城镇污水处理厂鼓风曝气系统节能分析

程丹丹 庞维亮 冯丽霞 魏铮

（1天津市环境保护科学研究院 天津 300191 2天津市联合环保工程设计有限公司 天津 300191）

城镇污水处理厂鼓风曝气系统节能分析

程丹丹1庞维亮1冯丽霞2魏铮2

（1天津市环境保护科学研究院 天津 300191 2天津市联合环保工程设计有限公司 天津 300191）

介绍了以活性污泥法为处理工艺的城镇污水处理厂鼓风曝气系统的能耗现状及节能途径等。分析在保障污水处理厂可靠稳定运行的基础上，如何更好地利用和节约能源、降低能耗，可供同行参考。

活性污泥工艺；鼓风曝气；能耗现状；节能途径

我国城市污水年处理量巨大，污水处理厂的高耗能问题已引起运营管理人员及设计人员越来越多的关注。其中，在好氧生物处理工艺中，供氧是重要的环节，保证微生物对氧的需求，并对废水起到搅拌作用，曝气系统能耗在整个城镇污水处理过程中所占比例最大，可控制空间潜力巨大。

1 污水厂曝气系统能耗分析

1.1 曝气系统能耗现状

目前，对于国内活性污泥法处理工艺的城镇污水处理厂，曝气池鼓风机运行电能消耗约占到整个污水处理厂电耗的60%左右，所以曝气系统的降耗对整个污水厂的节能运行意义重大。曝气系统的节能主要是降低单位供风量的电耗和提高对曝气池供风的利用率两个方面来考虑[1]。

1.2 鼓风曝气系统的组成

生化反应中最常用的鼓风曝气系统主要由鼓风机（空压机）、空气扩散装置和一系列连通管道等。鼓风机将空气通过管道输送到曝气池底部的曝气装置，气泡在扩散装置出口处形成，气泡随水流循环流动，最后在液面处破裂的过程，气泡中的氧向混合液中转移扩散[2]。所以，对鼓风曝气系统的节能降耗途径分析应围绕鼓风机和曝气装置两方面来进行。

2 污水处理曝气系统节能途径分析

2.1 通过选择曝气装置节能

曝气装置选择应主要考虑下列因素：具有较高的氧利用率和动力效率，节能效果好；不易堵塞，便于维护管理；结构简单，工程造价低。

2.1.1 采用微孔曝气器可以减小气泡尺寸，增大表面积，节约进气量。通过对微孔曝气器的材料、结构形式、技术性能等方面的分析比较及大量的国外应用经验，证明管式曝气器具有通气量大，氧利用率高，阻力损失小，并能在长期运行中保持优良性能，节约运行维护费用，是一种高效节能的微孔曝气装置，管式曝气器具有在技术上的先进性和工程上的适用性[3]。

2.1.2 经过近年的实践与研究发现，全面曝气的效果比一般传统的曝气管通过单边布置而形成旋流的方式还好。全面曝气可以使整个曝气池内均匀地产生小漩涡，进一步提高充氧效率。国内许多大型城镇污水厂根据实际进水水质及出水达标要求均采用微孔全面曝气，比穿孔管曝气节电20%左右。国外也有报道采用微孔全面曝气平均每去除1kgBOD可节约风量25%，节约电耗18%[4]。

2.2 鼓风机选型及运行方式节能

经对各类型鼓风机比较，污水处理工程一般会确定两个鼓风机选型设计方案：三叶罗茨鼓风机，通过变频电机调节鼓风机转速来调整风量；单级高速离心鼓风机，通过调节鼓风机导叶片角度调整风量。

通过对这两种鼓风机优缺点比较，我们发现三叶罗茨鼓风机的国产设备已经在国内有许多大型、中型及小型污水处理厂成功的运行实例，性能可靠。单级高速离心鼓风机国产设备质量和使用寿命有所欠缺，成功应用运行的实例较少，而进口设备价格昂贵。所以国内的污水处理厂在没有特殊要求的情况下，建议优先选用三叶罗茨鼓风机，以减轻投资和维护运行成本。

2.3 通过控制风机风量节能

2.3.1 经验控制进水比例方式：通过长期观察进水水质、水量、掌握其变化特性，按一定的气水比，根据进水水量调节风量或由经验确定风量与时间的关系，编制程序，进行自动控制。但上述方法均易受水质波动影响，处理效果不稳定，应与其他方法配合使用。

2.3.2 溶解氧智能控制方式：建立一个精确而高效的动态曝气闭环控制系统，曝气池的负荷是变化的，在反应池池内设溶解氧仪，可以通过变频电机调节叶轮的转速，根据溶解氧的变化，可自动调节供气量，节省能耗。

