污水处理工艺中鼓风机调控方式的选择.doc

污水处理工艺中鼓风机调控方式的选择在城市污水处理工艺中，活性污泥法具有投资少、处理效率高、运行经验成熟等特点而被广泛使用。其曝气系统通常采用鼓风曝气。实际运行中，污水的水质、水量及环境等因素总处在变化之中，曝气系统应能根据曝气池溶解氧含量的变化及时调节供气量，以保证处理效果，并不致浪费能源。因此，在项目设计阶段，业主和设计单位均高度重视鼓风机的选型及调控方式的选择。太原市河西北中部污水处理厂工程的初步设计，鼓风设备采用了单级高速离心风机，变频控制调节风量的方案。为了满足污水处理工艺的要求，最大限度节能、降低建设投资，经考察，并多次组织专家进行技术经济分析和论证，认为针对本工程污水处理鼓风曝气工艺特点，采用进口导叶是鼓风机合理的调控方式。 1工程概况及鼓风机调控方案 1.1工程概况 太原市河西北中部污水处理厂位于太原市汾河西岸，九院沙河入汾河口南岸，是国家投资的“双千亿”工程之一。设计规模为处理污水量150000 m3/d，采用A-B法生物处理工艺。工程分二期建设，一期工程按80000 m3/d实施，二期达到设计处理能力，目前正在实施中。1.2鼓风机调控方案 在初步设计中，鼓风曝气装置，设计选用单级高速离心鼓风机。考虑到污水处理量的不均衡性，为了节约能源，保证风机出口压力不变及各工艺构筑物需气量的要求，设计采用变频调节的方式来控制鼓风机风量的变化。 主要设计参数如下： 出口相对风压：49 kPa 风量：150 m3/min台（一期4台） 进气温度：25 进气压力：98 kPa 排气压力：147 kPa 变频器接受调节信号为420 MaDC 鼓风曝气示意见图1。 2离心风机调控方式的分析、选择 离心风机是目前应用最广泛的风机，是风机节能的主要对象。从调查中了解到，目前风机运行中存在的主要问题是能源浪费严重。根据国家有关部门统计，风机与泵的用电量占全国用电总量的40左右1。造成风机能耗大的主要原因是由于运行中的风机大量采用档板、阀门等调节方式。这种方式虽简便易行，但在调节过程中将产生大量的能量损耗。因此，在污水处理工程中需经常调节风量的鼓风机，应选择合适的调节方式，以降低能耗。2.1离心风机的工作原理及特性 单级高速离心风机的工作原理是：原动机通过轴驱动叶轮高速旋转，气流由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动被加速，然后进入扩压腔，改变流动方向而减速，这种减速作用将高速旋转的气流中具有的动能转化为压能（势能），使风机出口保持稳定压力。 从理论上讲，离心鼓风机的压力-流量特性曲线是一条直线，但由于风机内部存在摩擦阻力等损失，实际的压力与流量特性曲线随流量的增大而平缓下降，对应的离心风机的功率-流量曲线随流量的增大而上升。当风机以恒速运行时，风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。风机运行时的工况点，不仅取决于本身的性能，而且取决于系统的特性，当管网阻力增大时，管路性能曲线将变陡。风机调节的基本原理就是通过改变风机本身的性能曲线或外部管网特性曲线，以得到所需工况。 2.2变频调控原理与特性 随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。 变频调节的节能原理： 图2中曲线1和2表示调速时的压力-流量曲线，曲线3和4表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线5表示恒速时功率-流量曲线，设A点为风机最大工况点。当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由A到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由A到C，可见在满足同样风量Q2 情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显著减少。节省的功率损耗PHQ2与图中面积BH2H3C成正比。 