污水处理厂生化池曝气系统压力损失分析及探讨

黄　斌

（长沙联泰水质净化有限公司湖南长沙410219）

污水处理厂生化池曝气系统压力损失分析及探讨

黄斌

（长沙联泰水质净化有限公司湖南长沙410219）

鼓风曝气系统是污水处理厂的核心单元之一，也是能耗最大的一个单元，其运行情况直接关系到污染物的去除能力以及污水厂的成本控制，本文通过对鼓风曝气系统设计风压以及系统在日常运行中出现的风压超过设计值的现象，进行了分析及探讨，认为鼓风曝气系统设计和鼓风机选型时应考虑调节阀门及曝气器老化堵塞等问题带来的风压上涨，并提出改进意见。

鼓风曝气系统；离心鼓风机；空气调节阀；微孔曝气器；管路系统损失

污水处理鼓风曝气系统组成包括鼓风机、管路系统、阀门管件、曝气扩散装置等。系统设计风机增压ΔP是静压（扩散装置覆水深度）和管路系统损失之和，大多污水处理项目设计风机增压ΔP为70kPa，但是以多年实际运行经验来看，风机出口增压并不是总能维持在设计的70kPa以下，由于大多数污水处理厂采用离心式鼓风机，根据离心式流体机械的特性，在背压升高的时候，流量就相应下降，从而使得系统无法提供所设定的风量，进而造成供氧量不足等问题。本文就鼓风系统的实际运行风压情况，与设计情况进行了对比分析和探讨，提出改进意见，以期给其他污水处理厂设计及运行提供参考。

1　鼓风曝气系统设计压力损失与现状的分析探讨

1.1鼓风曝气系统概况

以笔者供职的污水处理厂为例，该污水处理厂一期设计规模30×104m3/d，采用改良型A2/O工艺，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B排放标准。鼓风曝气系统设计工况为ΔP=70kPa，Q=1020m3/min，采用空气悬浮单级离心式鼓风机，设计常用风机共6台。风机出风管并入空气总管，再经由4根风管分配至4座生物池，每根风管上各安装1台活塞式空气调节阀，以利于运行时调节各生物池的风量及溶解氧的平衡。

1.2设计风压计算过程

鼓风机出口增压主要分为两部分：静压和管路系统损失。在污水处理系统中，静压为系统末端出气位置的覆水深度，也就是微孔曝气器位置的水深，传统活性污泥法生物池水深为6m，微孔曝气器安装于距离池底20cm左右，所以静压大约5.7m～5.8m水柱，约等于55.86 kPa～56.84kPa。管路系统损失部分包括沿程阻力损失、局部阻力损失（弯头、三通、异径管、阀门、管件等）以及微孔曝气器阻力损失，此外还需考虑一定的安全余量，因此鼓风机设计出口增压ΔP为：

ΔP=h1+h2+h3+h4+h5

h1……沿程阻力损失

h2……局部阻力损失

h3……曝气处水深

h2……微孔曝气器损失

h2……安全余量

出口增压为70kPa，而静压约55.86 kPa～56.84kPa，也就是说设计时需将整个管路系统的总压力损失控制在大约14kPa以下。根据本项目的设计计算书，静压55.86kPa，沿程损失为0.43kPa，局部损失为5.52kPa，静压55.86kPa，微孔曝气器损失3kPa，安全余量3kPa，计算鼓风机出口风压ΔP=55.86+0.43+5.52+3+3= 67.81kPa，取70 kPa，即实际安全余量有5.2kPa。

由于在多年的生产实践中，笔者发现有相当部分时间段曝气系统风量未到达设计最大风量，但鼓风机出口增压已经超过设计的70kPa，对于管路系统来说，流量越大则阻力损失越大，而对于离心式鼓风机，其他条件不变情况下，流量会随着压力的上升而下降，这会导致系统风量无法达到设计风量，给实际生产带来问题。因此笔者对设计计算书中压损与实际值差距较大的部分进行了对比分析和试验。

