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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 | | | 圆盘微孔曝气 | 穿孔管大气泡曝气 | 曝气软管中微孔曝气 | 供气电耗 | 氧利用率 (%) | 15 | 7 | 12 | 供气量 (m3/分) | 121.3 | 260 | 151.6 | 鼓风机功率 (%) | 185 | 370 | 233 | 年供气电费 (%) | 72.9 | 145.9 | 91.9 | 基建造价估算 | 布气装置 | | 每个曝气圆盘供气量3m3/小时 | DN25–80穿孔白铁管 | 软管出气量 3m3/小时/米 | | | 理 论 数 量 | 曝气圆盘数量2400个 | 10082kg | 软管长度3600米 | | 单 价
| 每个单价及安装180元 | 8元/kg | 软管70元/m；支架60元/m | | 理 论 造 价 (万元)
| 43.2 | 8.07 | 46.8 | | 输气供气管造价 (万元)
| 12.3 | 17.4 | 12.3 | | 除尘装置 (万元)
| 静电除尘 150.0 | 原设备整修 5.0 | 原设备整修 5.0 | 缺氧区搅拌机 (万元) | 20.0 | 20.0 | 20.0 | | 基建造价估算 (万元)
| 225.0 | 50.5 | 84.1 | | | 静态五年总费用 (万元) | 589.5 | 708.0 | 543.6 |
三种中微孔曝气管的技术经济比较
表1-2 | | 金山晴伦软管 | 乌克兰管式曝气器 | 橡胶膜曝气管 | 规格 | 外径、长度(mm) | φ65mm无限长 | φ120mm 长1.0–2.0m | φ64mm长600 | 氧利用率 | 样本 19% 设计采用12% | 样本25–30% 设计采用16% | 清水27%设计采用16% | 单位出气量(m3/分) | 2 – 4 m3/小时. | 平均15 m3/小时.m | 平均9m3/hr.0.6m | 材质 | 涂塑纤维软管 | 内管硬塑料 布气层发泡聚乙烯 | 双层硬塑内管,外包橡胶多孔膜 | 专利 | | 俄、美、欧等国专利
| 德国技术 台湾专利 | 实际使用情况 | 曹阳污水厂使用3年, 石化污水厂使用2–3年 | 俄罗斯大型污水厂,70%用该管。 1988年起使用 | 德国90年代初使用,台湾引进改进后,大量使用 | 支架要求 | 每500mm要有钢横管 作支撑以防上浮 | 可接长到50m,但每根都需池底支架,管子有浮力 | 管内为水,管外壁为气,无浮力,不需支架 | 耐久性 | 出气孔有时易撕裂,曝气时管摆动 | 布气层为不规则发泡孔,易阻塞 | 橡胶膜可更换 | 经 济 性 | 单价 | 70元/米 | 720元/米 | 190元/个 . 长0.6米 | 每分钟出1m3气 布气管价格 | 70÷0.05 = 1400元/m3气/分 | 720÷0.25 = 2880元/m3气/分 | 190÷0.15 = 1267元/m3气/分 | 2万吨/日需气量 | 156.1 m3/分 | 113.7 m3/分 | 113.7 m3/分 | 年电费 | 年电费 91.9万元 | 年电费 66.3万元 | 年电费 66.3万元 | 布气管理论造价 | 21.8万元 | 32.7万元 | 14.4万元 | 布气管支架 | 造价高 | 固定在池底，造价低 | 不需支架 |
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 筒内水深（M） | 3.19 | 曝气头浸没深（M） | 2.87 | 空气量（M3/hr） | 4 | 6 | 8 | 10 | Kla（20℃）（hr-1） | 6.70 | 9.25 | 12.23 | 16.01 | 充氧能力（KgO2/hr） | 0.154 | 0.212 | 0.281 | 0.368 | 氧利用率Ea（%） | 14.3 | 13.1 | 13.0 | 13.6 | 压力表读数（M水柱） | 3.8 | 3.8 | 4.2 | 4.4 | 动力效率（KgO2/Kwhr） | 3.72 | 3.41 | 3.07 | 3.07 | 曝气管阻力损失（M水柱） | 0.93 | 0.93 | 1.33 | 1.53 |
水深5米时充氧能力和曝气管阻力损失
筒内水深（M） | 5.25 | 曝气头浸没深（M） | 4.93 | 空气量（M3/hr） | 4 | 6 | 8 | 10 | Kla（20℃）（hr-1） | 9.20 | 12.38 | 15.16 | 18.03 | 充氧能力（KgO2/hr） | 0.332 | 0.447 | 0.548 | 0.651 | 氧利用率Ea（%） | 30.7 | 27.6 | 25.4 | 24.1 | 压力表读数（M水柱） | 5.65 | 5.66 | 6.0 | 6.1 | 动力效率（KgO2/Kwhr） | 5.39 | 4.83 | 4.19 | 3.92 | 曝气管阻力损失（M水柱） | 0.72 | 0.73 | 1.07 | 1.17 |
每根曝气管不同出气量的经济比较 表2-1
| 每根曝气管出气量（m3/小时）
| 4 | 6 | 8 | 10 | | 清水氧利用率 （%）
| 30.7 | 27.6 | 25.4 | 24.1 | | 污水氧利用率 （%）
| 18.0 | 16.2 | 14.9 | 14.1 | | 空气供应量 （m3/分）
| 101.1
| 112.3 | 122.1 | 129.0 | | 曝气管理论数量 （根）
| 1517 | 1123 | 916 | 774 | | 曝气管理论价格 （万元）
| 28.8 | 21.3 | 17.0 | 14.7 |
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
来源：全国城市污水处理设施建设经验与技术研讨交流会 | 
发表于 2011-12-26 11:13:31
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发表于 2011-12-26 22:21:03
