黃　斌

（長沙聯(lián)泰水質(zhì)凈化有限公司湖南長沙410219）

污水處理廠生化池曝氣系統(tǒng)壓力損失分析及探討

黃斌

（長沙聯(lián)泰水質(zhì)凈化有限公司湖南長沙410219）

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)是污水處理廠的核心單元之一，也是能耗最大的一個(gè)單元，其運(yùn)行情況直接關(guān)系到污染物的去除能力以及污水廠的成本控制，本文通過對鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)壓以及系統(tǒng)在日常運(yùn)行中出現(xiàn)的風(fēng)壓超過設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象，進(jìn)行了分析及探討，認(rèn)為鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和鼓風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)考慮調(diào)節(jié)閥門及曝氣器老化堵塞等問題帶來的風(fēng)壓上漲，并提出改進(jìn)意見。

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)；離心鼓風(fēng)機(jī)；空氣調(diào)節(jié)閥；微孔曝氣器；管路系統(tǒng)損失

污水處理鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)組成包括鼓風(fēng)機(jī)、管路系統(tǒng)、閥門管件、曝氣擴(kuò)散裝置等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)增壓ΔP是靜壓（擴(kuò)散裝置覆水深度）和管路系統(tǒng)損失之和，大多污水處理項(xiàng)目設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)增壓ΔP為70kPa，但是以多年實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，風(fēng)機(jī)出口增壓并不是總能維持在設(shè)計(jì)的70kPa以下，由于大多數(shù)污水處理廠采用離心式鼓風(fēng)機(jī)，根據(jù)離心式流體機(jī)械的特性，在背壓升高的時(shí)候，流量就相應(yīng)下降，從而使得系統(tǒng)無法提供所設(shè)定的風(fēng)量，進(jìn)而造成供氧量不足等問題。本文就鼓風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行風(fēng)壓情況，與設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了對比分析和探討，提出改進(jìn)意見，以期給其他污水處理廠設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。

1　鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力損失與現(xiàn)狀的分析探討

1.1鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)概況

以筆者供職的污水處理廠為例，該污水處理廠一期設(shè)計(jì)規(guī)模30×104m3/d，采用改良型A2/O工藝，出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況為ΔP=70kPa，Q=1020m3/min，采用空氣懸浮單級離心式鼓風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)常用風(fēng)機(jī)共6臺。風(fēng)機(jī)出風(fēng)管并入空氣總管，再經(jīng)由4根風(fēng)管分配至4座生物池，每根風(fēng)管上各安裝1臺活塞式空氣調(diào)節(jié)閥，以利于運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)各生物池的風(fēng)量及溶解氧的平衡。

1.2設(shè)計(jì)風(fēng)壓計(jì)算過程

鼓風(fēng)機(jī)出口增壓主要分為兩部分：靜壓和管路系統(tǒng)損失。在污水處理系統(tǒng)中，靜壓為系統(tǒng)末端出氣位置的覆水深度，也就是微孔曝氣器位置的水深，傳統(tǒng)活性污泥法生物池水深為6m，微孔曝氣器安裝于距離池底20cm左右，所以靜壓大約5.7m～5.8m水柱，約等于55.86 kPa～56.84kPa。管路系統(tǒng)損失部分包括沿程阻力損失、局部阻力損失（彎頭、三通、異徑管、閥門、管件等）以及微孔曝氣器阻力損失，此外還需考慮一定的安全余量，因此鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)出口增壓ΔP為：

ΔP=h1+h2+h3+h4+h5

h1……沿程阻力損失

h2……局部阻力損失

h3……曝氣處水深

h2……微孔曝氣器損失

h2……安全余量

出口增壓為70kPa，而靜壓約55.86 kPa～56.84kPa，也就是說設(shè)計(jì)時(shí)需將整個(gè)管路系統(tǒng)的總壓力損失控制在大約14kPa以下。根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)計(jì)算書，靜壓55.86kPa，沿程損失為0.43kPa，局部損失為5.52kPa，靜壓55.86kPa，微孔曝氣器損失3kPa，安全余量3kPa，計(jì)算鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓ΔP=55.86+0.43+5.52+3+3= 67.81kPa，取70 kPa，即實(shí)際安全余量有5.2kPa。

由于在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)部分時(shí)間段曝氣系統(tǒng)風(fēng)量未到達(dá)設(shè)計(jì)最大風(fēng)量，但鼓風(fēng)機(jī)出口增壓已經(jīng)超過設(shè)計(jì)的70kPa，對于管路系統(tǒng)來說，流量越大則阻力損失越大，而對于離心式鼓風(fēng)機(jī)，其他條件不變情況下，流量會(huì)隨著壓力的上升而下降，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)量無法達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)量，給實(shí)際生產(chǎn)帶來問題。因此筆者對設(shè)計(jì)計(jì)算書中壓損與實(shí)際值差距較大的部分進(jìn)行了對比分析和試驗(yàn)。

1.3空氣調(diào)節(jié)閥損失問題

空氣調(diào)節(jié)閥屬于管件的一部分，在損失計(jì)算屬于局部損失，局部損失h2計(jì)算公式為：

筆者研究設(shè)計(jì)計(jì)算書時(shí)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)將空氣調(diào)節(jié)閥與其他閥門及管件視為同類，單項(xiàng)閥門的阻力損失只有9.2Pa（視為全開啟狀態(tài)），計(jì)算結(jié)果與筆者在日常運(yùn)行當(dāng)中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象差別較大。筆者設(shè)定兩種工況做了現(xiàn)場試驗(yàn)，兩種工況中均調(diào)整總風(fēng)量至600m3/ min，工況1中確保系統(tǒng)中所有調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)，忽略各池溶解氧的不平衡情況，工況2調(diào)整4個(gè)空氣調(diào)節(jié)閥，使得4座生物池好氧區(qū)溶解氧儀讀數(shù)基本一致，這是生產(chǎn)中所需的實(shí)際工況，在相鄰較短的2個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行工況1和工況2的實(shí)際操作，并記錄鼓風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，見表1。

