處理效果。現(xiàn)場目測可見，A／O池內(nèi)污泥細(xì)碎，顏色發(fā)黑，活性不好，曝氣池供氧量不足。

表1 A／O池設(shè)計(jì)參數(shù)、尺寸及設(shè)備表Tab.1 Parameters,Sizes and Equipments of A／O Pool

2.2 單位污水耗電量較高

A／O池共四座，單池好氧區(qū)內(nèi)安裝8臺(tái)P=30 kW和2臺(tái)P=45 kW的轉(zhuǎn)碟設(shè)備（9用1備），單池裝機(jī)功率為330 kW、總裝機(jī)功率為1 320 kW、運(yùn)行功率為1 140 kW。表2為第二污水廠2011年噸水電耗量情況表。

表2 耗電量表Tab.2 Summary of Power Consumption

由表2可知運(yùn)行耗電較高，每噸水耗電量最高達(dá)到0.354 7 kW·h／m3，平均每噸水耗電量0.346 2 kW·h／m3，明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn) 0.28 kW·h／m3。

3 生化池曝氣方式改造方案

3.1 基本原則

污水廠的工藝技術(shù)改造[1-3]一般包括工藝升級(jí)改造、水力改造、設(shè)備改造等，其中提高出水水質(zhì)的關(guān)鍵即污水處理工藝的升級(jí)。與新建污水處理廠不同，老污水處理廠升級(jí)改造的工藝選擇相對于新建污水廠，更復(fù)雜，通常要考慮三個(gè)問題：一是工藝運(yùn)行可靠、靈活性強(qiáng)；二是盡量利用原有構(gòu)筑物、投資少；三是處理效率高、能耗低[4]。

因此選擇設(shè)備時(shí)，需同時(shí)考慮設(shè)備價(jià)格、運(yùn)行費(fèi)用、性能穩(wěn)定等。

3.2.污水廠曝氣方式的改造

目前常采用的曝氣系統(tǒng)主要有鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)和機(jī)械曝氣系統(tǒng)[5,6]。國內(nèi)應(yīng)用較多的是鼓風(fēng)曝氣方式，這種方式動(dòng)力效率高，供氣量容易控制，脫落生物膜沉淀性能好，但氧利用率較低、風(fēng)機(jī)選用不當(dāng)噪聲較大；射流曝氣也有應(yīng)用，這種方式氧利用率高、管理方便，但是動(dòng)力效率較低、脫落生物膜易被擊碎、質(zhì)輕上浮。某些曝氣設(shè)備本身就具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，如鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)一般比傳統(tǒng)的表曝系統(tǒng)具有更大的調(diào)節(jié)能力。

技改前二污水廠采用的是表面機(jī)械曝氣，曝氣池內(nèi)溶解氧達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，影響了A／O池的處理效果，因此本次改造選用鼓風(fēng)曝氣。

3.3 污水廠曝氣設(shè)備改造

3.3.1 改造措施

污水處理廠設(shè)備陳舊、效率低下。因此，在升級(jí)改造過程中，為節(jié)約處理能耗，必須選用高效設(shè)備，特別是高效水泵、風(fēng)機(jī)、電機(jī)、曝氣裝置及污泥處理設(shè)備等。

針對昆明市第二污水廠A／O生化池實(shí)際運(yùn)行中所存在曝氣量不足、轉(zhuǎn)蝶維修頻繁、電耗高等問題，本次技改方案將A／O池表面曝氣工藝更改為鼓風(fēng)曝氣工藝，即取消好氧區(qū)現(xiàn)有40臺(tái)轉(zhuǎn)蝶，由鼓風(fēng)機(jī)提供經(jīng)凈化的空氣，通過管道系統(tǒng)送入A／O池底部的專用微孔曝氣器，并在合適位置根據(jù)池內(nèi)容積安裝推流器，以提高A／O池氧利用率，降低電耗，提高出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 曝氣設(shè)備的選擇及設(shè)計(jì)

3.3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)、空氣輸送管和擴(kuò)散裝置，其作用是充氧與攪拌、混合。

該廠生化池鼓風(fēng)曝氣設(shè)備包括好氧區(qū)潛水推流器、曝氣器、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)。在進(jìn)行曝氣設(shè)備選擇之前需計(jì)算出水廠供氣量，由供氣量選擇相對應(yīng)的設(shè)備。

曝氣量的計(jì)算[7]根據(jù)生化處理過程對氧的需要，求出需氧量，再根據(jù)雙膜理論導(dǎo)出的氧轉(zhuǎn)移速率的公式將實(shí)際需氧量換算到標(biāo)準(zhǔn)條件下的需氧量，最后根據(jù)曝氣器的氧轉(zhuǎn)移效率，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)條件下的曝氣量，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 曝氣量與需氧量Tab.3 Aeration Rate and Oxygen Demand

3.3.2.2 好氧區(qū)潛水推流器的選擇及設(shè)計(jì)

