北京北控水务投资管理有限公司 100102
一、概述
市政污水处理厂作为城市运转功能的重要组成部分，每天都会有连续不断的市政排水进入，污水处理系统需保持24h正常运转的状态，才能保证污水连续的被处理达标排放。设备是污水处理厂的正常运行的关键所在，设备选择的好坏直接决定着污水处理厂的运行状态；搅拌器和曝气器是生化池的核心设备，一旦出现故障，如若检修，则整套系统就会面临几天甚至几十天的停水检修，导致每天的市政排水无法得到正常处理，且池体泄空、清淤及消纳费用较高，造成环境二次污染；如若为了不影响正常生产，将故障暂时搁置，则又会导致污水处理效果不佳，面临被环保督察的风险。如何实现污水处理厂生化池（以下简称厌氧池及缺氧池为A池，简称好氧池为O池）搅拌器、曝气器设备更加便捷的安装及检修，同时选择更加节能高效的设备，本文加以论述。
二、A池新型立式水翼搅拌器的应用
1．传统搅拌设备概述及应用缺陷
污水处理厂生化池A池阶段，为了增强活性污泥与污水的混合效果，强化生物脱氮，通常会安装搅拌设备。《室外排水设计规范》GB 50014-2006 6.6.7条建议“缺氧区（池）、厌氧区（池）应次采用机械搅拌，混合功率宜采用2~8W/m3。机械搅拌器布置的间距、位置，应根据试验资料确定”。多数污水处理厂在设计生化池A池搅拌时一般会选择传统的潜水搅拌器（主要分为中高速潜水搅拌器和低速潜水推流器），该种设备一般由设备主机、搅拌叶轮、安装导轨及附件、起吊装置等组成（如图示），设计时根据池形结构，通过计算机水力模型模拟，安装附着在钢砼池壁上，运行时根据工艺情况启动控制系统，通过叶轮的转动达到搅拌水体的作用。
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传统中高速潜水搅拌器一般有如下几种参数规格（表1）：
虽然该类潜水设备应用范围较广，但通过大量污水处理厂实际运行情况来看，存在一些缺陷如下，其中最关键的问题是该类设备一旦出现故障，需要停水检修，会给运营带来非常大的麻烦。
1.1 检修设备所在生化池体必须停水泄空，严重影响污水厂正常运行，与政府的商务沟通工作困难。
1.2 停水泄空检修期间，池底污泥清淤、消纳费用较高，实施困难，且带来环境二次污染问题。
1.3 设备在实际运行过程中能耗高，搅拌面积小，池体易存在死角。
1.4 优质潜水搅拌设备及售后服务受限于国外厂家。
2．新型立式水翼搅拌器简介
通过在若干污水处理厂的改造实施过程中的不断探索，一种新型立式水翼搅拌器的应用取得了良好效果。该种新型立式水翼搅拌器由驱动电机、减速机、立轴、水翼式搅拌器、金属桥架等组成；在安装形式有别于传统潜水设备，传统潜水设备是将起吊装置立与单侧钢砼池壁上，池壁上安装导轨，潜水搅拌器沿着导轨安装在池底或池中；新型立式水翼搅拌器是在池体两侧的池壁上安装横跨在池子上方的金属桥架，驱动电机、减速机、立轴、水翼搅拌器等连成一体安装悬挂在桥架上，水翼搅拌器从池子上方深入到水体中，安装形式较传统潜水搅拌器有了创新。新型立式水翼搅拌器的叶轮直径一般较大，常用的主要有4.0m和4.2m的，配套电机功率2.2kW和4.0kW，相关规格参数如下表（表3）：
3．新型立式水翼搅拌器的应用及优点
3.1 可实现不停水安装及检修
新型立式水翼搅拌器较传统潜水搅拌设备在安装形式上的创新，充分利用钢砼池体结构，在池子上方搭设金属桥架，水翼式搅拌器悬挂于桥架向下伸入水体，如此在实际安装及检修时，均不受池体内是否有污水的影响，安装时仅需在池体两侧承重墙上预留预埋件，用吊车将在车间焊接好的金属桥架吊至安装位置连接固定，再由专业人员将电机、减速机、立轴、水翼搅拌器组装固定在桥架上，进行垂直度、平衡实验达到相关要求后即可投入正常的运行工作；实现了在系统不停水、新建/利旧构筑物等各种状态下均可进行安装及检修，不受池内是否有泥水的影响，且安装及检修快捷、简便，实施期间不需要泄空及池底污泥清淤、消纳，无环境二次污染，可有效解决污水处理厂运行期间A池搅拌设备故障及时检修与更换的问题。
