智能风机变频系统在小型分散式污水处理中的应用

罗 凯

（山西省交通新技术发展有限公司，太原 030012）

随着环保工作的不断深入，虽然采用传统大型污水处理厂进行污水的集中收纳和处理在费用上和管理上具有很大优势，但是在处理水量和污染负荷上均难以从容应对。此外，过长的管道运输带来了极高的基建成本，因此越来越多的分散式污水处理获得了广泛应用[1]。小型分散式污水处理常用于医院、学校、交通站以及住宅小区等，拥有独立的处理单元与控制系统。该设备主要包括搅拌风机、离心泵、风机、回流泵以及螺杆泵等大型用电设备。其中，从工作负荷和能耗方面来看，风机是最重要的设备，是小型分散式水处理工艺是否能够实现节能减排和稳定低噪运行的关键[2]。因此，如何合理优化风机的运行逻辑，是提高分散式污水处理设备生产能力和节能性能的重要环节。

1 风机的功能及当前应用中存在的不足

风机在小型分散式污水处理设备中属于曝气系统的一个核心组件，负责为水处理系统的反应组件提供反应所需的氧气。常用的风机包括回转式风机、罗茨风机以及离心式风机等。其中，罗茨风机由于采用了三叶转子结构形式及合理的壳体内进出风口处的结构，震动较小。同时，叶轮和轴为整体结构且叶轮无磨损。风机性能持久不变，可以长期连续运转，可靠性较高，所以使用面最广。但是，罗茨风机尤其是大功率的设备在运行中噪声较大，同时由于分散式污水设备的使用场景均为人流量、水量变化浮动较大的地点，受场所经营、节假日等多方面的影响，致使设备运行负荷变化幅度较大。此外，较简单的控制逻辑和不规律的进水负荷导致的能源非必须损耗问题，致使其在实际使用过程中的评价褒贬不一。针对目前风机系统使用中存在的不足，通过引入变频系统、传感器系统和智能控制系统对其进行优化，在风机的噪声、能耗、维护周期和使用效果上均取得了较好效果。

2 智能风机变频系统的组成

2.1 变频系统

变频系统目前被广泛应用于风机，在固定风量的风机无法满足实际使用场景需要时，通常采用旁路释放风压或风机变频的办法。采用旁路释放风压的方式通常会因为空气流速过大而出现较大的噪声。同时，在采用阀门调节实现风量控制时，阀门调节的精度和阀门的密封性也会在长期的使用中出现各种异常。该方法虽然调节了风机的使用风量，但是风机的总体能耗并没有变化，造成了能源的浪费[3]。采用变频系统控制的分机可以在不使用旁通管道泄压的情况下实现风量的无级调节，精度更高，可靠性更好，同时避免了能耗浪费。同时，在变频器的控制下，风机实现了软启动，避免了因为硬启动瞬间压力对抗而出现的故障。

2.2 传感器系统

单纯由变频器控制风机仅实现了风机在风量和能耗上的人为调控。但是，污水处理系统对风机供氧能力的需求实际是一个变化的过程。污水中的污染物浓度和微生物的特性决定了水体中溶解氧的消耗速度，而风机的工作目标是维持特定的溶解氧浓度。水体中溶解氧的浓度可通过传感器实现实时监控。传感器通常采用荧光法或电极法进行测量，将水体中溶解氧的浓度转换为4～20 mA信号传输至外部，与变频器连接后可根据信号强度调节频率的输出，进而控制风机供氧能力，实现风机负荷的动态调节，并稳定水体溶解氧浓度。

2.3 智能控制系统

变频系统实现了风机输出能力的可调性，而传感器实现了风机输出可调的自适应能力。保证该套系统能在整个分散式污水处理系统中发挥作用并实现智能化、无人值守的运行模式，还需要智能控制系统的统一调控。常用的控制系统包括可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、集散控制系统（Distributed Control System，DCS）以及现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）等[4]。控制系统可收集污水处理过程中的进水量、污染物浓度、环境温度以及反应时间等参数，计算目标溶解氧值以指导风机运行，控制流程如图1所示。

