【水处理知识】最强总结！污水处理各类泵及曝气鼓风机的选型要点！
水处理设备的合理选型，是每一个设计人员需要掌握的知识。作为输送提升的核心设备，泵在水处理项目中无处不在。泵的原理多样，种类繁多，而且还在不断地发展创新，不同的应用场合，泵的使用方法也各有差异。在城市污水处理厂，鼓风曝气所占的能耗占到总能耗的一半左右，选择合适的曝气风机在节约运行成本中占着至关重要的作用。
如何选择污水处理泵?
1、泵的原理与分类
在专业定义上，泵是指将原动机的机械能转换成流体的压力能和动能，从而实现流体定向输运的动力设备。在使用时常按用途来进行命名，比如潜污泵、污泥泵、计量泵等，工作原理各有不同。按工作原理可以分类如下：
1).叶片式泵
叶片式泵包括离心泵(单级、多级)，轴流泵，混流泵，旋涡泵等。
离心泵-利用旋转叶轮带动流体一起旋转，借离心力的作用，使流体的压力能和动能得到增加。
轴流泵-利用叶轮上的翼型叶片在流体旋转所产生的升力使流体的能量增加。
混流泵-介于离心泵和轴流泵之间，部分利用了离心力，部分利用了升力。
2).容积式泵
容积式泵包括往复泵(活塞、柱塞、隔膜)，回转泵(齿轮、螺杆、滑片等)
往复式泵-利用工作容积周期性的改变来输送流体，并提高其压力，包括活塞式、柱塞式和隔膜式三类。
回转式泵-利用一对或几个特殊形状的回转体，如齿轮、螺杆或其他形状的转子在壳体内作旋转运动来输送流体并提高其压力。
3).其他类型泵
叶片式泵和容积式泵基本包括了所有常用的泵的类型，还有一些其他类型的泵，比如：
水环式真空泵-水环式真空泵在启动前注入一定水作为工作液体，靠星形叶轮的旋转，形成封闭水环，叶轮与水环之间形成周期性扩大与减小的空间，形成负压，吸入气体并排出，达到抽真空的目的。
喷射泵-利用高速射流的抽吸作用来抽吸并输送液体，可以起到抽真空的作用。
2、泵的主要性能参数
1)流量与扬程
泵在单位时间内输送的流体量称为流量，泵的流量一般指体积流量，用q表示。单位重力作用下的液体通过泵后所获得的能量增加值，称为扬程，用H表示，单位为m。
在选型时，流量与扬程是由设计人员根据工艺计算结果给出的核心参数，是一个固定值。对于水泵自身性能而言，流量与扬程往往是一个区间内的对应关系，是一个范围。在选型时，两者互相影响，理想的选型是工艺参数需要的固定值落在水泵性能曲线的最高效率点，在有偏差时，要综合评估偏差可能带来的不利影响，权衡后确定选型结果。
2)轴功率与效率
泵在运行时原动机传递到泵转轴上的功率称为轴功率，用P表示，单位为kw。单位时间内通过泵的流体所获得的功率称为有效功率，用Pe表示。泵的效率为有效功率与轴功率之比，即η=Pe/P。
泵的效率与泵本身的设计水平、机械加工水平等有关，效率的高低直接影响能耗，同时泵有各自的高效率区间，选型时需要落在这个区间，以降低能耗。
3)转速
泵轴每分钟的转数，称为转速，用n表示，单位为r/min。
转速一般与电机的标准转速对应，可通过变频器对电机转速进行调整，水泵性能曲线也对应变化。在实际流量扬程变化时，通过变频来调节可以达到很好的节能效果。
4)汽蚀与汽蚀余量
汽蚀指水泵运行中，因为某些原因使得泵内局部压力降低到水的汽化压力时，水会产生汽化而形成气液流，到达高压区后气泡受到挤压破灭重新凝结成水，在这个过程中会产生很高的水锤压力，使材料收到侵蚀和破坏。汽蚀现象主要是针对叶片泵而言，是在泵的选型设计中必须避免的现象。汽蚀的产生与泵的性能有关，也与泵的吸口装置的设计有关。
汽蚀余量指泵入口处液体所具有的总水头与液体汽化时的压力头之差，单位用米(水柱)标注，用NPSH(Net Positive Suction Head)表示。在叶片泵的性能参数中，厂家一般会提供允许汽蚀余量供设计人员在选型设计时使用，汽蚀余量的参数说明如下：
