污水處理曝氣風機選型及應(yīng)用為了對污水進行處理，國內(nèi)外對處理方法進行了大量研究，并形成了五花八門的污水處理技術(shù)，但其中使用量最大、使用最普及也最成熟的技術(shù)是活性污泥法。在該法中為了向水中充氧，必須向水中鼓入大量空氣，因而必須選用合適的鼓風機。由于在整個污水處理工程中風機所消耗的能量占了整個系統(tǒng)所消耗能量的一半以上，因而風機的選型顯得特別重要。

因為在污水處理系統(tǒng)中，對風機有其自身要求：風機的風量可由化學耗氧量算得，而風機的風壓決定于水深(曝氣頭端面到水面的距離)。在污水處理系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮管道、閥門、彎頭及曝氣頭的壓力損耗，一般在水深的基礎(chǔ)上增加9.8kPa。

新系統(tǒng)剛投入運行時，壓力一般都在設(shè)計范圍內(nèi)，可隨著使用時間的推移，由于曝氣頭微孔的堵塞，管道閥門的銹蝕，特別是曝氣頭損壞，大量污泥流入管道并沉積，使管道流通面積減小，從而使系統(tǒng)阻力大幅增加，因此在系統(tǒng)設(shè)計時要特別考慮這一點。

除此之外還必須綜合考慮風機能耗、噪聲及價格等因素。下面我們就以上幾個方面進行一些探討。

一、污水處理曝氣風機的選型要求

常用的型式有容積式鼓風機和離心式鼓風機，其中容積式鼓風機主要有回轉(zhuǎn)風機、羅茨鼓風機;離心式鼓風機主要有多級離心式風機、單級高速離心式風機。市面上的單級高速離心式風機又分為空氣懸浮鼓風機、磁懸浮鼓風機、單級高速離心齒輪增速式鼓風機。

市場上的羅茨式、多級離心式及單級高速離心式風機是目前各類污水處理廠常用的幾種曝氣風機。

1. 羅茨式風機和離心式風機的選型對比

(1)從羅茨式風機與離心式風機的流量特性來看，顯然羅茨風機適用于污水處理系統(tǒng)的范圍更廣，從小型污水處理站到大型污水處理廠都能見到它的身影，其原因是羅茨鼓風機流量是硬特性，即當水處理系統(tǒng)阻力增加時，其出口壓力也隨著增加，但其輸出氣體的流量卻變化很小，從而可以維持水處理系統(tǒng)的曝氣量幾乎不變(在風機強度及電動機功率滿足的情況下);而離心式鼓風機則不同，其風量隨阻力的增加而大幅減少。當阻力增加到一定壓力時，風機輸出風量為零，整個系統(tǒng)將無法曝氣。

污水處理廠在選用多級離心風機曝氣，開始使用時很正常，隨著使用時間的延續(xù)，曝氣池水翻滾的強度越來越小，最終不再曝氣。在污水池水位下降一定深度后，水池又正常曝氣。將多級離心風機換為三葉型羅茨風機，則不會出現(xiàn)上述情況。因此在污水處理系統(tǒng)中選用離心式鼓風機要特別注意，選用風機的壓力一定要留有充分余地。

(2)污水處理系統(tǒng)在選用離心式風機時，還要特別要注意防止風機產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。因為在風機運行中由于系統(tǒng)阻力的增加，造成風量的減小，當流量減小到某一最小值時就會在風機流道中出現(xiàn)嚴重的旋轉(zhuǎn)脫離，流動嚴重惡化，使鼓風機出口壓力突然大大下降，由于風機總是和水處理管網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合工作的，這時管網(wǎng)中的壓力并不馬上降低，于是管網(wǎng)中的氣體壓力反大于風機出口處的壓力，從而氣體發(fā)生倒流，一直至管網(wǎng)中的壓力下降至風機的出口壓力為止。這時倒流停止，風機又開始向管網(wǎng)供氣，經(jīng)過風機的流量又增大，風機又恢復(fù)正常工作;當網(wǎng)管中的壓力恢復(fù)原來壓力時，風機的流量又減少，風機的出口壓又突然減小，系統(tǒng)中又產(chǎn)生倒流，如此周而復(fù)始就在系統(tǒng)中產(chǎn)生周期性的氣流震蕩現(xiàn)象，這就是風機的喘振現(xiàn)象，往往造成風機的重大事故。

