田海成， 慕楊， 孫陽， 張元元， 楊福文， 白鳳嬌

（1.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司， 濟南 250001； 2.光大水務（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000； 3.北京北排水務設計研究院有限公司， 北京 100068）

鼓風機是污水中有機物和氨氮被微生物代謝去除的重要保障， 同時鼓風機的能耗占整個污水處理廠的能耗比例高達27%～43%［1－2］。 隨著提質(zhì)增效行動的推進以及各地污水排放標準的日益嚴格， 很多污水處理廠面臨實際進水水質(zhì)高于原設計進水水質(zhì)、 出水水質(zhì)標準提高的問題［3-4］， 同時由于曝氣器氧傳質(zhì)效率的降低、 風機的頻繁故障以及效率低下等， 對鼓風機房進行技術改造以實現(xiàn)出水穩(wěn)定達標和能效水平提升的需求較為普遍。 然而， 鼓風機房的技術改造并非簡單的設備更換， 對鼓風機的合理選型、 風機參數(shù)的調(diào)整與風機臺數(shù)的合理配置、現(xiàn)狀土建和電氣等基礎條件的利舊以及改造不停產(chǎn)的要求等都是鼓風機房技術改造與初次設計的重要區(qū)別。 以往對于鼓風機房的研究主要集中于鼓風機房的初次設計、 鼓風機的選型對比以及鼓風機的節(jié)能降耗等［5-6］， 對于鼓風機房如何進行技術改造設計研究較少。 本文以某大型污水處理廠鼓風機房的技術改造為例進行詳細分析， 以期為后續(xù)鼓風機房的技術改造提供參考。

1 工程概況

某生活污水處理廠一期、 二期設計總規(guī)模為30萬m3／d， 目前基本滿負荷運行， 采用粗格柵－進水泵房－細格柵－曝氣沉砂池－AAO－沉淀池－二級提升泵房－高效沉淀池－高效纖維濾池－紫外線消毒工藝， 設計出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A 標準。 進出水水質(zhì)見表1。

表1 進出水水質(zhì)Tab.1 Influent and effluent water quality

一期、 二期AAO 生物反應池總停留時間為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 座鼓風機房， 原設計有7 臺多級離心鼓風機， 單臺參數(shù)Q ＝165 m3／min， H ＝8.5 m， N ＝315 kW， 運行方式為夏季6 用1 備（實際風量為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)定達標，運行方式改為7 用（實際風量為夏季風量的1.1 倍）。多級離心鼓風機基礎尺寸為3 000 mm×1 200 mm，基礎間距為2 800 mm， 基礎間原設計有出風管管溝（寬度為1 500 mm）和電纜溝（寬度為600 mm），由于可利用空間有限， 鼓風機需要原位改造。 鼓風機由廠區(qū)馬達控制中心MCC3 提供電源， MCC3內(nèi)設置了2 臺1 600 kVA 干式變壓器（同時工作），低壓配電系統(tǒng)以放射性敷設三拼電纜至每臺鼓風機現(xiàn)場控制柜。 同時， 在馬達控制中心內(nèi)設置有現(xiàn)場控制站PLC4， 多級離心鼓風機主控器MCP 與PLC4 采用總線通訊。

2 存在問題及改造措施

通過對污水處理廠2021 年實際進水水質(zhì)分析可知， TN 平均質(zhì)量濃度為53.80 mg／L， 高于原設計進水（45 mg／L）； 氨氮平均質(zhì)量濃度為42.27 mg／L， 高于原設計進水氨氮（35 mg／L）。 實際進水水質(zhì)的提高導致實際需氧量增加， 同時現(xiàn)狀鼓風機使用時間較久， 風機故障頻繁， 進一步增加了出水水質(zhì)達標的難度。 風機實際效率較低且運行操作環(huán)境惡劣， 大量電能轉(zhuǎn)化為熱量全部散在室內(nèi)，然后依靠軸流風機實現(xiàn)向室外散熱， 夏季室內(nèi)溫度超過50 ℃。