由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围0100，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律： Q1/Q2(n1/n2)，H1/H2(n1/n2)2，P1/P2(n1/n2)3 可知，当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。 根据变频调节这一特性，对于在污水处理工艺中，曝气池始终保持5 m正常液位(见图1)，要求鼓风机在出口压力恒定的条件下，进行大范围的流量调节，当调节深度较大时，将会使风压下降过大，不能满足工艺要求。当调节深度较小时，则显示不出其节能的优势，反而使装置复杂，一次性投资增高（本工程中鼓风机采用变频调节比导叶调节增加一次性投资20万元）。因此，对本工程的曝气池需保持5m液位的工况条件下，采用变频调节方式显然是不合适的。 2.3进口导叶调节原理及特性：进口导叶调节装置即在鼓风机吸风入口附近装设一组可调节转角的导叶-进口导叶，其作用是使气流在进入叶轮之前发生旋转，造成扭曲速度。导叶可绕自身轴转动，叶片每转动一个角度就意味着变换一个导叶安装角，使进入风机叶轮的气流方向相应改变。进口导叶调节风量原理是：当导叶安装角0时，导叶对进口气流基本上无作用，气流将以径向流入叶轮叶片。当时，进口导叶将使气流进口的绝对速度沿圆周速度方向偏转角，同时对气流进口的速度有一定的节流作用，这种预旋和节流作用将导致风机性能曲线下降，从而使运行工况点变化，实现风机流量调节。进口导叶调节的节能原理通过图31说明。 图3中曲线1为节流调节时功率-流量曲线，曲线2为进口导叶调节时的功率-流量曲线。当进口导叶安装角由10增大为2或3时，运行工况点由M1移至M2或M3；流量由Q1减小至Q2或Q3；轴功率由P1减少至P2或P3。图中用剖面线表示的面积为进口导叶比节流调节节省的功率。 在本工程中，曝气池深度是固定的，鼓风机在保持出口压力恒定条件下，进行流量调节，即常量，变量时，管网的特性曲线近似于水平直线，鼓风机采用进口导叶调节，不必借助于改变管网特性曲线，可通过改变导叶的开闭角度，使风机的压力-流量性能曲线改变，流量的变化是通过将工况点移动到新的改变了的风机特性曲线上的方法实现的（见图4）。 离心风机采用进口导叶调节方式，在部分负荷运行时可获得高效率和较宽的性能范围，在保持出口压力恒定条件下，工作流量可在50100额定流量范围内变化2。调节深度愈大、省功愈多。如流量减少到额定流量的60时，进口导叶方式比进口节流方式节省功率达17之多3。此外，其结构相对简单，运行可靠，维护管理方便，初期投资低。因此，本工程中鼓风机采用进口导叶调节流量，显然是最佳调节方式。 2.4不同调控方式的比较 图5给出了不同调控方式时风量和轴功率的关系。尽管变频调节的离心鼓风机调节范围很广，在节能上有显著效果，但用在本工程的工艺系统中将受到工艺条件限制，调节范围仅为80100，而且通过图53可看出，在相对流量变化不大时，变频与导叶两种调节方式消耗功率差别并不大，因此采用变频调节方式，其节能特长显示不出来，这就失去了选择它的意义。而选择导叶调节方式的鼓风机，在保持出口压力恒定条件下可以较大范围调节风量（），以保证污水中溶解氧含量稳定，相对地节省了能源。所以应选择导叶调节方式的高速离心风机，作为本工程的设备选型。同时，为了更好地体现出节能效果，对于大功率的离心风机，还应注意配套电机的选择，如采用10 kV高压电机，也有助于降低能耗。 3结语 通过对变频与导叶调节方式的原理与特点的分析，明确了在采用鼓风曝气的污水处理工艺中，鼓风机调控方式的选择，不能只考虑节能，而必须在满足曝气工艺对风量、风压要求前提下，从流量变化范围、风机功率大小、调节装置的技术复杂程度、可靠性及投资等方面综合考虑，进行技术经济分析，作出合理的选择。 污水处理及强排工程的设计实例 安徽全柴动力股份有限公司是以生产柴油机为主业的多元化发展的大型企业集团。年产各种型号的柴油机50余万台。生产过程中产生的废水中主要污染物为石油类，若直接排放会对环境造成一定的危害，且公司所处地势较低，汛期易发生内涝。