礦井壓風替代鼓風在污水處理中的應用研究

礦井壓風替代鼓風在污水處理中的應用研究

侯 輝

（國投新集能源股份有限公司板集煤礦.安徽 利辛 236744）

摘要：根據煤礦生活污水處理技術、生活污水接觸氧化池設備的運行工況，以及礦井壓風的質量、穩定性、可調性等技術特點，提出利用礦井壓風機集中供風替代羅茨鼓風機鼓風在礦區生活污水處理中進行合理改造應用。同時利用原系統中的PLC控制與新增添的電動調節閥、減壓閥及儲氣罐等設備、實施技術改造，實現供風可調、可控，完全滿足系統需求。

關鍵詞：曝氣池 PLC礦井壓風 可調可控

1前言

在板集煤礦生活污水處理系統中，採用了常用的活性污泥法處理技術，該技術在以往的處理系統中通常使用羅茨鼓風機作為接觸氧化池曝氣氣源設備，全天候地運轉，雖然在羅茨鼓風機上採用交流變頻調控技術，達到一些節能效果，但實際運行期間由於電機轉速較慢，熱量不易散發，導致羅茨鼓風機及電機經常在較高温度下運轉，設備老化較快，鑑於此種情況我開始對同類型的煤礦特有的壓風機設備進行研究，發現煤礦壓風機具有設備集中控制、風源清潔穩定可靠、風壓、流量易於控制等優點，這些優點完全滿足礦井生活污水接觸氧化池的需要，再經過技術改造，配以儲氣罐、減壓設施及電動可控調節閥，然後同原系統中的DO（溶解氧）傳感器、PLC相結合，完全可替代羅茨鼓風機作為礦區生活污水處理接觸氧化池曝氣風源設備。

2礦區生活污水的來源和有機物處理技術

生活污水是礦區職工日常生活中產生的各種廢水的混合液，其中包括食堂、浴池、醫院、洗衣房、化驗室等地排出的洗滌、炊事污水、廁所排出污水以及各種公用事業排出的污水等。可能和生活污水合流在一起的，除生產污水外，還有降雨、雪水，以及清灑路面、綠地等排出的污水等。此外，污水中還會夾雜有大量的泥沙、垃圾、廢物等。因此生活污水是一種成分極為複雜的混合液體，其中除了含有無機物的雜質以外，更多的是含有各式各樣的有機化合物。

板集礦區生活污水處理系統，也是採用活性污泥法處理有機物。其過程主要藉助好氧微生物的作用來實現的，溶解性的有機物主要通過好氧微生物自身功能吸收；固體及其它有機物則通過好氧微生物所產生的酶來間接分解。接觸氧化池主要為微生物提供氧化、還原、合成等過程的場所，用自動曝氣控制系統來促進有機物的氧化分解。根據曝氣量不能太高、也不能太低，所以生活污水接觸氧化池中設置溶解氧分析儀，檢測溶解氧含量，檢測值反饋給PLC，由PLC進行計算，與工藝參數模型進行比較，計算出生活污水接觸氧化池所需要的曝氣量，由PLC輸出曝氣量模擬控制信號給風機變頻櫃（改造前板集煤礦通過變頻器改變風機頻率，來實現節能，改造後這一塊包括羅茨鼓風機僅用一個電動閥、一個減壓閥和一個2m3儲氣罐替代），由變頻器改變羅茨鼓風機的供電頻率，從而改變風機轉速達到改變風量的目的，使接觸氧化池達到好氧微生物生長所需要的最佳曝氣量。

3礦井壓風系統的特點

3.1 礦井壓縮機的優越性

空氣壓縮機是礦井必不可少重要設備，是礦井空氣動力源，而且設備台數多，能實現集中控制，且不會有停風可能，由於近年來一些礦區採用較為先進的螺桿壓縮機及智能控制系統，既能實現了集中控制、油水提前分離、可調定時排污，又能確保了礦井供風的安全性、連續性，而且輸出的介質清潔度較高。又因為螺桿壓縮機系統温度控制在100℃①以內，正常排氣温度控制在環境温度+8℃②左右，不存在高温灼燒的情況，所以輸出的介質基本無毒。

3.2壓縮空氣的特點

壓縮空氣適宜做功能傳遞中的介質，輸送方便（只要根據管道長短而計算出其輸送壓力值），不凝結，對人體無害，沒有起火危險，而且空氣到處都有。廣泛應用製藥業，紡織、釀酒業、水泥、造紙業、採煤、機械加工等等。

3.3壓縮空氣的質量保證

3.3.1採集自然界的大氣，經壓縮後高温高濕的壓縮空氣首先進入壓風機油分離器筒內，實現油氣分離後，再經過壓風機尾部的汽水分離，然後送至貯氣罐，貯氣罐的作用：一是降低流速，使部分油水、塵埃及固體顆粒沉降，並經罐底閥排出（目前已實現電子定時可調排污）；二是消除或減緩供氣系統內空氣流的脈衝，保證後置設備能得到穩定的氣源，使後置設備更好的發揮各自的功效。

