城市污水处理厂曝气系统节能降耗影响因素及控制模式研究

ＡｃａｄｅｍｉｃＤｅｇｒｅｅＡｐｐＩｉｅｄｆ０１．：ＭａｓｔｅｒｏｆＥ１１９ｉ１１ｅｅｒｉｌｌｇ

ＳｐｅｃｉａＩｔｙ：ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｄａｔｅｏｆ０ｒａｌＥｘａｎｌｉｎａｔｉｏｎ：Ｊｕｎｅ，２０１０

ＵｌＩ．Ｖｅｒｓｉｔｙ：Ｑｉｌｌｇｄａ’Ｊ．ｅｃＩｌｌｌｕＩｕｇｉｃａｌＵ１１ｉＶｅｒｓｉｔｙ

学位论文答辩日期：

指导教师签字：答辩委员会成员签字：

１．２．１曝气方式………………………………………………………………２

１．２．２曝气设备………………………………………………………………３

１．２．３微孔鼓风曝气系统……………………………………………………６

１．３污水处理厂曝气系统能耗及自动控制……………………………………．．１２

１．３．１曝气系统能耗………………………………………………………”１２

１．３．２曝气系统自动控制现状……………………………………………“１２

第２章课题来源及研究思路¨１５

２．１课题来源……………………………………………………………………．１５２．２课题研究的背景……：………………………………………………………１５２．３课题研究的目的……………………………………………………………．．１５２．４课题的研究思路及研究内容………………………………………………．１６第３章影响曝气设备氧转移速率的关键因素研究

３．１试验原理及试验装置…………………………………………………………．１７

３．１．１试验原理…………………………………………………………… １７

３．１．２试验装置及操作方法……………………………………………… １８

３．２氧转移速率影响因素试验结果与分析……………………………………。２０

３．２．１水温对氧转移速率的影响………………………………………… ２０

３．２．２通气量对氧转移速率的影响……………………………………… ２２

３．２．３盐度对氧转移速率的影响………………………………………… ２３

３．３本章小结……………………………………………………………………．．２５第４章典型城市污水处理厂曝气系统及控制模式问题分析 ２６

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４．１试验条件与试验设备………………………………………………………．２６

４．１．１试验条件…………………………………………………………… ２６

４．１．２试验设备………………………………………………………………２６

４．２污水处理厂曝气系统问题分析……………………………………………．．２７

４．２．１安丘市污水处理厂悬挂链曝气系统问题分析……………………“２７

４．２．２青岛市李村河污水处理厂曝气系统问题分析……………………“３７

４．２．３青岛市团岛污水处理厂曝气系统问题分析研究…………………”４２

４．３污水处理厂曝气系统优化控制……………………………………………．．４９４．４本章小结……………………………………………………………………．．５ｌ第５章污水处理厂曝气设备运行成本分析……………………………………………… ５３

５．１新旧曝气器对比试验…………………………．．．……………………………５３５．２现值法………．．ｊ………………………………………………………………５５５．３现值法在曝气系统中的应用………………………………………………．．５６５．４新旧微孔曝气器现值法经济分析计算……………………………………．．５６

５．４．１李村河污水处理厂运行数据、曝气设备参数…………………… ５６

５．４．２经济分析计算………………………………………………………”５７

５．５曝气设备经济分析结果……………………………………………………．．６０第６章结论及建议６１

６．１结论……………………………………………………………………………………………………６１６．２建议…………ｊ………………………………………………………………．．６２参考文献６３攻读硕士期间发表的学术论文６６致谢６７

摘要

污水处理是解决水环境污染的重要途径，但目前绝大多数污水处理厂存在运行能耗与处理成本高等问题，其主要是由于污水处理厂主要耗能单元——鼓风曝气系统效率低、能耗过高造成的。在国家提倡“节能减排”的背景下，对污水处理厂主要耗能单元——鼓风曝气系统进行系统的研究，分析问题所在，提出解决方法与对策，有助于实现污水处理厂的节能降耗，并且对提高污水处理效率与降低运行成本具有重要意义。

