城鎮(zhèn)污水處理廠鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)節(jié)能分析

程丹丹 龐維亮 馮麗霞 魏錚

（1天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津 300191 2天津市聯(lián)合環(huán)保工程設(shè)計(jì)有限公司 天津 300191）

城鎮(zhèn)污水處理廠鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)節(jié)能分析

程丹丹1龐維亮1馮麗霞2魏錚2

（1天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津 300191 2天津市聯(lián)合環(huán)保工程設(shè)計(jì)有限公司 天津 300191）

介紹了以活性污泥法為處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀及節(jié)能途徑等。分析在保障污水處理廠可靠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，如何更好地利用和節(jié)約能源、降低能耗，可供同行參考。

活性污泥工藝；鼓風(fēng)曝氣；能耗現(xiàn)狀；節(jié)能途徑

我國(guó)城市污水年處理量巨大，污水處理廠的高耗能問(wèn)題已引起運(yùn)營(yíng)管理人員及設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多的關(guān)注。其中，在好氧生物處理工藝中，供氧是重要的環(huán)節(jié)，保證微生物對(duì)氧的需求，并對(duì)廢水起到攪拌作用，曝氣系統(tǒng)能耗在整個(gè)城鎮(zhèn)污水處理過(guò)程中所占比例最大，可控制空間潛力巨大。

1 污水廠曝氣系統(tǒng)能耗分析

1.1 曝氣系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀

目前，對(duì)于國(guó)內(nèi)活性污泥法處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠，曝氣池鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行電能消耗約占到整個(gè)污水處理廠電耗的60%左右，所以曝氣系統(tǒng)的降耗對(duì)整個(gè)污水廠的節(jié)能運(yùn)行意義重大。曝氣系統(tǒng)的節(jié)能主要是降低單位供風(fēng)量的電耗和提高對(duì)曝氣池供風(fēng)的利用率兩個(gè)方面來(lái)考慮[1]。

1.2 鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的組成

生化反應(yīng)中最常用的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機(jī)（空壓機(jī)）、空氣擴(kuò)散裝置和一系列連通管道等。鼓風(fēng)機(jī)將空氣通過(guò)管道輸送到曝氣池底部的曝氣裝置，氣泡在擴(kuò)散裝置出口處形成，氣泡隨水流循環(huán)流動(dòng)，最后在液面處破裂的過(guò)程，氣泡中的氧向混合液中轉(zhuǎn)移擴(kuò)散[2]。所以，對(duì)鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的節(jié)能降耗途徑分析應(yīng)圍繞鼓風(fēng)機(jī)和曝氣裝置兩方面來(lái)進(jìn)行。

2 污水處理曝氣系統(tǒng)節(jié)能途徑分析

2.1 通過(guò)選擇曝氣裝置節(jié)能

曝氣裝置選擇應(yīng)主要考慮下列因素：具有較高的氧利用率和動(dòng)力效率，節(jié)能效果好；不易堵塞，便于維護(hù)管理；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低。

2.1.1 采用微孔曝氣器可以減小氣泡尺寸，增大表面積，節(jié)約進(jìn)氣量。通過(guò)對(duì)微孔曝氣器的材料、結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)性能等方面的分析比較及大量的國(guó)外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，證明管式曝氣器具有通氣量大，氧利用率高，阻力損失小，并能在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持優(yōu)良性能，節(jié)約運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，是一種高效節(jié)能的微孔曝氣裝置，管式曝氣器具有在技術(shù)上的先進(jìn)性和工程上的適用性[3]。

2.1.2 經(jīng)過(guò)近年的實(shí)踐與研究發(fā)現(xiàn)，全面曝氣的效果比一般傳統(tǒng)的曝氣管通過(guò)單邊布置而形成旋流的方式還好。全面曝氣可以使整個(gè)曝氣池內(nèi)均勻地產(chǎn)生小漩渦，進(jìn)一步提高充氧效率。國(guó)內(nèi)許多大型城鎮(zhèn)污水廠根據(jù)實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)及出水達(dá)標(biāo)要求均采用微孔全面曝氣，比穿孔管曝氣節(jié)電20%左右。國(guó)外也有報(bào)道采用微孔全面曝氣平均每去除1kgBOD可節(jié)約風(fēng)量25%，節(jié)約電耗18%[4]。

