摘要：节约风机用电是城镇污水处理厂降低生产成本的首要举措，传统罗茨鼓风机能耗高而节能困难，一种新型节能风机-空气悬浮离心鼓风机（以下简称空气悬浮风机）在污水处理厂的应用越来越广泛，但该种风机具体应用效果如何还缺少数据说明。本文通过在临沂市兰山区柳青河污水处理厂实施的空气悬浮风机替代罗茨风机项目，以具体数据对比和综合效益情况分析空气悬浮风机在城镇污水处理厂应用的可行性和必要性。
关键词：城镇污水；处理
一、前言
城镇污水处理厂（以下简称“污水厂”）污水处理价格基本固定，降低生产运行成本几乎是污水厂营利的优先选择。用电成本是污水厂运行成本的主要方面，约占污水厂变动成本的80%、总成本的55%，而风机用电占污水厂总用电量的50%以上，降低风机用电是城镇污水处理厂降低生产运行成本的首要举措。目前，城镇污水处理厂应用最广泛的曝气风机是罗茨风机，罗茨风机以其运行平稳可靠、便于维护保养和价格低廉的优势，占比污水处理市场的75%左右。但罗茨风机能耗高，除另外加装变频外无法调节，且变频节能量非常有限，另外噪音大、维护保养频繁等也是其弊端，因此许多污水厂探索引进新型节能风机。目前，空气悬浮风机应用还不广泛，缺乏实际应用效果和经验介绍，且价格高昂，许多污水厂对实施应用空气悬浮风机存有顾虑。临沂市兰山区柳青河污水处理厂自2019年4月份试验性引入两台空气悬浮风机替代罗茨风机，制定数据测算方案，跟踪记录风机用电数据和维护保养情况，积累了一定的实际应用经验，本文将系统介绍项目实施情况和空气悬浮风机应用效果，希望对考虑实施风机节能改造的污水厂有所帮助。
二、项目概况
临沂市兰山区柳青河污水处理厂（以下简称柳青河污水厂）设计处理规模4万吨/日，分两期工程，一期、二期各2万吨/日，主要服务于周边三个镇的生活污水和部分工业污水的处理。该污水厂采用A/A/O和SBR系统优化组合工艺，出水水质稳定达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。柳青河污水厂常用罗茨风机9台，其中一期工程24小时常开风机2台（SBR池），风量72.06m³/min（单台36.03m³/min），出口压力49kPa，常开功率90kw（单台45KW）；间歇开2台（为二沉池轮流开停风机，每开1.5小时，静沉1.5小时。每天开12小时），风量36.03m³/min，出口压力49kPa，功率45kw；正常运行总功率135kw，最大风量108.09m³/min，风压49kPa。二期工程24小时常开风机3台（SBR池），风量78.76m³/min，出口压力58.8kPa，常开功率135kw；间歇开2台（二沉池轮流开），风量27.63m³/min，出口压力58.8kPa，功率45kw；正常运行总功率180kw，最大风量106.39m³/min，出口压力58.8kPa。经确定风机改造方案和设备选型，一、二期工程各用一台150HP空气悬浮风机（约110KW）替代现用罗茨风机，并通过串联管道、安装电磁阀和调节风机SV值，实现对二沉池间歇曝气的控制。实际运行中，一期工程风机SV值调节区间62%-82%；二期工程SV值调节区间85%-98%，风机曝气满足正常需要，出水水质稳定达标。
三、罗茨、空气悬浮风机性能效果分析
（一）罗茨风机运行中存在的问题
罗茨风机运行可靠，耐用，维护保养方便，对进气质量要求低，采购成本低，目前仍是大部分污水厂特别是中小型污水厂最常选择的曝气风机。但罗茨风机因其固有特点在运行中也存在许多问题，一是能耗高、效率低，罗茨风机常用机型转速一般在2000转/分钟以下，风机风量与转速成直接正比，风量小，一般需要多台罗茨风机共同工作才能满足污水厂曝气需要。二是能耗浪费严重，罗茨风机运行中部分风量经旁路放空，且因其气体密封性不够良好，经常会发生风量流走的现象，根据实际测量，罗茨鼓风机的风量只能达到额定的80%-90%,而消耗的电能比额定量多出20%-30%，有较大的电能浪费。三是节能空间低，罗茨风机结构简单固定，无变频，无法调节转速和运行功率，只能通过调节管道阀门控制出口风量，无法实现节能。四是噪音大，罗茨风机运行时机械噪声和气动噪声巨大，使污水厂难以达到厂界噪声60分贝以下的环保标准。
