微孔曝氣設(shè)備應(yīng)用于氧化溝曝氣系統(tǒng)改造研究

陳 超

(福建海峽環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，福建 福州 350014)

1 項(xiàng)目背景

福州市馬尾區(qū)某污水處理廠總處理規(guī)模4.0萬m3/d，其中一期1.5萬m3/d，二期2.5萬m3/d，生化處理工藝采用改良型Carrousel 2000氧化溝工藝，深度處理工藝采用高效沉淀池+深床濾池，工藝流程圖見圖1。二期工程于2008年底建成投運(yùn)，2018年年底完成提標(biāo)改造，出水水質(zhì)由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提升為一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 二期工藝流程圖

原有二期氧化溝采用倒傘型表曝機(jī)，曝氣機(jī)使用年限超過10年，運(yùn)行達(dá)不到額定功率，以及表曝機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)底部接近下面水面，沒有專門的空氣吸入口，氧化溝好氧區(qū)內(nèi)及出水堰處DO值嚴(yán)重偏低，氧化溝出現(xiàn)供氧量無法滿足工藝需氧量，導(dǎo)致出水水質(zhì)無法穩(wěn)定滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。為此，急需更換一套節(jié)能、高效的曝氣系統(tǒng)。

原有二期氧化溝設(shè)計(jì)參數(shù)：氧化溝共設(shè)計(jì)1座，處理規(guī)模2.5萬m3/d，尺寸規(guī)格89.5m×44.9m×4.8m，其中厭氧區(qū)1559m3，停留時(shí)間1.50h；缺氧區(qū)1882m3，停留時(shí)間1.81h；好氧區(qū)11353m3，停留時(shí)間10.90h；好氧區(qū)分為4個(gè)廊道，單廊道渠寬11.0m，有效水深4.0m，超高0.8m。氧化溝好氧區(qū)共配置3臺(tái)表曝機(jī)(功率90kW，倒傘直徑3000mm)，目前無變頻器，工頻運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)運(yùn)行電流僅為90A左右。各廊道配置2臺(tái)推流器(槳葉直徑2500mm)，共8臺(tái)；其中內(nèi)溝兩廊道4臺(tái)推流器(功率4.3kW、推力3450 N、葉輪直徑2.5m)，外溝兩廊道4臺(tái)推流器(功率5.7kW、推力4700N、葉輪直徑2.5m)。

2 氧化溝微孔曝氣系統(tǒng)改造方案

2.1 可行性分析

2.1.1 微孔曝氣器類型及氧傳遞效率

目前氧化溝跑道式底部微孔曝氣器類型主要有板式曝氣器、管式曝氣器和盤式曝氣器，由于盤式曝氣器單個(gè)工作氣量低，服務(wù)面積小，會(huì)增加盤式曝氣器數(shù)量及曝氣管路，在氧化溝底部曝氣應(yīng)用較少。按曝氣工作原理劃分，板式曝氣器屬于平面曝氣方式，而管式曝氣器屬于曲面曝氣方式，在曝氣器膜片材質(zhì)、加工工藝及打孔工藝完全一樣的前提下，板式曝氣器比管式曝氣器在壽命、阻力損失、氧氣傳遞能力等方面均有很大優(yōu)勢[1]。

目前氧化溝實(shí)際有效水深4.0m，在不改變氧化溝土建結(jié)構(gòu)的情況下還可再超高0.3m。安裝微孔曝氣器后水深為4.0～4.2m(微孔曝氣器距離水面)，其氧傳遞效率隨著水深增加呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)德國威德板式曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)水深6.0m的清水情況下氧氣傳遞效率大于35%，在實(shí)際水深4.0m的情況下氧氣傳遞效率大于30%?？紤]在氧化溝底部有效空間內(nèi)，選用具有更高氧傳遞能力的曝氣器。

綜合考慮微孔曝氣器氧傳遞能力、處理阻力損失、使用壽命以及實(shí)際水深情況，確定選用板式曝氣器。

2.1.2 安裝空間

按板式微孔曝氣器布置方案測算，考慮到好氧區(qū)內(nèi)推流器影響，推流器前后7m不宜安裝曝氣器，其余空間可安裝足夠數(shù)量的曝氣器，理論上額定氣水比大于5∶1?？紤]不改變土建結(jié)構(gòu)的情況下，可以采用底部安裝方式。