3 工程实例

3.1 设计水量及工艺介绍

重庆某城镇污水处理厂建设规模：2.0×104m3/d，总变化系数1.51。

经过比选方案论证，根据进水水质的特点和碳氮比不是很高、出水对磷的去除率要求较高的特点，该污水处理厂拟采用“A2/O＋辅助化学除磷”工艺。

3.2 设计参数

经过进水粗细格栅、沉砂池、初沉池的预处理后，污水中污染物质得到有效的削减，A2/O生化反应池进水水质：BOD5＝170mg/L；COD＝360mg/L；SS＝160mg/L；TN＝55mg/L；TP＝4.8mg/L；设计出水水质：BOD5＝20 mg/L；COD＝60 mg/L；SS＝20 mg/L；TN＝20 mg/L；TP＝1.0 mg/L。

活性污泥曝气系统与空气扩散装置的设计应包括：曝气池池型的选择、选定曝气方式、需氧量和供氧量的计算、曝气管道的计算、鼓风机的选择等。

A2/O生化反应池按最高日污水量1083m3/h设计。共设4组池体，单池最大日流量为：Q＝271m3/h；污泥浓度：X=3.15g/L；污泥负荷：Lx=0.11kgBOD5/（kgMLSS?d）；泥龄：SRT=12.65d；最大日流量水力停留时间：HRT=14.12h；其中缺氧区为2.42h，厌氧区为2.02h，好氧区为9.68h。采用微孔全面曝气充氧，所需最大供气量为119200Nm3/d（气水比5.96:1），反应池内空气管道采用PVC管。

3.3 A2/O反应池主要设备选择

3.3.1 每座生化反应池好氧区共设微孔曝气管312套，曝气管L=750mm，D=65mm，单根微孔曝气管充氧量在4～8m3/h时，氧利用率≥25%，4座生化反应池好氧区共设微孔曝气管1248套。曝气管上的EPDM膜开有微孔，压缩空气使EPDM膜变形，空气从微孔溢出形成微小气泡，对污水进行曝气充氧。

3.3.2 鼓风机是保证曝气系统正常工作的关键设施，其电耗约占全厂电耗的60～75%。经计算要满足曝气正常运行，鼓风机房总供气量Q=4967m3/h，气体压力P=0.55bar。从设备型式、节省能耗等方面对鼓风机进行比选后，设计采用罗茨鼓风机对生物反应池进行鼓风曝气。设3台单台设计流量Q=54Nm3/min带变频调速电机的罗茨鼓风机，2用1备。

3.4 通过控制风机运行方式节能

在曝气池内设置在线的DO浓度检测仪，并将仪表检测的溶解氧值上传至PLC，PLC按DO的检测值和设定值（曝气区DO浓度控制在2mg/L左右）保持一致来调节供气量，维持DO浓度的稳定，达到稳定和高效的处理效果。PLC可以通过改变鼓风机运转台数、鼓风机出风管电动调节蝶阀开度及变频调节罗茨鼓风机电机转速实现对供气量的调节，用该方式控制风量可节电10%～30%。

每台变频器自带数据总线接口，可以通过数据总线将鼓风机运行参数上传至PLC，值班人员可以在中控室直接观测和干预鼓风机运行情况。

4 结语

通过研究采取管式微孔曝气全面曝气的布置方式，结合通过DO智能控制的PID闭环调节曝气系统的运行、对风机进行节能调节等几种措施相结合的方式，能有效地降低目前城市污水处理厂曝气系统耗能大的问题，降低能耗达30%以上。

我国为数众多的城镇污水厂由于设计工艺、设备选型或运行管理等原因存在高能耗的问题，因此，开发研究新型节能型改良工艺，使用节能的设备，加强优化污水处理厂的日常运行管理，才能在污染物减排的同时不断降低污水处理厂的能耗水平，提高污水处理效率，保障污水处理厂正常运转。

同时建议研究基于进水负荷动态变化的工艺过程控制策略和模式，建立污水处理工艺节能降耗的系统模型和评价体系对于解决我国城镇污水厂运行高能耗、高成本问题具有重大意义。

[1]罗隆,周力尤.自动化技术在污水处理节能领域中的应用现状与前景[J].南方职业教育学刊,2011,1(4):1-3.

[2]李帅.城市污水处理厂曝气系统节能降耗控制策略试验研究[D].青岛理工大学,2011.

[3]谷成国,宋剑锋.城市污水处理厂鼓风曝气阶段的节能降耗研究[J].环境保护科学,2008,35(4):27-45.

[4]庞立.污水处理多模式A/A/O工艺控制系统的设计与实现[D].上海:华东理工大学,2011.

程丹丹（1982－），女，天津人，环境工程硕士学位，工程师，主要研究方向为污水处理工程电气自动化设计及研究工作。

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07203-002-002）。