田海成, 慕楊, 孫陽(yáng), 張?jiān)?楊福文, 白鳳嬌
(1.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 濟(jì)南 250001; 2.光大水務(wù)(深圳)有限公司,廣東 深圳 518000; 3.北京北排水務(wù)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100068)
鼓風(fēng)機(jī)是污水中有機(jī)物和氨氮被微生物代謝去除的重要保障, 同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)的能耗占整個(gè)污水處理廠的能耗比例高達(dá)27%~43%[1-2]。 隨著提質(zhì)增效行動(dòng)的推進(jìn)以及各地污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格, 很多污水處理廠面臨實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)高于原設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)、 出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高的問(wèn)題[3-4], 同時(shí)由于曝氣器氧傳質(zhì)效率的降低、 風(fēng)機(jī)的頻繁故障以及效率低下等, 對(duì)鼓風(fēng)機(jī)房進(jìn)行技術(shù)改造以實(shí)現(xiàn)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和能效水平提升的需求較為普遍。 然而, 鼓風(fēng)機(jī)房的技術(shù)改造并非簡(jiǎn)單的設(shè)備更換, 對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的合理選型、 風(fēng)機(jī)參數(shù)的調(diào)整與風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的合理配置、現(xiàn)狀土建和電氣等基礎(chǔ)條件的利舊以及改造不停產(chǎn)的要求等都是鼓風(fēng)機(jī)房技術(shù)改造與初次設(shè)計(jì)的重要區(qū)別。 以往對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)房的研究主要集中于鼓風(fēng)機(jī)房的初次設(shè)計(jì)、 鼓風(fēng)機(jī)的選型對(duì)比以及鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗等[5-6], 對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)房如何進(jìn)行技術(shù)改造設(shè)計(jì)研究較少。 本文以某大型污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)房的技術(shù)改造為例進(jìn)行詳細(xì)分析, 以期為后續(xù)鼓風(fēng)機(jī)房的技術(shù)改造提供參考。
某生活污水處理廠一期、 二期設(shè)計(jì)總規(guī)模為30萬(wàn)m3/d, 目前基本滿負(fù)荷運(yùn)行, 采用粗格柵-進(jìn)水泵房-細(xì)格柵-曝氣沉砂池-AAO-沉淀池-二級(jí)提升泵房-高效沉淀池-高效纖維濾池-紫外線消毒工藝, 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。 進(jìn)出水水質(zhì)見表1。
表1 進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Influent and effluent water quality
一期、 二期AAO 生物反應(yīng)池總停留時(shí)間為11.48 h, 其中厭氧區(qū)0.98 h, 缺氧區(qū)4.5 h, 好氧區(qū)6.0 h, 有效水深7.2 m。 共用1 座鼓風(fēng)機(jī)房, 原設(shè)計(jì)有7 臺(tái)多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī), 單臺(tái)參數(shù)Q =165 m3/min, H =8.5 m, N =315 kW, 運(yùn)行方式為夏季6 用1 備(實(shí)際風(fēng)量為60 000 m3/h, 背壓約為8.9 m), 冬季由于氨氧化菌活性降低, 為確保氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo),運(yùn)行方式改為7 用(實(shí)際風(fēng)量為夏季風(fēng)量的1.1 倍)。多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸為3 000 mm×1 200 mm,基礎(chǔ)間距為2 800 mm, 基礎(chǔ)間原設(shè)計(jì)有出風(fēng)管管溝(寬度為1 500 mm)和電纜溝(寬度為600 mm),由于可利用空間有限, 鼓風(fēng)機(jī)需要原位改造。 鼓風(fēng)機(jī)由廠區(qū)馬達(dá)控制中心MCC3 提供電源, MCC3內(nèi)設(shè)置了2 臺(tái)1 600 kVA 干式變壓器(同時(shí)工作),低壓配電系統(tǒng)以放射性敷設(shè)三拼電纜至每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制柜。 同時(shí), 在馬達(dá)控制中心內(nèi)設(shè)置有現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC4, 多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)主控器MCP 與PLC4 采用總線通訊。
