污水厂曝气装置的优化和实践

姚 彬 刘至嘉

（上海松江污水处理厂）

　　摘要：在上海松江污水厂一期工程曝气池改造中，对各种布气装置进行了三个轮次的技术经济比较。针对工程具体特点，优选了橡胶膜曝气管作为布气装置，并对布气管的构造进行了优化，实现了不停水拆卸维修曝气管的要求。

　　经实际运行证明，运行情况良好，污水中氧利用率16%以上，去除每公斤BOD₅并同时脱除0.23公斤TN的风机电耗在0.6kw.h左右。输气管和布气系统的单位处理水量总造价45元/m³.d，布气支管不停水拆装方便。本文介绍了三轮比较、构造优化和实际运行情况。

　　污水处理厂的核心构筑物是曝气池，曝气装置的能耗约占污水厂总能耗的60%，总造价的15%左右。优选能耗少、造价低的曝气装置，对污水厂的运行成本和基建造价具有重要意义。而且，曝气装置的可靠性、调节的灵活性、以及是否便于维修管理，是污水厂运行管理中关注的重点。

　　上海松江污水处理厂一期工程，原为推流式穿孔管常规活性污泥法曝气池，自1985年投产运行以来，已历16年，曝气装置和管道都已锈蚀，工艺需改为A/O，其他设备也需要更新。故于2001年起，着手“松江污水厂一期改造工程”的前期工作。前期工作的重点之一，是曝气装置的优化。经三个轮次的技术经济比较，选择了橡胶膜曝气管作为布气装置，对布气管的构造进行了优化，实现了不停水拆卸维修曝气管的要求。2002年6月工程实施后，经运行实践证明，达到并优于预期的效果。现将有关情况简述如下：

　　1． 布气装置的优选

　　布气装置是将空气扩散到水中，形成不同粒径的气泡，使空气中的氧溶入水中。输入水中的空气中的氧与溶入水中的氧的重量之比（以%计），即氧利用率，是体现布气装置效率的主要指标。在确定了曝气池需氧量的情况下，不同的布气装置的氧利用率不同，需要的空气量不同，鼓风机的能耗也不同。同时，不同的布气装置的价格、对空气净化的要求、以及相应的管道造价也不同，故需进行技术经济比较。

　　本次工程的前期工作中，对布气装置进行了三轮技术经济比较：

　　第一轮：是三种不同曝气形式的比较，分别是以圆盘微孔曝气器为代表的微气泡曝气；以穿孔管为代表的大气泡曝气；以曝气软管为代表的中微气泡曝气。比较的基础是，曝气池的日处理污水量2万立方米，根据松江污水厂进水水质和脱氮要求计算，处理过程中日需氧量为7073公斤。利用现有的可变风量高速离心风机，每台风机最大风量125立方/分，电机满负荷功率185千瓦。比较结果见表1-1。

　　由表1-1可见，穿孔管大气泡曝气，虽构造最简单，但由于氧利用率低，年电耗高，静态五年总费用最高。微孔曝气静态五年总费用稍高，且曝气头必须装在池底，浸没水深6.0米，加上曝气头本身的阻力损失，要求的风压超过现有鼓风机的最大风压6.8米水柱，不适应本工程。以曝气软管为代表的中微孔曝气，对空气除尘的要求不高，造价适中，供气电耗与微孔曝气相差不多，五年总费用最小，故确定采用中微孔曝气形式。

　　第二轮：是三种中微孔曝气管的技术经济比较，比较基础同上。结果见表1-2。

三种曝气形式的经济比较                                                表1-1

三种中微孔曝气管的技术经济比较                                                           表1-2

昕盛橡胶膜曝气管

水深3.19米时充氧能力和曝气管阻力损失                                     表1-3

水深5米时充氧能力和曝气管阻力损失

　　由表1-2可见，橡胶膜曝气管的氧利用率超过曝气软管，甚至优于微孔曝气，中微气泡曝气的优势进一步显现，而且布气管的理论造价最低。乌克兰曝气管由于必须安装在池底，与微孔曝气一样，存在与现有鼓风机风压不能匹配的问题，而且造价较高。曝气软管是用绳子绑在支架上，支架造价大，且不正规。橡胶膜曝气管可设计成不停水拆卸和维修，可解决日常维修中的难题。经比较，橡胶膜曝气管的优势比较明显。

　　第三轮比较：是对目前市场上几种橡胶膜曝气管产品的比较。通过清水试验，测定不同淹没水深、每根曝气管不同出气量时的氧利用率、阻力损失等。清水试验在直径1米、高5.4米的钢筒中进行，用气压表测定曝气管阻力损失，用YSI-58型溶氧仪连续测定DO变化，并计算氧利用率等参数。本轮共比较了二种台湾产品和一种德国产品。其中一种台湾产品，氧利用率较低而且构造存在一些缺陷。昕盛公司经销的台湾曝气管氧利用率较高，构造较为合理。德国产品虽各方面性能都优于前二者，但价格高于台湾产品一倍以上。综合考虑三种曝气管的经济与技术效应，最终选用昕盛经销的曝气管。其测定结果见表1-3。