2.2 鼓風(fēng)機(jī)選型及運(yùn)行方式節(jié)能

經(jīng)對(duì)各類型鼓風(fēng)機(jī)比較，污水處理工程一般會(huì)確定兩個(gè)鼓風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)方案：三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)變頻電機(jī)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整風(fēng)量；單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片角度調(diào)整風(fēng)量。

通過(guò)對(duì)這兩種鼓風(fēng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較，我們發(fā)現(xiàn)三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)在國(guó)內(nèi)有許多大型、中型及小型污水處理廠成功的運(yùn)行實(shí)例，性能可靠。單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量和使用壽命有所欠缺，成功應(yīng)用運(yùn)行的實(shí)例較少，而進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴。所以國(guó)內(nèi)的污水處理廠在沒(méi)有特殊要求的情況下，建議優(yōu)先選用三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)，以減輕投資和維護(hù)運(yùn)行成本。

2.3 通過(guò)控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量節(jié)能

2.3.1 經(jīng)驗(yàn)控制進(jìn)水比例方式：通過(guò)長(zhǎng)期觀察進(jìn)水水質(zhì)、水量、掌握其變化特性，按一定的氣水比，根據(jù)進(jìn)水水量調(diào)節(jié)風(fēng)量或由經(jīng)驗(yàn)確定風(fēng)量與時(shí)間的關(guān)系，編制程序，進(jìn)行自動(dòng)控制。但上述方法均易受水質(zhì)波動(dòng)影響，處理效果不穩(wěn)定，應(yīng)與其他方法配合使用。

2.3.2 溶解氧智能控制方式：建立一個(gè)精確而高效的動(dòng)態(tài)曝氣閉環(huán)控制系統(tǒng)，曝氣池的負(fù)荷是變化的，在反應(yīng)池池內(nèi)設(shè)溶解氧儀，可以通過(guò)變頻電機(jī)調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速，根據(jù)溶解氧的變化，可自動(dòng)調(diào)節(jié)供氣量，節(jié)省能耗。

3 工程實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)水量及工藝介紹

重慶某城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)規(guī)模：2.0×104m3/d，總變化系數(shù)1.51。

經(jīng)過(guò)比選方案論證，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的特點(diǎn)和碳氮比不是很高、出水對(duì)磷的去除率要求較高的特點(diǎn)，該污水處理廠擬采用“A2/O＋輔助化學(xué)除磷”工藝。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)過(guò)進(jìn)水粗細(xì)格柵、沉砂池、初沉池的預(yù)處理后，污水中污染物質(zhì)得到有效的削減，A2/O生化反應(yīng)池進(jìn)水水質(zhì)：BOD5＝170mg/L；COD＝360mg/L；SS＝160mg/L；TN＝55mg/L；TP＝4.8mg/L；設(shè)計(jì)出水水質(zhì)：BOD5＝20 mg/L；COD＝60 mg/L；SS＝20 mg/L；TN＝20 mg/L；TP＝1.0 mg/L。

活性污泥曝氣系統(tǒng)與空氣擴(kuò)散裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)包括：曝氣池池型的選擇、選定曝氣方式、需氧量和供氧量的計(jì)算、曝氣管道的計(jì)算、鼓風(fēng)機(jī)的選擇等。

A2/O生化反應(yīng)池按最高日污水量1083m3/h設(shè)計(jì)。共設(shè)4組池體，單池最大日流量為：Q＝271m3/h；污泥濃度：X=3.15g/L；污泥負(fù)荷：Lx=0.11kgBOD5/（kgMLSS?d）；泥齡：SRT=12.65d；最大日流量水力停留時(shí)間：HRT=14.12h；其中缺氧區(qū)為2.42h，厭氧區(qū)為2.02h，好氧區(qū)為9.68h。采用微孔全面曝氣充氧，所需最大供氣量為119200Nm3/d（氣水比5.96:1），反應(yīng)池內(nèi)空氣管道采用PVC管。

