智能風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)在小型分散式污水處理中的應(yīng)用

羅 凱

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，太原 030012）

隨著環(huán)保工作的不斷深入，雖然采用傳統(tǒng)大型污水處理廠進(jìn)行污水的集中收納和處理在費(fèi)用上和管理上具有很大優(yōu)勢(shì)，但是在處理水量和污染負(fù)荷上均難以從容應(yīng)對(duì)。此外，過長(zhǎng)的管道運(yùn)輸帶來了極高的基建成本，因此越來越多的分散式污水處理獲得了廣泛應(yīng)用[1]。小型分散式污水處理常用于醫(yī)院、學(xué)校、交通站以及住宅小區(qū)等，擁有獨(dú)立的處理單元與控制系統(tǒng)。該設(shè)備主要包括攪拌風(fēng)機(jī)、離心泵、風(fēng)機(jī)、回流泵以及螺桿泵等大型用電設(shè)備。其中，從工作負(fù)荷和能耗方面來看，風(fēng)機(jī)是最重要的設(shè)備，是小型分散式水處理工藝是否能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排和穩(wěn)定低噪運(yùn)行的關(guān)鍵[2]。因此，如何合理優(yōu)化風(fēng)機(jī)的運(yùn)行邏輯，是提高分散式污水處理設(shè)備生產(chǎn)能力和節(jié)能性能的重要環(huán)節(jié)。

1 風(fēng)機(jī)的功能及當(dāng)前應(yīng)用中存在的不足

風(fēng)機(jī)在小型分散式污水處理設(shè)備中屬于曝氣系統(tǒng)的一個(gè)核心組件，負(fù)責(zé)為水處理系統(tǒng)的反應(yīng)組件提供反應(yīng)所需的氧氣。常用的風(fēng)機(jī)包括回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)以及離心式風(fēng)機(jī)等。其中，羅茨風(fēng)機(jī)由于采用了三葉轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式及合理的殼體內(nèi)進(jìn)出風(fēng)口處的結(jié)構(gòu)，震動(dòng)較小。同時(shí)，葉輪和軸為整體結(jié)構(gòu)且葉輪無磨損。風(fēng)機(jī)性能持久不變，可以長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可靠性較高，所以使用面最廣。但是，羅茨風(fēng)機(jī)尤其是大功率的設(shè)備在運(yùn)行中噪聲較大，同時(shí)由于分散式污水設(shè)備的使用場(chǎng)景均為人流量、水量變化浮動(dòng)較大的地點(diǎn)，受場(chǎng)所經(jīng)營、節(jié)假日等多方面的影響，致使設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷變化幅度較大。此外，較簡(jiǎn)單的控制邏輯和不規(guī)律的進(jìn)水負(fù)荷導(dǎo)致的能源非必須損耗問題，致使其在實(shí)際使用過程中的評(píng)價(jià)褒貶不一。針對(duì)目前風(fēng)機(jī)系統(tǒng)使用中存在的不足，通過引入變頻系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，在風(fēng)機(jī)的噪聲、能耗、維護(hù)周期和使用效果上均取得了較好效果。

2 智能風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)的組成

2.1 變頻系統(tǒng)

變頻系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)，在固定風(fēng)量的風(fēng)機(jī)無法滿足實(shí)際使用場(chǎng)景需要時(shí)，通常采用旁路釋放風(fēng)壓或風(fēng)機(jī)變頻的辦法。采用旁路釋放風(fēng)壓的方式通常會(huì)因?yàn)榭諝饬魉龠^大而出現(xiàn)較大的噪聲。同時(shí)，在采用閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量控制時(shí)，閥門調(diào)節(jié)的精度和閥門的密封性也會(huì)在長(zhǎng)期的使用中出現(xiàn)各種異常。該方法雖然調(diào)節(jié)了風(fēng)機(jī)的使用風(fēng)量，但是風(fēng)機(jī)的總體能耗并沒有變化，造成了能源的浪費(fèi)[3]。采用變頻系統(tǒng)控制的分機(jī)可以在不使用旁通管道泄壓的情況下實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的無級(jí)調(diào)節(jié)，精度更高，可靠性更好，同時(shí)避免了能耗浪費(fèi)。同時(shí)，在變頻器的控制下，風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了因?yàn)橛矄?dòng)瞬間壓力對(duì)抗而出現(xiàn)的故障。