　　2． 胶膜曝气管安装方案的优化

　　2.1  每支曝气管出气量的确定：由表1-3可见，每根曝气管的出气量越低，产生的气泡直径越小，氧利用率越高，供气电耗越少。按污水中氧利用率为清水中氧利用率0.587计（根据松江污水厂水质情况计算确定），每根曝气管在不同出气量时，需要的空气供应量、曝气管理论数量及造价，见表2-1。

每根曝气管不同出气量的经济比较     表2-1

　　由表2-1和表1-3可见，当每根橡胶膜曝气管的出气量大于8立方/小时，则供气量将达到或超过现有每台鼓风机的供气能力，有启用二台风机的可能，很不经济，而且曝气管的阻力损失明显增加，超过现有风机的风压能力，故不宜选用。根据现有鼓风机的特性曲线（附图2-1），为达到出风压力6.8米水柱，出风量101立方/分和112立方/分时，相应的进风导叶片角度为30度和22度，相应的风机轴功率为145千瓦和151千瓦。即每根曝气管的出气量为6立方/小时和4立方/小时，相应的供电电耗仅差6千瓦，年电费相差2万元左右，而曝气管的理论造价相差7.5万元，两者经济效益无明显差异。但曝气管数量过多，则构造上困难较大，维护工作量增多。故每根曝气管的出气量选定为6立方/小时左右。曝气管用量约1100根。（考虑缺氧区预留曝气管，实际安装的曝气管数量1392根）

　　2.2  曝气管浸没深度的确定：为使曝气管能正常出气，曝气管的浸没深度、曝气管的阻力和空气输送管的阻力损失三者之和，必须小于现有鼓风机的最大出风压力6800毫米水柱。曝气管的阻力损失，由表1-3可见，在每根曝气管出风量6立方/小时左右时实测为0.73米。考虑长期长期使用后阻力增加，曝气管的阻力损失按1200毫米水柱计。空气输送管的阻力损失，经计算，为250毫米水柱。为安全起见预留100毫米水柱的风压富余量。曝气管的浸没深度应为

　　6800-1200-250-100=5250毫米。现有曝气池水深为6000毫米，按浸没水深计算，橡胶膜曝气管应设置在距池底750毫米的高度上。根据国内外大量曝气管安装高度的运转情况，距池底750毫米尚不会发生曝气池底部污泥沉积的问题。

　　2.3  曝气管安装方法的优化：曝气池原有空气支管的间距为2米，砼管廊上留有相应的缺口。现橡胶膜曝气管每根长度为0.6米，曝气支管两边各接一根橡胶膜曝气管，长度为1350毫米左右。故支管间距仍选用2米。根据支管总数116根和确定的橡胶膜气管1392根，每根支管上安装橡胶膜曝气管12根（6对）。

　　 污水厂曝气池运行中，曝气头的损坏或堵塞是难免的，需要修理或更换时，一般要把曝气池放空。修复后要重新培养活性污泥，不但工作量巨大，而且停产时间要长达十天以上。国外虽有专用的可折叠式的曝气支管装置，可将支管从池内提出进行维修，但结构复杂，价格昂贵，国内鲜有应用。本工程为解决此难题，经精心构思，将每个曝气支管（带12个橡胶膜曝气管）由三个可拆卸的支撑点固定，立管上端为一法兰连接的橡胶软接头，既补偿立管热胀冷缩的变形，又便于拆卸；立管下端为一插入式杯形套筒，固定立管的左右位置，使立管靠自重站在池底上；水平管一端与立管结成整体，另一端为一个横向的插入式搭扣，可水平向插入或拨出。因曝气管在曝气时只有垂直方向的抖动，不会产生水平向位移,故可以作为水平管的支点。须要维修时，先卸开支管上端软接头，再用一根小管子作杠杆，水平向拨出水平搭扣，即可取出整套支管。安装时先把立管插入杯形套筒，把水平管拨入水平搭扣，安好软接头即可。实现了不停水不停气维修曝气管的要求。有关构造见附图。

3．实际运行结果

    2002年6月，松江污水厂一期改造工程完成，经调试测定，在设计处理水量2万立方/日情况下，出水水质达到并优于排放标准。运行稳定，管理方便。

在调试过程中，曾出现二次橡胶膜曝气管接口破损，实施了不停水取出曝气支管的办法进行维修，拆装都顺利方便，证明优化后的安装方法是成功的。

    曝气池运行中发现，在只开一台风机，并调到最小风量，实际电机功率130千瓦左右时，曝气池内实测溶解氧3–6毫克/升，高于一般要求的2毫克/升。证明橡胶膜曝气管的氧利用率和整个计算，是可靠并留有余地的，污水中氧利用率应大于16%。折算处理每公斤BOD并同时脱除0.23公斤TN的鼓风机电耗在0.6千瓦时左右。较原穿孔管曝气年电耗可节省100万左右。

    曝气池供气系统改造的决算造价（包括输气管、管道支架、阀门、软接头、橡胶膜曝气管等全部装置），不足90万元，折合单位处理水量单价45元/立方米水/日。这在曝气池的供气系统中，是很低很经济的。

   总之，经过仔细的比较筛选，认真的构造优化，详细的测定和计算。为曝气池曝气装置的优化，探索得到了较经济高效的一种设施和构造。实际运行证明，达到并优于预期的目标。

    附曝气支管构造图