微孔曝气设备应用于氧化沟曝气系统改造研究

陈 超

(福建海峡环保集团股份有限公司，福建 福州 350014)

1 项目背景

福州市马尾区某污水处理厂总处理规模4.0万m3/d，其中一期1.5万m3/d，二期2.5万m3/d，生化处理工艺采用改良型Carrousel 2000氧化沟工艺，深度处理工艺采用高效沉淀池+深床滤池，工艺流程图见图1。二期工程于2008年底建成投运，2018年年底完成提标改造，出水水质由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级B标准提升为一级A标准。

图1 二期工艺流程图

原有二期氧化沟采用倒伞型表曝机，曝气机使用年限超过10年，运行达不到额定功率，以及表曝机基础平台底部接近下面水面，没有专门的空气吸入口，氧化沟好氧区内及出水堰处DO值严重偏低，氧化沟出现供氧量无法满足工艺需氧量，导致出水水质无法稳定满足一级A标准。为此，急需更换一套节能、高效的曝气系统。

原有二期氧化沟设计参数：氧化沟共设计1座，处理规模2.5万m3/d，尺寸规格89.5m×44.9m×4.8m，其中厌氧区1559m3，停留时间1.50h；缺氧区1882m3，停留时间1.81h；好氧区11353m3，停留时间10.90h；好氧区分为4个廊道，单廊道渠宽11.0m，有效水深4.0m，超高0.8m。氧化沟好氧区共配置3台表曝机(功率90kW，倒伞直径3000mm)，目前无变频器，工频运行，运行时运行电流仅为90A左右。各廊道配置2台推流器(桨叶直径2500mm)，共8台；其中内沟两廊道4台推流器(功率4.3kW、推力3450 N、叶轮直径2.5m)，外沟两廊道4台推流器(功率5.7kW、推力4700N、叶轮直径2.5m)。

2 氧化沟微孔曝气系统改造方案

2.1 可行性分析

2.1.1 微孔曝气器类型及氧传递效率

目前氧化沟跑道式底部微孔曝气器类型主要有板式曝气器、管式曝气器和盘式曝气器，由于盘式曝气器单个工作气量低，服务面积小，会增加盘式曝气器数量及曝气管路，在氧化沟底部曝气应用较少。按曝气工作原理划分，板式曝气器属于平面曝气方式，而管式曝气器属于曲面曝气方式，在曝气器膜片材质、加工工艺及打孔工艺完全一样的前提下，板式曝气器比管式曝气器在寿命、阻力损失、氧气传递能力等方面均有很大优势[1]。

目前氧化沟实际有效水深4.0m，在不改变氧化沟土建结构的情况下还可再超高0.3m。安装微孔曝气器后水深为4.0～4.2m(微孔曝气器距离水面)，其氧传递效率随着水深增加呈现线性正相关关系。根据德国威德板式曝气器在标准水深6.0m的清水情况下氧气传递效率大于35%，在实际水深4.0m的情况下氧气传递效率大于30%。考虑在氧化沟底部有效空间内，选用具有更高氧传递能力的曝气器。

综合考虑微孔曝气器氧传递能力、处理阻力损失、使用寿命以及实际水深情况，确定选用板式曝气器。

2.1.2 安装空间

按板式微孔曝气器布置方案测算，考虑到好氧区内推流器影响，推流器前后7m不宜安装曝气器，其余空间可安装足够数量的曝气器，理论上额定气水比大于5∶1。考虑不改变土建结构的情况下，可以采用底部安装方式。

2.1.3 流速影响

根据微孔曝气器布置图模拟在氧化沟好氧区8台推流器都开启情况下，根据CFD模型模拟各断面不同水深处平均流速可以达到0.27m/s以上。测量点位T3～T10布置如图2所示，各断面流速测量结果见图3。

图2 流速测量点位图

图3 CFD模型模拟各断面不同水深的平均流速

2.2 曝气系统改造难点、要点

2.2.1 原设计出水标准低，有效池容不足，曝气效率低，总氮去除率低

该厂原设计的出水水质执行一级B排放标准，提标改造后出水要求执行一级A标准。标准提高后，造成原有氧化沟的池容不足，水力停留时间短，制约了反硝化反应，总氮去除效率低。由于氧化沟原表曝机曝气效率低，硝化反应也不充分，影响出水总氮稳定达标。因此，总氮去除率是本次氧化沟曝气系统改造的第一个难点。