（二）空气悬浮风机的性能分析
空气悬浮风机是单级高速离心风机，核心技术是“超高速直联电机”、“空气悬浮轴承”和“高精度单级离心式叶轮”。超高速电机是随着永磁材料技术、半导体技术和控制技术的发展而出现的一种新型电机。运行时回转轴以20,000-200,000回转数实现高速运转，发动机的效率可达97%。空气悬浮轴承主要包括径向轴承以及止推轴承等部件。启动前回转轴和轴承之间有物理性的接触，启动时回转轴和轴承相对运动，以形成流体动力场，在径向轴承内此流体动力形成浮扬力。该浮扬力使回转轴处于悬浮状态而达到回转自如的目的。这种轴承与传统的滚珠轴承不同，运行时回转轴和轴承之间没有物理接触点，所以无需润滑油，能量损耗极低，效率极高，适用于多种工作环境。同时，单级离心式叶轮与电动机采用直联方式连接，动力传递效率达97%以上。因此，空气悬浮风机是一种全新概念鼓风机，实现了风机的高效率、高性能、低噪音、低能耗。
（三）空气悬浮风机在柳青河污水厂实际应用情况
为做好风机节能项目的评价，柳青河污水厂制定了空气悬浮风机节能量测算方案，在空气悬浮风机安装前4个月，跟踪计量每台罗茨风机日耗电量和每日处理水量，制定风机耗电量核算表，分别核算一期、二期工程风机总耗电量和单位水量风机耗电量。空气悬浮风机安装调试完成后，按照同样的方法记录和核算一期、二期工程风机总耗电量和单位水量风机耗电量，结合污水厂总电量和生产成本，对比前后数据，核算节能量和节能率。柳青河污水厂安装两台空气悬浮风机，替代原用9台罗茨风机，从额定功率看，总功率比原罗茨风机总功率减少95KW，减少30.16%，实际运行时根据水量水质情况调节风机SV值，实际节能率高于功率减少率。对二沉池间歇曝气的需要，该污水厂通过串联空气输送管道和安装电磁阀，实现一台风机对不同工段曝气频率的控制。操作人员由启停罗茨风机改为开关电磁阀和调节空气悬浮风机SV值，实现增加或减小风量和运行功率。事实上，调节风机和启停电磁阀，均可以通过中控系统远程操作。另外，空气悬浮风机的应用还存在如下优势：降低厂区噪音方面，空气悬浮风机机房噪音80-90分贝，远低于罗茨风机噪音，大大改善了厂区工作环境。维护保养方面，空气悬浮风机不需要使用润滑油维护保养，但需要定期清洁或更换滤棉、滤芯，滤棉清洁或更换周期约1个月，滤芯更换周期约3个月。同时，空气悬浮风机的应用还存在如下环境要求：空气悬浮风机对工作环境的空气质量要求较高，因此需要机房保持清洁卫生，每周检查滤棉污染状态。
四、电耗对比及经济、环境效益分析
经对空气悬浮风机安装前、后各4个月处理水量和风机耗电量的跟踪记录，柳青河污水厂原使用罗茨风机期间，平均日处理水量32938.04方，风机日用电量6116.05度，全厂每日总用电量12336.16度；平均单位水量风机用电量0.1857度/方，全厂单位水量总用电量0.3745度/方。空气悬浮风机安装运行后，同周期内，平均日处理水量37567.08方，水量增加14.05%，风机日用电量4733.56度，比安装前减少1382.49度，减少22.6%；全厂每日总用电量9362.5度，比安装前减少2973.66度，减少24.11%；平均单位水量风机用电量0.126度/方，比安装前减少0.0597度，减少32.14%；全厂单位水量总用电量0.2492度/方，比安装前减少33.46%。