黃石市青山湖污水處理廠曝氣系統的改造與優化

盧 恕，李 平

(黃石市環投污水處理有限責任公司，湖北 黃石 435002)

0 引言

處理費用高、能耗大是污水處理廠正常運營過程中面臨的突出問題[1]。高能耗直接導致污水處理成本上升，極大地影響了污水處理效率。在常見的污水處理工藝中，曝氣系統普遍存在高能耗、滯后長、溶解氧波動大、易受人為因素影響等問題[2-3]。氧化溝屬于活性污泥法中的延時曝氣工藝，存在低污泥負荷和長污泥齡的特點，且運行能耗具有較為明顯的規模效應。據調查，我國的城鎮污水處理廠以中小型(設計規模小于5×104m3/d)為主。周鑫等[4]認為，設計規模小于5×104m3/d時，污水處理廠的單位水量電耗受規模的影響較大。根據楊凌波等[5]對我國559 座運行污水廠的調研結果，氧化溝工藝在城鎮污水處理規模和處理能力方面具有明顯的優勢，但其平均能耗為0.302 kW·h/m3，高于A2/O (0.267 kW·h/m3)和A/O(0.283 kW·h/m3)工藝，也高于我國污水處理行業的平均能耗(0.290 kW·h/m3)。因此，氧化溝工藝具有較大的節能潛力。

黃石市青山湖污水處理廠位于黃石市黃石港區，占地3.67×104m2，于1982年動工興建，1984年12月建成投產。其采用表面曝氣活性污泥工藝，進水管網總長4.22 km，出水管網總長2.8 km，主要接納青山湖北片黃石港城區企事業單位的生活污水。2005年，青山湖污水處理廠啟動改擴建工程，主要包括沿青山湖新建6.38 km污水收集干管，實施環青山湖污水截流，于2007年建成投產。青山湖污水處理廠氧化溝工藝采用轉碟表面曝氣，運行時存在噪聲大、能耗高、故障率高、維修成本高等問題，已經嚴重影響周邊居民生活。為提高企業經濟效益和改善周邊居民生活環境，對其進行改造和優化十分必要。

1 黃石市青山湖污水處理廠概況

1.1 工藝簡介

為落實國務院“水十條”及黃石市委“五水共治”決策部署，徹底改善青山湖水質，2017年啟動了青山湖污水處理廠提標升級改造工程，主要包括新建高效沉淀池、精密過濾器等處理設施。新擴建部分的設計處理規模為2.5×104m3/d，采用改良A2/O型氧化溝工藝，出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準要求；尾水直排長江，出水水質將達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準要求。

1.2 工藝流程及運行情況

青山湖污水處理廠的平均處理水量為2.1×104m3/d，全年進出水水質較為穩定，均低于原設計進水值。采用二級生化處理+深度處理工藝和污泥處理系統，其中生化處理核心單元為改良A2/O型氧化溝，對有機物進行吸附降解，同時脫氮除磷，處理出水達《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準；出水經高效沉淀池、精密過濾器等進一步處理后達《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

1.3 改造前氧化溝曝氣系統運行情況及存在的問題

改造前，青山湖污水處理廠的氧化溝曝氣裝置分別分布在好氧區兩側，轉動軸與水面平行，由電機驅動，碟片淹沒深度為轉刷直徑的1/3～1/4。轉動時，轉碟把大量液滴拋向空中，并使液面劇烈波動，促進氧溶解；同時，推動混合液池內的流動，促進曝氣器附近混合液更新，便于溶解氧的擴散。目前青山湖污水處理廠改良型氧化溝轉碟曝氣的運行，主要存在以下問題。

1)工藝控制具有一定的局限性，受限較大。目前，青山湖污水處理廠有8臺轉碟分布在氧化溝好氧區兩邊。由于好氧區沒有推流器，平時運行時最少需要開啟4臺轉碟，且4臺轉碟間隔，好氧區兩側各2臺，否則無法起到有效推流作用，易導致污泥下沉。因受到推流限制，不能減少轉碟臺數，夜間溶解氧上漲時，只能稍調小轉碟的運行頻率，但有時好氧區末端溶解氧會高于3 mg/L，易導致工藝波動。溶解氧較低時，需要增加轉碟運行數量，但也加快了好氧區水流速度，從而減少了水力停留時間，對后續工藝產生一定的影響。