本研究以典型污水处理厂的曝气系统作为研究对象，对污水处理厂的微孔曝气设备氧转移速率影响因素进行研究，分析影响微孔曝气器充氧能力的因素以及影响程度；对曝气系统中曝气设备及控制模式所存在的问题进行玢析，为污水处理厂节能降耗以及优化控制模式提供参考；对新旧微孔曝气器氧转移速率（ＯＴＲ）进行测试，分析了微孔曝气器充氧性能下降程度以及下降原因，对曝气设备运行能耗与成本进行分析，为污水处理厂曝气设备日常运行和降低运行成本提供理论指导。论文的王要结论如下：

（１）典型微孔曝气器充氧性能关键因素试验研究结果表明：１）水温对氧转移速率具有两面性影响。在１５℃水温条件下，试验所用微孔曝气器氧转移速率最高；当水温大于１５℃时，随着水温的升高，微孔曝气器氧转移速率降低；当水温小于１５℃时，随着水温的升高，微孔曝气器氧转移速率增高；２）鼓风通气量对微孔曝气器氧转移速率有一定影响。当微孔曝气器在额定流量下１～３ｍ３ｍ范围内变化时，鼓风通气量的增加会使微孔曝气器的氧转移速率有较大幅的增大，当微孔曝气器鼓风通气量超过３ｍ３／ｈ时，随着鼓风通气量的增加微孔曝气器氧转移速率没有明显增大；３）水鹊鞠盐度对微孔曝气器氧转移速率有一定的影喊。当水中盐度在弘‘ 。

Ｏ～２５００ｍｇ／Ｌ范围内，水中盐度的变化对微孔曝气器氧转移速率影响较小；当水中盐度超过２５００ｍｇ／Ｌ时，随着水中盐度的增加，微孔曝气器氧转移速率增大。

（２）典型污水处理厂曝气系统问题诊断及控制模式优化研究结果表明：１）部分污水处理厂存在曝气设备老化漏气、曝气器表面堵塞、曝气不均匀、曝气池在线溶解氧仪数量不足等问题；２）在污水处理厂曝气系统的运行方面：试验所在污水处理厂存在曝气系统控制指标单一、对进水量及进水浓度变化反应不及时的问题；

３１污水处理厂可以通过对污水处理厂曝气池曝气效果的观察、曝气池污水中溶解氧以及其他数据的连续监测，能够分析出曝气设备运行的状态，运行方式的不足、控制模式的优劣。

（３）在青岛市李村河污水处理厂一期工程曝气系统中，选取运行１０年的微孔曝气器与同型号的新曝气器作为研究对象ｊ结合其氧转移速率的测试结果，进行成本分析，得到以下结论：１）运行１０年的微孔曝气器的曝气充氧能力会有所下降，下降程度约为ｌＯ％；２）如果将运行十年的曝气器更换为同型号新曝气器，李村河污水处理厂将会每年节省电耗费用９０万元，投资回收期约为１４个月。

关键词污水处理厂；氧转移速率；曝气系统问题分析；曝气系统控制模式；曝气设备运行成本分析。

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

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第ｌ章绪论

１．１水污染问题及污水处理现状

目前，全世界每年约有４２００多亿ｍ３的污水排入江河湖海，污染了５．５万亿ｍ３的淡水，这相当于全球径流总量的１４％以上。第四届世界水论坛提供的联合国水资源世界评估报告显示，全世界每天约有数百万吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染８Ｌ淡水。

水污染对人类健康造成很大危害。发展中国家约有１０亿人喝不清洁水，每年约有２５００多万人死于饮用水不清洁，全世界平均每天５０００名儿童死于饮用不清洁水，约１．７亿人饮用被有机物污染的水，３亿城市居民面临水污染。在肝癌高发区流行病的调查表明，饮用藻茵类毒素污染的水是肝癌的主要原因。