为确保可持续发展，公司于2000 年开始加大了废水和汛期雨水治理等环保方面的投入，处理后出水达到污水综合排放标准(GB8978-96)中的一级标准，系统调试达到设计要求，12月10日通过了安徽省环境监测中心站与滁州市环境监测站联合验收，后即投入正常使用。 1废水来源和设计水质水量的确定 公司所排放的废水主要为厂内各车间所排含有石油类(柴油、机油、汽油、润滑油等)、皂化液、漆渣等的工业废水和厂区雨水及少量的生活污水。经当地环境监测站取样实测后，确定其进水设计水质指标如表1所示。 根据公司统计的平均月用水量约5万 m3，扣除 15%的损耗平均月排出的废水量约4.25万 m3，日平均排放废水约1420 m3，小时平均排水量为62.5 m3，最大小时排放的废水约为100 m3，考虑到今后的发展和一般雨天排放的废水也能得到有效的处理，最终确定小时处理水量按150 m3设计。根据多年汛期的暴雨统计资料确定：在正常情况下按2000 m3/h，最大按3000 m3/h设计。 表1设计进水水质项目pHCOD(mg/L)BOD(mg/L)石油类(mg/L)SS(mg/L)NH3-N(mg/L)数值7.04001802501508.362工艺流程 2.1工艺流程选择 据表1的水质指标可知，需处理的工业废水中的主要污染物为石油类，及来自公厕、食堂、宾馆、科技大夏等生活污水中的悬浮物和有机污染物，pH值和 NH3-N没有超标。对浮油采用隔油池隔油并将废油回收，对乳化油等采用破乳气浮法予以分离，在气浮的同时也去除废水中非溶解性有机物和少量的溶解性有机物，对残存的油及溶解性有机物采用生化处理予以去除。处理后的达标水一小部分排入附近的河流内，70%经深度处理后泵至回用管网用于生产和厕所冲洗等。 2.2工艺概述 来自厂区的生产废水和生活污水经排水管网流入废水站，经格栅分离出大颗粒悬浮固体杂质后，再入隔油池分离浮油并采用浮油回收机回收，沉淀物沉于池底部，用砂泵定期排泥至污泥浓缩池，出水进入调节池，经污水泵提升至反应器，在反应器中加入混凝剂进行破乳并充分混凝反应，经过反应器的污水自流至气浮装置中，含油浮渣被气浮装置中的刮板刮至专门的浮渣贮罐贮存。气浮后的出水进入生物接触氧化池进行生化处理。曝气采用鼓风机充氧曝气，出水经斜管沉淀池进行固液分离，上清液流入中间水池。此时水质已达到排放标准，排放水可以从此直接排出。部分要回用的水再用泵泵至压力过滤器过滤后至回用水池回用。 斜管沉淀池底部的剩余污泥靠重力自流至污泥浓缩池，浓缩后用污泥泵送至污泥干化池干化，干泥外运。浓缩池上清液及干化池排水回流至沉砂隔油池。为了排除汛期厂区的内涝，并考虑此时污水经过预处理即经过沉砂池和调节池除去浮油后，通过3台潜水泵强排至附近的河道内(工艺流程见图1)。 图1污水处理工艺流程 3主要处理构筑物、设备及技术参数 (1)沉砂隔油池。采用全地下式钢筋砼结构，水力停留时间为3 h，尺寸为16000 mm7500 mm4700 mm。 (2)调节池。采用全地下式钢筋砼结构，水力停留时间为2 h，尺寸为16000 mm5500 m m4700 mm。 (3)生物接触氧化池。采用半地上式钢筋砼结构,水力停留时间为4h,气水比采用(810 )1，曝气装置采用微孔曝气软管，内置扇形填料。单池尺寸为10000 mm7000 mm5000 mm ，共2座。 (4)斜管沉淀池。该池与生物接触氧化池采用共一侧池壁建成半地上式钢筋砼结构，设计表面负荷为1.6 m3/(m2h)，池尺寸为20000 mm5500 mm5000 mm。池内放置DN 50玻璃钢蜂窝斜管。 (5)清水池。采用半地上式钢筋砼结构，尺寸为8000 mm8000 mm4000 mm。 (6)污泥浓缩池。采用半地上式钢筋砼结构，尺寸为8000 mm4000 mm2700 mm。 (7)污泥干化池。采用地上式砖混结构，尺寸为12000 mm4000 mm1200 mm。 (8)污水提升泵。选用150WQ-160-15-15潜污泵，共2台，1用1备。其技术参数为：Q=160 m3/h,H=15 m,N=15 kW。 (9)雨水泵。选用300WQ950-20-90 潜污泵作为汛期强排用，共3台，正常情况下，2用 1备。