NPSHc—临界汽蚀余量，由汽蚀试验求得;
[NPSH]—允许汽蚀余量，是保证泵不发生汽蚀的汽蚀余量，通常取[NPSH]=(1.1~1.5)NPSHc或[NPSH]=NPSHc+K(一般取K=0.3)。
汽蚀余量主要影响安装条件，允许汽蚀余量越小，意味着可承担的泵前负压越大，水泵的性能越好。
3、泵的选型过程
1)确认使用条件
在泵的选型时，首先需要确认使用的基本条件，包括：
a.输送介质的物理化学性能
影响泵的性能、材料和结构。包括：介质特性(如腐蚀性、磨蚀性、毒性等)、固体颗粒含量及颗粒大小、密度、黏度、汽化压力等。
b.选型参数
流量、扬程、温度、装置汽蚀余量、操作状态。
c.现场条件
泵的安装位置、环境温度、相对湿度、大气压力、大气腐蚀状况及危险区域划分等级等。
2)选择泵的类型
水处理中根据用途的不同需要选择对应的合适类型：
a.进水的提升
在废水的进水中杂质往往较多，一般选择抗堵塞的离心泵。中小规模水量时，最常用的为潜污泵。在方便设置泵房时，可采用 干式无堵塞排污泵。在大型规模项目，一般采用干式安装的大型污水泵，以方便检修。
在工业废水处理项目中，进水缠绕物杂质少时，经常根据需求选用自吸泵等。
进水提水泵在允许时，建议尽量选择质量优秀的产品，可以大大减少日常运行维护中的麻烦，保证系统的正常运转。
b.中间提升及尾水排放
中间提升及尾水排放时，废水中的杂质特别是缠绕性杂质非常少，在水泵的选型上范围大很多，基本常规的输送污水的泵都能使用。在尾水水质较好时，排放和回用泵可考虑选择清水泵，泵的效率一般较污水泵高，成本也较低。
c.有自吸需求
有自吸需求时可选用自吸泵、转子泵。根据需求可配套真空泵。
d.污泥的输送
初沉污泥：污泥悬浮物浓度高、杂物较多，一般采用螺杆泵，需要时配套破碎机。
二沉池污泥及污泥回流：污泥含水率高，特性与水类似，一般选用潜污泵、混流泵或轴流泵，内回流需要扬程低，可选用穿墙泵。
化学污泥：根据污泥情况可选择无堵塞排污泵、螺杆泵。
浓缩后污泥：一般选择螺杆泵，也可选择隔膜泵。
脱水后污泥：脱水后污泥的管道输送需要扬程高，可选择柱塞泵。
e.药剂投加
小流量的药剂投加一般选择计量泵，PAM的投加可选择螺杆泵。
大流量的药剂投加可选择耐腐蚀泵等。
3)确定泵的型号
在类型确定后，再根据泵的性能曲线选择合适的型号：
a.查系列型谱图，选择泵的额定工作点落在泵的高效工作区内，校核泵的汽蚀余量是否符合要求。
b.校核泵的材质、密封等是否能满足输送介质要求。
c.校核安装检修条件是否满足单体设计的要求。
当有两种以上规格符合条件时，选择综合指标高的设备：效率(高)、重量(低)和价格(低)。
附：一些泵的图片
4、潜污泵的安装
潜污泵是潜水排污泵的简称，在潜水泵的基础上通道采用抗堵塞设计，用于一级提升、中间提升及污泥回流等。主要用于市政工程、楼宇建筑、工业排污和污水处理场合，排送含固形物和长纤维的污水、废水和雨水等。
1).常用的两种安装方式
潜污泵安装条件简单，流量覆盖范围较大，从10m3/h以下到几千m3/h，是水处理工程特别是中小型项目中最常用的提升设备之一。潜污泵常见的安装方式主要有两种：耦合式安装和移动式安装。
其中耦合式安装是通过耦合器将泵与管道相连，泵与出水管路脱离方便，水泵检修时通过起吊装置起吊即可。耦合式安装适用于各种规格的潜污泵，是潜污泵最常用的安装方式，耦合器由设备厂家成套供货。
移动式安装指泵出口管路直接通过软管连接至水面上，潜污泵靠自重置于水池底部或通过铁链等悬挂在起吊装置上。移动式安装无需耦合器和池底固定，便于移动，检修时连管道一起起吊即可。同时由于安装方式的原因，难以承担大的力矩，只适用于小型的潜污泵。
