一、概述
城市生活污水處理自200年前工業革命以來，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、簡單的一級處理發展到利用各種先進技術、深度處理污水，并回用。處理工藝也從傳統活性污泥法、氧化溝工藝發展到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、設備和經驗的同時，必須結合我國發展，尤其是當地實際情況，探索適合我國實際的城市污水處理系統。
結合我國實際情況，參考國外先進技術和經驗，建設城市污水處理廠應符以下幾個發展方向：
1 總投資省。
我國是一個發展中國家，經濟發展所需資金非常龐大，因此嚴格控制總投資對國民經濟大有益處。
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展和規劃的一個重要因素。
4 脫氮除磷效果。
隨著我國大面積水體環境的富營養化，污水的脫氮除磷已經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）也明確規定了適用于所有排污單位，非常嚴格地規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城市污水處理廠都要考慮脫氮除磷的問題。
5 現代先進技術與環保工程的有機結合。
現代先進技術，尤其是計算機技術和自控系統設備的出現和完善，為環保工程的發展提供了有力的支持。目前，國外發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，保證了污水處理廠的正常運行和穩定的合格出水，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展的方向。
二、污水處理工藝及變頻改造可行性與變頻節能原理
1 原污水處理系統工藝
為了選擇出工藝上最可靠，投資上最經濟，管理上最方便的城市污水處理系統，結合當地的實際情況，我們調研了國內外污水處理廠的成熟經驗和發展趨勢，并進行了比較。 目前，國內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。這一處理工藝國內外都已成熟，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、磷等營養鹽。目前，這一處理工藝有多種方法，歸結起來，有代表性的工藝主要有傳統活性污泥、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外都有實際應用。
c 曝氣機和潛水泵是污水處理的核心設備，也是主要的運行耗能設備。
污水處理廠曝氣機的鼓風機是全天候運轉的，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節。
d 目前大部分鼓風機的風量調節是靠進風門及出風門來調節的，對鼓風機電機不做速度調節，此種調節方式節能有限，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
隨著交流變頻調速的日益普及，變頻器補廣泛應用于各行各業當中。曝氣機的鼓風機加裝變頻器，鼓風機變頻控制后，能隨時根據污水量、污水處理的不同工藝階段所需的風量來調節鼓風機轉速，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。變頻調速能是一項節電環保的技術，污水廠設備一般全天候運行，經過變頻改造后節能效果可觀，運行穩定可靠，操作方便，能真正實現節能環保的目的。
3 變頻節能原理
隨著科技的不斷發展，交流電機調速技術被廣泛采用。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控流量造成的能量損耗。設A點為風機最大工況點。當風量需從Q1減少到Q2時，如果采用節流調節法，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。如果采用變頻調節方式，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，變頻調節是一種高效的調節方式。鼓風機采用變頻調節，不會產生附加壓力損失，節能效果顯著，調節風量范圍0％～100％，適合調節范圍寬，且經常處于低負荷下運行的場合。但是，當風機轉速下降，風量減小時，風壓將發生很大變化，由風機比例定律：
Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3可知當其轉速降低到原額定轉速的一半時，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，這就是變頻調節方式可以大幅度節電的原因。
① 假設將水泵轉速降低10%（輸出頻率45Hz時）,則功率
P2=（0.9）×P1=0.73P1,節電27%。
② 假設將水泵轉速降低20%（輸出頻率40Hz時）,則功率
P2=（0.8）3×P1=0.51P1,節電49%。
b 由于功率與轉速成三次方的關系，因此，轉速變化越大，功率的消耗將呈幾何級數減少。
c 按照GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的計算公式進行節電分析，即：
風機、泵類，采用擋板調節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為節電率、P1為節約功率可使用上式估算改造為的節電量。根據原工況，對采用入口導葉的風機，在入口導葉小角度開度節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能效果相當不大可忽略不計。
4 實際產生經濟價值及其估算
a 旁路開度為30%，流量為70%時節電率估算：
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電量：
80640×52%＝41933 KWH
d 變頻改造后每臺每月節省電費：
41933×0.8＝ 33546.4元
結論：
每套變頻節能柜報價：19.2萬無；投資回收周期：約 6 月
四、原設備運行工況
1 設備參數：
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、旁路放空閥調節風量。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、管路系統的使用壽命。
4 設備運行中的噪音、震動、水錘等問題
設備在啟動、運行、停止的過程中，由于無法進行及時有效的調節，會產生嚴重的水錘、機械噪音增加、震動加劇等現象，這些現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。采用了變頻調節后，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，跳過容易引起設備共震的工作點，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統承受的應力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設備的工作壽命將大大延長。
五、變頻改造方案
根據原設備工況，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，以保證生產的萬無一失。變頻控制柜內含變頻器、切換接觸器、指示表、指示燈及按鈕開關等。
六、用戶受益
1 高效節能運行，節能效果可觀，投資回報周期短
變頻改造后，鼓風機可根據工藝需要來調節供風量，變頻調速后節約電能。
2 電機真正帶負載軟啟動，減少沖擊。
使用變頻調節以后，由于使用了SPWM技術，實現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備的危害，大大延長了設備的使用壽命。
3 延長設備使用壽命
采用了變頻調節后，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，跳過容易引起設備共震的工作點，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統承受的應力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設備的工作壽命將大大延長。
