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曝气池空气管材质改进有效提升曝气池运行周期的可行性探讨

发表时间：2020/11/13 来源：《基层建设》2020年第21期作者：徐波¹ 程增强²

[导读] 摘要：曝气池是化工污水处理装置生化系统的核心工艺构筑物，池内曝气设施一旦出现故障，将影响曝气池有机污染物的去除效果，造成出水水质波动。

        兰州石化公司污水处理厂化工污水处理车间甘肃兰州 730060
        摘要：曝气池是化工污水处理装置生化系统的核心工艺构筑物，池内曝气设施一旦出现故障，将影响曝气池有机污染物的去除效果，造成出水水质波动。本文通过对2015年以来曝气设施损坏原因的综合分析，提出空气管材质改进和曝气器安装方式优化的建议。通过实施，有效提升了曝气池运行周期，确保装置生化系统的稳定运行。
        关键词：曝气池；曝气器；空气管；ABS；断裂；碳钢；改进
        一、装置曝气设施综述
        曝气池是化工污水处理装置生化系统的核心工艺构筑物。污水从A/O池经过硝化与反硝化后进入曝气池，在溶解氧的作用下，池中好氧微生物与水中有机污染物发生生物化学反应，降解成简单的有机物或无机物，从而使污水得到净化。曝气池工艺控制指标为溶解氧，指标范围2.5—6mg/L。在曝气设施运行良好的情况下，曝气池有机污染物去除效率可以达到60%。装置2003年扩能扩容改造，曝气池和A/O池O段水下空气管及配件均采用ABS工程塑料。
        二、曝气设施故障形式及原因分析
        （一）故障形式
        1、曝气器表面微孔堵塞
        曝气器为高分子聚乙烯全塑结构，表面密布微孔，孔隙率大，正常使用寿命为5年。当池内出现异常供风或暂停供风时，易发生曝气器表面微孔被活性污泥附着或堵塞的故障。通过适当调整鼓风机供气量，降低曝气池液位增加压差，可以恢复曝气器功效。
        2、个别曝气器脱落
        由于风压变化、管道振动、支架脱落、材料疲劳等原因，会造成个别曝气器脱落。每个曝气器的理论服务面积仅为1.5～2m2，因此个别脱落对整间曝气池运行影响不大。但是当供风管道材质为ABS时，影响程度会逐渐加深，甚至对整段空气盘管的稳定性造成影响。
        3、水下ABS空气管断裂
        此类型故障呈突发性、多发性的特征，对曝气池稳定运行影响较大。当池底ABS空气管发生断裂时，部分断裂管线浮出水面，水下断口则形成泄压放空点，池面翻滚。被迫关闭格间空气支阀会直接导致格间水面静止，大量活性污泥失效沉降，形成淤泥，最终此格间曝气器全部失效，从而影响到整间曝气池的运行效果。
        （二）ABS空气管断裂原因分析
        1、ABS材料特性简述
        ABS具有一定的刚度和强度，质地轻，尺寸稳定性能好，加工性能好，但耐候性较差，即在受到阳光照射、温度变化、风吹雨淋等外界条件的影响下，会出现褪色、变色、龟裂、粉化和强度下降等一系列老化情况。ABS材料耐腐蚀性较好，但也存在一定的局限性。
        2、ABS空气管断裂失效的原因分析
        （1）材料劣化造成断裂
        改造后的曝气池自2003年投入运行，ABS空气管使用年限达到十五年以上，由于水下工况复杂，来水污染物成分多样，以及其它外界条件的综合作用下，材料性能会逐渐发生劣化，强度逐渐降低，老化脆化速率加快，容易发生突然断裂。这是本装置ABS空气管断裂失效的主要原因。
        （2）材料蠕变失效造成断裂
        这是ABS空气管在静液压作用下出现的一种失效模式。主要表现为在管道蠕变过程中突发的韧性和脆性断裂，尤其在应力集中区域，如弯头、三通、接口处，因产生疲劳裂纹而突发静载断裂，这是生化系统ABS空气管断裂的又一类表现形式。
        （3）环境变化或机械损伤断裂
        ABS管道在加工或施工过程中对管材的损伤、管道振动、载荷增加、介质压力突变等因素，均有可能造成ABS管道断裂
        综上所述，需要进行材质改进，以确保曝气池稳定运行。
        三、空气管改进为碳钢材质的可行性探讨
        在保证曝气池内空气管布局不变的前提下，优先选择同等管径、碳钢材质的流体用无缝钢管及管道配件作为替代材料，表面涂刷环氧树脂，运用效果良好。
        （一）碳钢材料的使用性能
        包括碳钢材料的物理性能：热性能、电性能、磁性能等；力学性能：强度、韧性、硬度、耐磨性等；工艺性能：焊接性、冲压性、切削加工性等；化学性能：化学腐蚀、电化学腐蚀、化学稳定性等。