我国的水环境现状不容乐观。２００８年中国环境状况公报【１】显示，全国地表水污染依然严重。七大水系水质总体为中度污染，浙闽区河流水质为轻度污染，西北诸河水质为优，西南诸河水质良好，湖泊（水库）富营养化问题突出。七大水系的２００条河流４０９个断面中，Ｉ～Ⅲ类、Ⅳ～Ｖ类和劣Ｖ类水质的断面比例分别为５５％、２４．２％和２０．８％。其中，珠江、长江水质总体良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。２８个国控重点湖（库）中，满足ＩＩ类水质的４个，占１４．３％；Ⅲ类的２个，占７．１％；Ⅳ类的６个，占２１．４％；Ｖ类的５个，占１７．９％；劣Ｖ类的１１个，占３９．３％。

建造城镇污水处理厂被认为是解决水污染问题最重要和最有效的技术措施。美国是目前世界上建有污水处理厂最多的国家，平均每５０００人就拥有１座污水处理厂，其中污水二级生物处理厂占７８％；英国共建有处理厂约８０００座，平均每７０００人ｌ座，几乎全部是污水二级生物处理厂；英国共建有处理厂约８０００座，平均每７０００人１座，几乎全部是污水二级生物处理厂：日本城市污水处理厂约６３０座，平均２０万人ｌ座，其中９８．６％为污水二级生物处理厂；目前污水处理设施最普及的国家当属瑞典，下水道普及率９９％以上，平均５０００人共用１座污水处理厂，其中污水二级生物处理厂占９１％。

近年来，在水资源日益紧张、水污染持续恶化的情况下，我国环保事业发展步伐也在加快。２００７年，中国水污染治理投资达到３３８７．６亿元，比上年增加３２％，

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占当年ＧＤＰ的１．３６％。中国水环境质量总体保持稳定。至２００８年１０月，全国设市、县及部分重点建制镇共建成污水处理厂１４５９座，日处理能力８５５３万吨（３６个大城市共建成２８８座，日处理能力为３４９７万吨），分别比“十五”末期增加６０．５％和４２．６％。

尽管近年来我国城市污水处理发展很快，城镇生活污水处理率也有较大提高，但和世界其他发达国家相比，差距仍然很大。德国，瑞士、英国、荷兰等西欧发达国家的城镇生活污水处理率都超过９０％以上，我国近邻的日本和韩国的城镇生活污水处理率分别达到了６７％和７８．８％【２】。

目前，我国的城市污水处理设施平均运行负荷率在７０％左右，还有一定的提高空间，造成运行负荷率不高的主要原因有两个：（１）城镇生活污水收集系统建设滞后，管网配套工程覆盖率低，污水不能全部收集进入污水处理厂，这是全国各地普遍存在的现象；（２）城市污水处理设施设计规模过大，导致管理运行费用过高，或者是设计处理规模超过了实际的处理需求，造成“大马拉小车”的现象，直接导致污水处理运行负荷率不高ｆ３。８１。

决定污水处理厂运营费用一个很重要的因素是污水处理工艺以及工艺中各系统的能耗。现阶段，我国绝大多数城镇污水处理厂都采用活性污泥法工艺来处理生活污水。而活性污泥法中最重要的处理系统为鼓风曝气系统，它很大程度上决定了污水处理效果的好坏以及运行成本的高低。

１．２污水处理厂曝气方式及曝气设备

在污水治理工艺中，生化处理是诸多方法中既经济又有效的方法。而在活性污泥法处理污水的工艺中，曝气系统是活性污泥法工艺中的关键处理系统，因为充足的溶解氧是保证活性污泥中微生物正常代谢的必要条件。

１．２．１曝气方式

常用的曝气方式有鼓风曝气和机械曝气。鼓风曝气的过程是将压缩空气通过管道系统送入池底的空气扩散装置，并以气泡的形式扩散到混合液中，使气泡中的氧迅速转移到液相供微生物需要。机械曝气则是通过安装在曝气池内的叶轮快速转动，剧烈地搅动水面，使液体循环流动，不断更新液面并产生剧烈水跃，从而使空气中的氧与水滴或水跃的界面充分接触而转移到液相中去网。