3.3 A2/O反應(yīng)池主要設(shè)備選擇

3.3.1 每座生化反應(yīng)池好氧區(qū)共設(shè)微孔曝氣管312套，曝氣管L=750mm，D=65mm，單根微孔曝氣管充氧量在4～8m3/h時(shí)，氧利用率≥25%，4座生化反應(yīng)池好氧區(qū)共設(shè)微孔曝氣管1248套。曝氣管上的EPDM膜開(kāi)有微孔，壓縮空氣使EPDM膜變形，空氣從微孔溢出形成微小氣泡，對(duì)污水進(jìn)行曝氣充氧。

3.3.2 鼓風(fēng)機(jī)是保證曝氣系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵設(shè)施，其電耗約占全廠電耗的60～75%。經(jīng)計(jì)算要滿足曝氣正常運(yùn)行，鼓風(fēng)機(jī)房總供氣量Q=4967m3/h，氣體壓力P=0.55bar。從設(shè)備型式、節(jié)省能耗等方面對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行比選后，設(shè)計(jì)采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)對(duì)生物反應(yīng)池進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣。設(shè)3臺(tái)單臺(tái)設(shè)計(jì)流量Q=54Nm3/min帶變頻調(diào)速電機(jī)的羅茨鼓風(fēng)機(jī)，2用1備。

3.4 通過(guò)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式節(jié)能

在曝氣池內(nèi)設(shè)置在線的DO濃度檢測(cè)儀，并將儀表檢測(cè)的溶解氧值上傳至PLC，PLC按DO的檢測(cè)值和設(shè)定值（曝氣區(qū)DO濃度控制在2mg/L左右）保持一致來(lái)調(diào)節(jié)供氣量，維持DO濃度的穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定和高效的處理效果。PLC可以通過(guò)改變鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)、鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)管電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度及變頻調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)供氣量的調(diào)節(jié)，用該方式控制風(fēng)量可節(jié)電10%～30%。

每臺(tái)變頻器自帶數(shù)據(jù)總線接口，可以通過(guò)數(shù)據(jù)總線將鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)上傳至PLC，值班人員可以在中控室直接觀測(cè)和干預(yù)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究采取管式微孔曝氣全面曝氣的布置方式，結(jié)合通過(guò)DO智能控制的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行、對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能調(diào)節(jié)等幾種措施相結(jié)合的方式，能有效地降低目前城市污水處理廠曝氣系統(tǒng)耗能大的問(wèn)題，降低能耗達(dá)30%以上。

我國(guó)為數(shù)眾多的城鎮(zhèn)污水廠由于設(shè)計(jì)工藝、設(shè)備選型或運(yùn)行管理等原因存在高能耗的問(wèn)題，因此，開(kāi)發(fā)研究新型節(jié)能型改良工藝，使用節(jié)能的設(shè)備，加強(qiáng)優(yōu)化污水處理廠的日常運(yùn)行管理，才能在污染物減排的同時(shí)不斷降低污水處理廠的能耗水平，提高污水處理效率，保障污水處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

同時(shí)建議研究基于進(jìn)水負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的工藝過(guò)程控制策略和模式，建立污水處理工藝節(jié)能降耗的系統(tǒng)模型和評(píng)價(jià)體系對(duì)于解決我國(guó)城鎮(zhèn)污水廠運(yùn)行高能耗、高成本問(wèn)題具有重大意義。

[1]羅隆,周力尤.自動(dòng)化技術(shù)在污水處理節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景[J].南方職業(yè)教育學(xué)刊,2011,1(4):1-3.

[2]李帥.城市污水處理廠曝氣系統(tǒng)節(jié)能降耗控制策略試驗(yàn)研究[D].青島理工大學(xué),2011.

[3]谷成國(guó),宋劍鋒.城市污水處理廠鼓風(fēng)曝氣階段的節(jié)能降耗研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2008,35(4):27-45.

[4]龐立.污水處理多模式A/A/O工藝控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海:華東理工大學(xué),2011.

程丹丹（1982－），女，天津人，環(huán)境工程碩士學(xué)位，工程師，主要研究方向?yàn)槲鬯幚砉こ屉姎庾詣?dòng)化設(shè)計(jì)及研究工作。

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07203-002-002）。