污水處理廠電氣節(jié)能技術(shù)研究

王杰亭 戴金峰

摘要：降低電能消耗是污水處理廠成本控制的關(guān)鍵要素，大量的污水凈化處理需要電氣設(shè)備不停運(yùn)轉(zhuǎn)工作，因此電能消耗巨大。將變頻技術(shù)運(yùn)用到鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水泵的控制當(dāng)中，可以有效降低污水廠的電能消耗，降低運(yùn)營成本。鑒于此，文章對(duì)污水處理廠的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；電氣節(jié)能技術(shù)；節(jié)能降耗；成本控制；電氣設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X703 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0079-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.039

污水處理（Sewage Treatment，Wastewater Treatment）主要是指為了使工業(yè)或人們?nèi)粘Ｉ钏a(chǎn)的污水，為達(dá)到某一水體或者再次使用的水質(zhì)要求，對(duì)其進(jìn)行凈化的過程。伴隨著城市的快速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鳟a(chǎn)生的污水越來越多，污水廠的污水凈化工作量明顯增加，與此同時(shí)凈化系統(tǒng)能源消耗就成為污水處理廠成本控制的關(guān)鍵問題。因此，電氣節(jié)能技術(shù)對(duì)于污水的影響較大，本文主要介紹的是變頻技術(shù)在污水處理廠的應(yīng)用，并介紹了相關(guān)的電氣節(jié)能技術(shù)與方案。

1 污水處理廠電氣節(jié)能技術(shù)的評(píng)價(jià)

污水處理廠在城市發(fā)展中具有重要作用，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，日常生活和工作中產(chǎn)生的污水、廢水越來越多，污水處理的規(guī)模也隨之提升，這在一定程度上增加了處理廠的能源消耗，就我國目前污水處理廠的現(xiàn)狀來分析，電氣節(jié)能技術(shù)仍然處在較低水平，設(shè)備的能源消耗較大，嚴(yán)重制約了污水廠的生產(chǎn)效益。就目前污水處理廠的現(xiàn)狀來分析，部分廠區(qū)污水處理設(shè)備的節(jié)能降耗措施并不完善，整個(gè)污水處理工藝水平不高，更重要的是一些早期建造的污水處理廠，設(shè)備工藝?yán)匣瘒?yán)重，節(jié)能降耗措施配套不嚴(yán)密，而且對(duì)于污水凈化方面也起不到良好的質(zhì)量保證。例如：多數(shù)污水處理廠采用DY2000帶式脫水機(jī)，該設(shè)備的過濾段為全封閉結(jié)構(gòu)，在混合液進(jìn)入到絮凝反應(yīng)器的過程中，感應(yīng)器內(nèi)部采用階梯下落的方式進(jìn)行混合，混合反應(yīng)的過程較為劇烈，而且絮凝劑和污泥反應(yīng)十分迅速，反應(yīng)形成的絮凝塊在重力的作用下掉落，當(dāng)離子交換膜兩側(cè)濃度不同的溶液接觸時(shí)，必然會(huì)發(fā)生電解質(zhì)離子，從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)擴(kuò)散滲析，同時(shí)又有水從低濃度側(cè)向高濃度側(cè)的自然擴(kuò)散滲透。再加上這些設(shè)備大都屬于能耗高、自動(dòng)化程度低、維修率高的設(shè)備，一些處理廠每處理萬噸污水耗電量高達(dá)2000多度，這在一定程度上增加了污水處理廠的運(yùn)營成本。

2 污水處理廠能耗分析

2.1 我國污水處理廠能耗現(xiàn)狀

調(diào)查得知，我國能源消耗一直居高不下，同時(shí)能耗方面也嚴(yán)重影響了污水處理廠的運(yùn)行成本。以江蘇省南通市污水處理廠為例，該污水處理廠主要對(duì)市區(qū)部分工業(yè)及居民、餐飲、市政等單位的水物資進(jìn)行處理，總覆蓋面積約63.7km2。設(shè)計(jì)污水處理能力約為12～16萬m3/日，達(dá)到國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。從污水處理設(shè)備工藝方面進(jìn)行分析，污水處理設(shè)備總裝機(jī)容量可以達(dá)到1585kW，工作容量為1180kW，計(jì)算負(fù)荷為876.31kW，其中曝氣池以及離心式鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率最大，對(duì)整個(gè)廠區(qū)的運(yùn)行成本影響較大。鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水泵都是污水處理廠的核心設(shè)備，如果在沒有采用變頻器技術(shù)優(yōu)化的情況下，全天候運(yùn)行的耗電量，占全部處理設(shè)備功率的72%。

在曝氣池鼓風(fēng)機(jī)中引入變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以有效利用曝氣池中溶解氧量作為控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。具體原理為在曝氣池中裝設(shè)氧氣濃度傳感器，對(duì)池中氧氣溶解量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后傳感器將采集到的信號(hào)傳遞給變頻器，變頻器根據(jù)氧氣的不同濃度來控制鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際進(jìn)風(fēng)量。正常狀態(tài)下，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)門完全開放，進(jìn)風(fēng)量則由變頻器進(jìn)行控制。

