一、概述
城市生活污水處理自200年前工業(yè)革命以來(lái)，越來(lái)越受到人們的重視。城市污水處理率已成為一個(gè)地區(qū)文明與否的一個(gè)重要標(biāo)志。近200年來(lái)，城市污水處理已從原始的自然處理、簡(jiǎn)單的一級(jí)處理發(fā)展到利用各種先進(jìn)技術(shù)、深度處理污水，并回用。處理工藝也從傳統(tǒng)活性污泥法、氧化溝工藝發(fā)展到A/O、A2/O、AB、SBR（包括CCAS工藝）等多種工藝，以達(dá)到不同的出水要求。我國(guó)城市污水處理相對(duì)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家、起步較晚，目前城市污水處理率只有6.7%。在我們大力引起國(guó)外先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，必須結(jié)合我國(guó)發(fā)展，尤其是當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，探索適合我國(guó)實(shí)際的城市污水處理系統(tǒng)。
結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，參考國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)城市污水處理廠應(yīng)符以下幾個(gè)發(fā)展方向：
1 總投資省。
我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需資金非常龐大，因此嚴(yán)格控制總投資對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)大有益處。
2 運(yùn)行費(fèi)用低。
運(yùn)行費(fèi)用是污水處理廠能否正常運(yùn)行的重要因素，是評(píng)判一套工藝優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一。
3 占地省。
我國(guó)人口眾多，人均土地資源極其緊缺。土地資源是我國(guó)許多城市發(fā)展和規(guī)劃的一個(gè)重要因素。
4 脫氮除磷效果。
隨著我國(guó)大面積水體環(huán)境的富營(yíng)養(yǎng)化，污水的脫氮除磷已經(jīng)成為一個(gè)迫切的問(wèn)題。我國(guó)最新實(shí)施的國(guó)家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996）也明確規(guī)定了適用于所有排污單位，非常嚴(yán)格地規(guī)定了磷酸鹽排放標(biāo)準(zhǔn)和氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)。這就意味著今后絕大多數(shù)城市污水處理廠都要考慮脫氮除磷的問(wèn)題。
5 現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)與環(huán)保工程的有機(jī)結(jié)合。
現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)和自控系統(tǒng)設(shè)備的出現(xiàn)和完善，為環(huán)保工程的發(fā)展提供了有力的支持。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的污水處理廠大都采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)管理和自控系統(tǒng)，保證了污水處理廠的正常運(yùn)行和穩(wěn)定的合格出水，而我國(guó)在這方面還比較落后。計(jì)算機(jī)控制和管理也必將是我國(guó)城市污水處理廠發(fā)展的方向。
二、污水處理工藝及變頻改造可行性與變頻節(jié)能原理
1 原污水處理系統(tǒng)工藝
為了選擇出工藝上最可靠，投資上最經(jīng)濟(jì)，管理上最方便的城市污水處理系統(tǒng)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，我們調(diào)研了國(guó)內(nèi)外污水處理廠的成熟經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展趨勢(shì)，并進(jìn)行了比較。 目前，國(guó)內(nèi)外城市污水處理廠處理工藝大都采用一級(jí)處理和二級(jí)處理。
a 一級(jí)處理是采用物理方法：
主要通過(guò)格柵攔截、沉淀等手段去除廢水中大塊懸浮物和砂粒等物質(zhì)。這一處理工藝國(guó)內(nèi)外都已成熟，差別不大。
b 二級(jí)處理則是采用生化方法：
主要通過(guò)微生物的生命運(yùn)動(dòng)等手段來(lái)去除廢水中的懸浮性，溶解性有機(jī)物以及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽。目前，這一處理工藝有多種方法，歸結(jié)起來(lái)，有代表性的工藝主要有傳統(tǒng)活性污泥、氧化溝、A/O或A2/O工藝、SBR及CCAS工藝等。目前，這幾種代表工藝在國(guó)內(nèi)外都有實(shí)際應(yīng)用。
c 曝氣機(jī)和潛水泵是污水處理的核心設(shè)備，也是主要的運(yùn)行耗能設(shè)備。
污水處理廠曝氣機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)是全天候運(yùn)轉(zhuǎn)的，曝氣機(jī)的主要作用就是向待處理污水中通入空氣，空氣中的氧融解在污水中，污水處理好壞在溶解氧部分,溶解氧濃度對(duì)處理結(jié)果有很大影響，溶解氧濃度太低，污水不能達(dá)標(biāo)；溶解濃度太高，不僅浪費(fèi)電能還可能使活性污泥上浮使出水也不能達(dá)標(biāo)。溶解氧濃度主要靠鼓風(fēng)機(jī)通入的風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)。