3.2 叶轮直接大，搅拌效果好，提高生物脱氮效果。
新型立式水翼搅拌器叶轮直径选用4.0m和4.2m，叶轮直径大，叶轮安装角度经过水力模型实验由专业人员调整至合理的安装角度，在实际运行过程中，搅拌速度一般控制在8-9rpm，搅拌面积大，可形成水流先向下斜向搅拌器扇叶四周、再向上翻的良好水力搅拌，搅拌效果好、无死角，使生化池A池中的泥水得到充分混合，生物脱氮效果得到显著提高。
3.3 节能效果显著，全生命周期性价比高。
结合近期4座污水处理厂的实际应用案例，安装新型立式水翼搅拌器较传统潜水搅拌器节能情况比较如下表4：
以其中污水处理厂4中单个A池为64mX16.64mX6m(有效水深4.75m)的池形为例，结合设备选型水力模型，传统设计需选择3台10kW潜水搅拌器，日耗电量720kWh，年电耗费用15.77万元（电费按0.6元/kWh核算）。经选用新型立式水翼式搅拌器，同样池形仅需选用3台4kW的设备，日耗电量288kWh,年电耗费用仅6.31万元，一年即可节约运行电费9.46万元，电耗回收年限仅7.9年，节能效果显著。详见下表5。
注：其中“-”代表选择新型立式水翼搅拌器后的减少值。
同时，新型立式水翼搅拌器使用寿命长，一般可达20年，全生命周期过程与安装传统潜水搅拌器进行比较，传统潜水搅拌器设备一般使用寿命仅10年左右，期间需进行1次重置，并需花费较高的池体泄空、污泥清淤、消纳费用，再加上全部的电耗费用，经过对比分析，污水处理厂4所安装的新型立式水翼搅拌器比传统潜水搅拌器在全生命周期内可节省总费用184万元，整体性价比高。详见下表6。
注：其中“-”代表选择新型立式水翼搅拌器后的减少值。
3.4 有利于国产设备的推广，提升设备质量及后续服务。
长期以来，传统潜水搅拌器优质设备一直受限于国外厂家，进口设备合同及发货条件苛刻，后续服务缓慢且协调困难，经常严重影响工程实施进度和污水处理厂正常运行。新型立式水翼搅拌器可实现国内厂家组装，设备厂家配合度高，对该种设备进行推广应用，有利于提升国产设备质量及后续相关的服务，为污水处理厂工程的实施和运行提供更有力的保障。
三、O池新型板条式橡胶膜微孔曝气器的应用
1．常用的曝气器形式
污水处理厂O池常用的曝气器形式较多，有盘式、管式、板式、射流曝气等，其中盘式曝气器的应用较为成熟，大多数污水处理厂均采用此种形式，管式也有一定应用，板式和射流曝气应用不多，相关图片如下。板式和射流曝气器应用不多，此处就不再赘述，主要介绍下常用的盘式和管式微孔曝气器。
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盘式曝气器一般外形为圆形，呈盘状，底部一般为ABS材质，顶部为开满微小孔缝的橡胶膜片，一般通过“工”字形或“王”字形布气设计，形成矩阵式的排列方式，当空气通过具有弹性的橡胶膜时，其上孔缝张开；当停止供气时弹性恢复，其上孔缝闭合；在水中产生直径小于3mm的气泡对水体进行充氧及搅拌。管式曝气器外形呈管状，由支撑管、管式膜片、空气释放器和连接件组成，一般安装在布气干管的两侧，也是通过空气通入及停止时膜片的孔缝开启及闭合，实现对水体进行充氧及曝气。两种曝气器在设计时排列布置方式不同，使用效果上各有优劣，相关关键参数如下表：
2．新型板条式橡胶膜微孔曝气器简介
一种新型板条式橡胶膜微孔曝气器在污水处理厂中的应用，取得了良好的运行效果。新型板条式橡胶膜微孔曝气器整体为长条形，主要由带通气道的板条托架、曝气面为R=150的弧形EPDM膜片、无阻力逆止阀、压板、压条等安装附件组成，常用的有200mm和300mm型（指宽度），安装时通过独立连接件连接成整体长度≥3000mm的板条式，底部设有方形通气管道，无分段，根据池型及曝气器布置情况再与空气干管连接形成有一定安装间距的方形环状曝气系统。相关结构示意图、安装图以及实验效果图见下图。