本次技術改造將設計進水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）， 同時對曝氣器實際氧傳質(zhì)效率以及曝氣器實際阻力進行復核， 再根據(jù)改造后設計進水水質(zhì)、 曝氣器實際氧傳質(zhì)效率、 曝氣器實際阻力等重新計算確定鼓風機的供氣量和風壓。

3 鼓風機房技術改造工藝設計要點

3.1 曝氣器現(xiàn)狀實際氧傳質(zhì)效率的推算

在需氧量一定的情況下， 曝氣器實際氧傳質(zhì)效率是影響實際供氣需求的重要因素， 對曝氣器的現(xiàn)狀實際氧傳質(zhì)效率進行推算是確定技術改造后鼓風機房總供氣量的重要前提。 以2021 年實際運行數(shù)據(jù)對曝氣器的實際氧傳質(zhì)效率進行推算， 2021 年實際進水量平均為300 000 m3／d， 生物反應池實際進水BOD5平均質(zhì)量濃度為131.00 mg／L， 實際進水TN 與TKN 平均質(zhì)量濃度為53.80 mg／L（默認進水中不含有和， 實際出水BOD5平均質(zhì)量濃度為2.20 mg／L， 實際出水平均質(zhì)量濃度為9.89 mg／L， 實際出水TKN 與氨氮平均質(zhì)量濃度為0.36 mg／L（默認出水中不含有機氮），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《室外排水設計標準》中公式7.9.2 計算需氧量為55 296.03 kg［O2］／d， 曝氣器淹沒水深7.0 m， 夏季水溫約為25 ℃， 實際曝氣量約為60 000 m3／h， 按照《給排水設計手冊城鎮(zhèn)排水》（第三版）6.4.6.2 節(jié)計算公式逆推曝氣器的現(xiàn)狀實際氧傳質(zhì)效率約為16.10%， 遠低于CJ／T264—2018《水處理用橡膠膜微孔曝氣器》中相應規(guī)格（65 mm × 1 000 mm）管式微孔曝氣器標準氧傳質(zhì)效率值（33%）。

3.2 曝氣器現(xiàn)狀實際阻力的推算

曝氣系統(tǒng)阻力主要集中于末端曝氣器， 對曝氣器實際阻力的推算是確定鼓風機風壓的重要依據(jù)。2021 年冬季的實際曝氣量約為66 000 m3／h， 經(jīng)計算鼓風機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， 曝氣器淹沒水頭h3為7 m， 鼓風機背壓按8.9 m 計，逆推曝氣器實際阻力h4為1.78 m， 遠高于CJ／T 264—2018 中相應規(guī)格（65 mm×1 000 mm）管式微孔曝氣器的阻力損失標準值（0.45 m）。 黃斌［6］對曝氣系統(tǒng)壓力損失進行了實測分析， 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。 由于曝氣器實際阻力的增大會導致風機背壓上升， 不僅會導致能耗增加更會導致離心式鼓風機實際供氣量降低， 因此， 運行過程應采取定期清洗曝氣器、 及時更換老化曝氣盤、 強化預處理以減少生物池泥沙沉積等措施來降低曝氣器實際阻力， 同時鼓風機風壓計算時也應充分考慮長期運行后曝氣器阻力增大的實際情況。

3.3 鼓風機設計風量的重新計算

按照推算的曝氣器實際氧傳質(zhì)效率（16.10%）以及重新設定的進水水質(zhì)對鼓風機房技術改造的設計供氣量進行重新計算， 進水量為300 000 m3／d，生物反應池設計進水BOD5質(zhì)量濃度按照150 mg／L計算， 設計進水TN 與TKN 質(zhì)量濃度均按照60 mg／L（默認進水中不含有）計算， 設計出水BOD5、 TKN、質(zhì)量濃度仍按現(xiàn)狀實際出水2.20、 0.36、 9.89 mg／L 計算， 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 計算需氧量為61 336.00 kg［O2］／d， 曝氣器淹沒水深7.0 m， 夏季水溫約為25 ℃， 按照《給排水設計手冊城鎮(zhèn)排水》（第三版）6.4.6.2 節(jié)計算公式計算夏季標準供氣量為66 588.69 m3／h， 冬季標準供氣量為66 588.69×1.1 ＝73 247.56 m3／h。