是不是發(fā)生喘振還和系統(tǒng)管網(wǎng)有關(guān)，管網(wǎng)的容量越大，則喘振的振幅越大，頻率越低;管網(wǎng)的容量越小，則喘振的振幅越小，頻率越高。當幾臺風機并網(wǎng)使用時，有時還會出現(xiàn)單臺機出現(xiàn)喘振的現(xiàn)象，因為一個系統(tǒng)當設(shè)計施工完畢后其系統(tǒng)的阻力將隨著系統(tǒng)內(nèi)所流通的風量增加而增加，當系統(tǒng)阻力增加至某臺風機的喘振點時，此機就會產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，因此除對風機的壓力保留一定的余地外，還必須對管網(wǎng)系統(tǒng)作一定的設(shè)計計算。

2. 選用的風機必須能耗低

由于風機的能耗占了水處理系統(tǒng)總能耗的一半以上，因此選用的風機應(yīng)盡量低能耗。下面就污水處理中常用的離心風機及羅茨鼓風機的能耗進行對比：

(1)有許多設(shè)計院及高等院校在污水處理系統(tǒng)設(shè)計時常采用多級離心鼓風機，認為多級離心鼓風機能耗及噪聲都比羅茨鼓風機低，甚至有一段時間想在污水處理系統(tǒng)中淘汰羅茨鼓風機。國內(nèi)的羅茨鼓風機設(shè)計制造技術(shù)近年來已有了長足進步，其各項指標特別是噪聲及能耗指標有了大幅度下降，絲毫不遜于多級離心式鼓風機，尤其依靠自身的性價比在中小型污水處理廠曝氣系統(tǒng)應(yīng)用中處于絕對壟斷地位。

(2)國產(chǎn)羅茨鼓風機與單級高速離心鼓風機(或單級高速離心齒輪增速式鼓風機)能耗比較，在我國污水處理系統(tǒng)中使用的單級高速離心鼓風機極大多數(shù)都是從引進國外產(chǎn)品開始，主要是丹麥HV-TUBO公司及英國豪頓公司的產(chǎn)品，該二公司風機都采用進風口導(dǎo)葉及擴壓器導(dǎo)葉控制，流量調(diào)節(jié)范圍寬，同時高效值范圍大。我國在污水處理系統(tǒng)中僅從丹麥HV-BUTO公司引進的風機從1990年開始到現(xiàn)在有近千臺。國內(nèi)沈陽鼓風機廠在1995年引進了日本國川崎重工株式會社單級高速離心風機技術(shù)。2000年后又有重慶通用機械公司、杭州制氧氣廠、南通金通靈公司、無錫杰爾等單位自主研發(fā)了單級高速離心齒輪增速式鼓風機，在大型污水處理廠有一些業(yè)績，但國產(chǎn)風機及引進技術(shù)風機流量調(diào)節(jié)都僅采用進口導(dǎo)葉控制，因而高效工況區(qū)都不如丹麥HV-BUTO公司及英國豪頓公司寬，因而在一些關(guān)鍵崗位，依舊還是這兩家產(chǎn)品。

單級高速離心齒輪增速式鼓風機的能耗確比國產(chǎn)三葉型羅茨鼓風機低，但并不像丹麥HV-TURBO 公司樣本所宣傳的那樣節(jié)能達30%～40%，至于國內(nèi)某些公司的能耗顯得高，可能是樣本上提供的是配套電機功率而非軸功率造成。而國產(chǎn)三葉型羅茨鼓風機正向高速方向發(fā)展，隨著速度的提高能耗會進一步降低，從而能耗將會更進一步接近單級高速離心風機。

