一、概述
城市生活污水處理自200年前工業(yè)革命以來，越來越受到人們的重視。城市污水處理率已成為一個地區(qū)文明與否的一個重要標志。近200年來，城市污水處理已從原始的自然處理、簡單的一級處理發(fā)展到利用各種先進技術(shù)、深度處理污水，并回用。處理工藝也從傳統(tǒng)活性污泥法、氧化溝工藝發(fā)展到A/O、A2/O、AB、SBR（包括CCAS工藝）等多種工藝，以達到不同的出水要求。我國城市污水處理相對于國外發(fā)達國家、起步較晚，目前城市污水處理率只有6.7%。在我們大力引起國外先進技術(shù)、設(shè)備和經(jīng)驗的同時，必須結(jié)合我國發(fā)展，尤其是當?shù)貙嶋H情況，探索適合我國實際的城市污水處理系統(tǒng)。
結(jié)合我國實際情況，參考國外先進技術(shù)和經(jīng)驗，建設(shè)城市污水處理廠應符以下幾個發(fā)展方向：
1 總投資省。
我國是一個發(fā)展中國家，經(jīng)濟發(fā)展所需資金非常龐大，因此嚴格控制總投資對國民經(jīng)濟大有益處。
2 運行費用低。
運行費用是污水處理廠能否正常運行的重要因素，是評判一套工藝優(yōu)劣的主要指標之一。
3 占地省。
我國人口眾多，人均土地資源極其緊缺。土地資源是我國許多城市發(fā)展和規(guī)劃的一個重要因素。
4 脫氮除磷效果。
隨著我國大面積水體環(huán)境的富營養(yǎng)化，污水的脫氮除磷已經(jīng)成為一個迫切的問題。我國最新實施的國家《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）也明確規(guī)定了適用于所有排污單位，非常嚴格地規(guī)定了磷酸鹽排放標準和氨氮排放標準。這就意味著今后絕大多數(shù)城市污水處理廠都要考慮脫氮除磷的問題。
5 現(xiàn)代先進技術(shù)與環(huán)保工程的有機結(jié)合。
現(xiàn)代先進技術(shù)，尤其是計算機技術(shù)和自控系統(tǒng)設(shè)備的出現(xiàn)和完善，為環(huán)保工程的發(fā)展提供了有力的支持。目前，國外發(fā)達國家的污水處理廠大都采用先進的計算機管理和自控系統(tǒng)，保證了污水處理廠的正常運行和穩(wěn)定的合格出水，而我國在這方面還比較落后。計算機控制和管理也必將是我國城市污水處理廠發(fā)展的方向。
二、污水處理工藝及變頻改造可行性與變頻節(jié)能原理
1 原污水處理系統(tǒng)工藝
為了選擇出工藝上最可靠，投資上最經(jīng)濟，管理上最方便的城市污水處理系統(tǒng)，結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，我們調(diào)研了國內(nèi)外污水處理廠的成熟經(jīng)驗和發(fā)展趨勢，并進行了比較。 目前，國內(nèi)外城市污水處理廠處理工藝大都采用一級處理和二級處理。
a 一級處理是采用物理方法：
主要通過格柵攔截、沉淀等手段去除廢水中大塊懸浮物和砂粒等物質(zhì)。這一處理工藝國內(nèi)外都已成熟，差別不大。
b 二級處理則是采用生化方法：
主要通過微生物的生命運動等手段來去除廢水中的懸浮性，溶解性有機物以及氮、磷等營養(yǎng)鹽。目前，這一處理工藝有多種方法，歸結(jié)起來，有代表性的工藝主要有傳統(tǒng)活性污泥、氧化溝、A/O或A2/O工藝、SBR及CCAS工藝等。目前，這幾種代表工藝在國內(nèi)外都有實際應用。
c 曝氣機和潛水泵是污水處理的核心設(shè)備，也是主要的運行耗能設(shè)備。
污水處理廠曝氣機的鼓風機是全天候運轉(zhuǎn)的，曝氣機的主要作用就是向待處理污水中通入空氣，空氣中的氧融解在污水中，污水處理好壞在溶解氧部分,溶解氧濃度對處理結(jié)果有很大影響，溶解氧濃度太低，污水不能達標；溶解濃度太高，不僅浪費電能還可能使活性污泥上浮使出水也不能達標。溶解氧濃度主要靠鼓風機通入的風量來調(diào)節(jié)。
