生物反應池雙層攪拌器優化控制探索

胡躍辰，樊昱昕

（上海城投污水處理有限公司，上海）

引言

因城市規劃約束，新型污水廠由常規的地上轉入地下后,一方面可以節約出地面空問,另一方面通過加深池體,集約化排布設各管線,提高了環境相容性,極大地改善了周圍環境。但地下廠的高能耗和高池深特點，也是制約節能降耗優化的因素。

1 工程背景

華東某污水處理廠建設規模為40萬m3/d，其中AAO 工藝受占地的局限性影響，采用生物池9 m 水深，雙層攪拌器布置的設計，全年保持運行狀態，全年耗電量八百萬度，能耗占比達到全廠12%，屬于高耗能設備[1]。此外，生物反應池配備的所有設備對污泥形態無差別化處理，攪拌器為穩態運行，活性污泥濃度對后續處理工藝及水質有較大影響，所以對污泥濃度的比對也至關重要。

原有AAO 生物反應池攪拌器分布在厭氧區及缺氧區段，分上下兩層，連續滿頻運行，詳見圖1，對污水水質、污泥濃度等指標也不能做到到不同水深進行監測，攪拌器處于開環狀態運行，并不能做到根據池體運行指標的變化動態控制攪拌器的運行頻率，導致因長期滿頻運行造成的能源浪費。

圖1 AAO 生反池缺氧段攪拌器

2 改造預期效果

傳統的主工藝段的攪拌器，市場上供應的均為標準化產品，為攪拌提供動力，對于污泥的形態沒有區別對待；與污水廠的精細化管理要求，具有一定差距。因此，在此項目中進行了一系列科研性質的探索。針對活性污泥的量化特性，地下污水廠雙層攪拌器功效特征，有針對性地展開精細化、精準管理和研究升級，使攪拌器運行可以達到閉環的目的。

3 改造方案

針對此次生物反應池攪拌器的優化，需要探索的問題有：限頻器的選擇；測試限頻器性能是否滿足現有攪拌器運行要求；測試限頻器在降低能耗上的作用；增加污泥濃度自動監測裝置并檢驗其效果；測試改造后降低頻率運行下，與滿頻率運行下池體污泥濃度等指標狀態比對；如何利用好PLC 等自控系統來做到控制的閉環。

3.1 限頻器改造

3.1.1 限頻器改造的難點

攪拌器的額定轉速為485 rpm，12 級電機。該電機的轉速和功率因數均與常規2 級電機不同，因此限頻控制的成功必須關注這兩個要素，不能簡單套用常規限頻器。為實現低速狀態下的有效限頻控制，選擇低功耗設計的限頻器，更適應長期在低轉速的條件下運行，由此實現穩定的攪拌器速度控制。

3.1.2 限頻器的選擇

由于在流體負載條件下，不能使機械設備處于高于工頻的運行狀態，這樣會加速機械的損耗率，減少機械的使用壽命[2]。低壓通用變頻器的選擇主要取決它的負載特性和容量兩個方面，這樣才能獲得相對較好的性價比。

首先確定負載特性，恒轉矩負載一般變頻器是按照U/f=恒定值來設計的，此時磁通Φ 基本保持不變，電機轉矩也基本保持不變。電動機是感性負載，不是簡單的電壓升電流就大，電壓降電流就小。感性負載的一大特點就是其阻抗跟電流頻率有關系，頻率越大阻抗就越大。對于變頻器改變電機的轉速后，電機電流的變化要根據變頻器的類別來說。

接著測試電流，根據圖2，在不同頻率下運行，限頻器電流都保持在22～23A 之間，電流基本保持不變。

圖2 人工現場測試功率與電流曲線圖

然后進行限頻器的性能參數選擇對比，經過測試，現場攪拌器為感性負載，運行中功率隨著頻率的加大而趨勢性增大。電流保持基本不變，穩定在23A 以下，為了長時間安全穩定的使用，選擇3 號輸出可達31A的限頻器作為此次改造使用。

3.1.3 限頻器與攪拌器運行調試

潛水攪拌器在無水工況下，做空載運行調試，短時起動運轉，檢驗螺旋槳葉輪的轉向是否正確，葉輪是否抖動、有無卡阻現象發生。潛水攪拌器在有水工況下，做負載運行調試，連續運行不少于2 h，質檢人員需要檢查傳動裝置運轉的平穩情況，導桿等部件有無異常抖動現象。測量電機的電流指標，不能超過電流額定值，且三相電流平衡穩定[3]。從表1 可見，安裝限頻器后與攪拌器適配調試測試結果來看，該攪拌器機械運行平穩，電流在正常范圍內。

表1 震動對比

3.1.4 限頻器產生的節能效果

由流體傳輸設備攪拌機的工作原理可知：攪拌機的流量與其轉速成正比；攪拌機的壓力與其轉速的平方成正比，而攪拌機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故攪拌機的軸功率與其轉速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比），根據上述原理可知：降低攪拌機的轉速，那么其功率可以下降得更多。如下例理論值: 將供電頻率由50 Hz 降為45 Hz，則P45/P50=(45/50)3=0.729，即P45=0.729P50（P 為電機軸功率）；將供電頻率由50 Hz 降為40 Hz，則P40/P50=(40/50)3=0.512，即P40=0.512P50（P 為電機軸功率）。將供電頻率降為35 Hz，則P35/P50=0.343P50（P 為電機軸功率），實施效果詳見表2。

