【技术应用】怎么样实现污水处理的高效节能？
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年6月刊杂志，原标题为：变频技术在污水处理曝气控制中的应用
在典型的废水处理厂，曝气风机是最大的单一能源用户。能源效率提升最主要的途径之一，就是采用基于变频控制技术将空气吹入曝气池的方式。从通过流量控制阀（FCV）转变为由鼓风机的转速来控制流量，可以减少高达50%的能源消耗。
典型的污水处理工艺包含三个主要阶段：机械处理阶段、生物处理阶段和最终的加氯和过滤处理阶段。每个阶段都可使用变频器。生物处理阶段是其中最关键的环节，因为在该阶段好氧菌可以消耗污水中的有机物。生物处理在曝气池中完成，好氧菌被强制倍增，以很高的速率繁殖，这些都是通过增加水中的有效含氧量完成的，因此需要使用风机将空气鼓入曝气池。
为了促进好氧菌完成该项工作，离不开两种资源：用来呼吸和繁殖的空气，以及用来消耗的有机物质或食物。曝气风机将空气鼓到曝气池中，水中的溶解氧（DO）不断增加。曝气池中，溶解氧容量的最佳范围取决于污水量、曝气池大小和污水流速。
图1：曝气池的空气控制对于污水处理工艺的正常运行非常关键。 所有图片来源：Shady Yehia
控制向曝气池中注入的空气数量对在整个工艺十分关键（见图1）。如果空气较少，就会降低细菌的繁殖速率，现有的细菌无法消耗流经曝气池的所有有机成份，这样处理就不完全。如果注入的空气再少点，甚至是没有空气注入，那细菌就会消耗光曝气池中所有的溶解氧并死亡。在这种情况下，污水处理过程就停止了。必须重新启动该过程，重新建立细菌菌落，该过程可能需要数周才能完成。
另一方面，如果注入的空气太多也不好。即使超过适量的空气可以确保细菌的生长，但是从能源消耗角度来讲并不经济。而且，如果过量的空气注入到曝气池中，细菌的生长就会超过容许的界线，曝气池中的有机物就会被消耗的过快，细菌将会忍受饥饿甚至是被饿死，同样也会导致处理流程的中断。
典型的曝气控制策略基于比例、积分和微分（PID）控制。控制器可以是可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）、甚至是独立的PID控制器。
图2所示的传统回路，使用溶解氧探头和传感器，来测量水池中的氧含量；并将其与溶解氧设定值比较（一般情况为2.0到4.5ppm），并计算所需的控制输出，通过流量控制阀来调节进入水箱的空气流量，从而改变水池中的溶解氧。
图2：利用流量控制阀来实现曝气控制。
这种方法已经被证明，可以将水池中的溶解氧值维持在可以接受的范围之内，但是并不能满足现代工厂关于低能耗的要求，而变频驱动则在曝气池控制方面发现了它的用武之地，是一种有效的替代传统流量控制阀的途径。
应用该策略时，系统不再需要流量控制阀，变频器一般作为电机控制中心（MCC）的一部分提供给工厂，接受控制器的输出信号（一般为4-20mA），来改变鼓风机的转速（见图3）。
图3：基于变频驱动的曝气控制。
变频器将输入的固定电压、固定频率的电源，转换成可变的电压和频率。同样的概念，就是改变电机的转速而不需要调节皮带轮或齿轮的理论基础。
使用变频器所节约的能源，可以从以下相似定律中得出：
●流量正比于轴的转速；
●压力正比于轴转速的平方；
●功率正比于轴转速的立方；
将变频器应用于离心式风扇或风机的功率消耗曲线，与应用流量控制阀的曲线相对比，可以看出，在同样的运行点，变频器节省出更多的能源；当流速减少20%时，节省的能源消耗高达50%（见图4）。在容积式鼓风机的应用中，虽然变频器节省的能源相对较少，但是也不能忽视。
将变频器用于曝气池，不仅可以节约能源，还将提高工厂的投资回报率。考虑到不同工厂6-18个月的投资回报周期，变频器在曝气控制方面的应用，还可以带来以下超额的效益：
●系统不再需要控制阀，可以降低维护费用，因为控制阀是一个需要较高维护资源的元件。在较低的压力下运行鼓风机，可以降低机械系统部件的应力和振动。
图4：从图中变频器对比流量控制阀的能源消耗曲线，证明了变频器带来的能源节约更多。
●更快、更精确和具有更好响应性的控制。一般情况下，这可以减少工艺过程的波动，确保在所有的时间内，经处理后的水都能维持在工艺要求的范围内。
●提高工厂功率系数，因为变频驱动器包含内部电容器，提供了驱动电机所需要的大部分电抗功率要求。如前所述，一般情况下，曝气鼓风机是污水处理厂最大的负载，因此所带来的功率系数提升也非常显著。
实施变频器曝气控制策略，在工厂运行的多个方面获得了显著的效益；它可以节约能源，提升过程控制，提升工厂的功率系数，降低维护费用。我们不应忽视这些效益，尤其是在能源价格上涨、运行标准日趋严格的情况下。