2.2.2 氧化沟改造施工工期紧，难度大

在二期氧化沟改造期间需进行停减产施工，必定造成一期生产压力大，出水无法保障，曝气系统改造要迅速完成并通水，使厂内出水各项指标保持稳定运行，所以曝气系统改造施工时间不能太长。改造施工前，项目组多次开会探讨施工方案，并做出了多种应急预案，保证氧化沟曝气系统改造顺利进行，最大程度降低改造带来的不利影响。

2.2.3 改造的技术要点

氧化沟工艺曝气系统通常采用表曝设备，表曝形式具有运行维护上的许多优点，但表曝设备往往噪声较大、充氧动力效率低[2]，而且该厂表曝机使用年限已经超过10年，设备老旧、运行效率低，因此决定将氧化沟好氧区的3台表曝机全部拆除。

本次曝气系统改造在鼓风机房新增1台磁悬浮高速离心鼓风机，与其他单元鼓风机互为搭配使用。鼓风机的选型、底部曝气的布置选型是本次改造的另一个技术难点和要点。

2.3 改造内容

利用反硝化深床滤池配套的鼓风机，在不影响反硝化深床滤池正常运行的前提下，新增配置1台磁悬浮高速离心鼓风机，以代替表曝机进行曝气供氧。与反硝化深床滤池配套的鼓风机搭配使用。

氧化沟底部安装薄膜板式微孔曝气器EPDM，共安装1314套，支撑体材质PP，支架材质SS304。

风管安装：风机管道从鼓风机房顶，横跨一期氧化沟至二期氧化沟再行分布支管；池顶至池底1m以上采用SS304材质；池底1m以下采用UPVC材质。因空地狭小且地下管道交错，风管从横跨一期氧化沟至二期氧化沟布置。

鼓风机房内：鼓风机土建基座的土建，切换阀门、风管布置连接，新增风机电缆布线等；电房需对新增鼓风机控制柜进行改造。

氧化沟清池：因氧化沟放空阀门损坏而无法打开，需考虑用泵抽的清池方案。排水水量约6000吨，泥水混合物约5000吨，放空、清池时间15天。

2.4 设备选型与技术要求

鼓风机：鼓风机作为污水处理厂的关键设备，其能耗占到全部能耗的一半以上，对污水处理节能降耗起到关键作用，所以选择合适的鼓风机及合理的参数尤为重要。在小风量情况下，一般罗茨鼓风机效率高、成本低，但是在大风量时，离心机的综合效率、运营能耗更具优势[3]。本次按COD 350mg/L、氨氮35mg/L、TN 45mg/L的进水浓度处理达到一级A标准，根据《室外排水设计规范(2016版)》计算，需新增供气量150m3/min，风压为50kPa。同时根据现状厂区鼓风机房的配置，综合考虑选择新增1台磁悬浮高速离心鼓风机，参数：供气量150m3/min，风压为50kPa，电机功率150kW。

曝气器：采用德国威德薄膜板式微孔曝气器EPDM，该曝气器在水深4.2m时单个工作气量6.85m3/h，氧转移率大于30%。支撑体材质PP，支架材质SS304。

管道系统：水上部分碳钢防腐，主管管径DN400，支管管径DN300，水下部分不锈钢材质，管径DN150。

安装方式：薄膜板式微孔曝气器，通过带螺纹的对装连接件，用不锈钢螺栓锚固的方式将曝气器固定在布气管上。

表1 新增设备情况

2.5 改造过程

2.5.1 清池

停止氧化沟进水，清空池内污水及泥沙沉积物，检查水下推流设备及池体情况。清洗池体，为改造施工做好准备，清理出的泥沙沉积物外运，做进一步处置。

2.5.2 安装

安装前应仔细清理池底，同时要求从鼓风机到池底曝气系统接口间的管路必须已经吹扫干净。首先进行底部支架安装，然后将布气管安放于已调平并与地面固定好的支架上，核查曝气器的水平度。薄膜板式微孔曝气器，通过带螺纹的对装连接件，用不锈钢螺栓锚固的方式将曝气器固定在布气管上。系统连接件具有足够强度，且使用连接可拆卸，方便维修和更换。

