變頻調速在污水處理控制中的應用

　　1 引言
　　廢水生物處理技術中的批式活性污泥法又稱SBR法，是一種簡快速且低耗的污水處理工藝，具有工藝簡單、效率高、脫氫除磷效果好，防止污泥膨脹性能強，耐沖擊負荷和處理能力強等優點，非常適用于水質變化大的中小城鎮的生活污水處理，以及易生物降解的工業廢水處理。
　　目前由于化學需氧量COD濃度在線檢測儀器的出現，將COD濃度作為重要的工藝參數，系統通過在線檢測COD的濃度值來調節曝氣量，以保證出水質量，節省運行費用。
　　2 SBR法污水處理過程分析
　　圖1所示為活性污泥處理流程示意圖。SBR廢水處理法初次沉淀池、曝氣池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放幾個系統組成。初次沉淀池用以去除污水中原生懸浮物，懸浮物少時可不設置。污水和回流的活性污泥一起進入曝氣池形成混合液，通過羅茨風機充入空氣，使混合液得到足夠的攪拌而呈懸浮狀態，然后流入沉淀池?；旌弦褐械膽腋」腆w在沉淀池中沉淀下來和水分離，流出沉淀池的凈化水。沉淀池中的污泥大部分回流，成為回流污泥。

　　傳統的控制方法是時間程序控制，即按照規定的時間和順序進行：

　　·充水（打開進水電動閥）：7h

　　·曝氣（開啟羅茨風機）：1.75h

　　·攪拌（接通攪拌電機）：1.25h

　　·沉淀：1.5h

　　·排水（打開電磁閥）：0.5h

　　從充水開始到排水結束為一個周期。在一個周期內，通過曝氣、停氣使充氧/缺氧狀態相互交替進行。在分解污水中含碳化合物（以COD為代表）的同時，相繼進行含氮化合物的硝化和反硝化，最終達到脫碳、脫氨和脫氮的目的。

　　一般情況下，采用每天執行兩周期（12h/周期），但是，工業污水中有機物的濃度往往是隨時間變化的，如果按固定的反應時間控制SBR法污水處理系統的運行，則既浪費能源又容易發生污泥膨脹。如時間設置不合適，還將影響處理效果。

　　3 曝氣量的變頻調速控制設計

　　化學需氧量COD是一個重要的工藝參數，如控制系統在污水處理過程中，在線檢測COD的值來調節曝氣量，使整個反應過程的化學需氧量COD處于適當的范圍，這樣既能保證出水質量，又能節省運行費用。

　　圖2為一種西門子變頻器與PLC相結合實現PID調節的變頻調速的風機控制系統，其中EM235為PLC模擬量I/O擴展模塊。其工作過程是：系統在線檢測的COD值，送入PLC模塊后，進行PID的運算，其模擬量輸出作為變頻器的輸入，控制變頻調速，來達到調整風機轉速，從而實現曝氣量的調節控制。

　　圖3給出了本例實現PID控制的流程圖。

　　4 變頻調速的節電分析

　　由圖1可知，調節曝氣量的大小，可采用調節風門控制風量和調節風機轉速控制風量兩種方法。此兩種方法相比，后者有著明顯的節電效果，其原理圖如圖4所示。

　　圖中，曲線1為風機在恒速下的風壓-風量（H-Q）特性曲線;曲線2為恒速下的功率一風量（Ps一Q）特性曲線;曲線3為管網風阻特性（風門全開）。
　　設風機在設計時工作在A點，效率最高，此時輸出風量Q為100%，軸功率為Ps1，與Ql、H1的乘積成正比，即Ps1與AH1OQ1所包圍的面積成正比。
　　當需要調節風量時，例如，所需風量從100%減少到額定風量的50%，即從Q1減少到Q2時，如采用調節風門的方法來調節風量，使管網阻力曲線由曲線3變為曲線4。就是說，減小風門開度增加了管網阻力。此時，系統的工作點由原來的A點移至B點。可以看出，風量雖然降低了，但風壓增加了，軸功率Ps2與面積BH2OQ2成正比，它與Ps1相比，減少不多。
　　如果采用調節轉速來調節風量的方法，風機轉速由原來的n1降到n2。根據風機參數的比例定律，可以畫出在轉速n2下的風壓一風量（H—Q）特性曲線5，風機工作在C點?？梢姡跐M足同樣風量Q2的情況下，風壓將大幅度降低到H3，軸功率Ps2（與面積CH3OQ2成正比）也明顯降低。所節約的功率與面積AH1OQ1和CH3OQ2之差成正比。由此可見，用調速的方法來減少風量的經濟效益是十分顯著的。
　　由流體力學可知，風量Q與轉速n的一次方成正比，風壓H與轉速n的平方成正比，軸功率Ps與轉速n的三次方成正比。即：
　　Q∝nH∝n2Ps∝n3
　　當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。如所需風量為額定風量的80%，則轉速也下降為額定轉速的80%，而軸功率下降為額定功率的51.2%;當所需風量為額定風量的50%時，軸功率可以下降為額定功率的12.5%。當然，轉速降低時，效率也會有所降低，同時還應考慮控制裝置的附加損耗等影響。即使如此，這種方法的節電效果也是非常可觀的。另一方面，使用通用變頻器來改變轉速后，當風機轉速下調10%時，則風機輸出功率下降到額定功率的73%;當風機轉速下調20%時，則風機輸出功率下降到額定功率的51%?？梢姂米冾l器技術調速又比普通調速來控制曝氣量的大小其節電效果更加顯著。
　　5 結束語
　　本例采用變頻調速技術與PLC相結合進行曝氣量的調節控制，既保留了PLC控制系統可靠、靈活、適應能力強等特點，又提高了控制系統的智能化程度。
　　本文作者的創新點在于，利用了變頻器與PLC相結合，對風機的曝氣量實現了精確的PID調節控制。這種控制方法不僅提高了污水處理系統的可靠性、節約了能源，而且對于進一步實現各種活性污泥法的實時控制提供了一較為理想的控制方案。