(3)國產(chǎn)三葉羅茨鼓風機與L型二葉型羅茨鼓風機及國外三葉型羅茨鼓風機的性能對比：L型二葉羅茨鼓風機是80年代中期，當時的機械工業(yè)部組織全國幾家重點羅茨鼓風機生產(chǎn)廠家聯(lián)合設(shè)計的節(jié)能產(chǎn)品，列入國家第八批節(jié)能產(chǎn)品目錄。國產(chǎn)三葉羅茨鼓風機的能耗較L型二葉羅茨鼓風機的能耗低1.2%～21%。值得一提的是L型二葉羅茨鼓風機樣本中所提供的軸功率隱瞞了風機的起始功率。如加上空載起始功率，則國產(chǎn)羅茨鼓風機的節(jié)能效果將顯得更大。

3. 水處理系統(tǒng)所選用的風機還必須噪聲低

污水處理是為了保護環(huán)境，不能為了污水處理而給環(huán)境帶來二次污染，因此在為污水處理系統(tǒng)選用風機時，對風機的噪聲必須認真考慮，國產(chǎn)三葉羅茨鼓風機的噪聲比多級離心式要低。國產(chǎn)三葉羅茨鼓風機與同類型的兩葉型羅茨鼓風機相比噪聲要低3.8～10dB(A)，比德國AERZEN公司的三葉羅茨鼓風機噪聲也要低6～14dB(A)左右。

4. 價格的對比

國產(chǎn)三葉型羅茨鼓風機的價格是多級離心鼓風機的1/2不到;是國產(chǎn)單級高速離心鼓風機的1/5不到;是進口單級高速離心鼓風機的1/12不到，因而在價格上國產(chǎn)羅茨鼓風機有絕對的優(yōu)勢。

從以上分析對比可看出，在污水處理中如不是特別要求，選用國產(chǎn)羅茨鼓風機較選用多級離心鼓風機更合理，其噪聲及能耗都較低而價格僅后者1/2不到，且不用擔心風機會產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。而單級高速離心風機確實能耗及噪聲較低，但即使選用國產(chǎn)單級高速離心風機其價格仍是國產(chǎn)羅茨風機的5倍以上。若選用進口風機，其價格則為國產(chǎn)三葉羅茨鼓風機的12倍左右。由于昂貴的價格，因而妨礙了它在污水處理曝氣系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。因此在污水處理系統(tǒng)中選用風機時要權(quán)衡綜合考慮。

二、常使用曝氣風機的類型和工作原理

上文已經(jīng)介紹了羅茨風機和單級高速離心風機(單級高速離心齒輪增速式鼓風機)，而單級高速離心齒輪增速式鼓風機結(jié)構(gòu)，工作原理與離心式壓縮機一樣，只是有一個葉輪，輸出壓力1.9bar上下，最大只能做到2.7bar，這里不再作介紹。下面主要介紹近幾年在污水處理系統(tǒng)快速發(fā)展起來的空氣懸浮鼓風機和空氣磁懸浮鼓風機。

1. 空氣懸浮鼓風機

空氣懸浮鼓風機是空氣在鼓風機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)下，會在轉(zhuǎn)子與箔片軸承表面之間產(chǎn)生動壓效應(yīng)，形成一個高壓氣膜而將轉(zhuǎn)子托浮起來的一種鼓風機。

(1)空氣懸浮鼓風機的結(jié)構(gòu)和工作原理

空氣懸浮鼓風機主要包括葉輪、空氣懸浮軸承、變頻器、高速永磁電機及其結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。電機主軸與風機葉輪同軸，高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由空氣懸浮軸承直接支撐。其主要核心技術(shù)是空氣懸浮軸承技術(shù)、高速永磁同步電動機及其控制技術(shù)。空氣懸架軸承以空氣為工作介質(zhì)，以彈性平坦箔片為支撐面，以彈性波浪箔片為支撐構(gòu)件。