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１．２．２曝气设备

１．２．２．１曝气设备在曝气池内的主要作用

（１）充氧，将空气中的氧（或纯氧）转移到混合液中的活性污泥絮体上，以供应微生物呼吸之需。

（２）搅拌、混合，使曝气池内的混合液处在剧烈的混合状态，使活性污泥、溶解氧、污水中的有机污染物三者充分接触。同时，也起到防止活性污泥在曝气池内沉淀的作用。

１．２．２．２曝气设备技术性能的主要指标

表示曝气装置技术性能的主要指标如下。

（１）氧转移速率（ＯＴＲ）ｏＸｙｇｅｎ仃ａｍｓｆ；贸ｒａｔｅ

指微孔曝气器在测试条件下单位时间向溶解氧浓度为零的水中传递的氧量，单位ｋｇ／１１。

（２）标准氧转移速率（ＳＯＴＲ）ｓｔａｌｌｄａｒｄｏｘｙｇｅｎ廿独ｓｆｅｒｒａｔｅ

指微孔曝气器在标准状态（大气压０．１ＭＰａ，水温２０℃）时的测试条件下单位时间向溶解氧浓度为零的水中传递的氧量，单位ｋｇ／ｈ。

（３）标准氧转移效率（ＳＯＴＥ）Ｓｔａｎｄａｒｄ０ｘｙｇｅｎ衄ｌｓｆ打ｅ伍ｃｉｅｎｃｙ

在标准条件下溶入水中的氧量与曝气器供气量之比，单位％。

（４）比标准氧转移效率（ＳＳＯＴＥ）ｓｐｅｃｉｆｉｃＳｔａｎ（ｋ而ｏｘｙｇｅｎ口ａｎｓｆｅｒｅ筋ｃｉｅｎｃｙ

在标准条件下每米水深吸收氧的百分数或供气１ｍ３所吸收的氧量，单位％／ｍ或ｇ０２／Ｎｍ３ ｍ。

（５）标准曝气效率（ＳＡＥ）ｓａｌｌｄａｒｄａｅｒａｔｉｏｎｅ伍ｃｉｅｎｃｙ

标准氧转移速率与总输入功率的比值，单位ｋｇ／ｌ（Ｗ．ｈ

（６）理论动力效率（Ｅ）廿ｌｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｏｗｅｒｅｍｃｉｅｎｃｙ

曝气器在标准状态、测试条件下消耗１ｋＷ．ｈ有用功所传递到水中的氧量，单位ｋｇ瓜Ｗ．ｈ。

１．２．２．３鼓风曝气系统的曝气设备

鼓风曝气装置根据产生气泡大小的不同可分为：微气泡曝气设备、中气泡曝气设备、大气泡曝气设备；根据产生气泡产生方式的不同可分为：水力剪切型，水力冲击型和空气升液型等类型。（１）微气泡曝气装置

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微气泡曝气装置即微孔曝气装置，是用微孔透气材料（陶土、橡胶膜和聚乙烯等）制成的扩散板、扩散盘和扩散管等，所产生的气泡直径在２ｎⅡｎ以下。气泡细小，氧转移效率高，约为３０～５０％，理论动力效率大于７ｋ９０２／ｋＷ．ｈ【１０】。微孔曝气设备的产生促进了鼓风曝气系统在污水处理厂的应用。

（２）中气泡曝气装置

这种装置产生的气泡直径为２“Ｉ砌，在过去主要是穿孔管。穿孔管由钢管或塑料管制成，管径２５～５０珊【１１，在管壁两侧下部开直径为３～５ｍｍ的孔径，间距５０～１００ｎｕｎ。穿孔管不易堵塞，构造简单，阻力小，但氧转移效率低，只有４。６％，理论动力效率较低，约为１ｋ９０２瓜ｗｈ。为了提高氧的利用率，近年来，国内某些科研和设计单位研制开发了几种中气泡型的曝气装置。如ＷＭ．１８０型网状膜曝气器和套袖式曝气器为这类曝气装置中具有代表性的产品。

（３）水力剪切型曝气装置

利用装置本身的构造，产生水力剪切作用，将大气泡切割成小气泡，增加气液接触面积，以达到提高充氧效率的目的．这些曝气器分别采用玻璃钢或热塑性硬质材料制成，耐腐蚀性较好，其氧转移效率均比常用的穿孔管曝气装置有不同程度的提高。属于此型的有倒盆形曝气器、散流型曝气器等。