3.4 鼓風機風壓的重新計算

當實際曝氣量為73 247.56 m3／h 時， 經(jīng)計算鼓風機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， 曝氣器淹沒水頭h3為7 m， 曝氣器實際阻力仍取1.78 m， 則鼓風機風壓為8.93 m， 取9 m。 鼓風機風壓比生物池水深（7.2 m）高約1.8 m， 建議運行過程中定期對曝氣器進行清洗以減緩曝氣器污染和老化、 降低風機的背壓， 從而實現(xiàn)鼓風機能效水平的提升。

3.5 鼓風機選型與配置方案

鑒于現(xiàn)狀多級離心鼓風機效率較低、 散熱量及噪音大、 操作環(huán)境差、 運行故障頻繁等原因， 技改時通過經(jīng)濟節(jié)能效果［7］、 技術改造難度、 現(xiàn)狀條件限制等多方面對比論證后選擇磁懸浮鼓風機。 根據(jù)相關研究， 運行年限超過5 a 以上時， 磁懸浮鼓風機的經(jīng)濟效益明顯大于其他類型鼓風機［8］。 鼓風機配置在滿足GB 50014—2021 相關要求以及保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標的情況下， 盡可能提高設備利用率； 同時， 鑒于磁懸浮鼓風機在大風量時選型困難的原因， 盡可能降低單臺鼓風機設計供氣量。 綜合考慮現(xiàn)狀土建、 電氣條件的制約， 技術改造后鼓風機臺數(shù)仍然為7 臺， 鼓風機選型參數(shù)為Q ＝174.40 m3／min （較原設計提高5.70%）， H ＝9 m（較原設計提高0.5 m）， N ＝300 kW。 改造后各運行工況下鼓風機運行情況為： ①設計進水水質(zhì)情況下， 冬季運行方式為7 用； ②設計進水水質(zhì)情況下， 夏季運行方式為6 臺滿負荷， 第7 臺負荷率為36.36%； ③現(xiàn)狀進水水質(zhì)情況下， 冬季運行方式為6 用， 第7 臺負荷率為30.74%； ④現(xiàn)狀進水水質(zhì)情況下， 夏季運行方式為5 臺滿負荷， 第6 臺負荷率為73.40%。

4 輔助專業(yè)設計

4.1 土建

由于技術改造后的磁懸浮鼓風機的基礎寬度（1 950 mm）大于現(xiàn)狀多級離心風機基礎寬度（1 200 mm）， 為避免大拆大建延長施工時間， 通過在現(xiàn)狀鼓風機基礎上部和側(cè)面化學植筋方式實現(xiàn)新澆筑基礎與現(xiàn)狀鼓風機基礎的整體性， 避免了新舊基礎不均勻沉降。

4.2 電氣與自控

改造后磁懸浮鼓風機功率小于現(xiàn)狀多級離心鼓風機功率， 因此不對MCC3 低壓配電系統(tǒng)進行調(diào)整，只更換風機回路電纜、 調(diào)整電纜敷設路由及輔助用電。 改造后磁懸浮鼓風機配套提供主控制器MCP（一控七）， MCP 通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC4 通訊。