通過(guò)對(duì)污水處理廠2021 年實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)分析可知, TN 平均質(zhì)量濃度為53.80 mg/L, 高于原設(shè)計(jì)進(jìn)水(45 mg/L); 氨氮平均質(zhì)量濃度為42.27 mg/L, 高于原設(shè)計(jì)進(jìn)水氨氮(35 mg/L)。 實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)的提高導(dǎo)致實(shí)際需氧量增加, 同時(shí)現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)使用時(shí)間較久, 風(fēng)機(jī)故障頻繁, 進(jìn)一步增加了出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的難度。 風(fēng)機(jī)實(shí)際效率較低且運(yùn)行操作環(huán)境惡劣, 大量電能轉(zhuǎn)化為熱量全部散在室內(nèi),然后依靠軸流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)向室外散熱, 夏季室內(nèi)溫度超過(guò)50 ℃。
本次技術(shù)改造將設(shè)計(jì)進(jìn)水TN 質(zhì)量濃度由45 mg/L 提高至60 mg/L(90% 涵蓋率), 氨氮質(zhì)量濃度由35 mg/L 提高至50 mg/L(90% 涵蓋率), 同時(shí)對(duì)曝氣器實(shí)際氧傳質(zhì)效率以及曝氣器實(shí)際阻力進(jìn)行復(fù)核, 再根據(jù)改造后設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)、 曝氣器實(shí)際氧傳質(zhì)效率、 曝氣器實(shí)際阻力等重新計(jì)算確定鼓風(fēng)機(jī)的供氣量和風(fēng)壓。
在需氧量一定的情況下, 曝氣器實(shí)際氧傳質(zhì)效率是影響實(shí)際供氣需求的重要因素, 對(duì)曝氣器的現(xiàn)狀實(shí)際氧傳質(zhì)效率進(jìn)行推算是確定技術(shù)改造后鼓風(fēng)機(jī)房總供氣量的重要前提。 以2021 年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)曝氣器的實(shí)際氧傳質(zhì)效率進(jìn)行推算, 2021 年實(shí)際進(jìn)水量平均為300 000 m3/d, 生物反應(yīng)池實(shí)際進(jìn)水BOD5平均質(zhì)量濃度為131.00 mg/L, 實(shí)際進(jìn)水TN 與TKN 平均質(zhì)量濃度為53.80 mg/L(默認(rèn)進(jìn)水中不含有和, 實(shí)際出水BOD5平均質(zhì)量濃度為2.20 mg/L, 實(shí)際出水平均質(zhì)量濃度為9.89 mg/L, 實(shí)際出水TKN 與氨氮平均質(zhì)量濃度為0.36 mg/L(默認(rèn)出水中不含有機(jī)氮),MLSS 中MLVSS 所占的比例y ≈0.75, 污泥總產(chǎn)率系數(shù)Yt≈0.80 kg[MLSS]/kg[BOD5], 排出系統(tǒng)的微生物量ΔXV=23 184 kg[MLVSS]/d。 按照GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中公式7.9.2 計(jì)算需氧量為55 296.03 kg[O2]/d, 曝氣器淹沒(méi)水深7.0 m, 夏季水溫約為25 ℃, 實(shí)際曝氣量約為60 000 m3/h, 按照《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)城鎮(zhèn)排水》(第三版)6.4.6.2 節(jié)計(jì)算公式逆推曝氣器的現(xiàn)狀實(shí)際氧傳質(zhì)效率約為16.10%, 遠(yuǎn)低于CJ/T264—2018《水處理用橡膠膜微孔曝氣器》中相應(yīng)規(guī)格(65 mm × 1 000 mm)管式微孔曝氣器標(biāo)準(zhǔn)氧傳質(zhì)效率值(33%)。
