一、概述
城市生活污水处理自200年前工业革命以来，越来越受到人们的重视。城市污水处理率已成为一个地区文明与否的一个重要标志。近200年来，城市污水处理已从原始的自然处理、简单的一级处理发展到利用各种先进技术、深度处理污水，并回用。处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到A/O、A2/O、AB、SBR（包括CCAS工艺）等多种工艺，以达到不同的出水要求。我国城市污水处理相对于国外发达国家、起步较晚，目前城市污水处理率只有6.7%。在我们大力引起国外先进技术、设备和经验的同时，必须结合我国发展，尤其是当地实际情况，探索适合我国实际的城市污水处理系统。
结合我国实际情况，参考国外先进技术和经验，建设城市污水处理厂应符以下几个发展方向：
1总投资省。
我国是一个发展中国家，经济发展所需资金非常庞大，因此严格控制总投资对国民经济大有益处。
2运行费用低。
运行费用是污水处理厂能否正常运行的重要因素，是评判一套工艺优劣的主要指标之一。
3占地省。
我国人口众多，人均土地资源极其紧缺。土地资源是我国许多城市发展和规划的一个重要因素。
4脱氮除磷效果。
随着我国大面积水体环境的富营养化，污水的脱氮除磷已经成为一个迫切的问题。我国最新实施的国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）也明确规定了适用于所有排污单位，非常严格地规定了磷酸盐排放标准和氨氮排放标准。这就意味着今后绝大多数城市污水处理厂都要考虑脱氮除磷的问题。
5现代先进技术与环保工程的有机结合。现代先进技术，尤其是计算机技术和自控系统设备的出现和完善，为环保工程的发展提供了有力的支持。目前，国外发达国家的污水处理厂大都采用先进的计算机管理和自控系统，保证了污水处理厂的正常运行和稳定的合格出水，而我国在这方面还比较落后。计算机控制和管理也必将是我国城市污水处理厂发展的方向。
二、污水处理工艺及变频改造可行性变与频节能原理
1原污水处理系统工艺
为了选择出工艺上最可靠，投资上最经济，管理上最方便的城市污水处理系统，结合当地的实际情况，我们调研了国内外污水处理厂的成熟经验和发展趋势，并进行了比较。目前，国内外城市污水处理厂处理工艺大都采用一级处理和二级处理。
a一级处理是采用物理方法：
主要通过格栅拦截、沉淀等手段去除废水中大块悬浮物和砂粒等物质。这一处理工艺国内外都已成熟，差别不大。
b二级处理则是采用生化方法：
主要通过微生物的生命运动等手段来去除废水中的悬浮性，溶解性有机物以及氮、磷等营养盐。目前，这一处理工艺有多种方法，归结起来，有代表性的工艺主要有传统活性污泥、氧化沟、A/O或A2/O工艺、SBR及CCAS工艺等。目前，这几种代表工艺在国内外都有实际应用。
c曝气机和潜水泵是污水处理的核心设备，也是主要的运行耗能设备。污水处理厂曝气机的鼓风机是全天候运转的，曝气机的主要作用就是向待处理污水中通入空气，空气中的氧融解在污水中，污水处理好坏在溶解氧部分,溶解氧浓度对处理结果有很大影响，溶解氧浓度太低，污水不能达标；溶解浓度太高，不仅浪费电能还可能使活性污泥上浮使出水也不能达标。溶解氧浓度主要靠鼓风机通入的风量来调节。
d目前大部分鼓风机的风量调节是靠进风门及出风门来调节的，对鼓风机电机不做速度调节，此种调节方式节能有限，在不同的污水量及处理工艺的不同阶段，随然需要的风量不一样，但鼓风机电机消耗的电能基本不变，造成极大的电能浪费。
2变频改造的可行性
随着交流变频调速的日益普及，变频器补广泛应用于各行各业当中。曝气机的鼓风机加装变频器，鼓风机变频控制后，能随时根据污水量、污水处理的不同工艺阶段所需的风量来调节鼓风机转速，从而控制供风理，最终将曝气池溶解氧的浓度控制在污水处理工艺所需值。
变频调速能是一项节电环保的技术，污水厂设备一般全天候运行，经过变频改造后节能效果可观，运行稳定可靠，操作方便，能真正实现节能环保的目的。
3变频节能原理
随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。
图2中:
曲线1和2表示调速时的压力-流量曲线;
曲线3和4表示节流调节时管路阻力特性曲线;
曲线5表示恒速时功率-流量曲线;
设A点为风机最大工况点。当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由A到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由A到C，可见在满足同样风量Q2情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显著减少。节省的功率损耗△P＝△HQ2与图中面积BH2H3C成正比。
