能耗是目前國(guó)內(nèi)外污水廠所面臨的一個(gè)共同問題，高能耗導(dǎo)致污水處理設(shè)施運(yùn)營(yíng)成本高，且在一定程度上加劇了我國(guó)現(xiàn)階段能源緊缺危機(jī)。如何能降低能耗、更有效的利用能源、提高水處理能力是亟待解決的重要課題。國(guó)際上的發(fā)達(dá)國(guó)家在污水處理節(jié)能方面進(jìn)行了很多實(shí)踐與研究，而國(guó)內(nèi)的污水處理行業(yè)則側(cè)重在設(shè)施的建設(shè)方面，對(duì)污水處理的節(jié)能降耗及其運(yùn)營(yíng)優(yōu)化等方面尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究。另一方面，由于污水處理工藝系統(tǒng)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)變化大，而且水處理能量分析涉及到污水處理工藝學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)、生物反應(yīng)工程學(xué)、熱力學(xué)與微生物學(xué)等多個(gè)方面，理論研究還不夠完善。因此，我國(guó)在建設(shè)城市污水處理廠進(jìn)行工藝系統(tǒng)選擇時(shí)，關(guān)鍵因素首先考慮的還是對(duì)水質(zhì)的處理效率和建設(shè)費(fèi)用以及工藝的可持續(xù)性，而與能耗相關(guān)的運(yùn)行費(fèi)用只是作為一種重要比較因素。

　　因此，針對(duì)目前我國(guó)污水處理行業(yè)的具體狀況，通過對(duì)新工藝的研發(fā)與應(yīng)用、運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)控、設(shè)施設(shè)備的改良改造、先進(jìn)控制的應(yīng)用，對(duì)形成系統(tǒng)的污水處理節(jié)能降耗技術(shù)具有重要意義。

　　1、城市污水處理廠能耗控制理論基礎(chǔ)

　　污水處理廠的運(yùn)行過程中，實(shí)際電能消耗與污水處理廠的處理規(guī)模、原水水質(zhì)特征、處理工藝的選擇以及排放標(biāo)準(zhǔn)等因素有關(guān)，這其中污水及污泥的提升、生物處理的供氧以及污泥處理這幾個(gè)工藝過程不僅是出水水質(zhì)保障的核心，也是電能效耗的重點(diǎn)，僅前兩個(gè)工藝過程的電能消耗量一般要占整座污水處理廠直

　　接能耗量的 60％以上。污水處理中鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)水泵等工藝設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，使各系統(tǒng)風(fēng)量、水流量等負(fù)荷工況參數(shù)按照負(fù)荷的實(shí)際情況得到適時(shí)的調(diào)節(jié)，不但能改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，達(dá)到閥門、風(fēng)門節(jié) / 回流調(diào)節(jié)、變極調(diào)速等落后的調(diào)節(jié)方式所不能相比的調(diào)節(jié)性能，更能節(jié)省大量電能，降低運(yùn)營(yíng)成本。因此解決好運(yùn)行過程中風(fēng)機(jī)水泵的電能降耗就成為了一座污水處理廠節(jié)能降耗的重點(diǎn)。那么，如何有效降低風(fēng)機(jī)水泵的能耗呢？

　　一般來說，污水處理廠中的風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載較多是根據(jù)滿負(fù)荷工作需用量來選型，但在實(shí)際運(yùn)行過程中該類設(shè)備大部分時(shí)間并不需要滿負(fù)荷狀態(tài)工作，因此會(huì)產(chǎn)生一部分不必要的能耗；另一方面，由于風(fēng)機(jī)和水泵的機(jī)械特性均為平方轉(zhuǎn)矩特性，很難進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，只能依靠節(jié)流調(diào)節(jié)對(duì)管道上的風(fēng)門、風(fēng)道檔板或閥門的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量及水泵流量，但這種操作會(huì)增加管路的阻力，從而增大管路系統(tǒng)的損失，導(dǎo)致能耗損失大，不利于風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能運(yùn)行。通過交流電機(jī)的調(diào)速可以在一定程度上緩解這種能耗，這其中變頻調(diào)速是最高效的一種調(diào)速、節(jié)能手段。變頻調(diào)速的主要特點(diǎn)在于其無附加轉(zhuǎn)差損耗、效率高、調(diào)整范圍比較寬，特別適合于低流量運(yùn)行較多或啟停運(yùn)行頻繁的風(fēng)機(jī)水泵類，它可以實(shí)現(xiàn)水泵風(fēng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，并可方便的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流量控制。風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理如圖 1 所示。