曝氣系統(tǒng)阻力主要集中于末端曝氣器, 對(duì)曝氣器實(shí)際阻力的推算是確定鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的重要依據(jù)。2021 年冬季的實(shí)際曝氣量約為66 000 m3/h, 經(jīng)計(jì)算鼓風(fēng)機(jī)至曝氣器的管線沿程損失h1為0.078 m,局部阻力h2(取沿程阻力的50%)約為0.039 m, 曝氣器淹沒(méi)水頭h3為7 m, 鼓風(fēng)機(jī)背壓按8.9 m 計(jì),逆推曝氣器實(shí)際阻力h4為1.78 m, 遠(yuǎn)高于CJ/T 264—2018 中相應(yīng)規(guī)格(65 mm×1 000 mm)管式微孔曝氣器的阻力損失標(biāo)準(zhǔn)值(0.45 m)。 黃斌[6]對(duì)曝氣系統(tǒng)壓力損失進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析, 結(jié)果表明隨著曝氣器的老化和堵塞, 系統(tǒng)壓力上升1.0 ~1.5 m, 與推算結(jié)果較為接近。 由于曝氣器實(shí)際阻力的增大會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)背壓上升, 不僅會(huì)導(dǎo)致能耗增加更會(huì)導(dǎo)致離心式鼓風(fēng)機(jī)實(shí)際供氣量降低, 因此, 運(yùn)行過(guò)程應(yīng)采取定期清洗曝氣器、 及時(shí)更換老化曝氣盤、 強(qiáng)化預(yù)處理以減少生物池泥沙沉積等措施來(lái)降低曝氣器實(shí)際阻力, 同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算時(shí)也應(yīng)充分考慮長(zhǎng)期運(yùn)行后曝氣器阻力增大的實(shí)際情況。
按照推算的曝氣器實(shí)際氧傳質(zhì)效率(16.10%)以及重新設(shè)定的進(jìn)水水質(zhì)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)房技術(shù)改造的設(shè)計(jì)供氣量進(jìn)行重新計(jì)算, 進(jìn)水量為300 000 m3/d,生物反應(yīng)池設(shè)計(jì)進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度按照150 mg/L計(jì)算, 設(shè)計(jì)進(jìn)水TN 與TKN 質(zhì)量濃度均按照60 mg/L(默認(rèn)進(jìn)水中不含有)計(jì)算, 設(shè)計(jì)出水BOD5、 TKN、質(zhì)量濃度仍按現(xiàn)狀實(shí)際出水2.20、 0.36、 9.89 mg/L 計(jì)算, MLSS 中MLVSS 所占比例y =0.75, 污泥總產(chǎn)率系數(shù)Yt=0.80 kg[MLSS]/kg[BOD5], 則排出系統(tǒng)的微生物量ΔXV=26 604 kg[MLVSS]/d。 按照GB 50014—2021 中公式7.9.2 計(jì)算需氧量為61 336.00 kg[O2]/d, 曝氣器淹沒(méi)水深7.0 m, 夏季水溫約為25 ℃, 按照《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)城鎮(zhèn)排水》(第三版)6.4.6.2 節(jié)計(jì)算公式計(jì)算夏季標(biāo)準(zhǔn)供氣量為66 588.69 m3/h, 冬季標(biāo)準(zhǔn)供氣量為66 588.69×1.1 =73 247.56 m3/h。
當(dāng)實(shí)際曝氣量為73 247.56 m3/h 時(shí), 經(jīng)計(jì)算鼓風(fēng)機(jī)至曝氣器的管線沿程損失h1為0.100 m, 局部阻力h2(取沿程阻力的50%)為0.050 m, 曝氣器淹沒(méi)水頭h3為7 m, 曝氣器實(shí)際阻力仍取1.78 m, 則鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為8.93 m, 取9 m。 鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓比生物池水深(7.2 m)高約1.8 m, 建議運(yùn)行過(guò)程中定期對(duì)曝氣器進(jìn)行清洗以減緩曝氣器污染和老化、 降低風(fēng)機(jī)的背壓, 從而實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)能效水平的提升。
鑒于現(xiàn)狀多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)效率較低、 散熱量及噪音大、 操作環(huán)境差、 運(yùn)行故障頻繁等原因, 技改時(shí)通過(guò)經(jīng)濟(jì)節(jié)能效果[7]、 技術(shù)改造難度、 現(xiàn)狀條件限制等多方面對(duì)比論證后選擇磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)。 根據(jù)相關(guān)研究, 運(yùn)行年限超過(guò)5 a 以上時(shí), 磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益明顯大于其他類型鼓風(fēng)機(jī)[8]。 鼓風(fēng)機(jī)配置在滿足GB 50014—2021 相關(guān)要求以及保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情況下, 盡可能提高設(shè)備利用率; 同時(shí), 鑒于磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)在大風(fēng)量時(shí)選型困難的原因, 盡可能降低單臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)供氣量。 