d 目前大部分鼓風機的風量調(diào)節(jié)是靠進風門及出風門來調(diào)節(jié)的，對鼓風機電機不做速度調(diào)節(jié)，此種調(diào)節(jié)方式節(jié)能有限，在不同的污水量及處理工藝的不同階段，隨然需要的風量不一樣，但鼓風機電機消耗的電能基本不變，造成極大的電能浪費。
2 變頻改造的可行性
隨著交流變頻調(diào)速的日益普及，變頻器補廣泛應用于各行各業(yè)當中。曝氣機的鼓風機加裝變頻器，鼓風機變頻控制后，能隨時根據(jù)污水量、污水處理的不同工藝階段所需的風量來調(diào)節(jié)鼓風機轉(zhuǎn)速，從而控制供風理，最終將曝氣池溶解氧的濃度控制在污水處理工藝所需值。變頻調(diào)速能是一項節(jié)電環(huán)保的技術(shù)，污水廠設(shè)備一般全天候運行，經(jīng)過變頻改造后節(jié)能效果可觀，運行穩(wěn)定可靠，操作方便，能真正實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。
3 變頻節(jié)能原理
隨著科技的不斷發(fā)展，交流電機調(diào)速技術(shù)被廣泛采用。通過新一代全控型電子元件，用變頻器改變交流電機的轉(zhuǎn)速方式來進行風機流量的控制，可以大幅度減少以往機械方式調(diào)控流量造成的能量損耗。設(shè)A點為風機最大工況點。當風量需從Q1減少到Q2時，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)法，工況點由A到B，風壓增加到H2，由圖中可看出軸功率P2下降，但減少的不太多。如果采用變頻調(diào)節(jié)方式，風機工況點由A到C，可見在滿足同樣風量Q2情況下，風壓H3將大幅度下降，功率P3隨著顯著減少。節(jié)省的功率損耗△P＝△HQ2與圖中面積BH2H3C成正比。
a 由以上分析可知，變頻調(diào)節(jié)是一種高效的調(diào)節(jié)方式。鼓風機采用變頻調(diào)節(jié)，不會產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調(diào)節(jié)風量范圍0％～100％，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負荷下運行的場合。但是，當風機轉(zhuǎn)速下降，風量減小時，風壓將發(fā)生很大變化，由風機比例定律：
Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3可知當其轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時，對應工況點的流量、壓力、軸功率各下降到原來的1/2、1/4、1/8，這就是變頻調(diào)節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。
① 假設(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低10%（輸出頻率45Hz時）,則功率
P2=（0.9）×P1=0.73P1,節(jié)電27%。
② 假設(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低20%（輸出頻率40Hz時）,則功率
P2=（0.8）3×P1=0.51P1,節(jié)電49%。
b 由于功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系，因此，轉(zhuǎn)速變化越大，功率的消耗將呈幾何級數(shù)減少。
c 按照GB12497《三相異步電動機經(jīng)濟運行》強制性國家標準實施監(jiān)督指南中的計算公式進行節(jié)電分析，即：
風機、泵類，采用擋板調(diào)節(jié)流量對應電機輸入功率PL與流量Q 的系式中：Pe－額定流量時電機輸入功率KW