2.2 污水處理廠能耗分析和節(jié)能技術(shù)的意義

針對(duì)我國目前污水處理廠能源消耗現(xiàn)狀，借鑒西方發(fā)達(dá)國家的成熟經(jīng)驗(yàn)，開展污水處理系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)，引入變頻控制系統(tǒng)并且對(duì)大功率污水處理設(shè)備進(jìn)行能效測(cè)試及建立系統(tǒng)完善的能源節(jié)約技術(shù)規(guī)范，尤其對(duì)改善曝氣池鼓風(fēng)機(jī)等大功率匹配狀況和系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，提高污水處理系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)性能和系統(tǒng)效率十分必要，項(xiàng)目研究后，形成的成果具有重要的推廣和應(yīng)用價(jià)值。通過變頻器調(diào)節(jié)，污水處理設(shè)備啟動(dòng)時(shí)所需電流幅度有效降低，避免了啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)過程中對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊。降低能耗的同時(shí)還能確保設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。利用變頻調(diào)節(jié)形成的封閉系統(tǒng)，提高自動(dòng)化控制水平，降低人工操作，運(yùn)行可靠無需人員留守，據(jù)統(tǒng)計(jì)，以南通市2014年企業(yè)職工每月平均工資4381元計(jì)算，每年單人人力成本可節(jié)約開支52572元，有效節(jié)約人力成本及資源。

2.3 污水處理廠能耗分析和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

變頻器是現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)的重要組成部分，它主要應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器的主要構(gòu)造包括整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元以及檢測(cè)單元微處理單元幾個(gè)部分。其中變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開斷，調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，在污水處理系統(tǒng)中，變頻器可以根據(jù)曝氣池內(nèi)傳感器接收的信號(hào)來控制鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)的實(shí)際需要的電源電壓，達(dá)到智能調(diào)控、節(jié)約能耗的最終目的。此外，變頻器還具備眾多保護(hù)功能，例如過流、過壓、過載保護(hù)等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

3 污水處理廠電氣節(jié)能技術(shù)途徑

3.1 鼓風(fēng)機(jī)的優(yōu)化措施

在優(yōu)化過程中，給每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)配備ACS800變頻調(diào)節(jié)器，配合PLC智能控制器形成閉合時(shí)封閉系統(tǒng)。本處理廠具有四個(gè)反應(yīng)池，每?jī)蓚€(gè)反應(yīng)池為一個(gè)功能單元，每個(gè)單元配有一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)。鼓風(fēng)機(jī)在反應(yīng)池的運(yùn)行過程中，可以根據(jù)池中的溶解氧量調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和工作時(shí)間。在PLC自動(dòng)控制器的作用下，鼓風(fēng)機(jī)可根據(jù)溶解氧值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，確保以最少的電能滿足溶解氧需求。

3.2 進(jìn)水泵系統(tǒng)的優(yōu)化

在進(jìn)水泵坑內(nèi)共設(shè)置三臺(tái)進(jìn)水泵，為節(jié)省投資，三臺(tái)水泵用一臺(tái)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，一臺(tái)用變頻器帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，一臺(tái)停止或者工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺(tái)作為備用。采用超聲波水位傳感器對(duì)集水池水位進(jìn)行檢測(cè)，傳感器傳出的電流信號(hào)作為變頻器的控制信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算處理后控制水泵運(yùn)行的頻率和開關(guān)，確保水泵組抽水量隨著水位變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而有效降低能源消耗。

3.3 優(yōu)化污水處理工藝

伴隨著城市污水年產(chǎn)量的不斷增多，污水處理廠對(duì)于先進(jìn)設(shè)備以及先進(jìn)技術(shù)的需求量越來越大，通過對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)也是降低污水處理廠能耗的有效方式。例如：在污水處理廠建設(shè)初期，解決好廠區(qū)雨污排水系統(tǒng)，從源頭上降低柵渣量，確保污水量過大時(shí)有足夠的分流分壓途徑，對(duì)于進(jìn)入到污水處理系統(tǒng)的漂浮物要及時(shí)的清理，最大限度地延長(zhǎng)潛水泵的使用壽命；要充分利用電網(wǎng)的峰谷平計(jì)價(jià)規(guī)則，合理調(diào)整工藝及大功率設(shè)備運(yùn)行時(shí)間；還可以對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，提升污水入槽時(shí)的準(zhǔn)確度，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備對(duì)污水處理的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提升污水處理廠的工作質(zhì)量。通過電氣節(jié)能技術(shù)的改造，該工程在投入運(yùn)行后，年處理污水可以達(dá)到5332.82萬噸，共計(jì)耗電量為715.46萬kW/h，平均每噸污水處理用電量為

0.165kW/h，同比沒有采用變頻調(diào)速技術(shù)的污水處理廠每噸水用電量為0.22kW/h，可以節(jié)約25%的能源消耗量，以此計(jì)算，年耗電量可以節(jié)約89.43kW/h，如果按照每千瓦時(shí)0.8元的電價(jià)計(jì)算，預(yù)計(jì)每年可以節(jié)約71.55萬元電費(fèi)，由此可見，節(jié)能降耗效果顯著。

4 結(jié)語

綜上所述，污水處理廠是城市建設(shè)的重要組成部分，為人們的日常生活和工作提供必要的水源，但與此同時(shí)城市快速發(fā)展給污水處理廠也帶來了沉重的能源負(fù)擔(dān)。為了緩解能源危機(jī)對(duì)污水處理廠帶來的影響，本文引入了變頻節(jié)能技術(shù)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水泵進(jìn)行改造，以達(dá)到節(jié)約能源、安全生產(chǎn)的目的。通過變頻技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化操作，而且處理水質(zhì)也有了明顯提升，設(shè)備的抗干擾能力也有所增強(qiáng)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

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作者簡(jiǎn)介：王杰亭（1986-），男，山東煙臺(tái)人，光大水務(wù)（淄博）有限公司初級(jí)工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：王 波）