2)能耗高，曝氣不均勻。單臺轉碟額定功率為30 kW，長時間4臺以上運行導致生產成本高。由于表面曝氣，無法進行深層曝氣，氧利用率低。

3)使用年限已久，故障頻出，維修成本高。自2007年改擴建以來，轉碟已使用12 a，減速機軸承、齒輪易消耗磨損，平時需定期加齒輪油進行保養，拆解工作量較大，需吊車起重。青山湖污水處理廠每年要投入大量資金對轉碟進行維修保養，從而增加了生產成本。

4)噪聲較大，影響周邊居民生活。由于轉碟使用年限較長，很多部件磨損老化嚴重，運行時聲音較大。特別是春夏溫度上升時，溶解氧需求量升高，開啟6～7臺轉碟時噪聲擾民尤為突出。

5)不利于疫情防控。生物池中的病毒粒子可以吸附在活性污泥表面，且水力跌落大、湍動劇烈的污水處理單元形成的氣溶膠多。轉碟運行時，會將大量氧化溝液滴拋向空中，易造成病毒通過氣溶膠傳播，存在疫情防控隱患。

2 曝氣系統的改造及運行優化

2.1 基本情況

1)工作原理

微孔曝氣器是將帶有微小自閉孔的膜片包裹在支撐管上并通過兩頭的卡箍箍緊，工作時利用鼓風機將空氣通過輸氣管道送到設在池底的曝氣器中，壓縮空氣進入支撐管與膜片之間，膜片膨脹同時表面的微孔在空氣壓力下會自動張開，空氣以氣泡形式彌散逸出，在氣液界面把氧氣溶入水中，對水進行充氧。如果空氣壓力消失，膜片自行收縮并包緊在支撐管上，膜片上的微孔就會自動閉合，防止倒灌流入微孔與輸氣管道中。

2)新設電氣設備

空氣懸浮鼓風機3臺(2用1備)，型號：AB 75-06，單臺額定功率64 kW，額定電壓380 V，流量46 m3/min，壓強50 kPa，轉速500 r/min。氧化溝好氧區共安裝推流器4臺，在好氧區兩端各2臺。

2.2 改造后曝氣系統運行情況及優勢

1)充氧量平均穩定，可調節性強。由于輸氣管支管分布在好氧區的各個區域，且每根支管都有單獨的氣閥，可根據需求量自行開關調節。風機開啟后，支管充氧非常均勻，因此在支管全開的情況下，好氧區溶解氧從前端至末端呈上漲趨勢。為了使后續反硝化脫氮及剩余污泥回流至前端不影響其在厭氧區的釋磷效果，應控制末端溶解氧不宜過高，從而關閉末端支管調節溶解氧[6]。

2)能耗低，運行維護成本低。根據實際運行調試結果，冬季氣溫0～15 ℃時使用1臺空氣懸浮鼓風機已滿足青山湖污水處理廠的正常生產需求。空氣懸浮鼓風機基本是免維護，日常只需更換擋灰濾片。

3)噪聲小，解決了擾民問題。空氣懸浮鼓風機聲音較小，在風機房外基本聽不到其聲音，氧化溝工藝區運行聲音基本可以忽略，提高了周邊居民生活環境質量。

4)降低了病毒傳播風險。池底微孔曝氣器系統避免了將水體濺起與空氣接觸，降低了病毒傳播的可能性。

3 運行效果

曝氣系統改造前后進出水水質見表1。通過對比曝氣系統改造前后的進出水水質可知，改造后出水水質穩定，曝氣單位耗電量降低50%左右，節能效果明顯。

表1 曝氣系統改造前后進出水水質

4 經濟效益測算

青山湖污水處理廠曝氣系統的實際運行成本測算見表2。改造前，青山湖污水處理廠的電費為399 653.04 元/a；改造后，青山湖污水處理廠的電費為192 235.44 元/a，電費成本約節省207 417.6 元/a，節能效果明顯。

表2 青山湖污水處理廠曝氣系統的實際運行成本測算

5 結論

通過對黃石市青山湖污水處理廠的氧化溝曝氣系統進行改造，將轉碟曝氣改造成池底微孔曝氣器系統，并新增推流器和空氣懸浮鼓風機，延長了氣泡與水體的接觸時間，加速了微生物對氣泡中氧氣的直接利用，大大提高了曝氣系統動力效率。在出水水質較改造前變化不大的情況下，曝氣單位耗電量降低50%左右，改造后年電費成本約節省207 417.6元，節能效果明顯。