葉輪轉(zhuǎn)子與軸承接觸，但當轉(zhuǎn)子進入高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，由于空氣的粘性和楔塊的作用，平面間會產(chǎn)生動壓效應(yīng)。在箔片和轉(zhuǎn)子表面，使扁平箔和波紋箔發(fā)生彈性變形，將扁平箔推開，然后使轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)。不均勻的圓周氣壓使箔片軸承具有承受載荷的能力。或者更簡單地說，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)期間，在轉(zhuǎn)子和箔片之間形成高壓氣膜，從而提升轉(zhuǎn)子。

由上可知，盡管在空氣懸浮鼓風機正常運行之后，葉輪轉(zhuǎn)子沒有摩擦，但這并不意味著設(shè)備在整個過程中完全沒有摩擦。在箔軸承的啟動和停止階段，當速度低于臨界速度時，動壓效應(yīng)不足以固定轉(zhuǎn)子。此時，軸承的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子之間仍將存在接觸摩擦。這段時間很短，但是仍然有平的箔紙。薄膜的磨損問題會縮短使用壽命，因此，在使用空氣懸架鼓風機時，必須盡量減少頻繁的啟停操作。同時，為了提高動壓軸承的使用壽命，還必須在軸承表面涂上高質(zhì)量的潤滑涂層。

(2)空氣懸浮離心風機技術(shù)特點

1)節(jié)能高效

采用懸浮軸承，無接觸損失和機械損失，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速無極變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使得風機運行效率可高達95%左右。

2)噪音低，體積小，安裝方便

所有部件(高速電動機、變頻器、懸浮式軸承)集成安裝在普通底座上，無需特殊固定基礎(chǔ)，設(shè)備體積小、重量輕、安裝操作方便，運行時低噪聲和無振動，噪聲等級<80dB。

3)系統(tǒng)集成性高

鼓風機本身已集成了就地控制和變頻系統(tǒng)于一體，不需要單獨設(shè)立變頻柜及操作柜。通過風機自身的控制面板就可以實現(xiàn)各種功能的設(shè)定和對流體溫度、電機轉(zhuǎn)數(shù)、出風壓力、風量、消耗功率等進行參數(shù)的查詢，高效過濾器、冷卻系統(tǒng)、全自動防喘震系統(tǒng)、停電和故障保護系統(tǒng)等都集中安裝于風機機柜內(nèi)部，為操作工人帶來方便及減少操作事故的發(fā)生。

4)使用簡單、維護簡便、費用低，壽命長

鼓風機電機與葉輪直聯(lián)，無齒輪增速裝置，無任何機械接觸，無需潤滑油系統(tǒng)，沒有磨損及能量損耗，維護費用低，動力傳遞效率達到95%以上。葉輪選用高強度航空鋁材、Ti 材質(zhì)，具有優(yōu)秀的耐磨、抗變形能力，使用壽命達30年以上。采用變頻器調(diào)速調(diào)節(jié)風量，比節(jié)流閥節(jié)能，且風量調(diào)節(jié)范圍廣泛，一般為50%～100%。

5)冷卻效率高

冷卻系統(tǒng)采用風冷和水冷結(jié)合的方式，能夠有效保護電機，可實現(xiàn)風機的隨時啟停。

6)遠程控制

采用了PLC+GPRS。不但可由中心控制室控制，若風機出現(xiàn)故障，還可以實施遠程維修調(diào)試。

(3)空氣懸浮風機的優(yōu)缺點

1)優(yōu)點：

首先，空氣懸浮鼓風機采用高速永磁電機空氣懸浮軸承，鼓風機運行轉(zhuǎn)速可達40000轉(zhuǎn)以上，故機械效率高，相比較傳統(tǒng)風機節(jié)能率可以達35%-45%。

其次，空氣懸浮鼓風機采用三元流葉輪，渦殼采用航空鋁合金材料，采用空氣軸承直聯(lián)，無機械摩擦，噪音只有75分貝至80分貝(1米處)不需要設(shè)隔音罩。