2.1.3 流速影響

根據(jù)微孔曝氣器布置圖模擬在氧化溝好氧區(qū)8臺(tái)推流器都開啟情況下，根據(jù)CFD模型模擬各斷面不同水深處平均流速可以達(dá)到0.27m/s以上。測量點(diǎn)位T3～T10布置如圖2所示，各斷面流速測量結(jié)果見圖3。

圖2 流速測量點(diǎn)位圖

圖3 CFD模型模擬各斷面不同水深的平均流速

2.2 曝氣系統(tǒng)改造難點(diǎn)、要點(diǎn)

2.2.1 原設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)低，有效池容不足，曝氣效率低，總氮去除率低

該廠原設(shè)計(jì)的出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，提標(biāo)改造后出水要求執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)提高后，造成原有氧化溝的池容不足，水力停留時(shí)間短，制約了反硝化反應(yīng)，總氮去除效率低。由于氧化溝原表曝機(jī)曝氣效率低，硝化反應(yīng)也不充分，影響出水總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。因此，總氮去除率是本次氧化溝曝氣系統(tǒng)改造的第一個(gè)難點(diǎn)。

2.2.2 氧化溝改造施工工期緊，難度大

在二期氧化溝改造期間需進(jìn)行停減產(chǎn)施工，必定造成一期生產(chǎn)壓力大，出水無法保障，曝氣系統(tǒng)改造要迅速完成并通水，使廠內(nèi)出水各項(xiàng)指標(biāo)保持穩(wěn)定運(yùn)行，所以曝氣系統(tǒng)改造施工時(shí)間不能太長。改造施工前，項(xiàng)目組多次開會(huì)探討施工方案，并做出了多種應(yīng)急預(yù)案，保證氧化溝曝氣系統(tǒng)改造順利進(jìn)行，最大程度降低改造帶來的不利影響。

2.2.3 改造的技術(shù)要點(diǎn)

氧化溝工藝曝氣系統(tǒng)通常采用表曝設(shè)備，表曝形式具有運(yùn)行維護(hù)上的許多優(yōu)點(diǎn)，但表曝設(shè)備往往噪聲較大、充氧動(dòng)力效率低[2]，而且該廠表曝機(jī)使用年限已經(jīng)超過10年，設(shè)備老舊、運(yùn)行效率低，因此決定將氧化溝好氧區(qū)的3臺(tái)表曝機(jī)全部拆除。

本次曝氣系統(tǒng)改造在鼓風(fēng)機(jī)房新增1臺(tái)磁懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)，與其他單元鼓風(fēng)機(jī)互為搭配使用。鼓風(fēng)機(jī)的選型、底部曝氣的布置選型是本次改造的另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)和要點(diǎn)。

2.3 改造內(nèi)容

利用反硝化深床濾池配套的鼓風(fēng)機(jī)，在不影響反硝化深床濾池正常運(yùn)行的前提下，新增配置1臺(tái)磁懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)，以代替表曝機(jī)進(jìn)行曝氣供氧。與反硝化深床濾池配套的鼓風(fēng)機(jī)搭配使用。

氧化溝底部安裝薄膜板式微孔曝氣器EPDM，共安裝1314套，支撐體材質(zhì)PP，支架材質(zhì)SS304。

風(fēng)管安裝：風(fēng)機(jī)管道從鼓風(fēng)機(jī)房頂，橫跨一期氧化溝至二期氧化溝再行分布支管；池頂至池底1m以上采用SS304材質(zhì)；池底1m以下采用UPVC材質(zhì)。因空地狹小且地下管道交錯(cuò)，風(fēng)管從橫跨一期氧化溝至二期氧化溝布置。

鼓風(fēng)機(jī)房內(nèi)：鼓風(fēng)機(jī)土建基座的土建，切換閥門、風(fēng)管布置連接，新增風(fēng)機(jī)電纜布線等；電房需對(duì)新增鼓風(fēng)機(jī)控制柜進(jìn)行改造。

