引言大部分的污水处理厂利用鼓风曝气的方法实现污水净化。风机是鼓风曝气的关键设备，其主要功能是将压缩的气体经管道输送到曝气池内，使得气体以泡沫的方式在水中扩散，从而为曝气池内的微生物供给足够的氧[1]。为了达到节能降耗的目的，必须减少风机的能耗，选用适当的风机对提高污水处理厂的节能降耗效果具有重要作用。文中针对污水处理厂风机空气悬浮风机的应用进行探讨，结合实际案例分析运用空气悬浮风机前后的电耗变化，验证空气悬浮风机的应用价值。1污水厂常用风机类型及工作原理分析1.1罗茨风机罗茨风机的工作机理是依靠转子轴头上的同步齿实现两个转子的啮合，转子的内凹曲面和汽缸内表面组合成工作区。转子旋转，吸气口吸入空气，在气缸内流动，达到出口时，因存在高压的逆向气流，工作区内的气压会急剧上升，气体被压至排气口[2]。在规定压力范围内，管道阻力变化时，流量几乎不变，可在稳定循环条件下自动调节，适应性强。与单级离心式风机相比，该类风机价格相对便宜，但噪声大，润滑油容易渗入气缸，且只能通过速度控制和阀门通风方式调节风量，调节效率不高，容易浪费电能，仅适用于小型污水处理厂。1.2单级高速离心风机单级高转速离心风机与离心式风机具有相同的工作方式，其工作压力由叶轮在离心力的推动下提供。叶轮转速较快时，气流会随着转速的升高而旋转，使气流的流速增大，气体动能转变为静压能[3]。气流的流速增大时，其静压能会进一步转变为流场能，使涡轮中央产生一个真空。通过入口负压的吸附，使外界的气体不断进入，叶轮不停地转动，使气流不断被吸入、排出，从而实现持续鼓风[4]。单级高转速离心风机是一种恒压力型风机，其主要性能指标为风压，具有同等功率时，其风压与空气流量成反比。排气流量由管径、负荷决定，而风压几乎没有改变。单级高转速离心风机使用滑块轴承加快传动装置的运转。在恒速下，风机的风压起伏较大；通过调整风机叶轮可以调整风机的风量，在大型和中小型的污水处理中应用较多。1.3空气悬浮风机空气悬浮风机是一种离心式风机，但与传统的离心式风机不同，此类风机采用高转速的直线电机，减少了机械驱动和摩擦带来的能耗，明显改善了风机的工作性能[5]。空气悬浮风机采用的悬浮轴承与普通的滚动轴承不同，其运转主要依靠气动流场实现。工作时不需要任何机械的接触，不需要润滑，能耗很小[6]。此类风机采用变频调速器，实现了高精密的空气流量调节。制冷系统采用空气制冷，效率高，节能，噪声低，运行可靠，适合大型和中小型污水处理厂。2工程概况2020年某污水处理厂扩能改造后，处理工艺由循环式活性污泥工艺(CAST)变为厌氧-缺氧-好氧工艺(A/O)+膜生物反应器(MBR)工艺，日污水处理量15 000 m3/d，出水指标符合《城市污水再生利用 分类》（GB/T 18919—2002）一级标准。A/A/O-MBR工艺运行过程中，污泥浓度较高，基本保持在15 g/L左右，CAST工艺的污泥浓度约为3 g/L。高污泥浓度意味着需要的曝气量更大。污水处理厂。改造中依然使用原有的3台罗茨风机，其使用年限长，且经过多次大修，性能逐渐下降，风机频率最高仅达到50 Hz，每个风机的风量约为1 500 m3/h，3台风机经常需同时运转，导致能耗增加。因此，需更换新的风机，以达到节能降耗的目的。2.1风机选型污水处理厂常用风机比较如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.018.T001表1污水处理厂常用风机比较特点罗茨风机单级高速离心风机空气悬浮风机效率与能耗效率低，能耗高效率较低，能耗较高效率高，能耗低噪声≥90 dB≥85 dB≤80 dB风量调节依靠调节转速及放风阀调节风量、风压，调节效率低依靠导叶片角度控制实现风量、风压调节，调节范围45%~100%依靠变频器调节，风量风压、调节范围40%~100%。空间占用占用空间多，需较大面积风机房占用空间多，需较大面积风机房占用空间少，只需小面积风机房安装调试设备笨重，通过大型吊机安装，安装成本高设备笨重，通过大型吊机安装，安装成本高设备相对小巧，安装简便，无须吊机由表1可知，空气悬浮风机在运行效率、能耗、风量和风压调节、占用空间以及设备安装调试方面的优势明显，适用于大中型污水处理厂，在污水处理领域具有广阔的应用前景。本次技术改造采用空气悬浮风机，其基本结构如图1所示。主要参数如下：3台（2主1备）空气悬浮风机，单风机流量65 m3/min，单风机风压68.6 kPa，单风机功率120 kW。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.018.F001图1空气悬浮风机基本结构所有风机进风口均设有过滤棉，出风口均配备电动放空阀、消音器，出风管处设置回风阀、手动蝶阀，用隔音罩密封风机，整体布局简洁，噪声小[7]。风机通过变频器控制电机转速，实现风量调节，采用风冷散热。经过滤棉过滤后的空气被风机压缩后输送至总集气管。2.2风机布置风机房为铸钢框架结构，平面尺寸为30 m×20 m，每台风机均采用实时变频控制，风量和气压均可自动调节，也可由中央控制室集中控制。空气悬浮风机体积较小，重量较轻，机房内无须配置吊机和通风装置。2.3风机安装调试2.3.1风机安装前的准备安全管理。