污水處理廠鼓風機的優(yōu)化配置對投資及運行成本影響分析

劉 云，李 昕

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

目前國內對環(huán)保的重視程度越來越高，截留的污水量不斷加大，出水水質要求越來越高。鼓風機是整個污水處理系統(tǒng)的心臟，也是直接影響投資和運營的關鍵設備。由于鼓風機運行狀況的好壞對整個污水處理系統(tǒng)起著至關重要的作用[1]，因此鼓風機的選擇以及配置對污水處理尤為重要。

1 鼓風機的類型及選擇

目前常用的鼓風機類型有羅茨鼓風機、單機離心鼓風機、多級離心鼓風機、磁懸浮離心式鼓風機、空氣懸浮離心鼓風機等[2]。

羅茨風機屬容積式風機是利用兩個葉形轉子在氣缸內做相對運動來壓縮和輸送氣體的回轉壓縮機；離心式鼓風機是利用旋輪產生的離心力來壓縮和輸送氣體；磁懸浮離心式鼓風機是通過內磁懸浮軸承控制器磁軸承實現(xiàn)轉軸的懸浮，而空氣懸浮離心鼓風機軸被懸浮于主動式空氣軸承上，兩種風機均具有高效、節(jié)能、低噪聲、運行可靠和長期無需維修保養(yǎng)的特點。

幾種風機比較如表1所示。

表1 風機類型比較

根據上表可以看出，磁懸浮離心式鼓風機及空氣懸浮離心鼓風機適合連續(xù)運行，且體積小、噪聲低、系統(tǒng)集成度高、安裝方便、冷卻效率高、節(jié)能、使用簡單、維護簡便、費用低，壽命長等諸多優(yōu)點而廣泛用于污水處理廠生化池曝氣。羅茨鼓風機可間接運行，且體積大、噪聲高主要用于氣量、氣壓穩(wěn)定的場所例如給水廠中V型濾池反洗或污水處理廠深度處理中反硝化深床濾池等。磁懸浮離心式鼓風機及空氣懸浮離心鼓風機較羅茨鼓風機在污水處理廠中有著較為明顯的優(yōu)勢，但兩種風機也有著各自的優(yōu)缺點。

（1）空氣懸浮風機由于使用外部動壓空氣，在轉速較低的情況下，主軸存在干摩擦問題，解決此問題對廠家的技術水平提出了較高要求。

（2）磁懸浮風機需要對磁懸浮軸承供電來提供磁力，功耗較空浮大，并且需要一套備用電源及備用軸承，來避免突然斷電對風機造成的損壞，一般來說備用軸承都有使用次數(shù)的限制[3]。

（3）磁懸浮軸承及控制器相對空懸軸承來說，結構復雜，故障率高。

對于污水處理廠而言，磁懸浮離心式鼓風機及空氣懸浮離心鼓風機均有著廣泛的應用，目前由于水質波動較大，要求風機風量變化幅度較大，磁懸浮的主軸位移不隨風量變化而變化故得到廣泛的應用，且污水處理廠幾乎均按照二級負荷設計，故不存在斷電影響。

2 鼓風機的優(yōu)化配置及技術經濟性分析

以某污水處理廠為例，污水處理規(guī)模為5.0萬m3/d，對污水進水水質上一年進行概率統(tǒng)計及分析，不同頻率及平均值如表2所示。

表2 實測水質概率分析 單位：mg/L

從表2可以看出，污水處理廠采用不同頻率，污水水質相差較大，頻率取低值時，污水處理不徹底，采用高頻率時，由于平均值較低，設備型號較大，因此加大了運行成本。國外普遍采用80%～95%作為參考值，該污水處理廠選擇以90%作為參考值進行設計。另外，隨著對工業(yè)企業(yè)監(jiān)管力度的加強，總磷的含量有所好轉（參考80%統(tǒng)計數(shù)據），最終確定了進水水質如表3所示。

表3 進水參數(shù)

根據以上進水參數(shù)，對鼓風機風量進行計算，所需風量為140m3/min。根據風量，可以采用以下配置方案。方案一：風機1用1備，共2臺，單臺參數(shù)為流量Q=140m3/min，壓力H=72kPa，功率N=250kW。方案二：風機2用1備，共3臺，單臺參數(shù)為流量Q=70m3/min，壓力H=72kPa，功率N=132kW。方案三：風機3用1備，共4臺，單臺參數(shù)為流量Q=50m3/min，壓力H=72kPa，功率N=90kW。