QN－額定流量式中：Ki為節(jié)電率、P1為節(jié)約功率可使用上式估算改造為的節(jié)電量。根據(jù)原工況，對采用入口導葉的風機，在入口導葉小角度開度節(jié)電效果和變頻器相差不大，即開度為10%時與采用變頻控制節(jié)能效果相當不大可忽略不計。
4 實際產(chǎn)生經(jīng)濟價值及其估算
a 旁路開度為30%，流量為70%時節(jié)電率估算：
1-（(0.7)3/0.45+0.55×(0.7)2）＝52%
b 原工頻每月每臺估算用電量：
160×0.7×24×30＝80640KWH
c 變頻改造后每臺每月節(jié)電量：
80640×52%＝41933 KWH
d 變頻改造后每臺每月節(jié)省電費：
41933×0.8＝ 33546.4元
結(jié)論：
每套變頻節(jié)能柜報價：19.2萬無；投資回收周期：約 6 月
四、原設(shè)備運行工況
1 設(shè)備參數(shù)：
a 某污水處理廠有離心式鼓風機一共3臺，
b 配套的三相異步電動機型號為：Y2-315L1-2-160KW，2極電機，額定轉(zhuǎn)速2975RPM。
c 原啟動方式為軟啟動器（非變頻啟動）。
2 污水處理中鼓風機況
鼓風機采用入口導葉、出口閥門、旁路放空閥調(diào)節(jié)風量。工作時入口導葉開度為10%，入口進氣溫度為25.2度，壓力為0.1KPA；出口閥全開，出口溫度91.7度，壓力為60KPA；出口處旁路放空閥開度為30%。
3 啟動電流對電動機及設(shè)備的損害
電動機采用降壓軟啟動啟動方式，這種方式雖然能降低啟動電流對電動機的損害，但由于鼓風機慣性大，啟動力矩要求較大，仍有高達額定電流2—3倍的啟動電流，危害著電動機、水泵、單向閥、管路系統(tǒng)的使用壽命。
4 設(shè)備運行中的噪音、震動、水錘等問題
設(shè)備在啟動、運行、停止的過程中，由于無法進行及時有效的調(diào)節(jié)，會產(chǎn)生嚴重的水錘、機械噪音增加、震動加劇等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都具有極大的破壞性，會引起管道破裂或癟塌、損壞閥門和固定件，并會增加進線變壓器的負荷狀況。采用了變頻調(diào)節(jié)后，可以通過延長升、降速時間來延長起動或停機的過程，即使在運行過程中，也可以通過對工作頻率點的選擇，跳過容易引起設(shè)備共震的工作點，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統(tǒng)承受的應力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設(shè)備的工作壽命將大大延長。
五、變頻改造方案
根據(jù)原設(shè)備工況，考慮可靠性及配置的靈活性，采用一拖一方案，每臺鼓風機電機加裝一套變頻節(jié)能柜，保留原軟啟動裝置，作為變頻控制柜故障時的備用裝置，以保證生產(chǎn)的萬無一失。變頻控制柜內(nèi)含變頻器、切換接觸器、指示表、指示燈及按鈕開關(guān)等。
六、用戶受益
1 高效節(jié)能運行，節(jié)能效果可觀，投資回報周期短
變頻改造后，鼓風機可根據(jù)工藝需要來調(diào)節(jié)供風量，變頻調(diào)速后節(jié)約電能。
2 電機真正帶負載軟啟動，減少沖擊。
使用變頻調(diào)節(jié)以后，由于使用了SPWM技術(shù)，實現(xiàn)了真正意義上的軟啟動和緩沖停機，從根本上消除了啟動電流對電動機及其它設(shè)備的危害，大大延長了設(shè)備的使用壽命。
3 延長設(shè)備使用壽命
采用了變頻調(diào)節(jié)后，可以通過延長升、降速時間來延長起動或停機的過程，即使在運行過程中，也可以通過對工作頻率點的選擇，跳過容易引起設(shè)備共震的工作點，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統(tǒng)承受的應力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設(shè)備的工作壽命將大大延長。