d 目前大部分鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)是靠進(jìn)風(fēng)門及出風(fēng)門來(lái)調(diào)節(jié)的，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)不做速度調(diào)節(jié)，此種調(diào)節(jié)方式節(jié)能有限，在不同的污水量及處理工藝的不同階段，隨然需要的風(fēng)量不一樣，但鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)消耗的電能基本不變，造成極大的電能浪費(fèi)。
2 變頻改造的可行性
隨著交流變頻調(diào)速的日益普及，變頻器補(bǔ)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)當(dāng)中。曝氣機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)加裝變頻器，鼓風(fēng)機(jī)變頻控制后，能隨時(shí)根據(jù)污水量、污水處理的不同工藝階段所需的風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制供風(fēng)理，最終將曝氣池溶解氧的濃度控制在污水處理工藝所需值。變頻調(diào)速能是一項(xiàng)節(jié)電環(huán)保的技術(shù)，污水廠設(shè)備一般全天候運(yùn)行，經(jīng)過(guò)變頻改造后節(jié)能效果可觀，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作方便，能真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。
3 變頻節(jié)能原理
隨著科技的不斷發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)被廣泛采用。通過(guò)新一代全控型電子元件，用變頻器改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速方式來(lái)進(jìn)行風(fēng)機(jī)流量的控制，可以大幅度減少以往機(jī)械方式調(diào)控流量造成的能量損耗。設(shè)A點(diǎn)為風(fēng)機(jī)最大工況點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2時(shí)，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)法，工況點(diǎn)由A到B，風(fēng)壓增加到H2，由圖中可看出軸功率P2下降，但減少的不太多。如果采用變頻調(diào)節(jié)方式，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)由A到C，可見(jiàn)在滿足同樣風(fēng)量Q2情況下，風(fēng)壓H3將大幅度下降，功率P3隨著顯著減少。節(jié)省的功率損耗△P＝△HQ2與圖中面積BH2H3C成正比。
a 由以上分析可知，變頻調(diào)節(jié)是一種高效的調(diào)節(jié)方式。鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)，不會(huì)產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調(diào)節(jié)風(fēng)量范圍0％～100％，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負(fù)荷下運(yùn)行的場(chǎng)合。但是，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，風(fēng)量減小時(shí)，風(fēng)壓將發(fā)生很大變化，由風(fēng)機(jī)比例定律：
Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3可知當(dāng)其轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的流量、壓力、軸功率各下降到原來(lái)的1/2、1/4、1/8，這就是變頻調(diào)節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。
① 假設(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低10%（輸出頻率45Hz時(shí)）,則功率
P2=（0.9）×P1=0.73P1,節(jié)電27%。
② 假設(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低20%（輸出頻率40Hz時(shí)）,則功率
P2=（0.8）3×P1=0.51P1,節(jié)電49%。
b 由于功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系，因此，轉(zhuǎn)速變化越大，功率的消耗將呈幾何級(jí)數(shù)減少。
c 按照GB12497《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式進(jìn)行節(jié)電分析，即：
風(fēng)機(jī)、泵類，采用擋板調(diào)節(jié)流量對(duì)應(yīng)電機(jī)輸入功率PL與流量Q 的系式中：Pe－額定流量時(shí)電機(jī)輸入功率KW
QN－額定流量式中：Ki為節(jié)電率、P1為節(jié)約功率可使用上式估算改造為的節(jié)電量。根據(jù)原工況，對(duì)采用入口導(dǎo)葉的風(fēng)機(jī)，在入口導(dǎo)葉小角度開(kāi)度節(jié)電效果和變頻器相差不大，即開(kāi)度為10%時(shí)與采用變頻控制節(jié)能效果相當(dāng)不大可忽略不計(jì)。
