农村一体化污水处理设备曝气系统核算及优化

农村一体化污水处理设备曝气系统核算及优化

 

农村污水处理是改善农村生态环境的重要手段,一体化污水处理设备由于具有占地面积小?建设周期短等优点,而成为当前我国农村污水处理的主要方式?风机作为一体化污水处理设备的核心设备,对一体化污水处理设备的稳定达标运行起着十分重要的作用?在应用的各种类型的风机中,电磁气泵由于体积小?噪声低?易保养?产生1~m^{3}气量仅需0.01kWh电量,符合农村污水处理低能耗免 维护的需求,因此被广泛应用于小规模农村污水处理中。电磁气泵通过交变电流产生磁场,使磁铁带动振动膜压缩空气,其额定运行压力一般仅为20kPa 左右?在应用过程中,如果气泵风压过大或者线圈过热,气泵就会自我保护而停机,进而造成污水处理系统瘫痪?因此,如何快速查找气泵停机的原因 并提出优化策略,对于保障农村污水处理系统的稳定运行十分重要?导致气泵停机的原因是多方面的,其中针对设备风压管路的计算十分关键?然而,目前国内关于农村污水处理相关设备风压管路计算的文献报道十分缺乏,对于小型污水处理设备的曝气系统也缺少设计标准?因此,笔者将针对某农村污水处理项目设备停机的核心原因进行经验和理论的探讨,通过理论计算,为今后小型污水处理设备的风机选型?设备风压管路设计提供依据和参考?

一、案例概况

1.案例项目：为中国东部地区某连片农村污水处理项目,项目一体化污水处理设备规格涵盖5~50md, 共计40套;设备主体采用地埋式罐体,电控柜?风机柜全部采用集成式地面设计,不锈钢材质?地埋式罐 体供气管路与风机柜外接,柜体内接气泵(该项目全部采用某合资品牌电磁气泵),设置控制阀门?项目运行初期对污水处理效果良好,但运行至夏季开始 出现批量气泵停机现象(20%左右),短时间内均无 法冷却并启动,导致一体化污水处理设备出水超标?通过现场测试,曝气系统主管气压为25~27kPa, 在环境温度25℃条件下,运行气泵表面温度超过了 60℃,结合气泵的使用经验,初步判断气泵停机原 因是:①曝气系统管路阻力大,导致气泵运行风压较高,进而出现报警?停机;②风机柜裸露安装且散热差,阳光直射会导致风机柜内部温度升高,超过气泵线圈保护温度导致停机?但出现曝气系统管路阻力过大的具体原因需要进一步通过理论验证?气泵温度超过保护温度可采取散热方式解决,而导致温度升高的主要原因也在于气泵超负荷运行,因此也需要解决曝气系统管路阻力过大的问题?综合以上分析,首先需要通过理论计算确定曝气系统各部分阻力大小,进而提出优化措施?2.曝气系统阻力计算公式：随机选取某20m3/d规模的一体化污水处理设备作为试点,对其曝气系统阻力和气泵压力进行计算?其气泵空气流量为0.5m?/min,可使用压力范围 为0.1~27.5kPa?设备内部曝气池水位为2.2m?设备所有管道均采用UPVC材质?设备内气管管径为 DN40,管长约4m,含球阀1个?三通和弯头各3个; 曝气盘20个,盘面尺寸220mm,安装位置距水面高度为1.86m;风机柜内曝气主管管径为DN20,管长 1.5m,含直流异径2个?三通1个?弯头4个,以及 DN32直管1m,弯头2个?球阀1个?风机柜至一体 化污水处理设备的外部主管管径为DN40,管长约 5m,设直流异口径1个?直流等口径2个?弯头4个?场站内曝气系统管路示意图见图1?曝气系统总阻力包括风机柜供气系统?设备外部埋地气管?设备内部气管和曝气器4部分的阻力? 曝气系统管路阻力计算需要分别计算管道沿程阻力和管道局部阻力? 

（1）管道沿程阻力计算公式：管道沿程阻力需要根据流量?流速?管径计算得出?

（2）管道局部阻力计算公式管道局部阻力按照当量长度法计算,将各管件折算成当量长度Lo。当量长度计算公式为：

二 .结果与分析

1. 管道阻力计算结果与分析

通过计算得出曝气系统的管道总阻力h为3.61kPa,其中:管道沿程阻力为1.44kPa,其中风机柜内部管路沿程阻力为1.24kPa;管道局部阻力为 2.17kPa,其中风机柜内部管路局部阻力为1.93kPa? 根据大型污水处理厂经验,一般空气管道流动阻力会控制在4.9kPa以内,但作为小型污水处理站点,该曝气系统的管道总阻力偏大,特别是风机柜 内部管路阻力较大,需要对其进行优化调整?从一体化污水处理设备风机柜内部管路阻力计算结果可以看出,气管的局部阻力远大于沿程阻力,因此,要减小气管阻力,需要尽可能减少球阀?三通等当量长度较大的管件的使用?

2. 气泵压力计算结果与分析该项目采用国内某一线曝气盘,材质为EPDM,最佳通气量为2m?/h,阻力损失为1650~2500Pa,孔缝尺寸为1mm?根据厂家提供的2种曝气盘阻力 损失与标准通气量的关系曲线(见图2),当盘径为 220mm时,达到项目中单位曝气盘通气量1.5m?/h 时,曝气阻力损失为2.60kPa?由于曝气盘阻力损失会 随着使用时间增加而增加,使用一年阻力损失考虑5%的增加量,则一年后曝气阻力损失取值为2.73kPa?