表1　不同工況下壓力損失情況

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在其他條件基本一致的情況下，調(diào)節(jié)閥門比閥門全開啟時(shí)壓力損失增加了5kPa，而且此時(shí)風(fēng)量還不到設(shè)計(jì)風(fēng)量的60%，因壓力損失與流量平方成正比，可想而知若氣量繼續(xù)加大，則壓力損失將進(jìn)一步加大，同時(shí)注意到此時(shí)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的增加已經(jīng)超出設(shè)計(jì)工況的70kPa，鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)量已經(jīng)無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的風(fēng)量。

普通閥門一般全開啟，只有在需要檢修的時(shí)候進(jìn)行關(guān)閉，而流量調(diào)節(jié)閥的功能就在于調(diào)節(jié)，由于各池風(fēng)管長度無法一致，土建誤差帶來的水量分配不均，以及微孔曝氣器的老化情況差別等情況的存在，使得運(yùn)行過程中調(diào)節(jié)閥不存在100%開啟的情況，否則調(diào)節(jié)閥就失去了它存在的意義，而調(diào)節(jié)閥造成的損失占總損失的比重并不小，因此，筆者認(rèn)為調(diào)節(jié)閥門帶來的壓力損失在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不應(yīng)被忽略。

1.4微孔曝氣器損失問題

微孔曝氣器阻力損失也是鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)阻力損失的重要部分，其阻力損失主要來源于橡膠膜片在未通氣的原始狀態(tài)下氣孔是密閉的，當(dāng)氣體通過，需要有足夠的壓力將膜片上的氣孔撐開，因此帶來了壓力的損失，根據(jù)國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水處理用橡膠微孔曝氣器CJ/T264—2007》的要求，微孔曝氣器初始阻力損失一般應(yīng)小于等于5kPa。這個(gè)阻力損失與橡膠膜片質(zhì)量以及通氣量有關(guān)。筆者發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算中此部分取值3kPa，與本項(xiàng)目使用的某進(jìn)口品牌微孔曝氣器（EPDM材質(zhì)，單根通氣范圍是2 m3/m～12m3/m，設(shè)計(jì)工況通氣量為7.5m3/m）提供的數(shù)據(jù)相近（見圖1），從圖中可看出，壓力損失是隨著通氣量的增加而上升的，在設(shè)計(jì)工況7.5m3/m的通氣量下，初始壓力損失約4.5kPa。

圖1　橡膠微孔曝氣器壓力損失曲線

但是微孔曝氣器由于是橡膠制品，由于其表面密布了布?xì)獾奈⒖祝\(yùn)行時(shí)間的增加會(huì)造成橡膠膜片的老化，回彈性能降低[1]。同時(shí)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，由于硫元素的流失，橡膠膜片會(huì)逐漸硬化，使得同等通氣量下阻力損失逐漸上升，這不但會(huì)給鼓風(fēng)機(jī)帶來出口增壓的上漲從而增加了能耗，也會(huì)帶來本文提及的由于壓力超過設(shè)計(jì)值而使得風(fēng)量無法達(dá)到設(shè)計(jì)工況的問題。

圖2　同等條件下鼓風(fēng)機(jī)出口增呀隨時(shí)間變化曲線

圖2是本項(xiàng)目2011年-2014年運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)在同等條件下鼓風(fēng)機(jī)出口增壓隨時(shí)間變化的曲線，選取的運(yùn)行數(shù)據(jù)總風(fēng)量約700m3/ min左右，空氣調(diào)節(jié)閥開度基本一致，相互之間數(shù)據(jù)差別不超過3%。從曲線上可看出，隨著使用時(shí)間的增加，曝氣器的阻力損失逐步上漲，使用時(shí)間從第18個(gè)月至第55個(gè)月，同等通氣量下曝氣器阻力損失上升了5kPa左右。由于考慮經(jīng)濟(jì)性的原因，污水處理廠不可能每年都更換微孔曝氣器，一般會(huì)3～5年更換一次，因此筆者認(rèn)為由于橡膠膜片老化帶來的阻力損失上漲在設(shè)計(jì)之初也應(yīng)做相應(yīng)考慮。

2　結(jié)語

綜上，在不利情況下，鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥門的運(yùn)行開啟度和橡膠微孔曝氣器的老化所帶來的系統(tǒng)壓力上升會(huì)達(dá)到10 kPa～15kPa，這超出了設(shè)計(jì)之初風(fēng)壓的安全余量，會(huì)造成壓力過大而使得鼓風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量不足，給污水處理帶來影響。對此，筆者認(rèn)為在設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)候應(yīng)充分考慮這些問題，在盡量減小系統(tǒng)的阻力損失的同時(shí)，風(fēng)壓的安全余量應(yīng)適當(dāng)提高到15kPa，鼓風(fēng)機(jī)的選型時(shí)工況出口增壓選擇在80kPa較為合適，這對設(shè)備的購置成本來說并不會(huì)增加太多，且在良好的運(yùn)行條件下，并不會(huì)增加鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際軸功率，但卻能有足夠的安全余量以應(yīng)付惡劣工況下穩(wěn)定運(yùn)行的要求，提供系統(tǒng)的抗沖擊性。

[1]吳敏.關(guān)于微孔曝氣器比較與選擇的探討[J].工程與技術(shù),2002 (5):16-18.