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        碳钢材料的物理性能、力学性能、工艺性能均能满足装置生化系统工况条件要求，且优于ABS材料。所以有效提升其耐腐蚀能力，成为影响材质改进的关键因素。
        1、碳钢在污水环境中的腐蚀
        碳钢在污水中的腐蚀主要是电化学腐蚀，即在腐蚀过程中不仅有化学反应，同时还有电流产生。
        化学方程式如下：
        Fe→Fe2+ 2e   O2+4e→2O2-   O2+H2O→2OH-    2Fe+O2+2H2O→2Fe（OH）2 ↓
        污水对碳钢的腐蚀因素主要有：
        （1）溶解氧：根据电化学反应机理可以得出，钢铁腐蚀速度与水中溶解氧成正比，当溶解氧在4～15mg/L区间时，碳钢表面将发生局部腐蚀，这是碳钢材料在好氧池的主要腐蚀因素。
        （2）流速：碳钢在流动水中的腐蚀除了电化学腐蚀外，还有流体力学因素引起的机械磨蚀，腐蚀形态为坑蚀为主，当流速达到4m/s，腐蚀失重率达到峰值。而曝气池理论停留时间为11.43小时，停留时间长，因此流速的影响较小。
        （3）PH值：PH值越小，阴极反应就愈容易进行，金属腐蚀就愈快。当PH值＜7时，碳钢将发生全面腐蚀。而曝气池进水呈微碱性，所以对碳钢腐蚀影响不大。
        （4）微生物腐蚀：装置生化系统主要是好氧腐蚀，即因好氧微生物附着和代谢物产生的腐蚀。
        曝气池污水中的溶解氧和微生物对碳钢空气管产生电化学腐蚀，所以做好管道的腐蚀防护就尤为重要。
        2、碳钢空气管的防腐
        对碳钢空气管的防腐采用保护层法，即在金属表面覆盖保护层，使金属制品与腐蚀介质隔离，从而防止腐蚀。根据YB/T9256-96《钢结构、管道涂装技术规程》中防腐涂料品种的选择要求，水下环境应选择环氧树脂涂料，环氧树脂具有抗酸性良好、抗碱性良好、抗溶剂性极好的特性。因此在碳钢空气管预制阶段，做好管道除锈工作，在环氧涂刷阶段，采用三道涂层漆系，控制好每道涂层的膜厚，待涂膜完全固化后（7天～10天），碳钢空气管就可以获得良好耐腐蚀能力。
        （二）空气管材质改进的费用比对
        1、材料费用比对
        由于ABS材料使用的管道配件种类多，造成材料费用高；而使用碳钢管，则只需要2种管道配件，材料费用较低；碳钢管及管道配件为常规材料，形成需求计划后采购便利，有正常采购、物资超市、减值物资等多种渠道，而ABS管及配件的采购周期要在3个月～6个月，因此选择常规碳钢材料更利于采购。
        2、安装费用比对
        由于碳钢管焊接安装需要电焊机、焊钳、焊枪等机具，对人员资质要求高，因此人工费、材料费、机械费的定额高于人工粘接的取费，碳钢管还要进行除锈及防腐，所以碳钢管的总体安装费用略高于ABS管安装费用（约328元），但仍处于正常合理及费用可控范围内。
        通过费用环节综合比对，空气管材质改进，选择碳钢材材料优于ABS材料。
        （三）曝气设施安装方式的优化
        1、空气管改进为碳钢材质后，安装方式发生了变化。GB50236-2011《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》对焊接材料、施焊工艺、焊工考试、碳素钢及合金钢焊接、焊接检验等都有明确的规定，有一整套严密的质量控制方法；而ABS管材现场粘接则相对缺乏可借鉴的质量控制标准。因此焊接工艺的可靠性高于粘接工艺。
        2、曝气器与空气管连接方式也进行了优化。用ABS空气管与曝气器连接需要安装夹套，夹套与空气管连接部位有1个O型圈密封，夹套与曝气器连接部位又有1个橡胶平垫密封，加之本体连接部位共产生了3个静密封点；改进为与单丝头连接后，静密封点下降为1个，理论上降低了静密封点泄漏率。
        四、结论
        通过对ABS管失效原因的分析，以及从材料特性、检修费用、安装方式等方面对ABS空气管和碳钢空气管比对，并经过实践检验，空气管材质改进和曝气器安装方式优化，有效提升了曝气设施的使用周期。下一步计划在2019年装置大修期间，对未实施改造的曝气池格间统一进行整体更换，以确保装置生化系统长周期稳定运行。
        参考文献：
        [1]500t/h生化曝气池结构设计[J].陈宝勤. 江苏建筑.2003（02）
        [2]曝气池设计中的三个平衡[J].建筑技术通讯（给排水与采暖通风）.2019.