智能風機變頻系統在小型分散式污水處理中的應用

羅 凱

（山西省交通新技術發展有限公司，太原 030012）

隨著環保工作的不斷深入，雖然采用傳統大型污水處理廠進行污水的集中收納和處理在費用上和管理上具有很大優勢，但是在處理水量和污染負荷上均難以從容應對。此外，過長的管道運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用[1]。小型分散式污水處理常用于醫院、學校、交通站以及住宅小區等，擁有獨立的處理單元與控制系統。該設備主要包括攪拌風機、離心泵、風機、回流泵以及螺桿泵等大型用電設備。其中，從工作負荷和能耗方面來看，風機是最重要的設備，是小型分散式水處理工藝是否能夠實現節能減排和穩定低噪運行的關鍵[2]。因此，如何合理優化風機的運行邏輯，是提高分散式污水處理設備生產能力和節能性能的重要環節。

1 風機的功能及當前應用中存在的不足

風機在小型分散式污水處理設備中屬于曝氣系統的一個核心組件，負責為水處理系統的反應組件提供反應所需的氧氣。常用的風機包括回轉式風機、羅茨風機以及離心式風機等。其中，羅茨風機由于采用了三葉轉子結構形式及合理的殼體內進出風口處的結構，震動較小。同時，葉輪和軸為整體結構且葉輪無磨損。風機性能持久不變，可以長期連續運轉，可靠性較高，所以使用面最廣。但是，羅茨風機尤其是大功率的設備在運行中噪聲較大，同時由于分散式污水設備的使用場景均為人流量、水量變化浮動較大的地點，受場所經營、節假日等多方面的影響，致使設備運行負荷變化幅度較大。此外，較簡單的控制邏輯和不規律的進水負荷導致的能源非必須損耗問題，致使其在實際使用過程中的評價褒貶不一。針對目前風機系統使用中存在的不足，通過引入變頻系統、傳感器系統和智能控制系統對其進行優化，在風機的噪聲、能耗、維護周期和使用效果上均取得了較好效果。

2 智能風機變頻系統的組成

2.1 變頻系統

變頻系統目前被廣泛應用于風機，在固定風量的風機無法滿足實際使用場景需要時，通常采用旁路釋放風壓或風機變頻的辦法。采用旁路釋放風壓的方式通常會因為空氣流速過大而出現較大的噪聲。同時，在采用閥門調節實現風量控制時，閥門調節的精度和閥門的密封性也會在長期的使用中出現各種異常。該方法雖然調節了風機的使用風量，但是風機的總體能耗并沒有變化，造成了能源的浪費[3]。采用變頻系統控制的分機可以在不使用旁通管道泄壓的情況下實現風量的無級調節，精度更高，可靠性更好，同時避免了能耗浪費。同時，在變頻器的控制下，風機實現了軟啟動，避免了因為硬啟動瞬間壓力對抗而出現的故障。

2.2 傳感器系統

單純由變頻器控制風機僅實現了風機在風量和能耗上的人為調控。但是，污水處理系統對風機供氧能力的需求實際是一個變化的過程。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，而風機的工作目標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現實時監控。傳感器通常采用熒光法或電極法進行測量，將水體中溶解氧的濃度轉換為4～20 mA信號傳輸至外部，與變頻器連接后可根據信號強度調節頻率的輸出，進而控制風機供氧能力，實現風機負荷的動態調節，并穩定水體溶解氧濃度。

2.3 智能控制系統

變頻系統實現了風機輸出能力的可調性，而傳感器實現了風機輸出可調的自適應能力。保證該套系統能在整個分散式污水處理系統中發揮作用并實現智能化、無人值守的運行模式，還需要智能控制系統的統一調控。常用的控制系統包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、集散控制系統（Distributed Control System，DCS）以及現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）等[4]。控制系統可收集污水處理過程中的進水量、污染物濃度、環境溫度以及反應時間等參數，計算目標溶解氧值以指導風機運行，控制流程如圖1所示。

