污水处理厂鼓风机房技术改造设计要点及案例分析

田海成， 慕杨， 孙阳， 张元元， 杨福文， 白凤娇

（1.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司， 济南 250001； 2.光大水务（深圳）有限公司，广东 深圳 518000； 3.北京北排水务设计研究院有限公司， 北京 100068）

鼓风机是污水中有机物和氨氮被微生物代谢去除的重要保障， 同时鼓风机的能耗占整个污水处理厂的能耗比例高达27%～43%［1－2］。 随着提质增效行动的推进以及各地污水排放标准的日益严格， 很多污水处理厂面临实际进水水质高于原设计进水水质、 出水水质标准提高的问题［3-4］， 同时由于曝气器氧传质效率的降低、 风机的频繁故障以及效率低下等， 对鼓风机房进行技术改造以实现出水稳定达标和能效水平提升的需求较为普遍。 然而， 鼓风机房的技术改造并非简单的设备更换， 对鼓风机的合理选型、 风机参数的调整与风机台数的合理配置、现状土建和电气等基础条件的利旧以及改造不停产的要求等都是鼓风机房技术改造与初次设计的重要区别。 以往对于鼓风机房的研究主要集中于鼓风机房的初次设计、 鼓风机的选型对比以及鼓风机的节能降耗等［5-6］， 对于鼓风机房如何进行技术改造设计研究较少。 本文以某大型污水处理厂鼓风机房的技术改造为例进行详细分析， 以期为后续鼓风机房的技术改造提供参考。

1 工程概况

某生活污水处理厂一期、 二期设计总规模为30万m3／d， 目前基本满负荷运行， 采用粗格栅－进水泵房－细格栅－曝气沉砂池－AAO－沉淀池－二级提升泵房－高效沉淀池－高效纤维滤池－紫外线消毒工艺， 设计出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A 标准。 进出水水质见表1。

表1 进出水水质Tab.1 Influent and effluent water quality

一期、 二期AAO 生物反应池总停留时间为11.48 h， 其中厌氧区0.98 h， 缺氧区4.5 h， 好氧区6.0 h， 有效水深7.2 m。 共用1 座鼓风机房， 原设计有7 台多级离心鼓风机， 单台参数Q ＝165 m3／min， H ＝8.5 m， N ＝315 kW， 运行方式为夏季6 用1 备（实际风量为60 000 m3／h， 背压约为8.9 m）， 冬季由于氨氧化菌活性降低， 为确保氨氮稳定达标，运行方式改为7 用（实际风量为夏季风量的1.1 倍）。多级离心鼓风机基础尺寸为3 000 mm×1 200 mm，基础间距为2 800 mm， 基础间原设计有出风管管沟（宽度为1 500 mm）和电缆沟（宽度为600 mm），由于可利用空间有限， 鼓风机需要原位改造。 鼓风机由厂区马达控制中心MCC3 提供电源， MCC3内设置了2 台1 600 kVA 干式变压器（同时工作），低压配电系统以放射性敷设三拼电缆至每台鼓风机现场控制柜。 同时， 在马达控制中心内设置有现场控制站PLC4， 多级离心鼓风机主控器MCP 与PLC4 采用总线通讯。

2 存在问题及改造措施

通过对污水处理厂2021 年实际进水水质分析可知， TN 平均质量浓度为53.80 mg／L， 高于原设计进水（45 mg／L）； 氨氮平均质量浓度为42.27 mg／L， 高于原设计进水氨氮（35 mg／L）。 实际进水水质的提高导致实际需氧量增加， 同时现状鼓风机使用时间较久， 风机故障频繁， 进一步增加了出水水质达标的难度。 风机实际效率较低且运行操作环境恶劣， 大量电能转化为热量全部散在室内，然后依靠轴流风机实现向室外散热， 夏季室内温度超过50 ℃。

本次技术改造将设计进水TN 质量浓度由45 mg／L 提高至60 mg／L（90% 涵盖率）， 氨氮质量浓度由35 mg／L 提高至50 mg／L（90% 涵盖率）， 同时对曝气器实际氧传质效率以及曝气器实际阻力进行复核， 再根据改造后设计进水水质、 曝气器实际氧传质效率、 曝气器实际阻力等重新计算确定鼓风机的供气量和风压。