氧化溝清池：因氧化溝放空閥門損壞而無法打開，需考慮用泵抽的清池方案。排水水量約6000噸，泥水混合物約5000噸，放空、清池時(shí)間15天。

2.4 設(shè)備選型與技術(shù)要求

鼓風(fēng)機(jī)：鼓風(fēng)機(jī)作為污水處理廠的關(guān)鍵設(shè)備，其能耗占到全部能耗的一半以上，對(duì)污水處理節(jié)能降耗起到關(guān)鍵作用，所以選擇合適的鼓風(fēng)機(jī)及合理的參數(shù)尤為重要。在小風(fēng)量情況下，一般羅茨鼓風(fēng)機(jī)效率高、成本低，但是在大風(fēng)量時(shí)，離心機(jī)的綜合效率、運(yùn)營能耗更具優(yōu)勢[3]。本次按COD 350mg/L、氨氮35mg/L、TN 45mg/L的進(jìn)水濃度處理達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2016版)》計(jì)算，需新增供氣量150m3/min，風(fēng)壓為50kPa。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)狀廠區(qū)鼓風(fēng)機(jī)房的配置，綜合考慮選擇新增1臺(tái)磁懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)，參數(shù)：供氣量150m3/min，風(fēng)壓為50kPa，電機(jī)功率150kW。

曝氣器：采用德國威德薄膜板式微孔曝氣器EPDM，該曝氣器在水深4.2m時(shí)單個(gè)工作氣量6.85m3/h，氧轉(zhuǎn)移率大于30%。支撐體材質(zhì)PP，支架材質(zhì)SS304。

管道系統(tǒng)：水上部分碳鋼防腐，主管管徑DN400，支管管徑DN300，水下部分不銹鋼材質(zhì)，管徑DN150。

安裝方式：薄膜板式微孔曝氣器，通過帶螺紋的對(duì)裝連接件，用不銹鋼螺栓錨固的方式將曝氣器固定在布?xì)夤苌稀?/p>

表1 新增設(shè)備情況

2.5 改造過程

2.5.1 清池

停止氧化溝進(jìn)水，清空池內(nèi)污水及泥沙沉積物，檢查水下推流設(shè)備及池體情況。清洗池體，為改造施工做好準(zhǔn)備，清理出的泥沙沉積物外運(yùn)，做進(jìn)一步處置。

2.5.2 安裝

安裝前應(yīng)仔細(xì)清理池底，同時(shí)要求從鼓風(fēng)機(jī)到池底曝氣系統(tǒng)接口間的管路必須已經(jīng)吹掃干凈。首先進(jìn)行底部支架安裝，然后將布?xì)夤馨卜庞谝颜{(diào)平并與地面固定好的支架上，核查曝氣器的水平度。薄膜板式微孔曝氣器，通過帶螺紋的對(duì)裝連接件，用不銹鋼螺栓錨固的方式將曝氣器固定在布?xì)夤苌?。系統(tǒng)連接件具有足夠強(qiáng)度，且使用連接可拆卸，方便維修和更換。

2.5.3 調(diào)試

安裝完成后進(jìn)行設(shè)備檢查及試運(yùn)行，池子內(nèi)放凈水，水面至微孔曝氣器表面約100mm，以最大通氣量進(jìn)行曝氣，然后逐漸減小通氣量，觀察氣泡變化，檢查所有管路接口及微孔通氣器接縫處等密封是否嚴(yán)密、是否有漏氣現(xiàn)象。曝氣器裝置能使來自鼓風(fēng)機(jī)的有壓空氣均勻擴(kuò)散于水體中，以及停止供氣時(shí)有效閉合，防止污水倒灌。測試中出現(xiàn)的任何問題，都要記錄在安裝檢查表上。

2.6 改造后效果對(duì)比

該項(xiàng)目針對(duì)氧化溝好氧段供氧量不足、污泥沉降堆積的情況，采用微孔曝氣方式，不僅能有效防止活性污泥在溝內(nèi)沉積，還能通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)氣量，可使供氣量在零流量至裝置最大供氣量之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)還可以通過閥門控制任意的曝氣區(qū)域，隨時(shí)調(diào)整氧化溝好氧段和缺氧段的長度，以適應(yīng)不同進(jìn)水水質(zhì)及工況背景的需要。