（４）空气升液型曝气装置

利用空气升液的原理，将曝气简置于曝气池混合液中，在筒内曝气，使筒内、外产生密度差，形成水的提升和搅拌．属于此类型的曝气器有固定螺旋曝气器。固定螺旋曝气器由圆形外壳和固定在外壳内部的螺旋叶片组成，每个螺旋叶片的旋转角为１８０度，相邻叶片的旋转方向相反。空气从底部进入筒内，向上流动，由于筒内、外混合液的密度差，产生提升作用，使混合液在筒内、外循环流动。空气泡在上升过程中，被螺旋叶片反复切割形成小气泡。当前，固定螺旋曝气器有三种类型：固定单螺旋曝气器，固定双螺旋曝气器，固定三螺旋曝气器。１．２．２．４机械曝气系统的曝气设备

（１）泵型叶轮表面曝气机

泵型叶轮表面曝气机由电动机、传动装置和曝气叶轮三部分组成。按整机安装方式分为固定式和浮置式两类。按电动机输出轴的位置分为卧式安装与立式安装。泵型表面曝气叶轮运转时的作用原理为：１）水在转动的叶轮作用下，不断地从叶轮周边呈水幕状被抛向水面，并使水面产生波动水花，从而带进大量空气，使４

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得空气中的氧迅速溶解于水中。２）由于叶轮的离心抛射和提升作用，水体快速上下循环产生一个强大的回流，液面不断更新，以充分接触空气充氧。

（２）倒伞形叶轮表面曝气机

倒伞形表面曝气机由电动机、传动装置和曝气叶轮三部分组成。按整机安装方式有固定式与浮置式两种。按电动机出轴轴线的位置可分为卧式安装与立式安装。其结构形式与泵型叶轮表面曝气机类同。叶轮作用原理：１）当倒伞形叶轮旋转时，在离心力作用下，水体沿直立叶片被提升，然后呈低抛射线状向外甩出，造成水跃与空气混合、进行充氧。２）叶轮旋转时，叶片后侧形成低压区，吸入空气充氧。３）叶轮旋转时，产生离心推流作用，不断地提水和输水，使曝气池内形成环流，更新气液接触面，进一步进行氧传递。有些倒伞形叶轮上钻有吸气孔，可以提高叶轮的充气量。

（３）Ｋ形叶轮表面曝气机

Ｋ形曝气叶轮结构主要由后轮盘、叶片、盖板和法兰组成。后轮盘近似于圆锥体，椎体上的母线呈流线型，与若干双曲率叶片相交成水流通道。通道从始端至末端旋转９００。后轮盘端部外缘与盖板相接，盖板大于后轮盘及叶片，其外伸部分与后轮盘出水端构成压水罩，无前轮盘。叶轮作用原理：１）水体在旋转的叶轮叶片作用下流经叶片通道，从叶轮进口处至叶轮出口处能量不断增加，不断地从叶轮周边呈水幕状射出水面，并使水面产生水跃，从而大量裹进空气，使空气中的氧迅速溶于水中。２）由于叶轮的输水及提升作用，水体迅速上下循环，液面不断更新以接触空气而充氧。

（４）转刷曝气机

转刷曝气机由电动机、减速传动装置和转刷主体等主要部件组成。敞开式转刷主体顶部不设钢板罩，刷片旋转时，抛起的水滴自由飞溅。罩式是转刷主体顶部设置钢板罩，当刷片旋转溅起的水滴与壳板碰撞时，会加速破裂和分散，增加和空气的混合，可以提高充气量。转刷曝气机具有推流能力强、充氧负荷调节灵活、效率高且管理维修方便等特点。在氧化沟技术发展的同时，转刷曝气机得到广泛的应用。转刷主体是在传动轴上，安装有组合式箍紧的矩形窄条片。作用原理：１）水在不断旋转的转刷叶片作用下，水滴飞溅出水面与裹入空气强烈混合，完成空气中的氧向水中转移。２）曝气机运转时，其下游水位被抬高，推动混合液以一定流速在氧化沟中循环流动。