污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)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(shè)計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

目前國內(nèi)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(zhì)要求越來越高。鼓風(fēng)機(jī)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(guān)鍵設(shè)備。由于鼓風(fēng)機(jī)運行狀況的好壞對整個污水處理系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用[1]，因此鼓風(fēng)機(jī)的選擇以及配置對污水處理尤為重要。

1 鼓風(fēng)機(jī)的類型及選擇

目前常用的鼓風(fēng)機(jī)類型有羅茨鼓風(fēng)機(jī)、單機(jī)離心鼓風(fēng)機(jī)、多級離心鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)、空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)等[2]。

羅茨風(fēng)機(jī)屬容積式風(fēng)機(jī)是利用兩個葉形轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)做相對運動來壓縮和輸送氣體的回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)；離心式鼓風(fēng)機(jī)是利用旋輪產(chǎn)生的離心力來壓縮和輸送氣體；磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)是通過內(nèi)磁懸浮軸承控制器磁軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮，而空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)軸被懸浮于主動式空氣軸承上，兩種風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)比較如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)類型比較

根據(jù)上表可以看出，磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)及空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)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(hù)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)及空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)較羅茨鼓風(fēng)機(jī)在污水處理廠中有著較為明顯的優(yōu)勢，但兩種風(fēng)機(jī)也有著各自的優(yōu)缺點。

（1）空氣懸浮風(fēng)機(jī)由于使用外部動壓空氣，在轉(zhuǎn)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(shù)水平提出了較高要求。

（2）磁懸浮風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高。

對于污水處理廠而言，磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)及空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)均有著廣泛的應(yīng)用，目前由于水質(zhì)波動較大，要求風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化幅度較大，磁懸浮的主軸位移不隨風(fēng)量變化而變化故得到廣泛的應(yīng)用，且污水處理廠幾乎均按照二級負(fù)荷設(shè)計，故不存在斷電影響。

2 鼓風(fēng)機(jī)的優(yōu)化配置及技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jìn)水水質(zhì)上一年進(jìn)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(zhì)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(zhì)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(shè)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(jìn)行設(shè)計。另外，隨著對工業(yè)企業(yè)監(jiān)管力度的加強(qiáng)，總磷的含量有所好轉(zhuǎn)（參考80%統(tǒng)計數(shù)據(jù)），最終確定了進(jìn)水水質(zhì)如表3所示。

表3 進(jìn)水參數(shù)

根據(jù)以上進(jìn)水參數(shù)，對鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行計算，所需風(fēng)量為140m3/min。根據(jù)風(fēng)量，可以采用以下配置方案。方案一：風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(jù)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(fēng)機(jī)約200萬元/臺，風(fēng)機(jī)總設(shè)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(fēng)機(jī)房工程費用476萬元；方案二單臺風(fēng)機(jī)約120萬元/臺，風(fēng)機(jī)設(shè)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(fēng)機(jī) 房工程費用455萬元；方案三單臺風(fēng)機(jī)約80萬元/臺，風(fēng)機(jī)設(shè)備費約320萬元；但隨著風(fēng)機(jī)增多鼓風(fēng)機(jī)房及配套電氣設(shè)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(fēng)機(jī)房工程費用427萬元；不考慮地價，單從土建+設(shè)備來說，設(shè)備占主要，相對來說采用的風(fēng)機(jī)臺數(shù)越少，造價越低（不考慮電氣設(shè)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(shè)備總功率為250kW，方案二設(shè)備總功率為264kW，方案三設(shè)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(shè)計值為150mg/L，而實際平均值BOD只有設(shè)計值的一半。根據(jù)平均值計算所需風(fēng)量為70m3/min。采用方案一，則單臺風(fēng)機(jī)需變頻至50%，實驗表明由于鼓風(fēng)機(jī)房正壓的存在且變頻時特性曲線發(fā)生變化，風(fēng)機(jī)的功率和頻率并不成三次方關(guān)系，此時風(fēng)機(jī)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(dāng)一年中某段時間內(nèi)，BOD濃度更低時，需要的風(fēng)量更小，這就需要單臺變頻的風(fēng)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(fēng)量變頻調(diào)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(jié)論

（1）鼓風(fēng)機(jī)作為污水處理廠核心設(shè)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(fēng)機(jī)用于水質(zhì)波動較大的污水廠比較合適，空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)用于水質(zhì)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(shè)計風(fēng)機(jī)配置時，根據(jù)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(fēng)機(jī)。

（3）污水處理廠改擴(kuò)建時，建議對已建成的水質(zhì)進(jìn)行概率統(tǒng)計分析，設(shè)計風(fēng)機(jī)參數(shù)時，應(yīng)該結(jié)合概率分析中的設(shè)計值、平均值、最低值綜合考慮得出更優(yōu)的風(fēng)機(jī)配置提供依據(jù)。

（4）對于文章中某污水處理廠而言，優(yōu)化風(fēng)機(jī)配置后，采用方案三，5萬m3/d設(shè)計規(guī)模風(fēng)機(jī)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(jīng)濟(jì)效益明顯。