污染物去除效果以改造前2019年9月21日—30日，改造后2019年12月21日—30日的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

2.6.1 氨氮去除效果對(duì)比分析

曝氣系統(tǒng)改造前后氨氮進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比分析結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 改造前進(jìn)出水氨氮指標(biāo)對(duì)比

圖5 改造后進(jìn)出水氨氮指標(biāo)對(duì)比

從圖中可見，采用表曝機(jī)曝氣時(shí)，進(jìn)水氨氮指標(biāo)的上下波動(dòng)可能會(huì)引起氨氮指標(biāo)超標(biāo)，2019年9月21日—30日氨氮超標(biāo)天數(shù)占總統(tǒng)計(jì)天數(shù)的71.4%(10天)，平均去除率為68.29%，而最低去除率僅為52.59%；改造為微孔曝氣后，2019年12月21日—30日出水氨氮指標(biāo)均控制在1mg/L內(nèi)，平均去除率為98.68%，遠(yuǎn)高于85%的設(shè)計(jì)值。通過技術(shù)改造，氨氮去除率從68.29%提高至98.68%，大大提高氧化溝工藝的運(yùn)行靈活性，適應(yīng)污水水質(zhì)變化范圍變寬，確保污水廠水質(zhì)氨氮指標(biāo)的達(dá)標(biāo)排放。

2.6.2 COD去除效果對(duì)比分析

曝氣系統(tǒng)改造前后COD進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比分析結(jié)果見圖6、圖7。從圖中可見，曝氣系統(tǒng)改造前后出水COD指標(biāo)均控制在20mg/L內(nèi)，雖無明顯變化，但改造后抗水質(zhì)波動(dòng)能力更強(qiáng)，COD去除率由原來的89.48%提高到94.87%。

圖6 改造前進(jìn)出水COD指標(biāo)對(duì)比

圖7 改造后進(jìn)出水COD指標(biāo)對(duì)比

2.6.3 TP去除效果對(duì)比分析

曝氣系統(tǒng)改造前后TP進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比分析結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 改造前進(jìn)出水TP指標(biāo)對(duì)比

圖9 改造后進(jìn)出水TP指標(biāo)對(duì)比

從圖中可見，曝氣系統(tǒng)改造前出水TP指標(biāo)均控制在0.15mg/L內(nèi)，改造后出水TP指標(biāo)均控制在0.10mg/L內(nèi)，TP去除能力略有提升，由原來的95.75%提升至97.84%。

2.6.4 設(shè)備能耗情況對(duì)比分析

表曝機(jī)和微孔曝氣電耗情況如表2所示。

表2 曝氣系統(tǒng)改造前后電耗情況表

3 微孔曝氣設(shè)備改造工作亮點(diǎn)

本次改造既提升了出水達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性，又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。改造前該廠平均總單耗為0.40kWh/m3，曝氣單元平均電耗為0.206kWh/m3，曝氣單元用電量為總電量的51.19%；改造為底部微孔曝氣后，平均單耗為0.29kWh/m3，曝氣單元平均電耗為0.060kWh/m3，曝氣單元用電量約為總電量的20.83%。通過技術(shù)改造，曝氣單元用電量占總電量的比重從51.19%降至20.83%，該廠總電耗降低24.8%，預(yù)計(jì)直接節(jié)約電費(fèi)成本約50萬元/年。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目實(shí)施效果完全滿足設(shè)計(jì)、運(yùn)營要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。“底部鼓風(fēng)曝氣+推流器”的運(yùn)行模式使該污水廠運(yùn)行靈活性大大提高，適應(yīng)污水水質(zhì)、水量變化范圍變寬。另外還提高了氧氣的利用率，最合理地保證了氧化溝內(nèi)微生物增長的需氧量，高效去除污水中COD5、NH3-N、TP等污染物，同時(shí)節(jié)能能耗，節(jié)約運(yùn)營成本?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，微孔曝氣在氧化溝曝氣系統(tǒng)改造中具有廣闊的應(yīng)用和推廣價(jià)值。