潛水推流器型式為帶導(dǎo)流罩的三葉螺旋漿式，主要由潛水電機(jī)、減速裝置、螺旋漿、導(dǎo)桿、定位導(dǎo)軌及控制箱等組成。

該廠好氧區(qū)池型為外徑35 m、內(nèi)徑19.8 m、池深4.0 m的同心圓，推流器需安裝在寬度14.9 m的環(huán)道上。根據(jù)環(huán)道上水流方向、受力條件、缺氧區(qū)至好氧區(qū)入口及回流污泥口位置等各方面因素進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，潛水?dāng)嚢杵靼惭b示意圖如圖2所示。

圖2 潛水?dāng)嚢杵靼惭b示意圖Fig.2 Installation Diagram of Submersible Agitator

由圖2可知單池內(nèi)設(shè)計(jì)8臺(tái)推進(jìn)器。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，好氧區(qū)采用機(jī)械攪拌時(shí)，混合功率宜采用2～8 W／m3，每臺(tái)電機(jī)功率為4 kW，每2臺(tái)以四組的形式布置于間距均勻的環(huán)道上，安裝于環(huán)道現(xiàn)有轉(zhuǎn)蝶處的走道板梁上位置。2臺(tái)推進(jìn)器安裝間距為7.0 m，離外環(huán)道為3.0 m。推進(jìn)器根據(jù)環(huán)形水流受力原理，背水方向布置角度成15°。運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生順應(yīng)水流方向的軸向射流，使污泥在推流中得到最佳混合。

3.3.2.3 曝氣器的選擇及設(shè)計(jì)

（1）曝氣器的選擇

有學(xué)者[8]對相應(yīng)傳質(zhì)設(shè)備的選取、測試及氧傳質(zhì)速率的影響因素等方面進(jìn)行了研究。美國環(huán)保署結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)制定了微孔曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊，使氧傳遞影響的因素[9]得到了闡述。

污水廠大部分能耗為曝氣消耗，因而曝氣型式合理的選擇十分重要。正常情況下，對穿孔管帶狀布置曝氣，其充氧效率僅為1.0 kgO2／kW·h，相比而言盤狀微孔曝氣頭面狀布置，充氧效率可達(dá)1.4 kgO2／kW·h，采用板狀微孔曝氣裝置面狀布置，充氧效率可達(dá)1.8 kgO2／kW·h。例如，天津紀(jì)莊子污水廠改造后選用微孔曝氣器，曝氣節(jié)省能耗約60%；黑龍江石化工廠污水廠經(jīng)過幾年的運(yùn)行實(shí)踐得出完全混合曝氣池采用雙螺旋曝氣器（葉輪曝氣器的一種）比采用表面曝氣機(jī)的處理效果要好，它能使生化處理能力提高25%，COD去除率提高9%，出水水質(zhì)明顯改善，雙螺旋曝氣器安裝簡便、投資少、操作方便、能耗、成本及維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[6]。污水處理廠在這方面有許多經(jīng)驗(yàn)可以參考。

為了提高充氧效率，往往選用微孔曝氣器，此曝氣器可以擴(kuò)散出微小的氣泡來增加氣液兩相的接觸面積。氣泡的直徑?jīng)Q定單位體積氣體的界面面積，氣泡越小，界面面積越大。因此，小氣泡擴(kuò)散裝置比大氣泡擴(kuò)散裝置具有更高的氧傳質(zhì)速率，同樣條件下，也具有更高的充氧效率。表4即為幾種充氧設(shè)備的充氧效率。

表4 充氧效率Tab.4 Oxygenation Efficiency

小氣泡擴(kuò)散裝置的維修要求高且工作量較大，但所節(jié)約的能源可觀，足以彌補(bǔ)維修費(fèi)用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算采用微孔鼓風(fēng)曝氣器可節(jié)省近20%的曝氣能耗[10]。

本次技改方案將A／O池表面曝氣工藝更改為鼓風(fēng)曝氣工藝，同時(shí)選用高效節(jié)能[11]的專用微孔曝氣器。

（2）曝氣器的設(shè)計(jì)

考慮到昆明第四污水廠CASS池技改后拆除下來的橡膠盤式曝氣器可利用到本次技改項(xiàng)目中，因此本項(xiàng)目采用膜盤式曝氣器。膜盤式曝氣器選用9”曝氣盤，膜片直徑為229 mm；單頭曝氣盤供氣量為2.8 m3／h·個(gè)；氧轉(zhuǎn)移效率大于 28%。

根據(jù)計(jì)算最大曝氣量為32 533 m3／h，總曝氣盤數(shù)量為32 533／2.8=11 620個(gè)，單池曝氣盤數(shù)量為11 620／4=2 905個(gè)。單池供氣管敷設(shè)于環(huán)道上10個(gè)走道板處，再由供氣支管接入池底。