2).安装条件图的解释
在选型确认后，潜污泵的厂家会提供安装条件图，设计人员需要能读懂各尺寸和符号的意思。以某潜污泵厂商的样本安装条件为例说明如下：
1)最低运行液位
功率11kw以上的泵可以选择装置电机冷却系统对泵进行冷却，若不选冷却系统，是由泵送介质直接冷却电机。两种不同的冷却方式对应的最低液位不同，直接冷却方式的需要液位高于带冷却系统的方式。
在厂家提供的安装条件图中，用实心三角“▼”和空心三角“▽”来进行区分，其中“▼”表示带冷却系统，“▽”表示不带冷却系统。
在上面案例的安装条件图中，带冷却系统时，有效最低液位距离耦合装置底部为570mm，不带冷却系统时，距离为785mm。即有冷却系统时有效液位可以低出215mm。
2)平面开孔与定位
潜水泵耦合式安装时，平面的开孔需考虑潜水泵的最小安装尺寸。案例中A向视图表示了水泵的最小安装孔的大小尺寸，1000×700mm。
在进行定位时，安装导杆的池边是基准线。这是因为潜污泵的就位是靠与耦合装置连接的导杆来完成的，导杆的位置由池边确定。耦合器基座的螺栓进行定位时，也需以池边为基准线进行。按上面案例，应先确定距离池边253mm的螺栓孔位置，再通过螺栓孔的间距350mm来确定另外两个螺栓孔的位置。
最终在图纸中体现的最重要的尺寸为：顶部平面开孔的位置与大小，以及底部的预埋地脚螺丝的位置与规格(一般采用预留孔进行后浇混凝土的设计)。
顶部的导杆固定通常采用膨胀螺栓的方式完成。
03.电气保护措施
由于潜污泵为潜水运行，可能会出现漏水等情况而损坏水泵，需要进行预防。以某潜污泵厂家为例，采用的措施有：7.5kw以下的泵设有电机绕组过热保护元件和漏水探头;11kw及以上的泵设有电机绕组过热保护元件、浮子开关、漏水探头;30kw及以上的泵在电机上端盖内增设漏水探头等。
其中过热保护元件是置于电机定子绕组内，不正常运行状况下，绕组稳定达到过热保护原件的设定值时，通过电柜过热保护装置停止电机。
漏水探头用作漏水检测，电机侧进水后通过电控柜报警并停机。浮子开关用作检测电机侧机械密封是否失效，电机腔是否进水，探测到进水后通过电控柜报警并停机。
在潜污泵的电气安装中，需要根据选型条件及厂家反馈的电气要求进行电控柜的设计，从而达到保护效果。
5、离心泵的安装
离心泵是输水中最常用的泵之一，为了避免汽蚀现象的发生，离心泵的安装高度需要进行非常仔细的校核计算。水泵进水侧装置形式示意图如下：
泵的允许几何安装高度与多方面条件有关，公式如下：
式中：
[Hg]—泵的允许几何安装高度，m;(计算结果供设计时利用，实际安装高度需低于允许安装高度)
pe—吸水水面压力，Pa;(为吸水水面的大气压，海拔越高大气压越低)
pv—饱和蒸汽压力，Pa;(与水温有关，水温越高，饱和蒸汽压力越高)
ρ—流体的密度，kg/m3;
g—重力加速度，9.81m/s2;
[NPSH]—水泵的允许汽蚀余量，m;(与水泵性能有关，厂家提供)
hw—吸入管路中的水头损失，m。(与吸水管路设计有关，由设计人员确定)
由上式可知，海拔越高、水温越高、允许汽蚀余量越大、进水管路水头损失越大，允许几何安装高度越小。
不同海拔时的大气及对应的水头高度见下表：
不同温度时水的饱和蒸汽压力计对应水头高度见下表：
例：由泵样本知某离心泵汽蚀余量为[NPSH]=3.29m，欲在海拔500m高度的地方工作，该地区夏季最高水温为40℃，若吸水管的水头损失为1m，则该泵在当地的运行几何安装高度[Hg]计算如下：
设吸水水面压力为当地大气压，由表查得海拔500m处大气压头9.7m，水温40℃时，水的饱和蒸汽压头为0.752m，计算得：[Hg]=9.7-0.752-3.29-1=4.658m
6、如何选择污水处理鼓风机?