3 鼓风机房技术改造工艺设计要点

3.1 曝气器现状实际氧传质效率的推算

在需氧量一定的情况下， 曝气器实际氧传质效率是影响实际供气需求的重要因素， 对曝气器的现状实际氧传质效率进行推算是确定技术改造后鼓风机房总供气量的重要前提。 以2021 年实际运行数据对曝气器的实际氧传质效率进行推算， 2021 年实际进水量平均为300 000 m3／d， 生物反应池实际进水BOD5平均质量浓度为131.00 mg／L， 实际进水TN 与TKN 平均质量浓度为53.80 mg／L（默认进水中不含有和， 实际出水BOD5平均质量浓度为2.20 mg／L， 实际出水平均质量浓度为9.89 mg／L， 实际出水TKN 与氨氮平均质量浓度为0.36 mg／L（默认出水中不含有机氮），MLSS 中MLVSS 所占的比例y ≈0.75， 污泥总产率系数Yt≈0.80 kg［MLSS］／kg［BOD5］， 排出系统的微生物量ΔXV＝23 184 kg［MLVSS］／d。 按照GB 50014—2021《室外排水设计标准》中公式7.9.2 计算需氧量为55 296.03 kg［O2］／d， 曝气器淹没水深7.0 m， 夏季水温约为25 ℃， 实际曝气量约为60 000 m3／h， 按照《给排水设计手册城镇排水》（第三版）6.4.6.2 节计算公式逆推曝气器的现状实际氧传质效率约为16.10%， 远低于CJ／T264—2018《水处理用橡胶膜微孔曝气器》中相应规格（65 mm × 1 000 mm）管式微孔曝气器标准氧传质效率值（33%）。

3.2 曝气器现状实际阻力的推算

曝气系统阻力主要集中于末端曝气器， 对曝气器实际阻力的推算是确定鼓风机风压的重要依据。2021 年冬季的实际曝气量约为66 000 m3／h， 经计算鼓风机至曝气器的管线沿程损失h1为0.078 m，局部阻力h2（取沿程阻力的50%）约为0.039 m， 曝气器淹没水头h3为7 m， 鼓风机背压按8.9 m 计，逆推曝气器实际阻力h4为1.78 m， 远高于CJ／T 264—2018 中相应规格（65 mm×1 000 mm）管式微孔曝气器的阻力损失标准值（0.45 m）。 黄斌［6］对曝气系统压力损失进行了实测分析， 结果表明随着曝气器的老化和堵塞， 系统压力上升1.0 ～1.5 m， 与推算结果较为接近。 由于曝气器实际阻力的增大会导致风机背压上升， 不仅会导致能耗增加更会导致离心式鼓风机实际供气量降低， 因此， 运行过程应采取定期清洗曝气器、 及时更换老化曝气盘、 强化预处理以减少生物池泥沙沉积等措施来降低曝气器实际阻力， 同时鼓风机风压计算时也应充分考虑长期运行后曝气器阻力增大的实际情况。

3.3 鼓风机设计风量的重新计算

按照推算的曝气器实际氧传质效率（16.10%）以及重新设定的进水水质对鼓风机房技术改造的设计供气量进行重新计算， 进水量为300 000 m3／d，生物反应池设计进水BOD5质量浓度按照150 mg／L计算， 设计进水TN 与TKN 质量浓度均按照60 mg／L（默认进水中不含有）计算， 设计出水BOD5、 TKN、质量浓度仍按现状实际出水2.20、 0.36、 9.89 mg／L 计算， MLSS 中MLVSS 所占比例y ＝0.75， 污泥总产率系数Yt＝0.80 kg［MLSS］／kg［BOD5］， 则排出系统的微生物量ΔXV＝26 604 kg［MLVSS］／d。 按照GB 50014—2021 中公式7.9.2 计算需氧量为61 336.00 kg［O2］／d， 曝气器淹没水深7.0 m， 夏季水温约为25 ℃， 按照《给排水设计手册城镇排水》（第三版）6.4.6.2 节计算公式计算夏季标准供气量为66 588.69 m3／h， 冬季标准供气量为66 588.69×1.1 ＝73 247.56 m3／h。

3.4 鼓风机风压的重新计算

当实际曝气量为73 247.56 m3／h 时， 经计算鼓风机至曝气器的管线沿程损失h1为0.100 m， 局部阻力h2（取沿程阻力的50%）为0.050 m， 曝气器淹没水头h3为7 m， 曝气器实际阻力仍取1.78 m， 则鼓风机风压为8.93 m， 取9 m。 鼓风机风压比生物池水深（7.2 m）高约1.8 m， 建议运行过程中定期对曝气器进行清洗以减缓曝气器污染和老化、 降低风机的背压， 从而实现鼓风机能效水平的提升。

3.5 鼓风机选型与配置方案

鉴于现状多级离心鼓风机效率较低、 散热量及噪音大、 操作环境差、 运行故障频繁等原因， 技改时通过经济节能效果［7］、 技术改造难度、 现状条件限制等多方面对比论证后选择磁悬浮鼓风机。 根据相关研究， 运行年限超过5 a 以上时， 磁悬浮鼓风机的经济效益明显大于其他类型鼓风机［8］。 鼓风机配置在满足GB 50014—2021 相关要求以及保证出水水质稳定达标的情况下， 尽可能提高设备利用率； 同时， 鉴于磁悬浮鼓风机在大风量时选型困难的原因， 尽可能降低单台鼓风机设计供气量。 综合考虑现状土建、 电气条件的制约， 技术改造后鼓风机台数仍然为7 台， 鼓风机选型参数为Q ＝174.40 m3／min （较原设计提高5.70%）， H ＝9 m（较原设计提高0.5 m）， N ＝300 kW。 改造后各运行工况下鼓风机运行情况为： ①设计进水水质情况下， 冬季运行方式为7 用； ②设计进水水质情况下， 夏季运行方式为6 台满负荷， 第7 台负荷率为36.36%； ③现状进水水质情况下， 冬季运行方式为6 用， 第7 台负荷率为30.74%； ④现状进水水质情况下， 夏季运行方式为5 台满负荷， 第6 台负荷率为73.40%。