3.3.2經貯氣罐排出的氣體進入輸送管道，沿途降低氣體温度，至生活污水接觸氧化池儲氣罐，壓縮空氣已接近常温，其氣體中雜質、油水將再一次被儲氣罐分離排出。

3.4環保型螺桿壓縮機的原理

螺桿壓縮機殼體內有一對經過精密加工的相互齧合的陰陽轉子。其中陽轉子有4個齒，陰轉子有6個齒。電機通過齒輪驅動陽轉子帶動陰轉子。空氣經卸荷閥與噴入的油混合，在轉子齒槽間被有效壓縮，然後經過最小壓力閥給系統供風。其結構主要有六個系統組成。即氣路系統、油路系統、冷卻系統、排放系統、調節系統和電氣系統組成。主要部件有壓縮機、空氣濾清器、油濾清器、油氣分離器、電磁閥等。優點是安全性好，可靠性強，且運行中風量、壓力恆定，適用於各種條件下的作業。故障解決的方法也很多，維修工作量小，運行成本低，勞動強度小，易於掌握，且油水分離徹底，介質中含油量極少，壓縮空氣温度低（2013年4月份實測風包温度為28.2℃③），對接觸氧化池內好氧細菌生長几乎無影響。

3.5壓縮空氣的穩定性保障

煤礦壓風機是礦井主要固定機電設備之一，也就是所謂礦井“四大件”之一，主要擔負礦井井下掘進施工用的風動設備和其它一些需要用壓縮空氣作為動力源的自動化氣動裝置用的氣缸。只要礦井生產，礦用壓風機就要運轉，另外很多煤礦壓風機都實現了全自動化控制，壓風系統可根據礦井壓風管網的需求自動增減壓風機開啟台數，所以在為污水處理站供風方面具有絕對地穩定性保障。

ISO8573即國家標準GB/T13277－91一般用壓縮空氣質量等級④

4板集煤礦現有的基礎設施情況及改造需要增設的配套系統

4.1 礦內壓縮機的配置情況

根據近年來一些煤礦的壓風機房配置情況分析，一般年產300～400萬噸配備60米3/分鐘壓風機4～5台，500～800萬噸的煤礦配備8～10台60米3/分鐘壓風機。而且新建礦井一般都安裝多台新型環保、免維護的雙螺桿壓縮機。礦井投產後整個壓風系統就能夠根據系統所需壓力實現集中控制，確保供風的安全性、連續性。

4.2 礦內生活污水處理系統羅茨鼓風機配置情況

一般300萬噸礦井，生活污水處理系統日常處理量2000t/d，系統配置3台羅茨鼓風機，風量Q=7.26m3/min ，風壓PN=5510mm/H2O，功率P=11KW，正常情況下一用一備一檢修，鼓風機與系統中的DO（溶解氧）傳感器、PLC相結合，實現變頻閉環控制。

4.3一般礦井地面基礎設施概況

煤礦特有工廣管道及電纜橋架為供風管道的延伸敷設提供了便利條件，而且污水處理站也是煤礦的必要車間，工廣橋架也要延伸到污水處理站，改造時只需要沿工廣管道及電纜橋架敷設一路DN100壓風管至污水處理站生活污水接觸氧化池，就可完成壓縮空氣輸送過程。

4.4系統改造需要投入的主要設備

增加一台6m3儲氣罐（配自動電子排污裝置），進出口管徑DN100mm；增加可控電動閥一隻，設備型號：A+Z64/K1216，Z945T-10 DN100 PN1.0調節器範圍：0～100%（手動/自動）；穩態精度：±1%；閥門材質及形式：不鏽鋼法蘭型；採用電機：220VAC單相電機，該閥門執行機構接收DCS系統、調節器、上位機等單元輸出的4～20mA或1～5V的模擬量信號，執行機構的輸出軸位移與此信號成比例關係，自動地完成調節任務，另外還要在儲氣罐的進口管路上增設一隻機械式減壓閥，以使儲氣罐的出口壓力達到接觸氧化池所需壓力0.05MPa左右；改造時將原曝氣池供風母管管徑加大到DN300mm,以保證流量需求。

4.5原系統溶解氧傳感器及分析儀技術參數

設備型號SDLZ-11-170200A-S⑤，測量範圍：0～15mg/l；測量原理：採用電化學法傳感器；材質：傳感器本體：POM；覆膜帽：POM；測量精度：±0.20mg/l；響應時間：25℃ 60S，斷電自動存儲數據；零序電流：無；防護等級：傳感器：IP68；現場儀表IP65；現場儀表外殼：ABS PCFr，電纜長度9m；分析儀供電、傳輸與通訊：85~265VAC；4/20Ma+HART+Rel;安裝方式及清洗：傳感器支架安裝、自動清洗。

