污水处理曝气风机选择及能耗分析

我国是一个水资源贫国，人均水资源拥有量只有2200m3，仅为世界平均水平的1/4，目前全国2/3的大中城市面临缺水。随着国家经济的发展，工业化的普及，产生了大量的污水，在沿海工业发达地区大中小城市甚至农村几乎见不到一条清洁的河流，因此污水处理是关系到国计民生的重要大事。
为了对污水进行处理，国内外对处理方法进行了大量研究，并形成了五花八门的污水处理技术，但其中使用量最大、使用最普及也最成熟的技术是活性污泥法。在该法中为了向水中充氧，必须向水中鼓入大量空气，因而必须选用合适的鼓风机。由于在整个污水处理工程中风机所消耗的能量占了整个系统所消耗能量的一半以上，因而风机的选型显得特别重要。
因为在污水处理系统中，对风机有其自身要求：风机的风量可由化学耗氧量算得，而风机的风压决定于水深（曝气头端面到水面的距离）。在污水处理系统设计时必须考虑管道、阀门、弯头及曝气头的压力损耗，一般在水深的基础上增加9.8kPa。
新系统刚投入运行时，压力一般都在设计范围内，可随着使用时间的推移，由于曝气头微孔的堵塞，管道阀门的锈蚀，特别是曝气头损坏，大量污泥流入管道并沉积，使管道流通面积减小，从而使系统阻力大幅增加，因此在系统设计时要特别考虑这一点。
除此之外还必须综合考虑风机能耗、噪声及价格等因素。下面我们就以上几个方面进行一些探讨。
1、在污水处理系统中通常使用的风机基本类型
常用的形式有容积式鼓风机和旋涡式鼓风机，其中容积式鼓风机，主要有回转风机、罗茨鼓风机；旋涡式鼓风机主要有多级离心式风机、单级高速离心式风机。市面上的单级高速离心式风机又分为空气悬浮鼓风机、磁悬浮鼓风机。
旋片式风机仅在每天处理几百立方的小型污水处理系统中有所应用，而旋涡式风机在早期小型污水处理系统中有应用，现已被淘汰。下面仅就罗茨式、多级离心式及单级高速离心式风机的选型进行讨论。
（1 ）由容积式风机与离心式风机的流量特性来看，显然罗茨风机更适用于污水处理系统，其原因是罗茨鼓风机流量是硬特性，即当水处理系统阻力增加时，其出口压力也随着增加，但其输出气体的流量却变化很小，从而可以维持水处理系统的曝气量几乎不变（在风机强度及电动机功率满足的情况下）；而离心式鼓风机则不同，其风量随阻力的增加而大幅减少。当阻力增加到一定压力时，风机输出风量为零，整个系统将无法曝气。
如苏州一家公司的污水处理厂，选用多级离心风机曝气，开始使用时很正常，随着使用时间的延续，曝气池水翻滚的强度越来越小，最终不再曝气。建议其将污水池水位下降1m后，水池又正常曝气。后来将多级离心风机换为三叶型罗茨风机，一直延用至今。因此在污水处理系统中选用离心式鼓风机要特别注意，选用风机的压力一定要留有充分余地。
（2）水处理系统在选用离心式风机时，特别要注意防止风机产生喘振现象。因为在风机运行中由于系统阻力的增加，造成风量的减小，当流量减小到某一最小值时就会在风机流道中出现严重的旋转脱离，流动严重恶化，使鼓风机出口压力突然大大下降，由于风机总是和水处理管网系统联合工作的，这时管网中的压力并不马上降低，于是管网中的气体压力反大于风机出口处的压力，从而气体发生倒流，一直至管网中的压力下降至风机的出口压力为止，这时倒流停止，风机又开始向管网供气，经过风机的流量又增大，风机又恢复正常工作，当网管中的压力又恢复原来压力时，风机的流量又减少，风机的出口压又突然减小，系统中又产生倒流，如此周而复始就在系统中产生周期性的气流震荡现象，这就是风机的喘振现象，往往造成风机的重大事故。