2.2 傳感器系統(tǒng)

單純由變頻器控制風(fēng)機(jī)僅實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)在風(fēng)量和能耗上的人為調(diào)控。但是，污水處理系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)供氧能力的需求實(shí)際是一個(gè)變化的過程。污水中的污染物濃度和微生物的特性決定了水體中溶解氧的消耗速度，而風(fēng)機(jī)的工作目標(biāo)是維持特定的溶解氧濃度。水體中溶解氧的濃度可通過傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。傳感器通常采用熒光法或電極法進(jìn)行測(cè)量，將水體中溶解氧的濃度轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào)傳輸至外部，與變頻器連接后可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)頻率的輸出，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)供氧能力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并穩(wěn)定水體溶解氧濃度。

2.3 智能控制系統(tǒng)

變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)輸出能力的可調(diào)性，而傳感器實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)輸出可調(diào)的自適應(yīng)能力。保證該套系統(tǒng)能在整個(gè)分散式污水處理系統(tǒng)中發(fā)揮作用并實(shí)現(xiàn)智能化、無人值守的運(yùn)行模式，還需要智能控制系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)控。常用的控制系統(tǒng)包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）等[4]?？刂葡到y(tǒng)可收集污水處理過程中的進(jìn)水量、污染物濃度、環(huán)境溫度以及反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，計(jì)算目標(biāo)溶解氧值以指導(dǎo)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，控制流程如圖1所示。

圖1 控制流程圖

污水經(jīng)過流量計(jì)、水質(zhì)檢測(cè)儀流入污水處理反應(yīng)器的調(diào)節(jié)池（調(diào)節(jié)池為主要的污水收集池，可暫存污水供后續(xù)處理設(shè)備按需使用，有調(diào)節(jié)負(fù)荷的能力），通過流量計(jì)、水質(zhì)檢測(cè)儀得出污水總量及污水中污染物質(zhì)的總量。該參數(shù)被上傳至智能控制系統(tǒng)，并由控制系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前的水體溫度（氧溶解度）、預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程人員控制，計(jì)算出目標(biāo)溶解氧值。該目標(biāo)值將與位于反應(yīng)器內(nèi)部的氧傳感器進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而反饋至控制系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器控制風(fēng)機(jī)的輸出能力以實(shí)現(xiàn)智能控制。

3 智能風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)的使用效果

通過加裝變頻器、溶解氧傳感器和邏輯控制器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的智能化后，系統(tǒng)在噪聲、能耗和小型分散式污水處理設(shè)備的運(yùn)行上均取得了較好的效果。

3.1 噪聲及能耗優(yōu)化

風(fēng)機(jī)對(duì)水處理設(shè)備進(jìn)行供氧工作時(shí)，不可避免會(huì)出現(xiàn)一定的噪聲。在加裝進(jìn)出口消音器后，系統(tǒng)滿負(fù)荷的噪聲仍達(dá)到90 dB以上，是機(jī)房噪聲的主要來源。由于小型分散式污水處理水量變化幅度一般較大，設(shè)備滿負(fù)荷工作情況相對(duì)較少，在使用變頻系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)后，風(fēng)機(jī)的噪聲得到了很好的緩解。以某品牌7.5 kW羅茨風(fēng)機(jī)為例，該設(shè)備可在風(fēng)壓40 kPa的條件下提供6.5 m3·min-1以上的空氣量，并已安裝配套消聲器。工況良好的前提下，在距離1.5 m測(cè)試其各個(gè)工作頻率下的噪聲，結(jié)果如表1所示。可以發(fā)現(xiàn)，除了40 Hz頻率下由于共振引起的噪聲激增之外，在常用的30 Hz頻率下，設(shè)備噪聲為滿負(fù)荷工況下的86%。在設(shè)備更低負(fù)荷工作時(shí)，它的降噪效果明顯。