空氣懸浮鼓風機結(jié)構(gòu)簡單，體積小，節(jié)省空間，便于移動和安裝，可采用遠程操作、監(jiān)測，無需到風機現(xiàn)場，便可以自行監(jiān)測馬達轉(zhuǎn)速、風壓、風量、電力、溫度、過濾器灰塵等等。

2)缺點：

首先，空氣懸浮鼓風機價格貴、維護維修成本高。

其次是由于它的結(jié)構(gòu)所造成，傳統(tǒng)羅茨風機可以實現(xiàn)負軸真空使用，而空氣懸浮風機則不能;傳統(tǒng)羅茨風機可以頻繁啟停，而空氣懸浮風機也不能，因為頻繁啟停會對空氣軸承有摩擦，所以不可以頻繁啟停。

2. 磁懸浮離心式鼓風機

磁懸浮離心式鼓風機是一種輸送氣體的機械設(shè)備，磁懸浮技術(shù)把磁懸浮軸承以及大功率高速永磁電機技術(shù)集成為高速電機，外加專用高速永磁電機變頻器形成高速驅(qū)動器，驅(qū)動高速離心葉輪，使高速離心葉輪工作在最省電的工作區(qū)域，開發(fā)出高效的磁懸浮離心式鼓風機。其采用磁懸浮軸承、三元流葉輪、高速永磁同步電機、高效變頻器調(diào)速、智能化監(jiān)測控制等核心技術(shù)，啟動時先懸浮后旋轉(zhuǎn)，無摩擦，無需潤滑，三元流葉輪與轉(zhuǎn)子直聯(lián)，傳動零損失，是一種高科技綠色節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。

磁懸浮離心式鼓風機采用無接觸、無機械摩擦的磁懸浮軸承和高速大功率永磁同步電機，直接驅(qū)動高效流體葉輪，克服了傳統(tǒng)鼓風機和氣懸浮鼓風機的缺點，具有效率高、噪音低、故障少、不需潤滑系統(tǒng)等優(yōu)點，即使磁懸浮軸承發(fā)生了故障，依靠系統(tǒng)中的保護軸承，仍然可以使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子安全停機，不會導(dǎo)致設(shè)備的嚴重損壞。

(1)磁懸浮離心式鼓風機工作原理和結(jié)構(gòu)

磁懸浮離心式鼓風機是將磁懸浮軸承技術(shù)和高速電機技術(shù)融入于傳統(tǒng)風機而形成的一種高效、環(huán)保、節(jié)能的新型鼓風機。通過內(nèi)磁懸浮軸承來控制器磁軸承，通過電流產(chǎn)生磁場，同時由磁場產(chǎn)生吸力，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮。高速電機通過變頻電源產(chǎn)生頻率可控的交變電流輸入電機定子產(chǎn)生的交變磁場，帶動轉(zhuǎn)軸進行高速旋轉(zhuǎn)，即是同步永磁電機。隨著轉(zhuǎn)軸一同作高速旋轉(zhuǎn)的鼓風機葉輪帶動空氣從渦殼的進氣口進入，空氣在渦殼的導(dǎo)向與增壓作用下成為具有一定流速與壓力的氣體，最終從渦殼的出氣口鼓出。

磁懸浮離心式鼓風機主要部件包括高效離心葉輪、磁懸浮軸承、永磁同步電機和專用變頻器四部分。該類風機采用一體化設(shè)計，其高速電機、變頻器、磁懸浮軸承和微處理控制盤等均采用一體設(shè)計和集成，其核心是磁懸浮軸承和永磁電機技術(shù)。

1)高速離心葉輪

葉輪采用三元流動理論設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化，使葉輪效率最大化，工作區(qū)域廣;其材質(zhì)采用高強度鍛鋁或鈦合金，抗變形能力強;經(jīng)過數(shù)控加工中心精密加工而成，防腐性能更好。經(jīng)過國家流體實驗室專家測得葉輪工作點最高效率可達85%。

