污水处理工艺中鼓风机调控方式的选择

污水处理工艺中鼓风机调控方式的选择

在都市污水处理工艺中，活性污泥法具有投资少、处理效率高、

运行经验成熟等特点而被广泛使用。其曝气系统一般采用鼓风曝气。

实际运行中，污水日勺水质、水量及环境等原因总处在变化之中，曝气

系统应能根据曝气池溶解氧含量的变化及时调整供气量，以保证处理

效果，并不致挥霍能源。因此，在项目设计阶段，业主和设计单位均

高度重视鼓风机H勺选型及调控方式的选择。

太原市河西北中部污水处理厂工程日勺初步设计，鼓风设备采用了

单级高速离心风机，变频控制调整风量的方案。为了满足污水处理工

艺的规定，最大程度节能、减少建设投资，经考察，并多次组织专家

进行技术经济分析和论证，认为针对本工程污水处理鼓风曝气工艺特

点，采用进口导叶是鼓风机合理的调控方式。

1工程概况及鼓风机调控方案

1.1工程概况

太原市河西北中部污水处理厂位于太原市汾河西岸，九院沙河入

汾河口南岸，是国家投资日勺“双千亿”工程之一。设计规模为处理污

水量150000m3/d,采用A-B法生物处理工艺。工程分二期建设，一

期工程按80000!!?/日实行，二期到达设计处理能力，目前正在实行

中。

1.2鼓风机调控方案

在初步设计中，鼓风曝气装置，设计选用单级高速离心鼓风机。

考虑到污水处理量内不均衡性，为了节省能源，保证风机出口压力不

变及各工艺构筑物需气量的规定，设计采用变频调整日勺方式来控制鼓

风机风量的变化。

重要设计参数如下：

出口相对风压：49kPa

风量:150nr7min•台（一期4台）

进气温度：25℃

进气压力：98kPa

排气压力：147kPa

变频器接受调整信号为4〜20MaDC

鼓风曝气示意见图lo

2离心风机调控方式的分析、选择

离心风机是目前应用最广泛的风机，是风机节能日勺重要对象。从

调查中理解到，目前风机运行中存在的重要问题是能源挥霍严重。根

据国家有关部门记录，风机与泵的用电量占全国用电总量的40%左

右⑴。导致风机能耗大的重要原因是由于运行中的风机大量采用档

板、阀门等调整方式。这种方式虽简便易行，但在调整过程中将产生

大量出J能量损耗。因此，在污水处理工程中需常常调整风量W、J鼓风机,

应选择合适的调整方式，以减少能耗。

2.1离心风机的工作原理及特性

单级高速离心风机的工作原理是：原动机通过轴驱动叶轮高速旋

转，气流由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动被加速，然

后进入扩压腔，变化流动方向而减速，这种减速作用将高速旋转口勺气

流中具有的动能转化为压能（势能），使风机出口保持稳定压力。

从理论上讲，离心鼓风机日勺压力-流量特性曲线是一条直线，但

由于风机内部存在摩擦阻力等损失，实际日勺压力与流量特性曲线随流

量日勺增大而平缓下降，对应日勺离心风机日勺功率-流量曲线随流量的增

大而上升。当风机以恒速运行时，风机H勺工况点将沿压力-流量特性

曲线移动。风机运行时出J工况点，不仅取决于自身的性能，并且取决

于系统的特性，当管网阻力增大时，管路性能曲线将变陡。

风机调整的基本原理就是通过变化风机自身的性能曲线或外部

管网特性曲线，以得到所需工况。

2.2变频调控原理与特性

伴随科技H勺不停发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一

代全控型电子元件，用变频器变化交流电机日勺转速方式来进行风机流

量日勺控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量导致的能量损耗。

图2变频调节时风机的性能曲线

变频调整的节能原理：

图2中曲线1和2表达调速时的压力-流量曲线，曲线3和4表

达节流调整时管路阻力特性曲线，曲线5表达恒速时功率-流量曲线,

设A点为风机最大工况点。当风量需从“减少到Q?时，假如采用节

流调整法，工况点由A到B,风压增长到IL由图中可看出轴功率P2

下降，但减少的不太多。假如采用变频调整方式，风机工况点由A到

C,可见在满足同样风量Q2状况下，风压乩将大幅度下降，功率P3

伴随明显减少。节省的功率损耗△P=4HQz与图中面积BH2H3C成正

比。

由以上分析可知，变频调整是一种高效的调整方式。鼓风机采用变频

调整，不会产生附加压力损失，节能效果明显，调整风量范围0%〜

100%,适合调整范围宽，且常常处在低负荷下运行的场所。不过，

当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定

律：

2：｛

QI/Q2=(ni/n2),H1/H2=(ni/n2),Pi/P2=(ni/n2)

