变频调速在污水处理控制中的应用

　　1 引言
　　废水生物处理技术中的批式活性污泥法又称SBR法，是一种简快速且低耗的污水处理工艺，具有工艺简单、效率高、脱氢除磷效果好，防止污泥膨胀性能强，耐冲击负荷和处理能力强等优点，非常适用于水质变化大的中小城镇的生活污水处理，以及易生物降解的工业废水处理。
　　目前由于化学需氧量COD浓度在线检测仪器的出现，将COD浓度作为重要的工艺参数，系统通过在线检测COD的浓度值来调节曝气量，以保证出水质量，节省运行费用。
　　2 SBR法污水处理过程分析
　　图1所示为活性污泥处理流程示意图。SBR废水处理法初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放几个系统组成。初次沉淀池用以去除污水中原生悬浮物，悬浮物少时可不设置。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液，通过罗茨风机充入空气，使混合液得到足够的搅拌而呈悬浮状态，然后流入沉淀池。混合液中的悬浮固体在沉淀池中沉淀下来和水分离，流出沉淀池的净化水。沉淀池中的污泥大部分回流，成为回流污泥。

　　传统的控制方法是时间程序控制，即按照规定的时间和顺序进行：

　　·充水（打开进水电动阀）：7h

　　·曝气（开启罗茨风机）：1.75h

　　·搅拌（接通搅拌电机）：1.25h

　　·沉淀：1.5h

　　·排水（打开电磁阀）：0.5h

　　从充水开始到排水结束为一个周期。在一个周期内，通过曝气、停气使充氧/缺氧状态相互交替进行。在分解污水中含碳化合物（以COD为代表）的同时，相继进行含氮化合物的硝化和反硝化，最终达到脱碳、脱氨和脱氮的目的。

　　一般情况下，采用每天执行两周期（12h/周期），但是，工业污水中有机物的浓度往往是随时间变化的，如果按固定的反应时间控制SBR法污水处理系统的运行，则既浪费能源又容易发生污泥膨胀。如时间设置不合适，还将影响处理效果。

　　3 曝气量的变频调速控制设计

　　化学需氧量COD是一个重要的工艺参数，如控制系统在污水处理过程中，在线检测COD的值来调节曝气量，使整个反应过程的化学需氧量COD处于适当的范围，这样既能保证出水质量，又能节省运行费用。

　　图2为一种西门子变频器与PLC相结合实现PID调节的变频调速的风机控制系统，其中EM235为PLC模拟量I/O扩展模块。其工作过程是：系统在线检测的COD值，送入PLC模块后，进行PID的运算，其模拟量输出作为变频器的输入，控制变频调速，来达到调整风机转速，从而实现曝气量的调节控制。

　　图3给出了本例实现PID控制的流程图。

　　4 变频调速的节电分析

　　由图1可知，调节曝气量的大小，可采用调节风门控制风量和调节风机转速控制风量两种方法。此两种方法相比，后者有着明显的节电效果，其原理图如图4所示。

　　图中，曲线1为风机在恒速下的风压-风量（H-Q）特性曲线;曲线2为恒速下的功率一风量（Ps一Q）特性曲线;曲线3为管网风阻特性（风门全开）。
　　设风机在设计时工作在A点，效率最高，此时输出风量Q为100%，轴功率为Ps1，与Ql、H1的乘积成正比，即Ps1与AH1OQ1所包围的面积成正比。
　　当需要调节风量时，例如，所需风量从100%减少到额定风量的50%，即从Q1减少到Q2时，如采用调节风门的方法来调节风量，使管网阻力曲线由曲线3变为曲线4。就是说，减小风门开度增加了管网阻力。此时，系统的工作点由原来的A点移至B点。可以看出，风量虽然降低了，但风压增加了，轴功率Ps2与面积BH2OQ2成正比，它与Ps1相比，减少不多。
　　如果采用调节转速来调节风量的方法，风机转速由原来的n1降到n2。根据风机参数的比例定律，可以画出在转速n2下的风压一风量（H—Q）特性曲线5，风机工作在C点。可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压将大幅度降低到H3，轴功率Ps2（与面积CH3OQ2成正比）也明显降低。所节约的功率与面积AH1OQ1和CH3OQ2之差成正比。由此可见，用调速的方法来减少风量的经济效益是十分显著的。
　　由流体力学可知，风量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的三次方成正比。即：
　　Q∝nH∝n2Ps∝n3
　　当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需风量为额定风量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率下降为额定功率的51.2%;当所需风量为额定风量的50%时，轴功率可以下降为额定功率的12.5%。当然，转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。即使如此，这种方法的节电效果也是非常可观的。另一方面，使用通用变频器来改变转速后，当风机转速下调10%时，则风机输出功率下降到额定功率的73%;当风机转速下调20%时，则风机输出功率下降到额定功率的51%。可见应用变频器技术调速又比普通调速来控制曝气量的大小其节电效果更加显著。
　　5 结束语
　　本例采用变频调速技术与PLC相结合进行曝气量的调节控制，既保留了PLC控制系统可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度。
　　本文作者的创新点在于，利用了变频器与PLC相结合，对风机的曝气量实现了精确的PID调节控制。这种控制方法不仅提高了污水处理系统的可靠性、节约了能源，而且对于进一步实现各种活性污泥法的实时控制提供了一较为理想的控制方案。