图1 控制流程图

污水经过流量计、水质检测仪流入污水处理反应器的调节池（调节池为主要的污水收集池，可暂存污水供后续处理设备按需使用，有调节负荷的能力），通过流量计、水质检测仪得出污水总量及污水中污染物质的总量。该参数被上传至智能控制系统，并由控制系统结合当前的水体温度（氧溶解度）、预设的数据和远程人员控制，计算出目标溶解氧值。该目标值将与位于反应器内部的氧传感器进行比对，进而反馈至控制系统，从而调节风机变频器控制风机的输出能力以实现智能控制。

3 智能风机变频系统的使用效果

通过加装变频器、溶解氧传感器和逻辑控制器实现风机运行的智能化后，系统在噪声、能耗和小型分散式污水处理设备的运行上均取得了较好的效果。

3.1 噪声及能耗优化

风机对水处理设备进行供氧工作时，不可避免会出现一定的噪声。在加装进出口消音器后，系统满负荷的噪声仍达到90 dB以上，是机房噪声的主要来源。由于小型分散式污水处理水量变化幅度一般较大，设备满负荷工作情况相对较少，在使用变频系统控制风机后，风机的噪声得到了很好的缓解。以某品牌7.5 kW罗茨风机为例，该设备可在风压40 kPa的条件下提供6.5 m3·min-1以上的空气量，并已安装配套消声器。工况良好的前提下，在距离1.5 m测试其各个工作频率下的噪声，结果如表1所示。可以发现，除了40 Hz频率下由于共振引起的噪声激增之外，在常用的30 Hz频率下，设备噪声为满负荷工况下的86%。在设备更低负荷工作时，它的降噪效果明显。

表1 各频率下某型号风机工作噪声及实际功率

在非满负荷工作的情况下，由于工作电源频率的降低，风机的功耗也同步降低。在运行频率为30 Hz的频率下，风机的供电电流已降低至4.7 A左右，折算运行功率为3.29 kW，节能50%以上。

综上所述，在有效的工作区间内，风机的噪声和功率均得到了有效调整，有充足的空间为智能化运行提供条件。

3.2 智能运行下的综合效果

以某高速公路服务区小型分散式污水处理为例，该站点采用AO+MBR的水处理工艺，由两台7.5 kW的罗茨风机负责供氧，其中一台为AO段供氧风机，一台为MBR段鼓风机。由于该两阶段供氧需求不同,一般无法采用同型号风机。但是，在引入智能变频系统后，可通过频率调整实现不同的输出匹配，实现了两台设备的互为备用。在实际运行中，该站点的日常水量为满负荷状态的30%～40%。随着节假日人流的激增，设备将达到满负荷运行，整个运行期污染物浓度基本无变化。在加入智能风机变频系统后，风机通过精准的溶氧量控制实现了低负荷运行，在正常产水的前提下持续准确地为设备提供氧气，避免了过多的浪费。该站点全年非高峰期时间约为240 d，以设备每天运行16 h计算，风机在不饱和运行时的平均运行频率在30 Hz时，预估全年节电在1.1×104kW·h以上。节电的同时，水体中污染物浓度的降解效率依然得到了保持。

溶解氧被控制在最佳的范围，避免了过高的溶解氧对厌氧、缺氧的微生物环境的破坏，保持了最佳的微生物优势菌群，提高了污染物降解的针对性，总体水质可控性更佳。在设备噪声上，在低负荷工作模式下，风机始终以低于50%的负荷工作，实际噪声至少降低了10%。通过优化智能控制系统，将重点工作时段和安静工作时段的运行模式进行针对性设置，可实现夜间进一步降低噪声的目的，大幅提升了设备的总体环境和谐度。在设备维护上，作为风机易损件的传动三角带，磨损度大幅减缓。常规运行4个月左右即磨损待换的组件，在运行6个月时依然有较好的摩擦力及韧性，寿命增加50%以上，降低了曝气中断的概率，提高了水处理反应器的运行稳定性。

4 结语

风机作为污水处理系统中的用电大户，是造成污水处理单位用电高的主要原因。在目前的水处理工艺中，电能的消耗费用远大于药剂和维护人员的费用，占总消费的60%～90%[5]。风机变频系统在常规的变频控制上增加了多重传感器和控制逻辑，实现了风机运行的深度优化。实地运行表明，该系统在工艺设计的冗余性、设备的整体能耗、污染物的处理能力以及噪声上都有良好的效果。随着小型分散式污水处理设备被广泛安装应用，智能化管理将是实现节能环保目标的关键环节。