2.5.3 调试

安装完成后进行设备检查及试运行，池子内放净水，水面至微孔曝气器表面约100mm，以最大通气量进行曝气，然后逐渐减小通气量，观察气泡变化，检查所有管路接口及微孔通气器接缝处等密封是否严密、是否有漏气现象。曝气器装置能使来自鼓风机的有压空气均匀扩散于水体中，以及停止供气时有效闭合，防止污水倒灌。测试中出现的任何问题，都要记录在安装检查表上。

2.6 改造后效果对比

该项目针对氧化沟好氧段供氧量不足、污泥沉降堆积的情况，采用微孔曝气方式，不仅能有效防止活性污泥在沟内沉积，还能通过调节鼓风机气量，可使供气量在零流量至装置最大供气量之间进行调节，同时还可以通过阀门控制任意的曝气区域，随时调整氧化沟好氧段和缺氧段的长度，以适应不同进水水质及工况背景的需要。

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日的实际检测数据为例进行分析。

2.6.1 氨氮去除效果对比分析

曝气系统改造前后氨氮进出水水质指标对比分析结果见图4、图5。

图4 改造前进出水氨氮指标对比

图5 改造后进出水氨氮指标对比

从图中可见，采用表曝机曝气时，进水氨氮指标的上下波动可能会引起氨氮指标超标，2019年9月21日—30日氨氮超标天数占总统计天数的71.4%(10天)，平均去除率为68.29%，而最低去除率仅为52.59%；改造为微孔曝气后，2019年12月21日—30日出水氨氮指标均控制在1mg/L内，平均去除率为98.68%，远高于85%的设计值。通过技术改造，氨氮去除率从68.29%提高至98.68%，大大提高氧化沟工艺的运行灵活性，适应污水水质变化范围变宽，确保污水厂水质氨氮指标的达标排放。

2.6.2 COD去除效果对比分析

曝气系统改造前后COD进出水水质指标对比分析结果见图6、图7。从图中可见，曝气系统改造前后出水COD指标均控制在20mg/L内，虽无明显变化，但改造后抗水质波动能力更强，COD去除率由原来的89.48%提高到94.87%。

图6 改造前进出水COD指标对比

图7 改造后进出水COD指标对比

2.6.3 TP去除效果对比分析

曝气系统改造前后TP进出水水质指标对比分析结果见图8、图9。

图8 改造前进出水TP指标对比

图9 改造后进出水TP指标对比

从图中可见，曝气系统改造前出水TP指标均控制在0.15mg/L内，改造后出水TP指标均控制在0.10mg/L内，TP去除能力略有提升，由原来的95.75%提升至97.84%。

2.6.4 设备能耗情况对比分析

表曝机和微孔曝气电耗情况如表2所示。

表2 曝气系统改造前后电耗情况表

3 微孔曝气设备改造工作亮点

本次改造既提升了出水达标稳定性，又达到了节能降耗的目的。改造前该厂平均总单耗为0.40kWh/m3，曝气单元平均电耗为0.206kWh/m3，曝气单元用电量为总电量的51.19%；改造为底部微孔曝气后，平均单耗为0.29kWh/m3，曝气单元平均电耗为0.060kWh/m3，曝气单元用电量约为总电量的20.83%。通过技术改造，曝气单元用电量占总电量的比重从51.19%降至20.83%，该厂总电耗降低24.8%，预计直接节约电费成本约50万元/年。

4 结论

该项目实施效果完全满足设计、运营要求，达到了预期目标。“底部鼓风曝气+推流器”的运行模式使该污水厂运行灵活性大大提高，适应污水水质、水量变化范围变宽。另外还提高了氧气的利用率，最合理地保证了氧化沟内微生物增长的需氧量，高效去除污水中COD5、NH3-N、TP等污染物，同时节能能耗，节约运营成本。基于以上优点，微孔曝气在氧化沟曝气系统改造中具有广阔的应用和推广价值。