表2 實際測試電耗效果統計

3.2 污泥濃度監測裝置改造

3.2.1 生物反應池運行情況

A-A-O 生物脫碳除磷工藝是傳統活性污泥工藝，雙層攪拌器位于污水處理A2O 工藝的厭氧及缺氧池中，主要通過于近距離推流，提高流體混合效果，使與原來的污水充分混合達到凈化水質的效果。表征指標為MLSS 為污泥濃度，該指標體現回流污泥與污水混合情況，一般控制在2 000～4 000 mg/L。

3.2.2 增設目的

通過新增一套測量系統，通過人機界面，設置好每次測量的液位高度、測量周期及測量時間，通過PLC 來控制升降機構的上下移動，來對池體的污泥濃度指標做到固定高度、固定周期的探測。通過收集到的數據加以計算，來智能調整攪拌器運行狀態的一種控制方法。

3.2.3 技術難點

需要通過自動化控制信息系統，傳感器反饋程序運算，合理設置參數來控制污泥濃度傳感器上下的位移來探測池體在不同深度不同位置所測量數值，在反饋到系統中，系統自動調整攪拌器變頻啟停/調速等?，F場需要尋找符合工況的安裝支架，還要有可以供傳感器上下移動的導軌。

3.2.4 污泥濃度計裝置輸送機構

升降機構的動力系統采用電動葫蘆設計，通過PLC 可以控制電動葫蘆正反轉，通過鋼絲繩牽引升降機構滑塊在方形導柱上移動，考慮到升降機構本體重量在20 kg，一天要往復使用多次，所以選取載重500 kg的電動葫蘆和6 mm 不銹鋼鋼絲繩,鋼絲繩承重滿足使用要求[4]。

3.2.5 測量傳感器與實際比對

選取水下3M 和6M 兩個數據,根據圖表所示，測量數據對比可以發現測量機構與化驗室數據呈現統一的趨勢，且兩個值之間的對比均沒有超過預設目標10%的限制，所以認為該測量機構滿足運行所需要的準確度，見圖3。

圖3 不同深度污泥濃度（單位：mg/L）

3.3 葉輪的優化及改造

3.3.1 葉輪現狀

由于葉輪外沿接近入水面的導角上，發現明顯汽蝕痕跡；幾乎每個導角均有類似蝕孔，蝕孔深度接近。氣蝕的形成原因是由于沖擊應力造成的表面疲勞破壞，但液體的化學和電化學作用加速了氣蝕的破壞過程。

3.3.2 葉輪改造

根據運行經驗，將葉輪從材質、動平衡、外導角形狀優化，來增加材質耐受力，減少流體沖擊，進而減少產生汽蝕孔腔，起到保護葉輪的作用。同時，所有葉形的入水側均在水流的入水端減少沖擊面，同時增大接觸面，降低活性污泥絮團的粉碎程度，達到生反池運行條件。

因攪拌器葉輪長期工作在污水環境中，污水中會產生各種酸堿物質及微小固體污染物。因此316L 不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、低溫韌性、加工性能和無磁性等特點，尤其適用于這種長期需要耐受腐蝕的環境下。為保證攪拌器葉輪運行的效率與可靠性，減少運行時的噪音，減小因不平衡造成攪拌器電機電氣與機械結構的不良影響。

3.3.3 攪拌器葉輪水力模型測試

根據潛水攪拌機行業標準（GJ/T109-2007）高、低速攪拌器分類，中、高速攪拌型葉輪直徑一般為200 mm～900 mm,轉速范圍一般1 450/min～200/min，低速推流型; 葉輪直徑一般為1 000 mm～3 000 mm 轉速范圍一般為200/min～20r/min。軸向有效推進距離在水體推流攪拌的工作有效區域內(保持大于等于0.3/s 的條下)潛水軸向對水體推動的有效距離以（L）表示。水體截面有效擾動半徑在水體推流攪拌的工作有效區域內(保持流速大于等于0.3/s 的條件下)潛水攪機對水體截面產生擾動的有效半徑，以R(m）表示。

中、高速攪拌器葉輪直徑一般在200～900 mm 之間，轉速范圍在200 r/min～1 450 r/min,經過上述水利模型指標測試見，按照測試標準[5]優化后的葉輪在0.3 M/S 的流速下，可以推進60 m 的距離，完全可以滿足工況現場的工作條件，達到池體寬度深度使用要求，見圖4。

圖4 水力模型

3.3.4 不同頻率運行測試

經過上述一系列改造后，確實在低頻率與葉輪改造后，確實能使攪拌器的整體能效降低下來，但是更重要的是保證出水水質穩定，不會因為降低頻率后對出水水質造成影響。

4 結論

針對污水廠生物池攪拌器本體，首先從攪拌器的功能需求上率先強化攪拌器驅動的靈活性，弱化攪拌器的粉碎功能，使流體模型性能達到最佳；再從工藝系統需求的角度，研究重力分布特征，根據重力分布特征和在線監測儀表顯示的參數，調整對攪拌器的出力要求，形成頻率控制；接下來，在監控屏上進行可視化，方便運行人員了解工藝狀況，提高管理效率。

通過上述方案的理論分析，改進后的攪拌機，不論從葉輪優化、攪拌機效率、測量機構都能夠滿足生物反應池運行的需要，達到提高生產效率、降低能耗、運行狀態實時自動監控的目的。通過單個池體改造以后，攪拌器總能耗可下降15～25%左右[6]，初步估計每年可以節省至少120 W 度電，經濟效益顯著。