从单位水量风机用电量看，使用空气悬浮风机后，风机节电32.14%，每方水节电0.0597度。柳青河污水厂平均年处理污水约12617760方，年可节约用电753280度，节约电费45.95万元。除去维护保养费用（约1.6万元/年），年节约成本44.35万元。经测算，该厂空气悬浮风机项目投资回收期约2年，正常工况下，设备使用寿命15年以上，可节约成本650万元以上。此外，空气悬浮风机对风压、风量的变频调节范围大，能够更好地适应污水厂水量、水质变化情况，较罗茨风机更为灵活；并且，空气悬浮风机能够直观地通过显示屏将设备运行功率、风压、风量等情况显示出来，使曝气量调节更精准。同时，空气悬浮风机运行噪音一般低于80分贝，能够较大的改善厂区环境，达到环保对厂界噪声的要求。
五、空气悬浮风机的应用选购建议
空气悬浮风机作为一种新型风机，许多污水厂对其还较为陌生，因不了解其技术和实际使用情况，往往对这种新型风机的引进应用望而却步，加之目前空气悬浮风机市场混乱，品牌林林总总，质量参差不齐，更让污水厂在空气悬浮风机选购中一团迷雾，结合空气悬浮风机在柳青河污水厂的应用实践，希望打破空气悬浮风机选购的“迷雾”。空气悬浮风机选型首先应根据污水厂实际需求风量、风压情况选择，对风机本身的质量应着重从以下几个技术指标控制：（1）轴承：转动时，空气轴应能自动纠偏运行；突然断电时不得产生破坏性后果；使用寿命15年以上或启停次数20000次以上。（2）电机：型式为永磁同步高速直联电机；电机效率≥90%；转速应采用变频调节，变频器应采用高质量品牌产品；冷却形式应采用风冷。（3）叶轮：型式为单级离心式叶轮；材质为高级锻造铝合金AL7075或更佳材质；叶轮的设计须有足够的强度和刚度，应保证在最大转速运转的受力条件下具有1.2倍以上的安全余量。（4）涡壳：材质为铸造铝合金或更高材质。（5）箱体：运行时，整机的振动烈度应不大于2.5mm/s。（6）就地控制系统：采用可编程逻辑控制器和触摸式显示屏；通过控制面板控制风机启停、问题报警等，随时读取或变更压力、流量等参数，查看实时性能曲线，实现无偏差控制及自我诊断。（7）风量调节系统：风量调节范围应能达到50%-100%。（8）喘振防止系统：鼓风机必须配套提供和安装监测风机喘振的装置，配套喘振防止系统及放空阀；喘振点应在编程式控制器设定；放空阀应连接于出口管线上，并于鼓风机启动时打开，停机时自动关闭。（9）远程控制系统：鼓风机运行状态应能够实现远程显示，与污水厂中控系统连接。（10）消音器：入口消音处理能量应满足120%以上的设计容量；距离鼓风机主机1m距离的噪音应小于80分贝；出口锥形渐扩管的长度应符合空气动力学的设计，以便获得最小的出口扰流；鼓风机出口旁通管上的放空阀应配有消音器，内部装有吸音材料。其他售后服务要求，根据污水厂实际要求确定，一般可要求整机质保3年以上，售后服务诉求24小时内响应等。
六、结论
经实际应用检验，空气悬浮风机作为一种新技术节能风机，完全能够适应污水处理厂工作环境，满足污水处理曝气需要，具有运行高效、操作灵活精准、噪音低等优势，相比传统罗茨风机，同等条件下空气悬浮风机节约电耗30%以上。建议新建城镇污水处理厂在选择风机时优先考虑使用空气悬浮风机等新型节能风机；对现使用罗茨风机、日处理污水2万吨以上的污水处理厂，建议实施空气悬浮风机替换罗茨风机的改造。
参考文献：
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[3]刘礼祥,张金松,施汉昌,何苗.城市污水处理厂全流程节能降耗优化运行策略[J].中国给水排水.2009(16).
作者:于洪波 高佳 单位:临沂科技职业学院 临沂新程金锣肉制品集团有限公司 临沂大学