 

按照曝气盘取值,结合1.86m水位静压,则现场气泵实际运行压力为24.94kPa,与实测值接近,远超过了选型气泵的额定压力20kPa,考虑富余压力2kPa应该为26.94kPa?显然选用常规气泵压力无法满足该曝气系统要求?由此可见,气泵长期在超压状态下运行,导致内部温度升高,由此出现了停机现象?为了保证气泵能长期正常运行,需要整体优化整个曝气系统,保证气泵实际运行压力在20kPa以下?

三、解决方案及讨论

1. 风机柜内部管路优化：原风机柜设计(见图3a)):气泵设置于柜体一侧,电磁阀及其他控制管阀设置于柜体底部,气管出口设置于柜体侧壁,因此,管路设置较长?连接阀门较多?优化后风机柜设计(见图3b)):气泵设置于柜体底部,气管出口设置于柜底,减少了不必要的弯头?连接件?同时由于原设计紧凑要求,管径设计为DN20优化后调整为DN32?通过优化,风机柜内部管路沿程阻力可以减少0.54kPa,局部阻力可以减少1.69kPa?

2. 曝气盘优化：该项目采用220mm曝气盘,如采用270mm曝气盘,则曝气盘数量可以减少至12个,单个曝气盘通 气量为2.5m/h时,阻力损失可以减少至1.80kPa?因此,该项目中的曝气盘更换为270mm,使用一年阻力损失考虑5%的增加量,则一年后实际阻力损失为 1.89kPa,比原曝气盘阻力损失降低0.84kPa?

3. 静压水位优化：曝气盘距液面的实际高度取决于一体化污水处理设备整体高度和液位,设置过高或过低都不利 于设备内填料流化和曝气均匀?最终决定将曝气盘提100 mm,可以降低静压阻力约1kPa?

4. 系统优化前后阻力对比：优化设备曝气主管管径至DN50,可以额外降低管路阻力0.53kPa,则整体优化后的曝气系统总阻力可以降低约18%,最终为20.34kPa(见图4),基本能达到气泵运行压力要求?

5. 散热措施：原风机柜仅在单一侧壁设置通风孔,柜体与外界未形成空气对流,散热效果较差,在气泵超压高 负荷运行下导致其内部线圈温度过高,是导致停机的直接原因?因此,该项目针对每台气泵在其正面设置排气扇,与风机柜内温度感应联动,同时在风机柜两侧壁设置通风孔,形成空气对流,当风机柜内 温度超过设置值时,即启动排气扇为气泵降温,从而达到强制降温的作用?风机柜通风设置见图5?经过试验验证,该项目设定排气扇启动温度为 27℃?风量为10m/min时(风机柜容积约 0.5 m3) ,空间换气1200次/h),可以取得较好的降温效果?综合采取曝气系统优化和散热措施后,风机柜内外温差可以控制在1~2℃之间?气泵表面温度可以保证在 35-40℃(见表2),从而实现气泵正常运行?

 

6. 讨论：对于常规农村一体化污水处理设备的设计,其曝气系统管路需进行理论计算后确定,一般为减小阻力损失,气管选择DN32及以上管径,特别关注局部阻力损失?根据计算和经验,曝气系统管路的阻力 损失建议控制在0.6kPa以下?设备曝气盘距液面的 高度需根据设备高度和曝气效果确定,考虑阻力损失,一般小型设备建议将该高度控制在1.9m以下, 据此推算,设备高度或直径不宜超过2.5m?对于设 备曝气盘的选择需要同时兼顾充氧能力和阻力损失,最好将气泡直径控制在3mm以内,小型设备的曝气阻力损失建议控制在2.0kPa左右?此外,为防止气泵运行过程中内部温度过高,需要保证风机柜内空气流动,实现气泵快速散热?气泵安装在风机柜中,需要强制散热,换热频次根据外部温度确定, 同时将气泵设置为间歇运行,以防止运行能耗过高?对于时常发生气泵停机的农村一体化污水处理设备,在排除设备线路和气泵本身质量问题后,需要重点关注曝气系统管路出口阻力和气泵运行的环境温度,针对管路局部阻力?曝气盘阻力等进行重 点排查,并且需要重新计算后针对性地进行解决?

四、结语

笔者就某农村污水处理项目气泵停机原因进行了探讨,通过对案例站点曝气系统阻力进行理论计算,分析出气泵的实际运行压力达到了24.94kPa, 超过了气泵额定运行压力,同时主要阻力损失在风机柜内部管路和曝气盘?通过对风机柜内部管路进行优化布置以及对曝气盘形式和高度进行优化设计,理论上曝气系统总阻力可以降低约18%,保证曝气系统压力在20.34kPa,达到气泵运行压力要求? 同时通过强制散热设计,能够保障气泵在正常温度下运行?后期可以将气泵设置为1用1备,间歇运行, 防止持续运行温度升高,同时可以针对风机柜进行防晒?散热处理,进一步降低气泵高温停机风险?通过对该项目的理论计算分析和曝气系统设计 的建议,可为小型农村污水处理设备的风机选型?设备系统设计和管路设计等提供理论依据和经验参考?何京钟,柴玉峰,刘弄,蒋红光,孙竞,易洋  市政技术 Vol. 41 ,No. 10  Oct.2023