圖1 控制流程圖

污水經過流量計、水質檢測儀流入污水處理反應器的調節池（調節池為主要的污水收集池，可暫存污水供后續處理設備按需使用，有調節負荷的能力），通過流量計、水質檢測儀得出污水總量及污水中污染物質的總量。該參數被上傳至智能控制系統，并由控制系統結合當前的水體溫度（氧溶解度）、預設的數據和遠程人員控制，計算出目標溶解氧值。該目標值將與位于反應器內部的氧傳感器進行比對，進而反饋至控制系統，從而調節風機變頻器控制風機的輸出能力以實現智能控制。

3 智能風機變頻系統的使用效果

通過加裝變頻器、溶解氧傳感器和邏輯控制器實現風機運行的智能化后，系統在噪聲、能耗和小型分散式污水處理設備的運行上均取得了較好的效果。

3.1 噪聲及能耗優化

風機對水處理設備進行供氧工作時，不可避免會出現一定的噪聲。在加裝進出口消音器后，系統滿負荷的噪聲仍達到90 dB以上，是機房噪聲的主要來源。由于小型分散式污水處理水量變化幅度一般較大，設備滿負荷工作情況相對較少，在使用變頻系統控制風機后，風機的噪聲得到了很好的緩解。以某品牌7.5 kW羅茨風機為例，該設備可在風壓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測試其各個工作頻率下的噪聲，結果如表1所示。可以發現，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，設備噪聲為滿負荷工況下的86%。在設備更低負荷工作時，它的降噪效果明顯。

表1 各頻率下某型號風機工作噪聲及實際功率

在非滿負荷工作的情況下，由于工作電源頻率的降低，風機的功耗也同步降低。在運行頻率為30 Hz的頻率下，風機的供電電流已降低至4.7 A左右，折算運行功率為3.29 kW，節能50%以上。

綜上所述，在有效的工作區間內，風機的噪聲和功率均得到了有效調整，有充足的空間為智能化運行提供條件。

3.2 智能運行下的綜合效果

以某高速公路服務區小型分散式污水處理為例，該站點采用AO+MBR的水處理工藝，由兩臺7.5 kW的羅茨風機負責供氧，其中一臺為AO段供氧風機，一臺為MBR段鼓風機。由于該兩階段供氧需求不同,一般無法采用同型號風機。但是，在引入智能變頻系統后，可通過頻率調整實現不同的輸出匹配，實現了兩臺設備的互為備用。在實際運行中，該站點的日常水量為滿負荷狀態的30%～40%。隨著節假日人流的激增，設備將達到滿負荷運行，整個運行期污染物濃度基本無變化。在加入智能風機變頻系統后，風機通過精準的溶氧量控制實現了低負荷運行，在正常產水的前提下持續準確地為設備提供氧氣，避免了過多的浪費。該站點全年非高峰期時間約為240 d，以設備每天運行16 h計算，風機在不飽和運行時的平均運行頻率在30 Hz時，預估全年節電在1.1×104kW·h以上。節電的同時，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厭氧、缺氧的微生物環境的破壞，保持了最佳的微生物優勢菌群，提高了污染物降解的針對性，總體水質可控性更佳。在設備噪聲上，在低負荷工作模式下，風機始終以低于50%的負荷工作，實際噪聲至少降低了10%。通過優化智能控制系統，將重點工作時段和安靜工作時段的運行模式進行針對性設置，可實現夜間進一步降低噪聲的目的，大幅提升了設備的總體環境和諧度。在設備維護上，作為風機易損件的傳動三角帶，磨損度大幅減緩。常規運行4個月左右即磨損待換的組件，在運行6個月時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，提高了水處理反應器的運行穩定性。

4 結語

風機作為污水處理系統中的用電大戶，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，電能的消耗費用遠大于藥劑和維護人員的費用，占總消費的60%～90%[5]。風機變頻系統在常規的變頻控制上增加了多重傳感器和控制邏輯，實現了風機運行的深度優化。實地運行表明，該系統在工藝設計的冗余性、設備的整體能耗、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備被廣泛安裝應用，智能化管理將是實現節能環保目標的關鍵環節。