1.3空气调节阀损失问题

空气调节阀属于管件的一部分，在损失计算属于局部损失，局部损失h2计算公式为：

笔者研究设计计算书时发现，设计将空气调节阀与其他阀门及管件视为同类，单项阀门的阻力损失只有9.2Pa（视为全开启状态），计算结果与笔者在日常运行当中发现的现象差别较大。笔者设定两种工况做了现场试验，两种工况中均调整总风量至600m3/ min，工况1中确保系统中所有调节阀处于全开状态，忽略各池溶解氧的不平衡情况，工况2调整4个空气调节阀，使得4座生物池好氧区溶解氧仪读数基本一致，这是生产中所需的实际工况，在相邻较短的2个时间段内进行工况1和工况2的实际操作，并记录鼓风机各项参数，见表1。

表1　不同工况下压力损失情况

从试验数据可以看出，在其他条件基本一致的情况下，调节阀门比阀门全开启时压力损失增加了5kPa，而且此时风量还不到设计风量的60%，因压力损失与流量平方成正比，可想而知若气量继续加大，则压力损失将进一步加大，同时注意到此时风机出风口的增加已经超出设计工况的70kPa，鼓风机出风量已经无法达到设计要求的风量。

普通阀门一般全开启，只有在需要检修的时候进行关闭，而流量调节阀的功能就在于调节，由于各池风管长度无法一致，土建误差带来的水量分配不均，以及微孔曝气器的老化情况差别等情况的存在，使得运行过程中调节阀不存在100%开启的情况，否则调节阀就失去了它存在的意义，而调节阀造成的损失占总损失的比重并不小，因此，笔者认为调节阀门带来的压力损失在设计计算时不应被忽略。

1.4微孔曝气器损失问题

微孔曝气器阻力损失也是鼓风曝气系统阻力损失的重要部分，其阻力损失主要来源于橡胶膜片在未通气的原始状态下气孔是密闭的，当气体通过，需要有足够的压力将膜片上的气孔撑开，因此带来了压力的损失，根据国内行业标准《水处理用橡胶微孔曝气器CJ/T264—2007》的要求，微孔曝气器初始阻力损失一般应小于等于5kPa。这个阻力损失与橡胶膜片质量以及通气量有关。笔者发现设计计算中此部分取值3kPa，与本项目使用的某进口品牌微孔曝气器（EPDM材质，单根通气范围是2 m3/m～12m3/m，设计工况通气量为7.5m3/m）提供的数据相近（见图1），从图中可看出，压力损失是随着通气量的增加而上升的，在设计工况7.5m3/m的通气量下，初始压力损失约4.5kPa。

图1　橡胶微孔曝气器压力损失曲线

但是微孔曝气器由于是橡胶制品，由于其表面密布了布气的微孔，运行时间的增加会造成橡胶膜片的老化，回弹性能降低[1]。同时随着运行时间的增加，由于硫元素的流失，橡胶膜片会逐渐硬化，使得同等通气量下阻力损失逐渐上升，这不但会给鼓风机带来出口增压的上涨从而增加了能耗，也会带来本文提及的由于压力超过设计值而使得风量无法达到设计工况的问题。

图2　同等条件下鼓风机出口增呀随时间变化曲线

图2是本项目2011年-2014年运行历史数据在同等条件下鼓风机出口增压随时间变化的曲线，选取的运行数据总风量约700m3/ min左右，空气调节阀开度基本一致，相互之间数据差别不超过3%。从曲线上可看出，随着使用时间的增加，曝气器的阻力损失逐步上涨，使用时间从第18个月至第55个月，同等通气量下曝气器阻力损失上升了5kPa左右。由于考虑经济性的原因，污水处理厂不可能每年都更换微孔曝气器，一般会3～5年更换一次，因此笔者认为由于橡胶膜片老化带来的阻力损失上涨在设计之初也应做相应考虑。

2　结语

综上，在不利情况下，鼓风曝气系统中调节阀门的运行开启度和橡胶微孔曝气器的老化所带来的系统压力上升会达到10 kPa～15kPa，这超出了设计之初风压的安全余量，会造成压力过大而使得鼓风机提供的风量不足，给污水处理带来影响。对此，笔者认为在设计计算的时候应充分考虑这些问题，在尽量减小系统的阻力损失的同时，风压的安全余量应适当提高到15kPa，鼓风机的选型时工况出口增压选择在80kPa较为合适，这对设备的购置成本来说并不会增加太多，且在良好的运行条件下，并不会增加鼓风机的实际轴功率，但却能有足够的安全余量以应付恶劣工况下稳定运行的要求，提供系统的抗冲击性。

[1]吴敏.关于微孔曝气器比较与选择的探讨[J].工程与技术,2002 (5):16-18.