根據以上配置方案，分析比較如下。

（1）造價：參考實際概算財評及實際采購價，方案一單臺風機約200萬元/臺，風機總設備費約400萬元，土建部分建筑面積A（長）×B（寬）=21.6m×9.0m=194.4m2，H高=7.0m，另外配電間建筑面積A（長）×B（寬）=13.8m×7.8m=107.64m2，H高=3.9m，土建按照2500元/m2考慮，則方案一土建費用約為（194.4+107.64）×2500÷10000≈76萬，鼓風機房工程費用476萬元；方案二單臺風機約120萬元/臺，風機設備費約為360萬元，方案二土建部分建筑面積A（長）×B（寬）=27.0m×9.0m=243m2，H高=7.0m，另外配電間建筑面積A（長）×B（寬）=17.4m×7.8m=135.72m2，H高=3.9m，土建按照2500元/m2考慮，則方案二土建費用約為（243+135.72）×2500÷10000≈95萬，鼓風機 房工程費用455萬元；方案三單臺風機約80萬元/臺，風機設備費約320萬元；但隨著風機增多鼓風機房及配套電氣設備所需的土建增加，按增加一跨5.4m×9.0m，土建按照2500元/m2考慮，土建部分建筑面積A（長）×B（寬）=32.4m×9.0m=291.6m2，H高=7.0m，另外配電間建筑面積A（長）×B（寬）=17.4m×7.8m=135.72m2，H高=3.9m，土建按照2500元/m2考慮，則方案三土建費用約為（291.6+135.72）×2500÷10000≈107萬，鼓風機房工程費用427萬元；不考慮地價，單從土建+設備來說，設備占主要，相對來說采用的風機臺數(shù)越少，造價越低（不考慮電氣設備的影響），但并非臺數(shù)越多越好。

（2）理論能耗：不考慮備用時，方案一設備總功率為250kW，方案二設備總功率為264kW，方案三設備總功率為270kW。折合運行20h/d，則方案一年耗電量1.825×106kW·h，127.75萬元；方案二年耗電量1.9345×106kW·h，135萬元；方案三年耗電量1.971×106kW·h，137.79萬元。表明理論上臺數(shù)越多，耗電量越高，電費越高。

（3）實際運行效果：為了保證處理效果，采用了概率統(tǒng)計分析，BOD設計值為150mg/L，而實際平均值BOD只有設計值的一半。根據平均值計算所需風量為70m3/min。采用方案一，則單臺風機需變頻至50%，實驗表明由于鼓風機房正壓的存在且變頻時特性曲線發(fā)生變化，風機的功率和頻率并不成三次方關系，此時風機功率約160kW；采用方案二，單臺功率為132kW，采用方案三，需開2臺，功率約135kW。每天能耗方案二和方案三相差不大，但較方案一省約400元/h，年平均約省15萬。對于該工程而言實際情況當一年中某段時間內，BOD濃度更低時，需要的風量更小，這就需要單臺變頻的風量更大，廠家提供的參數(shù)理論上可以變頻至30%，但是實際運行情況表明，單臺風量變頻調整至小于50%時，運行不穩(wěn)定，而采用方案三變化范圍則更加廣泛，節(jié)能效果也更加明顯，故該工程選用了方案三，實際運行效果良好。

3 結論

（1）鼓風機作為污水處理廠核心設備之一，對污水處理廠的投資及運營管理有著重要影響，磁懸浮離心式鼓風機用于水質波動較大的污水廠比較合適，空氣懸浮離心鼓風機用于水質相對穩(wěn)定的污水處理廠比較合適。

（2）建議在新建污水處理廠設計風機配置時，根據理論計算出后，盡可能采用梯次配置，為了管理及維修方便，也可以考慮采用相同的風機。

（3）污水處理廠改擴建時，建議對已建成的水質進行概率統(tǒng)計分析，設計風機參數(shù)時，應該結合概率分析中的設計值、平均值、最低值綜合考慮得出更優(yōu)的風機配置提供依據。

（4）對于文章中某污水處理廠而言，優(yōu)化風機配置后，采用方案三，5萬m3/d設計規(guī)模風機3用1備，工程費用可以節(jié)省約50萬元，運行費用每年可節(jié)省約15萬元，經濟效益明顯。