2)高速永磁同步電機

在電機的主軸上安裝永磁鐵，保證主軸磁性。電機的定子硅鋼片纏繞的線圈，產(chǎn)生震蕩磁力，在運轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速和震蕩磁場保持一致，實現(xiàn)同步。永磁電動機采用磁懸浮軸承，具有無機械摩擦、低噪音、低振動以及壽命長的特點，最高轉(zhuǎn)速可達50000r/min。

3)磁懸浮軸承

通過可控的電磁吸力使轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定地懸浮，在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)軸不受任何機械阻力，因此效率高、無磨損、無需維護、無需潤滑油，排出的空氣也絕不含油。

4)電機智能控制系統(tǒng)

磁懸浮鼓風機一般采用無矢量變頻控制，用調(diào)節(jié)頻率的方法來控制永磁電機的旋轉(zhuǎn)，進而控制鼓風機的流量，滿足各種工況使用。智能控制系統(tǒng)可以預(yù)測喘振和實現(xiàn)就地控制，且設(shè)備安裝了GPRS系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。

(2)磁懸浮離心式鼓風機性能特點

磁懸浮離心式鼓風機采用無接觸、無機械摩擦的磁懸浮軸承和高速大功率永磁同步電機，直接驅(qū)動高效流體葉輪，克服了傳統(tǒng)鼓風機和氣懸浮鼓風機的缺點，具有效率高、噪音低、故障少、不需潤滑系統(tǒng)等優(yōu)點，即使磁懸浮軸承發(fā)生了故障，依靠系統(tǒng)中的保護軸承，仍然可以使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子安全停機，不會導(dǎo)致設(shè)備的嚴重損壞。

1)節(jié)能高效，磁懸浮離心式鼓風機采用的磁懸浮軸承，無機械損失和接觸損失，滿足了高轉(zhuǎn)速無極變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

2)冷卻效率高，冷卻系統(tǒng)使用水冷機風冷結(jié)合的兩種方式，可以有效保護電機，滿足風機隨時啟停的要求。

3)噪音小，安裝便捷，因為采用整體箱式結(jié)構(gòu)，風機噪音低于80分貝，機體震動的范圍極小，安裝基礎(chǔ)要求低，安裝便捷。

目前磁懸浮離心式鼓風機工作轉(zhuǎn)速可達40000r/min，最高轉(zhuǎn)速可做到20萬r/min以上，并在工作范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定可靠運轉(zhuǎn)。其振動和噪聲水平均低于采用機械軸承的其它型號離心式鼓風機。

但是，磁懸浮為了正確監(jiān)測極柱(磁鐵的極)需要非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)和傳感器，為了軸承性能失效的情況需要補助措施，像補助電池和使用潤滑油的補助軸承等，軸承系統(tǒng)故障時，維護費用高。

三、各類風機應(yīng)用場景對比

羅茨風機適用于100m3/min以內(nèi)較小流量的處理設(shè)備，能耗與離心式相差不大，流量調(diào)控好，變水位效率高，且價格低，總體價格經(jīng)濟效益好，主要用于小型市政污水及工廠污水處理，特別是適合CAST工藝(循環(huán)式活性污泥法)污水處理廠。

多級離心風機適用于流量范圍在100～400m3/min的情況下，雖然成本較羅茨風機稍高，但其能耗低，長期綜合效益最佳，主要用于中小型市政污水處理廠。

單級高速離心鼓風機無法采用變頻調(diào)速，在滿負荷時效率高，但當流量減少時，功耗并不是同比減小，因此部分負載的效率低，能耗大，主要適用于大中型污水處理廠。

磁懸浮離心鼓風機和空氣懸浮離心鼓風機具有效率高，節(jié)能，低噪音，無振動等優(yōu)點，一次性投入費用較高，但在長期運行過程中節(jié)約電耗及維護費用，是未來污水處理行業(yè)的主要發(fā)展方向。