綜合考慮現(xiàn)狀土建、 電氣條件的制約, 技術(shù)改造后鼓風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)仍然為7 臺(tái), 鼓風(fēng)機(jī)選型參數(shù)為Q =174.40 m3/min (較原設(shè)計(jì)提高5.70%), H =9 m(較原設(shè)計(jì)提高0.5 m), N =300 kW。 改造后各運(yùn)行工況下鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況為: ①設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)情況下, 冬季運(yùn)行方式為7 用; ②設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)情況下, 夏季運(yùn)行方式為6 臺(tái)滿負(fù)荷, 第7 臺(tái)負(fù)荷率為36.36%; ③現(xiàn)狀進(jìn)水水質(zhì)情況下, 冬季運(yùn)行方式為6 用, 第7 臺(tái)負(fù)荷率為30.74%; ④現(xiàn)狀進(jìn)水水質(zhì)情況下, 夏季運(yùn)行方式為5 臺(tái)滿負(fù)荷, 第6 臺(tái)負(fù)荷率為73.40%。
由于技術(shù)改造后的磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)寬度(1 950 mm)大于現(xiàn)狀多級(jí)離心風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)寬度(1 200 mm), 為避免大拆大建延長(zhǎng)施工時(shí)間, 通過(guò)在現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上部和側(cè)面化學(xué)植筋方式實(shí)現(xiàn)新澆筑基礎(chǔ)與現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的整體性, 避免了新舊基礎(chǔ)不均勻沉降。
改造后磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)功率小于現(xiàn)狀多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)功率, 因此不對(duì)MCC3 低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,只更換風(fēng)機(jī)回路電纜、 調(diào)整電纜敷設(shè)路由及輔助用電。 改造后磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)配套提供主控制器MCP(一控七), MCP 通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC4 通訊。
鼓風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)有近10% 的電能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)[9], 為盡可能降低鼓風(fēng)機(jī)向室內(nèi)的散熱量,優(yōu)先選用局部排風(fēng)形式[10]。 通風(fēng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于局部排風(fēng)時(shí)室內(nèi)散熱量的確定以及保證鼓風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)室內(nèi)外溫差的確定。 根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)廠家提供的資料, 在采取局部排風(fēng)散熱的情況下, 鼓風(fēng)機(jī)室內(nèi)散熱量約為2%, 夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度及室內(nèi)外溫差根據(jù)GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表4.1.4 確定, 按照《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中公式2.2-2 計(jì)算通風(fēng)換氣量為44 042 m3/h。 選用軸流通風(fēng)機(jī)7 臺(tái), 單臺(tái)Q =6 685 m3/h,n=1 450 r/min, H =159 Pa, N =0.43 kW。
鼓風(fēng)機(jī)房技術(shù)改造的實(shí)施關(guān)鍵在于不停產(chǎn)施工。 為保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)所需的供氣量, 鼓風(fēng)機(jī)房技術(shù)改造選擇在夏季時(shí)(現(xiàn)狀夏季運(yùn)行方式為6 用1 備)逐臺(tái)更換現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)。 首先關(guān)閉現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)管閥門, 拆除現(xiàn)狀多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī), 澆筑并養(yǎng)護(hù)磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ), 安裝磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)并將其出風(fēng)管與現(xiàn)狀出風(fēng)管閥門合口, 打開閥門正常供氣后開始逐臺(tái)更換后續(xù)鼓風(fēng)機(jī)。