1、曝气用鼓风机分类
好氧池曝气常用的风机有四类：罗茨鼓风机、多级离心风机、单级高速离心风机和磁(空气)悬浮风机。
2、鼓风机介绍
1）罗茨鼓风机
罗茨鼓风机目前多为三叶型，每转动一圈由两组三叶型叶轮完成3次吸、排气。结构简单，性能稳定。罗茨鼓风机属于容积式风机，其特点是在最高设计压力范围内，管网阻力变化时，流量变化很小。罗茨风机的性能曲线如下：
从性能曲线可知，罗茨风机风量受压力变化影响小。当曝气池液位变化时，鼓风量基本不变。
风量调节：罗茨风机风量受转速控制，风量调整可通过变频调速进行，变频后风压可以维持。
2）多级离心风机
离心鼓风机是电机带动风机叶轮旋转，使叶片之间的气体在离心力的作用下甩出，外界气体通过叶轮中间形成的负压吸入，达到连续鼓风的目的。在常规转速下单级离心升压有限，采用多级串接的方式可达到升压要求，称为多级离心风机。多级离心风机典型的性能曲线如下：
从性能曲线可知，多级离心风机随风压变化流量变化较大。当曝气池液位变化时，鼓风量会有变化。
风量调节：多级离心风机风量调节可通过变频进行，变频后风压会相应降低，变频范围受到一定限制。
3）单级高速离心风机
单级高速离心风机指提高风机转速，通过单级离心即可达到工艺的升压要求。单级高速离心风机风量大、效率高，对制造水平要求较高。单级高速离心风机的性能曲线如下：
从性能曲线可知，单级高速离心风机随风压变化流量变化非常大。当曝气池液位发生变化时，鼓风量变化会较大。
风量调节：单级高速离心风机可通过进口导叶调整，风量调整时不影响风压，同时可以降低风机轴功率，达到节能效果。由于变频调节时，风压下降幅度会较大，可能会无法满足工艺要求，单级高速离心风机一般不用变频调节风量。
4）磁(空气)悬浮风机
磁(空气)悬浮离心风机是通过磁或空气的作用，使转动轴形成悬浮状态，摩擦阻力小，效率高，也可以通过进口导叶调整风量。悬浮离心风机由于摩擦力小，风机效率会更高。
磁(空气)悬浮风机叶轮也为单级高速类型，性能曲线与单级高速离心风机类似。
3、性能比较
不同的曝气风机有着不同的适用范围，罗茨风机、多级离心风机和单级高速离心风机各自的流量范围也有较大的差异，罗茨风机在小流量范围，多级离心中流量范围，单级高速离心风机在高流量范围。罗茨风机：1~100m3/min;多级离心风机：20~400m3/min;单级高速离心风机：40~1000m3/min。
三种风机的流量与功率的比较见下图。
从上图中可知，在风机的效率方面单级高速离心风机最高，多级离心风机其次，罗茨风机最低。同样的供风量，罗茨风机能耗最高，单级高速离心风机能耗最低。
从设备采购成本看，罗茨风机成本最低，多级离心风机居中，单级高速离心风机最高。综合考虑能耗、设备采购及运行维护费用等因素，三种风机的流量与单位综合成本比较见下图。
其中，罗茨风机由于能耗较高，单位流量综合成本高于多级离心和单级高速离心风机。在100m3/min以上的流量时，由于单级高速离心风机具有更高的运行效率，综合成本优于多级离心风机。
在小流量范围内罗茨鼓风机具有价格优势，在中流量范围内，多级离心风机性价比较好，高流量时，单级高速离心风机综合成本最低。在实际选型中还要考虑流量调节的需求、安装条件以及运行维护方便性等因素。
磁(空气)悬浮风机相对于其他三种鼓风机，效率更高，更节能，而且噪音很低，但是成本最高，维护复杂，目前应用于现场环境标准要求高，舍得花成本的企业。一般的污水处理厂承担不起，随着磁(空气)悬浮风机的国产化，以后成本会越来越亲和!