4 辅助专业设计

4.1 土建

由于技术改造后的磁悬浮鼓风机的基础宽度（1 950 mm）大于现状多级离心风机基础宽度（1 200 mm）， 为避免大拆大建延长施工时间， 通过在现状鼓风机基础上部和侧面化学植筋方式实现新浇筑基础与现状鼓风机基础的整体性， 避免了新旧基础不均匀沉降。

4.2 电气与自控

改造后磁悬浮鼓风机功率小于现状多级离心鼓风机功率， 因此不对MCC3 低压配电系统进行调整，只更换风机回路电缆、 调整电缆敷设路由及辅助用电。 改造后磁悬浮鼓风机配套提供主控制器MCP（一控七）， MCP 通过工业以太网与PLC4 通讯。

4.3 通风设计

鼓风机正常运行时有近10% 的电能转化为热能散发［9］， 为尽可能降低鼓风机向室内的散热量，优先选用局部排风形式［10］。 通风设计关键在于局部排风时室内散热量的确定以及保证鼓风机正常运行时室内外温差的确定。 根据鼓风机厂家提供的资料， 在采取局部排风散热的情况下， 鼓风机室内散热量约为2%， 夏季通风室外计算温度及室内外温差根据GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中表4.1.4 确定， 按照《实用供热空调设计手册》中公式2.2－2 计算通风换气量为44 042 m3／h。 选用轴流通风机7 台， 单台Q ＝6 685 m3／h，n=1 450 r／min， H ＝159 Pa， N ＝0.43 kW。

5 施工时序安排与实施要点

鼓风机房技术改造的实施关键在于不停产施工。 为保障出水水质稳定达标所需的供气量， 鼓风机房技术改造选择在夏季时（现状夏季运行方式为6 用1 备）逐台更换现状鼓风机。 首先关闭现状鼓风机出风管阀门， 拆除现状多级离心鼓风机， 浇筑并养护磁悬浮鼓风机基础， 安装磁悬浮鼓风机并将其出风管与现状出风管阀门合口， 打开阀门正常供气后开始逐台更换后续鼓风机。

鼓风机房技术改造的实施关键还在于施工过程中的成品（设备）保护。 现状鼓风机房温度超过50℃， 而磁悬浮鼓风机正常运行要求室内温度不高于45 ℃， 室内温度过高将导致鼓风机停运， 同时改造过程中涉及墙体开洞、 基础浇筑等土建作业， 施工粉尘也将对磁悬浮鼓风机造成损伤， 因此， 在改造过程中对磁悬浮鼓风机进行临时加罩冷却保护。

鼓风机房技术改造过程中涉及电气迁改等拆除工作， 同时鼓风机房温度较高、 施工作业环境差，因此， 施工单位应编制危险性较大分部分项工程的专项施工方案， 保障施工期间用电安全以及防止人员烫伤等安全风险。

6 结论

（1） 污水处理厂鼓风机房技术改造前应根据水量、 进出水水质、 曝气量等实际运行数据， 按照GB 50014—2021 中公式7.9.2 及《给排水设计手册城镇排水》（第三版）6.4.6.2 节计算公式推算曝气器的实际氧传质效率及阻力， 从而更加科学准确地确定鼓风机参数。 本工程通过计算得出曝气器的实际氧传质效率仅为16.10%， 曝气器实际阻力高达1.78 m， 均无法达到CJ／T 264—2018 中规定的充氧性能标准值。因此， 污水处理厂运行过程中应加强对曝气器的清洗及维护， 以减缓氧传质效率下降以及阻力增加。

（2） 根据推算的曝气器实际氧传质效率、 实际阻力、 调整后的设计进水水质等数据， 按照GB 50014—2021 中公式7.9.2 重新计算， 得到技改工程曝气系统的供气量较原设计供气量提高了5.70%，鼓风机风压较原设计提高了0.5 m。 因此， 鼓风机房的技术改造不能简单地对原设备进行更换， 而应在对曝气器实际氧传质效率、 实际阻力等复核计算的基础上重新进行设计计算。 当现状鼓风机最大运行风量无法保障冬季运行出水稳定达标时， 应及时更换鼓风机； 同时运行过程中应定期对曝气器实际氧传质效率及阻力等进行复核， 当清洗维护等措施无法有效恢复氧传质效率及阻力时， 宜对曝气器进行更换以保障出水水质稳定达标并节约曝气能耗。