其技术参数为：Q=950 m3/h，H=20 m，N=90 kW。自耦变压器降压启动。 (10)加药装置。选用AHJ-I型加药装置3套，搅拌筒选用1000 mm1600 mm的圆筒，内置0.55 kW搅拌机1台和加药计量泵1台。 (11)反应器。采用钢结构，尺寸为2800 mm3600 mm，内置1.1 kW搅拌机1台，转速为32 r/min。 (12)气浮装置。选用CAF-150气浮系统1套，单台处理能力Q=150 m3/h，外形尺寸为：11100 mm2400 mm1800 mm。 (13)浮渣贮罐。为钢结构，尺寸为2000 mm2200 mm。 (14)鼓风机。选用SSR-100三叶罗茨鼓风机3台，2用1备，其技术参数为：Q=4.74 m 3/min,P=49 kPa,N=7.5 kW。 (15)回用水泵。选用ISG100-160的管道泵2台，1用1备，采用变频调控，其技术参数为：Q=70 m3/h,H=36.5 m,N=15 kW。 (16)压力过滤器。选钢制压力滤器2台，每台尺寸为2000 mm3900 mm，内置石英砂和无烟煤双层滤料，反冲强度为12 L/(m2s)。 (17)污泥泵。选用2台80 WG污水泵作为污泥输送泵，其技术参数为：Q=2053 m3 /h,H=10.211.6 m,N=7.5 kW。 4回用水消毒 由于废水中含有生活污水成分，经处理后的水仍含有病原微生物，为防止疾病扩散，必须对回用水进行消毒处理。消毒选用氯片做消毒剂。具体作法是：将氯片用细网兜着沉于回用水池的进水口处，让其在流动的水中自行溶化，达到消毒的目的。 5总排水管网和压力管网的设计 为了彻底消除汛期的内涝隐患，横穿厂区敷设一条主排水干管，该管埋深超过原排水管道约 300 mm，这样可确保原排水管无积水，大大降低原管道的死水位。新敷设的排水干管通至污水处理站，排水管径按汛期高峰暴雨量3000 m3/h设计，选排水干管为内径1000 mm的钢筋砼涵管，总长约400 m，因厂区地势低、管线长，坡度最大仅能按2敷设。污水站离排放的河道约200 m，为了保证在正常情况下自流排放和在汛期情况下强排出流共用一条管道，即排水管道和压力管道设计为一条管道，就必须建一切换井，切换井内有两个电动蝶阀，可实现阀门的快速切换，保证排水通畅。压力管道直径按最大排水流量3000 m3/h设计，取出水流速2.1 m/s，则其直径可选为700 mm。这里需要强调的是排放口在汛期的时候属于淹没出流，为了减少出水阻力，避免紧急情况下拍门被水淹没打不开，在出水口还加一旁路排放口。为保证出流射程最大，出流不破坏河堤，该排放口倾角为45，且高程与堤顶高程相当 (即强排出流口高于自由出流口4.5 m)。上述切换井和排放口示意如图2所示。 图2切换井和排放口示意 6处理效果 经安徽省环境检测中心站检测，废水经过处理后，外排水的水质COD为38.15 mg/L，石油类为0.44 mg/L，BOD为18.14 mg/L，SS为20 mg/L，pH为7.8，NH3-N为5.8 mg/L。经过压力过滤器过滤后的回用水，水质COD为30.5 mg/L，石油类为0.38 mg/L ，BOD为8 mg/L，SS为8 mg/L，pH为7.5， NH3-N为5.0 mg/L，总大肠菌群小于等于3个/L，浊度和色度分别为5 NTU和20倍，臭味无不快感觉。 处理后排放水水质达到了污水综合排放标准(GB8978-96)一级标准，回用水水质达到了生活杂用水水质标准。这样不仅改善了环境，创造了社会效益，而且也带来了较大的经济效益，仅回用水和回收废油两项预计年节约50多万元，而且从根本上消除了内涝隐患，为企业的可持续发展打下了一定的基础。 7结语 该设计方案经过系统调试和正常运行认为具有如下特点： (1)占地面积小，结构紧凑，整个处理站有效占地面积不足600 m2，包括道路等附属设施也不超过1200 m2。 (2)融水处理和强排于一体，既能保证废水达标排放，又能确保汛期雨水正常排放。 (3)该处理站强排泵和污水提升泵所选用的均为不占多大空间的潜污泵，大大节约土建投资，其它设备也就近布置，这样可节省配管长度，从而能在满足设计要求的情况下造价最低。