3.3.2.4 鼓風(fēng)機(jī)的選擇

根據(jù)該廠技改項(xiàng)目實(shí)際情況，鼓風(fēng)機(jī)選型考慮在國產(chǎn)多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)與進(jìn)口單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)之間做比選。國產(chǎn)多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中可靠性高，使用壽命長，操作維護(hù)簡單，且風(fēng)機(jī)裝機(jī)及運(yùn)行功率高于單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)滿載效率低。

本技改項(xiàng)目不同于一座完整的污水處理廠設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)的選型主要從經(jīng)濟(jì)角度考慮，結(jié)合現(xiàn)昆明市第四污水處理廠技改項(xiàng)目鼓風(fēng)機(jī)房淘汰下來的5臺(tái)國產(chǎn)多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)，可滿足該廠技改項(xiàng)目風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，因此推薦選用國產(chǎn)多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)。

4 節(jié)能效果分析與技改對出水水質(zhì)的影響

4.1 節(jié)能效果分析

未改造前用于生化池供氧的總功率包括A／O池共四座，單池好氧區(qū)內(nèi)安裝8臺(tái)P=30 kW和2臺(tái)P=45 kW的轉(zhuǎn)碟設(shè)備（9用1備），單池裝機(jī)功率330 kW，總裝機(jī)功率1 320 kW，運(yùn)行功率1 140 kW；液下攪拌器共8臺(tái)，P=8.8 kW，共70.4 kW。故改造前生化池主要運(yùn)行功率為1 210.4 kW，日處理水量平均值為110 000 m3／d，好氧池單位污水耗電量為0.249 kW·h／m3。改造后生化池選用國產(chǎn)多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)5臺(tái)（3用2備），每臺(tái)功率為250 kW，總裝機(jī)功率為1 250 kW，運(yùn)行功率為750 kW；好氧區(qū)增設(shè)32臺(tái)4 kW潛水推進(jìn)器，運(yùn)行功率為128 kW，則總運(yùn)行功率為878 kW，日處理水量平均值為110 000 m3／d，好氧池單位污水耗電量為0.192 kW·h／m3。與改造前相比較，節(jié)約了0.057 kW·h／m3，按每度電收費(fèi) 0.505 元計(jì)，技改后每年節(jié)省電費(fèi) 0.057×0.505×110 000×365=115.57 萬元。

另外，技改前好氧池水深為4.035 m，超高1.05 m，技改取消走道上的轉(zhuǎn)蝶后，水深可增加0.3 m，單池好氧區(qū)容積由10312 m3增至11 083 m3，增加處理水量0.9萬m3／d，年增加水處理量0.9×365=328.5萬m3。按每立方米水增加收入0.1元考慮，則年增加收入為0.1×328.5×10000=32.85萬元。

技改選用的橡膠膜盤式曝氣器設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行中有較強(qiáng)的耐久性、使用壽命長且維護(hù)簡單，減少日常維護(hù)及修理費(fèi)用2.8萬元／年。

目前，昆明市第二污水廠的原污水水質(zhì)BOD為115 mg／L左右，受滇池保護(hù)等因素的影響，出水水質(zhì)要求BOD不得超過10 mg／L。技改前好氧池內(nèi)的DO為2.5 mg／L以上，污泥排放量每日單池都在420～450 t之間，每日總運(yùn)行費(fèi)用為12 236元左右。在進(jìn)水水量、水質(zhì)穩(wěn)定、出水水質(zhì)滿足排放要求的情況下，DO可以適當(dāng)減少，維持在1.8 mg／L以上即可滿足，同樣也可適當(dāng)減少污泥排放量，每天的運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)減少，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

4.2 技改對出水水質(zhì)的影響

通過對技改后生化池的運(yùn)行測試，可見生化池改造后并未影響出水水質(zhì)，而且在生物除磷方面會(huì)比原來效果更好。技改對出水水質(zhì)[12]的影響如表5所示。

表5 技改對出水水質(zhì)的影響Tab.5 Effect of Technical Renovation on Water Quality

5 結(jié)論

昆明市第二污水廠的設(shè)備改造為昆明市乃至整個(gè)云南省污水廠設(shè)備改造提供了借鑒依據(jù)。該廠設(shè)備改造后對生化池采用最優(yōu)控制，即控制最優(yōu)溶解氧濃度、污泥排放量，使節(jié)能成效有目共睹。當(dāng)然，實(shí)際運(yùn)行過程中節(jié)能效果與理論節(jié)能效果略有差距，這與實(shí)際運(yùn)行中污水量不均及污泥負(fù)荷、水力停留時(shí)間都有關(guān)系，但總的來說還是達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果。在實(shí)際運(yùn)行過程中，還要根據(jù)實(shí)際情況提供適當(dāng)?shù)难鮼頋M足系統(tǒng)的要求，這樣不僅使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化控制，同時(shí)達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益。

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