可知，当其转速减少到原额定转速/、J二分之一时，对应工况点时

流量、压力、轴功率各下降到本来日勺1/2、1/4、1/8,这就是变频调

整方式可以大幅度节电的原因。

根据变频调整这一特性，对于在污水处理工艺中，曝气池一直保持

5nl正常液位(见图1),规定鼓风机在出口压力恒定的条件下，进行

大范围H勺流量调整，当调整深度较大时，将会使风压下降过大，不能

满足工艺规定。当调整深度较小时，则显示不出其节能日勺优势，反而

使装置复杂，一次性投资增高(本工程中鼓风机采用变频调整比导叶

调整增长一次性投资20万元)。因此，对本工程KJ曝气池需保持5m

液位日勺工况条件下，采用变频调整方式显然是不合适日勺。

2.3进口导叶调整原理及特性：

进口导叶调整装置即在鼓风机吸风入口附近装设一组可调整转

角的导叶-进口导叶，其作用是使气流在逃入叶轮之前发生旋转，导

致扭曲速度。导叶可绕自身轴转动，叶片每转动一种角度就意味着变

换一种导叶安装角，使进入风机叶轮的J气流方向对应变化。

进口导叶调整风量原理是：当导叶安装角。=0°时，导叶对进

口气流基本上无作用，气流将以径向流入叶轮叶片。当。＞00时，

进口导叶将使气流进口的绝对速度沿圆周速度方向偏转。角，同步对

气流进口的速度有一定的节流作用，这种预旋和节流作用将导致风机

性能曲线下降，从而使运行工况点变化，实现风机流量调整。进口导

叶调整日勺节能原理通过图3[1]阐明。

Q、Q、

图3进口导叶调节时风机的性能曲线

图3中曲线1为节流调整时功率-流量曲线，曲线2为进口导叶

调整时日勺功率-流量曲线。当进口导叶安装角由。1=0°增大为。2或

03时,运行工况点由此移至M2或岫；流量由Qi减小至Q2或Q3；轴功

率由P'I减少至P'2或P'30图中用剖面线表达日勺面积为进口导叶

比节流调整节省日勺功率。

在本工程中，曝气池深度是固定出J，鼓风机在保持出口压力恒定条件

下，进行流量调整，即H=常量，Q=变量时，管网的特性曲线近似

于水平直线，鼓风机采用进口导叶调整，不必借助于变化管网特性曲

线，可通过变化导叶口勺开闭角度，使风机的压力-流量性能曲线变化,

流量口勺变化是通过将工况点移动到新的变化了的风机特性曲线上口勺

措施实现的（见图4）。

100----------------1-----------------------------------1----------------1

050100150200

,min-1）

图4本工程进口导叶调节时风机性能曲线

离心风机采用进口导叶调整方式，在部分负荷运行时可获得高效

率和较宽的性能范圉，在保持出口压力恒定条件下，工作流量可在

50%〜100%额定流量范围内变化［2］。调整深度愈大、省功愈多。如

流量减少到额定流量的60%时，进口导叶方式比进口节流方式节省

功率达17%之多［3］。此外，其构造相对简朴，运行可靠，维护管理

以便，初期投资低。因此，本工程中鼓风机采用进口导叶调整流量，

显然是最佳调整方式。

2.4不一样调控方式的比较

卓

/

N・

米

集

集

255075100

风趣Q,/%

I一出口节流（离心）2一进。节沌3-导叶调节（44流）

4—导叶调节（离心）5—液力4M合器6—动叶可谓

7—更姨调节8一更想曲战

图5不同调节方式下功率消耗比较

图5给出了不一样调控方式时风量和轴功率的关系。尽管变频调

整的离心鼓风机调整范围很广，在节能上有明显效果，但用在本工程

的工艺系统中将受到工艺条件限制，调整范围仅为80%〜100%,并

且通过图5［3］可看出，在相对流量变化不大时，变频与导叶两种调

整方式消耗功率差异并不大，因此采用变频调整方式，其节能专长显

示不出来，这就失去了选择它日勺意义。而选择导叶调整方式的鼓风机,

在保持出口压力恒定条件下可以较大范围调整风量(50%〜10

0%),以保证污水中溶解氧含量稳定，相对地节省了能源。因此应

选择导叶调整方式内高速离心风机，作为本工程日勺设备选型。同步，

为了更好地体现出节能效果，对于大功率的离心风机，还应注意配套

电机H勺选择，如采用10kV高压电机，也有助于减少能耗。

3结语

通过对变频与导叶调整方式的原理与特点的分析，明确了在采用

鼓风曝气的污水处理工艺中，鼓风机调控方式的选择，不能只考虑节

能，而必须在满足曝气工艺对风量、风压规定前提下，从流量变化范

围、风机功率大小、调整装置的技术复杂程度、可靠性及投资等方面

综合考虑，进行技术经济分析，作出合理的选择。

污水处理及强排工程的设计实例

安徽全柴动力段份有限企业是以生产柴油机为主业的多元化发

展日勺大型企业集团。年产多种型号的柴油机50余万台。生产过程中

产生日勺废水中重要污染物为石油类，若直接排放会对环境导致一定的I

危害，且企业所处地势较低，汛期易发生内涝。为保证可持续发展，

企业于2023年开始加大了废水和汛期雨水治理等环境保护方面的投

入，处理后出水到达《污水综合排放原则》(GB8978-96)中的一级原

则，系统调试到达设计规定，12月10日通过了安徽省环境监测中心

站与滁州市环境监测站联合验收，后即投入正常使用。

1废水来源和设计水质水量确实定

企业所排放日勺废水重要为厂内各车间所排具有石油类(柴油、机

油、汽油、润滑油等)、皂化液、漆渣等的工业废水和厂区雨水及少

许的生活污水。经当地环境监测站取样实测后，确定其进水设计水质

指标如表1所示。

根据企业记录E勺平均月用水量约5万而，扣除15%W、J损耗平均

月排出日勺废水量约4.25万布，日平均排放废水约1420nA小时平

均排水量为62.5m3,最大小时排放日勺废水约为100均考虑到此后

的发展和一般雨天排放的废水也能得到有效口勺处理，最终确定小时处

理水量按150m，设计。根据数年汛期的暴雨记录资料确定：在正常状

况下按2023m7h,最大按3000nf/h设计。

表1设计进水水质

项目pHCODBOD石油类SSNH：-N|

(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)