鼓風(fēng)機(jī)房技術(shù)改造的實(shí)施關(guān)鍵還在于施工過(guò)程中的成品(設(shè)備)保護(hù)。 現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)房溫度超過(guò)50℃, 而磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行要求室內(nèi)溫度不高于45 ℃, 室內(nèi)溫度過(guò)高將導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)停運(yùn), 同時(shí)改造過(guò)程中涉及墻體開洞、 基礎(chǔ)澆筑等土建作業(yè), 施工粉塵也將對(duì)磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)造成損傷, 因此, 在改造過(guò)程中對(duì)磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行臨時(shí)加罩冷卻保護(hù)。
鼓風(fēng)機(jī)房技術(shù)改造過(guò)程中涉及電氣遷改等拆除工作, 同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)房溫度較高、 施工作業(yè)環(huán)境差,因此, 施工單位應(yīng)編制危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程的專項(xiàng)施工方案, 保障施工期間用電安全以及防止人員燙傷等安全風(fēng)險(xiǎn)。
(1) 污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)房技術(shù)改造前應(yīng)根據(jù)水量、 進(jìn)出水水質(zhì)、 曝氣量等實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù), 按照GB 50014—2021 中公式7.9.2 及《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)城鎮(zhèn)排水》(第三版)6.4.6.2 節(jié)計(jì)算公式推算曝氣器的實(shí)際氧傳質(zhì)效率及阻力, 從而更加科學(xué)準(zhǔn)確地確定鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)。 本工程通過(guò)計(jì)算得出曝氣器的實(shí)際氧傳質(zhì)效率僅為16.10%, 曝氣器實(shí)際阻力高達(dá)1.78 m, 均無(wú)法達(dá)到CJ/T 264—2018 中規(guī)定的充氧性能標(biāo)準(zhǔn)值。因此, 污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)曝氣器的清洗及維護(hù), 以減緩氧傳質(zhì)效率下降以及阻力增加。
(2) 根據(jù)推算的曝氣器實(shí)際氧傳質(zhì)效率、 實(shí)際阻力、 調(diào)整后的設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)等數(shù)據(jù), 按照GB 50014—2021 中公式7.9.2 重新計(jì)算, 得到技改工程曝氣系統(tǒng)的供氣量較原設(shè)計(jì)供氣量提高了5.70%,鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓較原設(shè)計(jì)提高了0.5 m。 因此, 鼓風(fēng)機(jī)房的技術(shù)改造不能簡(jiǎn)單地對(duì)原設(shè)備進(jìn)行更換, 而應(yīng)在對(duì)曝氣器實(shí)際氧傳質(zhì)效率、 實(shí)際阻力等復(fù)核計(jì)算的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 當(dāng)現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)最大運(yùn)行風(fēng)量無(wú)法保障冬季運(yùn)行出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)時(shí), 應(yīng)及時(shí)更換鼓風(fēng)機(jī); 同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)定期對(duì)曝氣器實(shí)際氧傳質(zhì)效率及阻力等進(jìn)行復(fù)核, 當(dāng)清洗維護(hù)等措施無(wú)法有效恢復(fù)氧傳質(zhì)效率及阻力時(shí), 宜對(duì)曝氣器進(jìn)行更換以保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)并節(jié)約曝氣能耗。