a由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。
鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围0％～100％，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律：
Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
可知:
当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。
① 假设将水泵转速降低10%（输出频率45Hz时）,则功率 P2=（0.9）×P1=0.73P1,节电27%。
② 假设将水泵转速降低20%（输出频率40Hz时）,则功率 P2=（0.8）3×P1=0.51P1,节电49%。
b由于功率与转速成三次方的关系，因此，转速变化越大，功率的消耗将呈几何级数减少。
c按照GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式进行节电分析，即：
风机、泵类，采用挡板调节流量对应电机输入功率PL与流量Q 的系
式中：Pe－额定流量时电机输入功率KW
QN－额定流量
式中：Ki为节电率、P1为节约功率
可使用上式估算改造为的节电量。根据原工况，对采用入口导叶的风机，在入口导叶小角度开度节电效果和变频器相差不大，即开度为10%时与采用变频控制节能效果相当不大可忽略不计。
4实际产生经济价值及其估算
a旁路开度为30%，流量为70%时节电率估算：
1-（(0.7)3/0.45+0.55×(0.7)2）＝52%
b原工频每月每台估算用电量：
160×0.7×24×30＝80640 KWH
c变频改造后每台每月节电量：
80640×52%＝41933 KWH
d变频改造后每台每月节省电费：
41933×0.8＝ 33546.4元
结论：
每套变频节能柜报价：19.2万无；投资回收周期：约 6 月
四、原设备运行工况
1设备参数
a南宁污水处理厂有离心式鼓风机一共3台，型号：1TYC27;
b配套的三相异步电动机型号为：Y2-315L1-2-160KW，2极电机，额定转
速2975RPM。
c原启动方式为软启动器（非变频启动）。
2污水处理中鼓风机工况
鼓风机采用入口导叶、出口阀门、旁路放空阀调节风量。工作时入口导叶开度为10%，入口进气温度为25.2度，压力为0.1KPA；出口阀全开，出口温度91.7度，压力为60KPA；出口处旁路放空阀开度为30%。
3启动电流对电动机及设备的损害
电动机采用降压软启动启动方式，这种方式虽然能降低启动电流对电动机的损害，但由于鼓风机惯性大，启动力矩要求较大，仍有高达额定电流2—3倍的启动电流，危害着电动机、水泵、单向阀、管路系统的使用寿命。
4设备运行中的噪音、震动、水锤等问题
设备在启动、运行、停止的过程中，由于无法进行及时有效的调节，会产生严重的水锤、机械噪音增加、震动加剧等现象，这些现象都具有极大的破坏性，会引起管道破裂或瘪塌、损坏阀门和固定件，并会增加进线变压器的负荷状况。采用了变频调节后，可以通过延长升、降速时间来延长起动或停机的过程，即使在运行过程中，也可以通过对工作频率点的选择，跳过容易引起设备共震的工作点，从而使水泵叶片、单向阀、管路系统承受的应力大为减小，轴承的磨损也大大减轻，设备的工作寿命将大大延长。
五、变频改造方案
根据原设备工况，考虑可靠性及配置的灵活性，采用一拖一方案，每台鼓风机电机加装一套变频节能柜，保留原软启动装置，作为变频控制柜故障时的备用装置，以保证生产的万无一失。变频控制柜内含变频器、切换接触器、指示表、指示灯及按钮开关等。系统图如下：
六、用户受益
1高效节能运行，节能效果可观，投资回报周期短
变频改造后，鼓风机可根据工艺需要来调节供风量，变频调速后节约电能。
2电机真正带负载软启动，减少冲击。
使用变频调节以后，由于使用了SPWM技术，实现了真正意义上的软启动和缓冲停机，从根本上消除了启动电流对电动机及其它设备的危害，大大延长了设备的使用寿命。
3延长设备使用寿命
采用了变频调节后，可以通过延长升、降速时间来延长起动或停机的过程，即使在运行过程中，也可以通过对工作频率点的选择，跳过容易引起设备共震的工作点，从而使水泵叶片、单向阀、管路系统承受的应力大为减小，轴承的磨损也大大减轻，设备的工作寿命将大大延长。