3.新型板条式微孔曝气器应用及优点
3.1 关键性能指标更优良，氧利用效率高
新型板条式橡胶膜微孔曝气器单个产品 (每米)按设计通气量不一样，氧利用率和充氧能力不同。200型单米标准通气量在7.5、10和15Nm3/h时，氧的利用效率分别可达到38%、37%和36%；充氧能力分别为0.81、1.04和1.5kg/h。经参考国家相关标准，选取φ67mmX1060的管式微孔曝气器、φ215的盘式微孔曝气器与1030X200型的新型板条式橡胶膜微孔曝气器关键参数比较如下：
通过比较可以看出，新型板条式橡胶膜微孔曝气器在氧利用率、充氧能力及曝气效果明显优于传统管式、盘式两种曝气器形式，关键性能参数指标更优良，氧利用效率更高。
3.2 结构形式独特，曝气效果好，生物脱氮效果更佳
新型板条式橡胶膜微孔曝气器由于特殊的弧面形式（30度角的成孔排列）及安装形式，特别是在长度2000mm至10000mm的区域内无断区，可形成宽面曝气帘，没有曝气死区，可以使污水在流经曝气区时得以进行回流式混合曝气，大大延长汽水混合时间及完全汽水混和，形成良好的生化流态，曝气效果好，氧转移效率高，有利于提高污泥的沉降性和脱氮效果。
通过跟踪若干按新型板条式橡胶膜微孔曝气器形式改造的污水处理厂实际运行情况，各污水处理厂经改造前后各项关键指标均稳定达标，改造后，污水厂出水指标更优，污泥沉降性能更好，吨水电耗节能效果明显。分析某污水处理厂改造前后吨水电耗节能可达到3.9%，单位好氧污染物电耗可节省33.5%；曝气节能计算没有考虑搅拌器，改造后，曝气混合效果变好，停运了4台搅拌器。
3.3 阻力损失小，系统更节能，配套无阻力逆止阀，适合精确曝气
新型板条式橡胶膜微孔曝气器的橡胶膜片有几种三元乙丙（EPDM）胶合而成，混炼和添加了增强材料，抗撕裂强度比标准指标提高60%，膜片厚度只有1.7mm，且安装时无需用支管再进行布气，大大减少了曝气阻力损失。并且新型板条式橡胶膜微孔曝气器配有无阻力逆止阀，可防止混合液进入膜片内，适用于各种形式的曝气混合和及间歇曝气，适合曝气系统的自动控制和精确曝气。
3.4 可实现不停水安装及检修，底部可调节范围大
新型板条式橡胶膜微孔曝气器特殊的形式，通过合理设计，可按可提升式进行设计，实现不停水安装及检修，有效解决污水处理厂生化池设备不停水施工检修的困局，降低系统全周期运行费用，避免因检修带来的环境二次污染，提升环境效益。同时，新型板条式橡胶膜片微孔曝气器在池底向上0～50cm高度均可调节，更贴近池底从而可以更好地防止污泥沉淀，也更利于现场安装。
四、结论
通过两种新型设备在污水处理厂改造中实际应用和总结相应的特点，两种新型设备均可以实现不停水安装及检修，可以有效解决各污水处理厂在设备故障时又要保生产又难以检修设备的矛盾问题，这在污水处理厂设备管理上是一个很大的突破。并且此两种设备均节能效果明显，运行效率高，国内厂家即可实现组装生产，有利于提升国产设备质量和后续服务，其他方面优势也非常明显，综合性价比优于传统同类型设备，值得在国内现状污水处理厂改造过程中大力推广应用。参考这两种新型设备的实际应用情况，在长期的污水处理厂运营管理过程中，我们也应当结合现况污水厂设备方面存在的普遍问题，积极探索、应用新型设备，在运行、节能、维护等方面取得新的进展，推进污水处理厂运营向更便于维护管理、更节能、更高效的方向发展。
参考文献：
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5.林荣忱主编.污废水处理设施运行管理（试用）.北京：北京出版社.2006
6.高俊发、王社平主编.污水处理厂工艺设计手册.北京：化学工业出版社.环境科学与工程出版中心.2003
7.若干公司产品技术资料
8.相关设备采购数据