4 實(shí)際產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值及其估算
a 旁路開(kāi)度為30%，流量為70%時(shí)節(jié)電率估算：
1-（(0.7)3/0.45+0.55×(0.7)2）＝52%
b 原工頻每月每臺(tái)估算用電量：
160×0.7×24×30＝80640KWH
c 變頻改造后每臺(tái)每月節(jié)電量：
80640×52%＝41933 KWH
d 變頻改造后每臺(tái)每月節(jié)省電費(fèi)：
41933×0.8＝ 33546.4元
結(jié)論：
每套變頻節(jié)能柜報(bào)價(jià)：19.2萬(wàn)無(wú)；投資回收周期：約 6 月
四、原設(shè)備運(yùn)行工況
1 設(shè)備參數(shù)：
a 某污水處理廠有離心式鼓風(fēng)機(jī)一共3臺(tái)，
b 配套的三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y2-315L1-2-160KW，2極電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速2975RPM。
c 原啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)器（非變頻啟動(dòng)）。
2 污水處理中鼓風(fēng)機(jī)況
鼓風(fēng)機(jī)采用入口導(dǎo)葉、出口閥門、旁路放空閥調(diào)節(jié)風(fēng)量。工作時(shí)入口導(dǎo)葉開(kāi)度為10%，入口進(jìn)氣溫度為25.2度，壓力為0.1KPA；出口閥全開(kāi)，出口溫度91.7度，壓力為60KPA；出口處旁路放空閥開(kāi)度為30%。
3 啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)及設(shè)備的損害
電動(dòng)機(jī)采用降壓軟啟動(dòng)啟動(dòng)方式，這種方式雖然能降低啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害，但由于鼓風(fēng)機(jī)慣性大，啟動(dòng)力矩要求較大，仍有高達(dá)額定電流2—3倍的啟動(dòng)電流，危害著電動(dòng)機(jī)、水泵、單向閥、管路系統(tǒng)的使用壽命。
4 設(shè)備運(yùn)行中的噪音、震動(dòng)、水錘等問(wèn)題
設(shè)備在啟動(dòng)、運(yùn)行、停止的過(guò)程中，由于無(wú)法進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)節(jié)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘、機(jī)械噪音增加、震動(dòng)加劇等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都具有極大的破壞性，會(huì)引起管道破裂或癟塌、損壞閥門和固定件，并會(huì)增加進(jìn)線變壓器的負(fù)荷狀況。采用了變頻調(diào)節(jié)后，可以通過(guò)延長(zhǎng)升、降速時(shí)間來(lái)延長(zhǎng)起動(dòng)或停機(jī)的過(guò)程，即使在運(yùn)行過(guò)程中，也可以通過(guò)對(duì)工作頻率點(diǎn)的選擇，跳過(guò)容易引起設(shè)備共震的工作點(diǎn)，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統(tǒng)承受的應(yīng)力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設(shè)備的工作壽命將大大延長(zhǎng)。
五、變頻改造方案
根據(jù)原設(shè)備工況，考慮可靠性及配置的靈活性，采用一拖一方案，每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)加裝一套變頻節(jié)能柜，保留原軟啟動(dòng)裝置，作為變頻控制柜故障時(shí)的備用裝置，以保證生產(chǎn)的萬(wàn)無(wú)一失。變頻控制柜內(nèi)含變頻器、切換接觸器、指示表、指示燈及按鈕開(kāi)關(guān)等。
六、用戶受益
1 高效節(jié)能運(yùn)行，節(jié)能效果可觀，投資回報(bào)周期短
變頻改造后，鼓風(fēng)機(jī)可根據(jù)工藝需要來(lái)調(diào)節(jié)供風(fēng)量，變頻調(diào)速后節(jié)約電能。
2 電機(jī)真正帶負(fù)載軟啟動(dòng)，減少?zèng)_擊。
使用變頻調(diào)節(jié)以后，由于使用了SPWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的軟啟動(dòng)和緩沖停機(jī)，從根本上消除了啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)及其它設(shè)備的危害，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。
3 延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命
采用了變頻調(diào)節(jié)后，可以通過(guò)延長(zhǎng)升、降速時(shí)間來(lái)延長(zhǎng)起動(dòng)或停機(jī)的過(guò)程，即使在運(yùn)行過(guò)程中，也可以通過(guò)對(duì)工作頻率點(diǎn)的選擇，跳過(guò)容易引起設(shè)備共震的工作點(diǎn)，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統(tǒng)承受的應(yīng)力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設(shè)備的工作壽命將大大延長(zhǎng)。
