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)泰水質凈化有限公司湖南長沙410219）

鼓風曝氣系統(tǒng)是污水處理廠的核心單元之一，也是能耗最大的一個單元，其運行情況直接關系到污染物的去除能力以及污水廠的成本控制，本文通過對鼓風曝氣系統(tǒng)設計風壓以及系統(tǒng)在日常運行中出現(xiàn)的風壓超過設計值的現(xiàn)象，進行了分析及探討，認為鼓風曝氣系統(tǒng)設計和鼓風機選型時應考慮調節(jié)閥門及曝氣器老化堵塞等問題帶來的風壓上漲，并提出改進意見。

鼓風曝氣系統(tǒng)；離心鼓風機；空氣調節(jié)閥；微孔曝氣器；管路系統(tǒng)損失

污水處理鼓風曝氣系統(tǒng)組成包括鼓風機、管路系統(tǒng)、閥門管件、曝氣擴散裝置等。系統(tǒng)設計風機增壓ΔP是靜壓（擴散裝置覆水深度）和管路系統(tǒng)損失之和，大多污水處理項目設計風機增壓ΔP為70kPa，但是以多年實際運行經驗來看，風機出口增壓并不是總能維持在設計的70kPa以下，由于大多數污水處理廠采用離心式鼓風機，根據離心式流體機械的特性，在背壓升高的時候，流量就相應下降，從而使得系統(tǒng)無法提供所設定的風量，進而造成供氧量不足等問題。本文就鼓風系統(tǒng)的實際運行風壓情況，與設計情況進行了對比分析和探討，提出改進意見，以期給其他污水處理廠設計及運行提供參考。

1　鼓風曝氣系統(tǒng)設計壓力損失與現(xiàn)狀的分析探討

1.1鼓風曝氣系統(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計規(guī)模30×104m3/d，采用改良型A2/O工藝，出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B排放標準。鼓風曝氣系統(tǒng)設計工況為ΔP=70kPa，Q=1020m3/min，采用空氣懸浮單級離心式鼓風機，設計常用風機共6臺。風機出風管并入空氣總管，再經由4根風管分配至4座生物池，每根風管上各安裝1臺活塞式空氣調節(jié)閥，以利于運行時調節(jié)各生物池的風量及溶解氧的平衡。

1.2設計風壓計算過程

鼓風機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，因此鼓風機設計出口增壓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，也就是說設計時需將整個管路系統(tǒng)的總壓力損失控制在大約14kPa以下。根據本項目的設計計算書，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，計算鼓風機出口風壓ΔP=55.86+0.43+5.52+3+3= 67.81kPa，取70 kPa，即實際安全余量有5.2kPa。

由于在多年的生產實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)有相當部分時間段曝氣系統(tǒng)風量未到達設計最大風量，但鼓風機出口增壓已經超過設計的70kPa，對于管路系統(tǒng)來說，流量越大則阻力損失越大，而對于離心式鼓風機，其他條件不變情況下，流量會隨著壓力的上升而下降，這會導致系統(tǒng)風量無法達到設計風量，給實際生產帶來問題。因此筆者對設計計算書中壓損與實際值差距較大的部分進行了對比分析和試驗。

1.3空氣調節(jié)閥損失問題

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

筆者研究設計計算書時發(fā)現(xiàn)，設計將空氣調節(jié)閥與其他閥門及管件視為同類，單項閥門的阻力損失只有9.2Pa（視為全開啟狀態(tài)），計算結果與筆者在日常運行當中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象差別較大。筆者設定兩種工況做了現(xiàn)場試驗，兩種工況中均調整總風量至600m3/ min，工況1中確保系統(tǒng)中所有調節(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調整4個空氣調節(jié)閥，使得4座生物池好氧區(qū)溶解氧儀讀數基本一致，這是生產中所需的實際工況，在相鄰較短的2個時間段內進行工況1和工況2的實際操作，并記錄鼓風機各項參數，見表1。

表1　不同工況下壓力損失情況

從試驗數據可以看出，在其他條件基本一致的情況下，調節(jié)閥門比閥門全開啟時壓力損失增加了5kPa，而且此時風量還不到設計風量的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，則壓力損失將進一步加大，同時注意到此時風機出風口的增加已經超出設計工況的70kPa，鼓風機出風量已經無法達到設計要求的風量。

普通閥門一般全開啟，只有在需要檢修的時候進行關閉，而流量調節(jié)閥的功能就在于調節(jié)，由于各池風管長度無法一致，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，使得運行過程中調節(jié)閥不存在100%開啟的情況，否則調節(jié)閥就失去了它存在的意義，而調節(jié)閥造成的損失占總損失的比重并不小，因此，筆者認為調節(jié)閥門帶來的壓力損失在設計計算時不應被忽略。

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，根據國內行業(yè)標準《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小于等于5kPa。這個阻力損失與橡膠膜片質量以及通氣量有關。筆者發(fā)現(xiàn)設計計算中此部分取值3kPa，與本項目使用的某進口品牌微孔曝氣器（EPDM材質，單根通氣范圍是2 m3/m～12m3/m，設計工況通氣量為7.5m3/m）提供的數據相近（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，在設計工況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氣的微孔，運行時間的增加會造成橡膠膜片的老化，回彈性能降低[1]。同時隨著運行時間的增加，由于硫元素的流失，橡膠膜片會逐漸硬化，使得同等通氣量下阻力損失逐漸上升，這不但會給鼓風機帶來出口增壓的上漲從而增加了能耗，也會帶來本文提及的由于壓力超過設計值而使得風量無法達到設計工況的問題。

圖2　同等條件下鼓風機出口增呀隨時間變化曲線

圖2是本項目2011年-2014年運行歷史數據在同等條件下鼓風機出口增壓隨時間變化的曲線，選取的運行數據總風量約700m3/ min左右，空氣調節(jié)閥開度基本一致，相互之間數據差別不超過3%。從曲線上可看出，隨著使用時間的增加，曝氣器的阻力損失逐步上漲，使用時間從第18個月至第55個月，同等通氣量下曝氣器阻力損失上升了5kPa左右。由于考慮經濟性的原因，污水處理廠不可能每年都更換微孔曝氣器，一般會3～5年更換一次，因此筆者認為由于橡膠膜片老化帶來的阻力損失上漲在設計之初也應做相應考慮。

2　結語

綜上，在不利情況下，鼓風曝氣系統(tǒng)中調節(jié)閥門的運行開啟度和橡膠微孔曝氣器的老化所帶來的系統(tǒng)壓力上升會達到10 kPa～15kPa，這超出了設計之初風壓的安全余量，會造成壓力過大而使得鼓風機提供的風量不足，給污水處理帶來影響。對此，筆者認為在設計計算的時候應充分考慮這些問題，在盡量減小系統(tǒng)的阻力損失的同時，風壓的安全余量應適當提高到15kPa，鼓風機的選型時工況出口增壓選擇在80kPa較為合適，這對設備的購置成本來說并不會增加太多，且在良好的運行條件下，并不會增加鼓風機的實際軸功率，但卻能有足夠的安全余量以應付惡劣工況下穩(wěn)定運行的要求，提供系統(tǒng)的抗沖擊性。

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