　　圖 1 離心風(fēng)機(jī)水泵的風(fēng)壓、（水壓）H-風(fēng)量（流量）Q 曲線特性圖

　　其中：

　　n1：風(fēng)機(jī)水泵 在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的特性；

　　n2：風(fēng)機(jī)水泵降速運(yùn)行在 n2 轉(zhuǎn)速時(shí)的特性；

　　R1：代表風(fēng)機(jī)水泵管路阻力最小時(shí)的阻力特性；

　　R2：風(fēng)機(jī)水泵管路阻力增大到某一數(shù)組時(shí)的阻力特性。

　　從圖可以看出，風(fēng)機(jī)水泵在管路特性曲 R1 工作時(shí)，工況點(diǎn)為A，其流量壓力分別為 Q1、H1，此時(shí)風(fēng)機(jī)水泵所需的功率正比于H1 與 Q1 的乘積，即正比于 AH1OQ1 的面積。由于工藝要求需要減小風(fēng)量（流量）到 Q2，實(shí)際上通過增加管網(wǎng)管阻，使風(fēng)機(jī)水泵的工作點(diǎn)移到 R2 上的 B 點(diǎn)，風(fēng)壓（水壓）增大到 H2，這時(shí)風(fēng)機(jī)水泵所需的功率正比 H2Q2 的面積，即近比廣 BH2OQ2 的面積，顯然風(fēng)機(jī)水泵所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡(jiǎn)單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運(yùn)行成本換取簡(jiǎn)單控制方式。若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速由 n1 下降至 n2，這時(shí)工作點(diǎn)由 A 點(diǎn)移到 C 點(diǎn)，流量仍是 Q2，壓力由 H1 降到 H3，這時(shí)變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)（水泵）所需的功率正比于 H3 與 Q2 的乘積，即正比于 CH3OQ2的面積，功率減少十分明顯的。

　　2、變頻調(diào)速技術(shù)在污水處理廠的應(yīng)用

　　曝氣系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水系統(tǒng)的潛水泵是污水廠的核心設(shè)備，功率較大且都為全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，因此用變頻器對(duì)鼓風(fēng)機(jī)和潛水泵進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，不僅可以從工藝角度有效控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還可以節(jié)省電能，并減少設(shè)備的故障率以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

　　目前，國(guó)內(nèi)的生物處理污水廠大多數(shù)采用鼓風(fēng)曝氣工藝，鼓風(fēng)機(jī)作為污水處理活性污泥法中經(jīng)常采用的機(jī)械設(shè)備，對(duì)污水處理廠的正常運(yùn)行起著重要作用。鼓風(fēng)機(jī)的能耗占污水廠總能耗的50%以上，其運(yùn)行質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到污水處理的安全性與經(jīng)濟(jì)性，以及處理后出水水質(zhì)指標(biāo)的高低。幾乎全部的城市污水處理工藝都與鼓風(fēng)曝氣有關(guān)。污水處理廠中生物池好氧段的溶解氧濃度對(duì)處理結(jié)果有很大影響，如果溶解氧濃度太低，出水水質(zhì)將不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；如果溶解濃度太高，不僅大量浪費(fèi)電能，還可能使活性污泥上浮同樣會(huì)造成出水水質(zhì)不能達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。通常人工手動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量及風(fēng)壓，無法使生物池內(nèi)的溶解氧濃度精細(xì)化控制在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，且電能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。在鼓風(fēng)機(jī)上增加變頻控制就是為了準(zhǔn)確控制生物內(nèi)池溶解氧的濃度值，從而起到節(jié)電和穩(wěn)定出水水質(zhì)的作用。

　　實(shí)際運(yùn)用中，生物池好養(yǎng)段的溶解氧濃度由池中的溶解氧儀檢測(cè)出并實(shí)時(shí)傳送給 PLC，PLC 根據(jù)設(shè)定的所需溶解氧濃度值通過 PID 方式變頻控制鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)出風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量及風(fēng)壓，使生物池中的溶解氧濃度穩(wěn)定在設(shè)定值。

　　3、變頻器在潛水泵上的應(yīng)用

　　污水處理廠中的潛水泵的數(shù)量一般較多，例如進(jìn)水提升泵、各種回流泵以及棑泥除砂泵等。這些潛水泵不僅數(shù)量眾多功率較大，水頭提升的高度一般都較高。因此，在潛水泵啟動(dòng)時(shí)的急扭與停機(jī)時(shí)的水錘現(xiàn)象往往會(huì)造成管道的松動(dòng)或破裂，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成潛水泵的損壞；同時(shí)由于污水處理廠工藝的需要大多數(shù)潛水泵都為全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，電能的消耗也非常大。

　　在潛水泵安裝變頻調(diào)速器以后，可以通過延長(zhǎng)潛水泵的開啟與停止時(shí)間來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起、軟停，從而解決急扭與水錘現(xiàn)象的發(fā)生，大大減小潛水泵由于啟動(dòng)和停止時(shí)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)及潛水泵自身的沖擊，而且變頻調(diào)速器還可以配合 PLC 以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表根據(jù)不同工況下設(shè)定的水位及流量狀態(tài)來自動(dòng)調(diào)節(jié)潛水泵的轉(zhuǎn)速，從而起到節(jié)能的目的。