4.3 通風設計

鼓風機正常運行時有近10% 的電能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)［9］， 為盡可能降低鼓風機向室內(nèi)的散熱量，優(yōu)先選用局部排風形式［10］。 通風設計關鍵在于局部排風時室內(nèi)散熱量的確定以及保證鼓風機正常運行時室內(nèi)外溫差的確定。 根據(jù)鼓風機廠家提供的資料， 在采取局部排風散熱的情況下， 鼓風機室內(nèi)散熱量約為2%， 夏季通風室外計算溫度及室內(nèi)外溫差根據(jù)GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》中表4.1.4 確定， 按照《實用供熱空調(diào)設計手冊》中公式2.2－2 計算通風換氣量為44 042 m3／h。 選用軸流通風機7 臺， 單臺Q ＝6 685 m3／h，n=1 450 r／min， H ＝159 Pa， N ＝0.43 kW。

5 施工時序安排與實施要點

鼓風機房技術改造的實施關鍵在于不停產(chǎn)施工。 為保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達標所需的供氣量， 鼓風機房技術改造選擇在夏季時（現(xiàn)狀夏季運行方式為6 用1 備）逐臺更換現(xiàn)狀鼓風機。 首先關閉現(xiàn)狀鼓風機出風管閥門， 拆除現(xiàn)狀多級離心鼓風機， 澆筑并養(yǎng)護磁懸浮鼓風機基礎， 安裝磁懸浮鼓風機并將其出風管與現(xiàn)狀出風管閥門合口， 打開閥門正常供氣后開始逐臺更換后續(xù)鼓風機。

鼓風機房技術改造的實施關鍵還在于施工過程中的成品（設備）保護。 現(xiàn)狀鼓風機房溫度超過50℃， 而磁懸浮鼓風機正常運行要求室內(nèi)溫度不高于45 ℃， 室內(nèi)溫度過高將導致鼓風機停運， 同時改造過程中涉及墻體開洞、 基礎澆筑等土建作業(yè)， 施工粉塵也將對磁懸浮鼓風機造成損傷， 因此， 在改造過程中對磁懸浮鼓風機進行臨時加罩冷卻保護。

鼓風機房技術改造過程中涉及電氣遷改等拆除工作， 同時鼓風機房溫度較高、 施工作業(yè)環(huán)境差，因此， 施工單位應編制危險性較大分部分項工程的專項施工方案， 保障施工期間用電安全以及防止人員燙傷等安全風險。

6 結(jié)論

（1） 污水處理廠鼓風機房技術改造前應根據(jù)水量、 進出水水質(zhì)、 曝氣量等實際運行數(shù)據(jù)， 按照GB 50014—2021 中公式7.9.2 及《給排水設計手冊城鎮(zhèn)排水》（第三版）6.4.6.2 節(jié)計算公式推算曝氣器的實際氧傳質(zhì)效率及阻力， 從而更加科學準確地確定鼓風機參數(shù)。 本工程通過計算得出曝氣器的實際氧傳質(zhì)效率僅為16.10%， 曝氣器實際阻力高達1.78 m， 均無法達到CJ／T 264—2018 中規(guī)定的充氧性能標準值。因此， 污水處理廠運行過程中應加強對曝氣器的清洗及維護， 以減緩氧傳質(zhì)效率下降以及阻力增加。

（2） 根據(jù)推算的曝氣器實際氧傳質(zhì)效率、 實際阻力、 調(diào)整后的設計進水水質(zhì)等數(shù)據(jù)， 按照GB 50014—2021 中公式7.9.2 重新計算， 得到技改工程曝氣系統(tǒng)的供氣量較原設計供氣量提高了5.70%，鼓風機風壓較原設計提高了0.5 m。 因此， 鼓風機房的技術改造不能簡單地對原設備進行更換， 而應在對曝氣器實際氧傳質(zhì)效率、 實際阻力等復核計算的基礎上重新進行設計計算。 當現(xiàn)狀鼓風機最大運行風量無法保障冬季運行出水穩(wěn)定達標時， 應及時更換鼓風機； 同時運行過程中應定期對曝氣器實際氧傳質(zhì)效率及阻力等進行復核， 當清洗維護等措施無法有效恢復氧傳質(zhì)效率及阻力時， 宜對曝氣器進行更換以保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達標并節(jié)約曝氣能耗。