数值7.C4001802501508.36

2工艺流程

2.1工艺流程选择

据表1的水质指标可知，需处理日勺工业废水中的重要污染物为石

油类，及来自公厕、食堂、宾馆、科技大夏等生活污水中日勺悬浮物和

有机污染物，pH值和NIJN没有超标。对浮油采用隔油池隔油并将

废油回收，对乳化油等采用破乳气浮法予以分离，在气浮日勺同步也清

除废水中非溶解性有机物和少许的溶解性有机物，对残存日勺油及溶解

性有机物采用生化处理予以清除。处理后的达标水一小部分排入附近

W、J河流内，70%经深度处理后泵至回用管网用于生产和厕所冲洗等。

2.2工艺概述

来自厂区的生产废水和生活污水经排水管网流入废水站，经格栅

分离出大颗粒悬浮固体杂质后，再入隔油池分离浮油并采用浮油回收

机回收，沉淀物沉于池底部，用砂泵定期排泥至污泥浓缩池，出水进

入调整池，经污水泵提高至反应器，在反应器中加入混凝剂进行破乳

并充足混凝反应，通过反应器的污水自流至气浮装置中，含油浮渣被

气浮装置中的刮板刮至专门日勺浮渣贮罐贮存。气浮后的出水进入生物

接触氧化池进行生化处理。曝气采用鼓风机充氧曝气，出水经斜管沉

淀池进行固液分离，上清液流入中间水池。此时水质已到达排放原则,

排放水可以从此直接排出。部分要回用的水再用泵泵至压力过滤器过

滤后至回用水池回用。

斜管沉淀池底部日勺剩余污泥靠重力自流至污泥浓缩池，浓缩后用

污泥泵送至污泥干化池干化，干泥外运。浓缩池上清液及干化池排水

回流至沉砂隔油池，。为了排除汛期厂区的内涝，并考虑此时污水通过

预处理即通过沉砂池和调整池除去浮油后，通过3台潜水泵强排至附

近的河道内(工艺流程见图Do

强库;II流口

正..推达标水行直7州也牌由他流

污水站出水///—

UN2—4口］一厂一口出出讹U

汛期笈林出流不常。扇感i

切为并

图1污水处理工艺流程

3重要处理构筑物、设备及技术参数

(1)沉砂隔油池。采用全地下式钢筋碎构造，水力停留时间为3h,

尺寸为16000mmX7500mmX4700mm。

(2)调整池。采用全地下式钢筋碎构造，水力停留时间为2h,

尺寸为16000minX5500mmX4700mm。

(3)生物接触氧化池。采用半地上式钢筋碎构造,水力停留时间为

4h,气水比采用(8〜10)：1,曝气装置采月微孔曝气软管，内置扇形

填料。单池尺寸为10000mmX7000mmX5000mm,共2座。

(4)斜管沉淀池。该池与生物接触氧化池采用共一侧池壁建成半

地上式钢筋般构造，设计表面负荷为L6m3/(m2・h),池尺寸为20230

mmX5500mmX5000mm。池内放置DN50玻璃钢蜂窝斜管。

(5)清水池。采用半地上式钢筋碎构造，尺寸为8000mmX8000mm

X4000mmo

(6)污泥浓缩池。采用半地上式钢筋砂构造，尺寸为8000mmX

4000mmX2700mmc

(7)污泥干化池。采用地上式砖混构造，尺寸为12023mmX4000

mmX1200mm。

(8)污水提高泵。选用150WQT60-15-15潜污泵，共2台，1用1

3