是不是发生喘振还和系统管网有关，管网的容量越大，则喘振的振幅越大， 频率越低，管网的容量越小，则喘振的振幅越小，频率越高。当几台风机并网使用时，有时还会出现单台机出现喘振的现象，因为一个系统当设计施工完毕后其系统的阻力将随着系统内所流通的风量增加而增加，当系统阻力增加至某台风机的喘振点时，此机就会产生风机的喘振现象，因此除对风机的压力保留一定的余地外，还必须对管网系统作一定的设计计算。
2、选用的风机必须能耗低
由于风机的能耗占了水处理系统总能耗的一半以上，因此选用的风机应尽量低能耗。下面就污水处理中常用的离心风机及罗茨鼓风机的能耗进行对比：
（1）现在有许多设计院及高等院校在污水处理系统设计时常采用多级离心鼓风机，认为多级离心鼓风机能耗及噪声都比罗茨鼓风机低，甚至有关领导部门曾想在污水处理系统中淘汰罗茨鼓风机。其实我国的罗茨鼓风机设计制造技术在近20年来已有了长足进步，特别罗茨鼓风机设计制造成功并批量投产，其各项指标特别是噪声及能耗指标有了大幅度下降，丝毫不逊于多级离心式鼓风机。
（2）国产罗茨鼓风机与单级高速离心鼓风机能耗比较，在我国污水处理系统中使用的单级高速离心鼓风机极大多数都是引进国外产品，主要是丹麦HV-TUBO公司及英国豪顿公司的产品，该二公司风机都采用进风口导叶及扩压器导叶控制，流量调节范围宽，同时高效值范围大。我国在污水处理系统中仅从丹麦HV-BUTO公司引进的风机从1990年开始到现在有近千台。国内沈阳鼓风机厂在1995年引进了日本国川崎重工株式会社单级高速离心风机技术。2000年后又有重庆通用机械公司、杭州制氧气厂、南通金通灵公司等单位自主研发了单级高速离心风机，但国产风机及引进技术风机流量调节都仅采用进口导叶控制，因而高效工况区都不如丹麦HV-BUTO公司及英国豪顿公司宽。
单级高速离心鼓风机的能耗确比国产三叶型罗茨鼓风机低，但并不象丹麦HV-TURBO公司样本所宣传的那样节能达30%～40%，至于重通公司的能耗显得高，可能是样本上提供的是配套电机功率而非轴功率造成。而国产三叶型罗茨鼓风机正向高速方向发展，随着速度的提高能耗会进一步降低，从而能耗将会更进一步接近单级高速离心风机。
（3）国产三叶罗茨鼓风机与L型二叶型罗茨鼓风机及国外三叶型罗茨鼓风机的性能对比：L型二叶罗茨鼓风机是80年代中期，当时的机械工业部组织全国几家重点罗茨鼓风机生产厂家联合设计的节能产品，列入国家第八批节能产品目录。国产三叶罗茨鼓风机的能耗较L型二叶罗茨鼓风机的能耗低1.2%～21%。值得一提的是L型二叶罗茨鼓风机样本中所提供的轴功率隐瞒了风机的起始功率。如加上空载起始功率，则国产罗茨鼓风机的节能效果将显得更大。
3、水处理系统所选用的风机还必须噪声低
污水处理是为了保护环境，不能为了污水处理而给环境带来二次污染，因此在为污水处理系统选用风机时，对风机的噪声必须认真考虑，国产三叶罗茨鼓风机的噪声比多级离心式要低。同时从表中可以看到国产三叶罗茨鼓风机与同类型的两叶型罗茨鼓风机相比噪声要低3.8~10dB(A),比德国AERZEN公司的三叶罗茨鼓风机噪声也要低6~14dB(A)左右。
4、价格的对比
各类风机价格对比如上表所示。从上表可看出国产三叶型罗茨鼓风机的价格是多级离心鼓风机的1/2不到；是国产单级高速离心鼓风机的1/5不到；是进口单级高速离心鼓风机的1/12不到，因而在价格上国产罗茨鼓风机有绝对的优势。
从以上分析对比可看出，在污水处理中选用国产罗茨鼓风机较选用多级离心鼓风机更合理，其噪声及能耗都较低而价格仅后者1/2不到，且不用担心风机会产生喘振现象。而单级高速离心风机确实能耗及噪声较低，但即使选用国产单级高速离心风机其价格仍是国产罗茨风机的5倍以上。若选用进口风机，其价格则为国产三叶罗茨鼓风机的12倍左右。由于昂贵的价格，因而妨碍了它在污水处理曝气系统中的推广应用。因此在污水处理系统中选用风机时要权衡综合考虑。