4、曝气鼓风机选型中需要注意的几个问题
1）按实际情况计算参数
在污水厂鼓风机选型时，风机厂家产品样本上给出的均是标准进气状态下的性能参数，然而风机在实际使用中并非标准状态，当鼓风机的环境工况如温度、大气压力以及海拔高度等不同时，风机的性能也将发生变化，设计选型时就不能直接使用产品样本上的性能参数，而需要根据实际使用状态将风机的性能要求，换算成标准进气状态下的风机参数来选型。
2）出口压力影响因素的分析
容积式鼓风机排气压力的高低并不取决于风机本身，而是气体由鼓风机排出后装置的情况，即所谓“背压”决定的， 曝气鼓风机具有强制输气的特点。
鼓风机铭牌上标出的排气压力是风机的额定排气压力。实际上，鼓风机可以在低于额定排气压力的任意压力下工作，而且只要强度和排气温度允许，也可以超过额定排气压力工作。
对于污水处理厂而言，排气系统所产生的绝对压力(背压)为管路系统的压力损失值、曝气池水深和环境大气压力之和。若由于某种原因，如曝气头或管路堵塞，使管路系统的压力损失增加，背压也会升高，于是鼓风机的压力也就相应升高;又若曝气头破裂或管路泄漏等原因，管路系统的压力损失则会减少，背压便不断降低，鼓风机的压力也随之降低。
综上所述，确定曝气鼓风机压力时，只需要鼓风机在标准状态下所能达到的绝对压力等于使用状态下的大气压力、曝气池水深和管路损失之和。
3）鼓风机空气流量因素
在计算污水处理的需氧量时，其结果为标准状态下所需氧的质量流量qm(kg/min) ，再将其换算成标准状态下所需空气的容积流量qv1(m3/min) ，如果鼓风机的使用状态不是标准状态，例如在高原地区使用，则空气密度、含湿量会发生变化，鼓风机所供应的空气容积流量与标准状态是相同的，而所供空气的质量流量将减少，有可能导致供氧量不足。
因此，必须计算出能供应相同质量流量的容积流量，即换算流量qv2。在高原地区使用时，环境大气压力也会发生变化，压力比相应升高，那么，罗茨鼓风机的泄漏流量qvb则会增大，这将导致鼓风机所供应的空气容积流量减少，也可能造成供氧量不足。
因此，设计时必须考虑使用条件发生变化时各种因素的影响，以保证风机所供应的实际空气流量能够满足使用要求，并需计算出换算流量qv2和泄漏流量qvb2。
4）注意冬季和夏季的区别
鼓风机选型应关注鼓风机供气流量的变化规律对于同一台鼓风机，在冬季和夏季，其容积流量是不会发生变化的，但因空气密度的不同质量流量会发生变化，也就是说供氧量会有所不同。
鼓风机在标准状态与使用状态下的容积流量是不变的，但因为空气密度(ρ)、含湿量(ds) 等发生了变化，导致鼓风机输送至曝气池的供氧量( FOR) 在冬季温度降低时增加、夏季温度升高时降低。例如，某一污水处理厂，选用上述计算例题中的罗茨鼓风机，根据环境温度变化，计算出鼓风机的实际供氧量(FOR)，其一年的变化规律在实际运行过程中，由于进水量、水质、水温等参数的变化，系统需氧量(SOR)也会发生变化在夏季，水温较高，曝气池需氧量(SOR)增大，但鼓风机的供氧量(FOR)在减少，这是设计时考虑需氧量的最不利工况点，此时，供氧量、需氧量基本相当;在冬季，水温降低，曝气池需氧量(SOR)减少，但鼓风机的供氧量(FOR)增大，此时，供氧量较需氧量大出许多。这是由于冬季气温降低，空气密度增加，那么风机所供给的干空气的质量流量较标准状态大幅度增加，从而引起供氧量增加，从运行的实际测量情况来看，每年冬季曝气池的溶解氧较夏季会高出1～3mg/L。
因此，在生产运行过程中，需要针对这种变化对设备进行及时的调整，使鼓风机的充氧能力与实际运行中的需氧量相适应。对于罗茨鼓风机来说，使用变频器，通过改变风机转速来调整供风量是很经济实用的。结论同一台鼓风机在不同的使用条件下，其性能的变化非常大，所以必须通过严谨的计算进行选型，否则有可能导致生化系统的供氧不足;另外，在冬季和夏季由于空气密度发生了变化，鼓风机所供应氧气的质量流量变化很大，冬季供氧量大大超过了需氧量，所以，应采取变频调速等措施使生化系统的溶解氧浓度保持稳定。
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