备。其技术参数为:Q=160m/h,H=15m,N=15kWo

(9)雨水泵。选用300WQ950-20-90潜污泵作为汛期强排用，共3

台，正常状况下，2用1备。其技术参数为：Q=950m3/h,H=20m,

N=90kWo自耦变压器降压启动。

(10)加药装置。选用AHJT型加药装置3套，搅拌筒选用①1000

mm义1600mm的|圆筒,内置0.55kW搅拌机1台和加药计量泵1台。

(11)反应器。采用钢构造，尺寸为①2800mmX3600mm,内置

1.1kW搅拌机1台，转速为32r/mino

(12)气浮装置。选用CAF-150气浮系统1套,单台处理能力6150

m3/h,外形尺寸为:11100mmX2400mmX1800mm。

(13)浮渣贮罐。为钢构造，尺寸为①2023mmX2200mm。

(14)鼓风机。选用SSR-100三叶罗茨鼓风机3台，2用1备，其

3

技术参数为：Q=4.74m/min,P=49kPa,N=7.5kWo

(15)回用水泵。选用ISG100T60日勺管道泵2台，1用1备，采

用变频调控,其技术参数为:用70m7h,H=36.5m,N=15kWo

(16)压力过滤器。选钢制压力滤器2台，每台尺寸为①2023mm

X3900mm,内置石英砂和无烟煤双层滤料，反冲强度为12L/(m2・s)。

(17)污泥泵。选用2台80WG污水泵作为污泥输送泵，其技术参

数为：Q二为〜53m3/h,H=10.2-11.6m,N=7.5kW。

4回用水消毒

由于废水中具有生活污水成分，经处理后的水仍具有病原微生

物，为防止疾病扩散，必须对回用水进行消毒处理。消毒选用氯片做

消毒剂。详细作法是：将氯片用细网兜着沉于回用水池的进水口处，

让其在流动的水中自行溶化，到达消毒日勺目的。

5总排水管网和压力管网的设计

为了彻底消除汛期的内涝隐患，横穿厂区敷设一条主排水干管，

该管埋深超过原排水管道约300mni,这样可保证原排水管无积水，

大大减少原管道H勺死水位。新敷设W、J排水干管通至污水处理站，排水

管径按汛期高峰暴雨量3000n?/h设计，选排水干管为内径1000mm

W、J钢筋碎涵管，总长约400m,因厂区地势低、管线长，坡度最大仅

能按2%。敷设。污水站离排放的河道约200m,为了保证在正常状况

下自流排放和在汛期状况下强排出流共用一条管道，即排水管道和压

力管道设计为一条管道，就必须建一切换井，切换井内有两个电动蝶

阀，可实现阀门的迅速切换，保证排水畅通。压力管道直径按最大排

水流量3000m3/h设计，取出水流速2.1m/s,则其直径可选为700mm。

这里需要强调日勺是排放口在汛期的时候属于沉没出流，为了减少出水

阻力，防止紧急状况下拍门被水沉没打不开，在出水口还加一旁路排

放口。为保证出流射程最大，出流不破坏河堤，该排放口倾角为45°,

且高程与堤顶高程相称（即强排出流口高于自由出流口4.5m）o上

述切换井和排放口示意如图2所示。

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