表1 各頻率下某型號(hào)風(fēng)機(jī)工作噪聲及實(shí)際功率

在非滿負(fù)荷工作的情況下，由于工作電源頻率的降低，風(fēng)機(jī)的功耗也同步降低。在運(yùn)行頻率為30 Hz的頻率下，風(fēng)機(jī)的供電電流已降低至4.7 A左右，折算運(yùn)行功率為3.29 kW，節(jié)能50%以上。

綜上所述，在有效的工作區(qū)間內(nèi)，風(fēng)機(jī)的噪聲和功率均得到了有效調(diào)整，有充足的空間為智能化運(yùn)行提供條件。

3.2 智能運(yùn)行下的綜合效果

以某高速公路服務(wù)區(qū)小型分散式污水處理為例，該站點(diǎn)采用AO+MBR的水處理工藝，由兩臺(tái)7.5 kW的羅茨風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)供氧，其中一臺(tái)為AO段供氧風(fēng)機(jī)，一臺(tái)為MBR段鼓風(fēng)機(jī)。由于該兩階段供氧需求不同,一般無法采用同型號(hào)風(fēng)機(jī)。但是，在引入智能變頻系統(tǒng)后，可通過頻率調(diào)整實(shí)現(xiàn)不同的輸出匹配，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)設(shè)備的互為備用。在實(shí)際運(yùn)行中，該站點(diǎn)的日常水量為滿負(fù)荷狀態(tài)的30%～40%。隨著節(jié)假日人流的激增，設(shè)備將達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，整個(gè)運(yùn)行期污染物濃度基本無變化。在加入智能風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)后，風(fēng)機(jī)通過精準(zhǔn)的溶氧量控制實(shí)現(xiàn)了低負(fù)荷運(yùn)行，在正常產(chǎn)水的前提下持續(xù)準(zhǔn)確地為設(shè)備提供氧氣，避免了過多的浪費(fèi)。該站點(diǎn)全年非高峰期時(shí)間約為240 d，以設(shè)備每天運(yùn)行16 h計(jì)算，風(fēng)機(jī)在不飽和運(yùn)行時(shí)的平均運(yùn)行頻率在30 Hz時(shí)，預(yù)估全年節(jié)電在1.1×104kW·h以上。節(jié)電的同時(shí)，水體中污染物濃度的降解效率依然得到了保持。

溶解氧被控制在最佳的范圍，避免了過高的溶解氧對(duì)厭氧、缺氧的微生物環(huán)境的破壞，保持了最佳的微生物優(yōu)勢(shì)菌群，提高了污染物降解的針對(duì)性，總體水質(zhì)可控性更佳。在設(shè)備噪聲上，在低負(fù)荷工作模式下，風(fēng)機(jī)始終以低于50%的負(fù)荷工作，實(shí)際噪聲至少降低了10%。通過優(yōu)化智能控制系統(tǒng)，將重點(diǎn)工作時(shí)段和安靜工作時(shí)段的運(yùn)行模式進(jìn)行針對(duì)性設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)夜間進(jìn)一步降低噪聲的目的，大幅提升了設(shè)備的總體環(huán)境和諧度。在設(shè)備維護(hù)上，作為風(fēng)機(jī)易損件的傳動(dòng)三角帶，磨損度大幅減緩。常規(guī)運(yùn)行4個(gè)月左右即磨損待換的組件，在運(yùn)行6個(gè)月時(shí)依然有較好的摩擦力及韌性，壽命增加50%以上，降低了曝氣中斷的概率，提高了水處理反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

風(fēng)機(jī)作為污水處理系統(tǒng)中的用電大戶，是造成污水處理單位用電高的主要原因。在目前的水處理工藝中，電能的消耗費(fèi)用遠(yuǎn)大于藥劑和維護(hù)人員的費(fèi)用，占總消費(fèi)的60%～90%[5]。風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)在常規(guī)的變頻控制上增加了多重傳感器和控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的深度優(yōu)化。實(shí)地運(yùn)行表明，該系統(tǒng)在工藝設(shè)計(jì)的冗余性、設(shè)備的整體能耗、污染物的處理能力以及噪聲上都有良好的效果。隨著小型分散式污水處理設(shè)備被廣泛安裝應(yīng)用，智能化管理將是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。