确保风机安装严格按照国家有关安全卫生标准进行，安装人员具备专业资质证书，并严格遵守污水处理厂安全文明施工规定[8]。底座设置。空气悬浮风机需安装在具有足够承载能力的水泥底座上。为确保风机运行时电机的稳定性，底座表面的平整度需满足要求，一般情况下，风机安装底座的平整度必须控制在±2 mm以内[9]。开箱检验。检查风机装箱单，确认风机电机、叶轮、空气轴承、风机本体等部件的尺寸、型号、规格是否有误，检查风机出风管管径、消声器、放空阀、扩压管等部件是否符合设计要求。2.3.2风机启动前的技术要求确保出风管上的所有主阀均已打开，尤其是风机上方出风管的节流阀，在节流阀门关闭的情况下启动风机会因过压而对风机造成严重损坏。确保风机已打开且风机操作模式为本地模式，且控制器首先切换到速度或电源模式。预测启动风机的操作条件，包括预测放空阀的开度、曝气池的水位、负载压力、所需风量，并根据功率曲线选择最佳运行点。2.3.3主管管道吹扫方案在风机出口安装风管会产生焊渣、小砖块、烟头和其他杂物，对风机的运行带来不利影响。不锈钢焊渣进入生物池底部的曝气器，会对曝气器造成严重损坏，降低曝气效率，甚至导致曝气器脱落[10]。因此，安装空气主管后，在正式运行风机前应利用风机吹扫空气主管中的杂物。吹扫过程中应确保通向生物池上方池底的所有主阀关闭，避免杂物被吹入曝气器；确保所有主管均有吹扫，不留盲区；风机开度应足够大，提供足够的吹扫力度和时间，以便将较大杂物吹出。3风机改造前后情况对比某污水处理厂原有3台罗茨风机，风机2009年投运，截至2020年，风机运行时间接近11年，期间经数次大修，性能逐渐下降。曝气池曝气需要两台风机同时运行才能保证通风。正常运行时，风机电机温度最高达到100 ℃左右。持续高温对电机轴承的润滑产生不利影响，导致润滑油逐渐失去润滑效果，电机风机故障率升高，需频繁维护，已无法满足污水处理厂的日常运转要求。罗茨风机噪声较大，为109 dB左右。为了满足污水处理厂正常生产需要，确保出水水质达到排放标准，改善风机房的工作条件，决定用空气悬浮风机替换原有风机，按照2主1备配置，每天根据实际水量和水质调整风量。空气悬浮风机有自己的隔音外壳，运行过程中无摩擦，室内噪声降至65 dB以下。2020年8月11日，空气悬浮风机正式投运，为了更深入地了解改造效果，对2019年之前和2020年之后的污水处理关键指标数据进行比较，如日均处理水量、进、出水水质。3.1日均处理水量2020年污水处理厂的日均污水处理量为14 196 m3/d，而2019年同期日均污水处理量为14 192 m3/d。与2019年相比，2020年日均污水处理量增加4 m3/d。改造前、后污水处理厂的日均污水处理量基本不变。3.2水质在改造前，2019年进水平均化学需氧量(COD)为445.8 mg/L，出水平均COD为30.2 mg/L，降解率为93.87%；进水氨氮均值为19.8 mg/L，出水氨氮均值为0.32 mg/L，降解率为98.86%。进水总氮均值为25.8 mg/L，出水总氮均值为7.3 mg/L，降解率为70.96%。进水总磷均值6.1 mg/L，出水总磷均值为0.28 mg/L，降解率为96.48%。在改造后，2020年进水平均COD为406.3 mg/L，出水中平均COD为28.1 mg/L，降解率为94.14%；进水氨氮均值为19.8 mg/L，出水氨氮均值为0.19 mg/L，降解率为99.23%；进水总磷均值为4.8 mg/L，出水总磷均值为0.19 mg/L，降解率为96.71%。改造后该污水处理厂的日均污水处理能力和进水、出水水质大致相同，因此，风机电耗的变化满足相同水平的比较条件。4能耗比较及效益分析空气悬浮风机通过变频器控制电机转速的方式实现风量调节，冷却散热方式为风冷，能耗更低。改造前、后电耗比较如表2所示。与罗茨风机较罗茨风机相比，采用空气悬浮风机的能耗降低25％。风机能耗占污水处理总能耗的比例较高，故选择高效节能的空气悬浮风机能够有效降低污水处理能耗，节约成本。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.018.T002表1改造前后电耗比较参数罗茨风机空气悬浮风机单机功率/kW160120台数3台（2用1备）3台（2用1备）总功率/kW320240年功率/kWh2 803 2002 102 400年电费/万元140.15105.12本次改造总资金投入为160万元，在保证现有日均污水处理量和进水、出水水质基本不变的前提下，采用空气悬浮风机每年可减少电耗700 800 kWh。按当年电费0.50元/kWh计算，可节省电费35万元/a，预计5年内可收回全部投资。如果再考虑原有罗茨风机的年维护费用3.8万元，则可以节省更多成本。5结语空气悬浮风机具有高效、节能、风量调节范围大、调节效率高等有点，同时空气悬浮风机体积较小、重力较轻，安装简便，无须配备吊机，后期需要进行的维护工作不多。因此，该污水处理厂改造工程采用空气悬浮风机替换原有罗茨风机。与改造前相比，改造后风机电耗降低25%，每年电费节省35万元。空气悬浮风机节能效果和经济效益良好，在污水处理领域中的应用前景广阔。