曝气池中曝气器布置方式改进的研究

摘 要：曝气器布置方式对于曝气池和污水处理效果有较大帮助。在曝气控制上通过传统方法和数学模型，计算不同工况下需氧量和需气量，发现两者具有较好的一致性，但模型计算更具优势。通过空气管径核算、优化管路布置、曝气器和鼓风机设备选型，为实现生物工艺曝气控制系统（BACS）奠定良好基础。该系统通过对鼓风机总风量的调节及流量调节阀门的联动，及时准确地分配与控制生物反应池气量，以达到溶解氧及处理效果稳定控制的需求，最终实现节能降耗。

关键词：生物工艺曝气控制系统；需氧量；需气量；鼓风机

中图分类号：X703.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）19-0012-01

1 前言

为了避免水污染事件的发生，认真贯彻落实《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国发〔2007〕15号）精神，对于城镇污水处理厂的污水排放量及污染物排放量进行严格控制，对于污水处理厂排放标准提出了新的要求。因此，需要对某污水厂进行提标改造。

2 工程概况

某污水处理厂一期工程处理规模为6×104m3/d，分别于1999年、2002年进行建设，于2003年投产运行，尾水最终排入裕溪河，设计出水水质为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级B标准。提标改造后处理总规模达到9×104m3/d，设计出水水质以一级A标准为约束性指标，并满足高品质水质要求（COD≤30mg/L，BOD5≤6mg/L，SS≤10mg/L，NH+4-N≤1.5mg/L，TN≤10mg/L，TP≤0.3mg/L）。污水处理厂一期采用氧化沟工艺，主要处理构筑物包括：粗格栅及进水泵房、细格栅、旋流沉砂池、厌氧池、氧化沟、沉淀池、尾水泵房、脱水机房等。提标改造工程总体技术路线如下：充分利用现况生物池，处理能力调整为4×104m3/d，新建A/A/O工艺，处理能力为5×104m3/d，沿用一期的沉淀池，深度处理采用高效沉淀池+深床滤池，并投加碳源和除磷药剂，强化脱氮除磷效果[1]。

3 新建生物池曝气系统

曝气系统是污水处理厂中最大的耗电单元，为有效降低全厂能耗，必须合理设置曝气系统。本工程从进水水质分析、需气量计算、数学模型校核、曝气管道设置、曝气器选择、控制系统等多个方面对曝气系统进行优化[2]。

3.1 进水水质分析

污水处理厂新建生物池曝气系统设计进水水质参考现有一期的实际进水水质。因此，采集一期2015年1月—12月的实际进水水质（COD、SS、NH+4-N、TN和TP浓度），统计其相应浓度出现的频率和累积频率。分析可知，设计进水累积频率为92%的COD、SS、NH+4-N、TN、TP浓度分别为245、195、25.5、38、3.5mg/L，并将此工况设定为高负荷工况；累积频率为50%的COD、SS、NH+4-N、TN、TP分别为175、155、15.8、25、2.4mg/L，此为平均负荷工况；同样，累积频率为8%的COD、NH+4-N、SS、TN、TP浓度分别为135、13.51、105、20、1.6mg/L，此为低负荷工况。因缺乏2012年的进水BOD5浓度，采用2011年11月—12月进水BOD5数据作为参考，统计得到累积频率为92%、50%、8%的进水BOD5浓度分别为126、94、62mg/L。同时，设定岗岭污水厂二期高、平均、低负荷工况下进水量分别为40000、35000、30000m3/d。

3.2 生物池需气量计算

需氧量计算公式如下：

V=24×Q×（Li-Le）/（1000×Fw×Nw） （1）

O2=24×Q×（Li-Le）×a"+V×Nw×b" （2）

其中，O2为曝气池污水需氧量，kgO2/d；Q为曝气池的设计流量m3/h；Li为曝气池进水BOD5浓度mg/L；Le为曝气池出水BOD5浓度mg/L；V为曝气池容积m3；Nw为曝气池MLSS浓度，本文取3.5g/L；Fw为污泥负荷，本文取0.125kgBOD5/kgMLSS；a"为BOD5降解需氧量，范围为0.42～0.53kgO2/kgBOD5，本文取0.48kgO2/kgBOD5；b"为活性污泥内源呼吸耗氧量，范围为0.11～0.188kgO2/（kgMLSS·d），本文取0.15kgO2/（kgMLSS·d）。空气量计算公式需设定一些参数。传氧系数是曝气头将空气扩散到水体的能力，直接决定设计空气量和管径的大小，污水厂二期工程采用板式曝气器，传氧系数设定为28%；α值表征水体内污染物对转移系数的影响，不同进水负荷工况下，α取值不一样，污染物浓度越高，α值越低，因此高、平均、低负荷条件下α值分别取0.6、0.7、0.8；β为0.96；水深为7.0m；设计水温为14℃。最终计算结果，最高需气量为9189m3/h，最低需气量为3216m3/h。

3.3 空气管及曝气器设计

对于空气管道，国内一般采用环状管道布置，主要是安全考虑，以确保能提供充足的氧气和稳定的压力。但从实际使用效果分析，由于推流式生物池污染物负荷沿程递减分布，环状管路分布会导致好氧区前端DO浓度较低，末端偏高。这不仅不利于污染物降解，而且造成能源浪费。为了提高工艺处理效果和降低运行成本，污水厂采用空气管道枝状布置，每个控制区域分别由一根支管控制，实行单独供气，并由一个电动调节阀控制，从而确保能够提供精确、稳定的气量。

4 曝气控制系统

此次改造工程設置了生物处理曝气控制系统（BACS），该系统是一套完整的污水处理厂生物池曝气控制系统，能够稳定维持生物池的溶解氧水平，而不受实际进水量及水质变化的影响，通过对鼓风机总风量的调节及与流量调节阀门的联动，及时准确地分配与控制生物反应池的气量，以达到溶解氧稳定控制的需求，使生物池各反应段不因进水水量、水质的变化而影响其高效稳定运行，同时又能达到节能降耗的目的。本系统涵盖了以模型运算为基础的支管空气量计算模块、空气调节阀计算模块、鼓风机总风量计算模块、后备逻辑安全模块、生物池在线水质监测仪表（包括溶解氧仪表、污泥浓度仪表）、电动阀门以及热式空气流量计，共同协作完成生物池的全自动曝气控制。

5 结语

通过传统计算方法和数学模型，计算不同工况下的需氧量和需气量，两种方法相互验证比对，结果发现水温为14℃时，模型计算的需气量比传统方法的低426～743m3/h，同时25℃条件下最高总风量可达9042m3/h。鉴于传统计算过程相对粗放、无法做到分区分温度计算等缺点，最终以数学模型计算结果为准。基于需气量计算，设计空气管路管径、空间布置、曝气器选型和鼓风机选型，最终通过生物工艺曝气控制系统BACS，实现溶解氧稳定控制的需求，起到节能降耗的目标。

参考文献

[1]钱国平，高宝祥.粘胶纤维污水处理曝气系统的节能改进[J].人造纤维，2015，（6）：20-23.

[2]程香菊，邝韵琪，林雯昕，等.文丘里曝气器布置对循环水体增氧效率的影响[J].华南理工大学学报：自然科学版，2015，（3）：121-129.