4.6PLC可編程控制器

PLC自控系統採用日本立石公司C200H-CPU⑥輸入、輸出模塊及軟件編程，電源模塊C200H-P206，主機運行平均無故障工作時間不小於20000小時，有RS232/RS485通訊接口，支持相應軟件進行編程，帶後備電池供電，能完成停電狀態下的數據的可靠保存。

5具體改造應用情況

5.1改造工藝流程

一般礦區都有工廣管道及電纜橋架，改造時可將壓風管沿橋架敷設，管道直徑為DN100mm的無縫鋼管，管路每隔100米裝柔性伸縮節一隻，管路的另一端通過減壓閥、隔離閘閥接入污水處理站站內2米3儲氣罐，儲氣罐出口接電動閥，電動閥設置有旁路，一旦電動閥門損壞能夠及時被解除，通過旁路實現系統不間斷運行，電動閥的一端與原污水處理站生活污水接觸氧化池曝氣管網連接，電動閥通過PLC實現與原系統溶解氧傳感器的自動閉環控制。先期整個污水處理站尚未實現自動化運轉，可暫時改造實現手動，通過控制閘閥的開度來控制壓縮空氣的流量，滿足接觸氧化池需氧量，待後期整個系統調試時再進行自動化改造。

5.2應用過程

依託礦井集中壓風系統將壓縮空氣通過管道送入生活污水接觸氧化池，讓空氣中的氧溶解在污水中，供給活性污泥中的好氧微生物。我們可根據生活污水接觸氧化池工藝要求的曝氣量，設置溶解氧分析儀的範圍（上位機手動設置）。溶解氧DO傳感器（測量範圍是0～15 mg/L）採集信號傳給PLC，由PLC進行處理計算，並與接觸氧化池工藝參數進行比較，調整偏差後輸出標準的生活污水接觸氧化池需要的曝氣量，在由PLC輸出電流(4～20mA)模擬控制信號給可控電動閥，改變閥門開度，從而使供風流量達到可調、控制，並能隨時自動調整，使接觸氧化池達到好氧細菌生長所需求的最佳曝氣量。同時可根據工藝和參數的要求，適當的調節（通過上位機）設定的參數，從而來調節污水中的氧氣含量。而且還可以根據溶解氧傳感器反饋的信號（4～20mA）很方便的實現閉環自動控制。免去了許多繁瑣的人工操作及設備檢修工作，並且具有明顯的節能效果。

上位機→PLC ←———— ↑

↑ 溶解氧分析儀

↓↑

礦井壓風→電動調節閥→反應池→ 溶解氧（DO）

6應用過程中存在的問題及解決對策

6.1電動閥調節不同步

由於電動閥長期頻繁動作，其機械聯接部位磨損，使閥門開關不到位，給PLC及上位機傳輸的信號失真，造成電動閥的開度與上位機調節數據不一致，影響接觸氧化池的供氧量。解決對策是經常檢查閥門電動執行機構與閥門聯接螺栓，必要時手動試驗做適當調整。

6.2電動閥指示與輸出（反饋）的指示有誤差

處理對策是輕微誤差可調整微調模塊0%電位器消除誤差。偏差較大調整線路板上的調穩電位器。

6.3自動系統出現故障時，特別是電動閥在關閉位置出現故障時，污水處理站氧化池無法供氧

解決方法是在電動閥的前後各增設一閘閥，並在一側增加一個配置有閘閥的旁路，一旦電動閥出現故障檢修時，可切除電動閥管路，開通傍通管路向接觸氧化池供氧。

6.4管路沿途有分支，造成有時風壓不穩

可根據實際情況，解決對策是在沿途運輸軌道線的氣動道岔附近增設一個2m3的儲氣罐，來平衡管路風壓。

7系統應用效果

7.1整個系統設計改造合理

充分利用了礦井特有的壓風系統，在不增加壓風機的前提下實現污水處理站接觸氧化池自動供氧。通過幾個煤礦污水處理站接觸氧化池使用過程的觀察，可以説污水處理站氧接觸化池需氧量較小（每分鐘0.05MPa壓縮空氣7.26米3 ⑦），對於整個礦井壓風系統幾乎無影響。

7.2設備及設施噪音低

整個站內設備只有電動閥在不停地調節，而且電機較小，幾乎聽不到噪音；由於礦井壓縮機採用的是環保型雙螺桿壓縮機，不存在供風衝擊，所以儲氣罐內也沒有噪音。

7.3全自動化操作

採用了先進的PLC控制，設備操作方便，運轉可靠。整個系統均由控制櫃內的PLC和上位機自動控制系統來完成，並且可通過上位機進行程序的調整和對話，查詢運行故障原因，對工作程序、參數執行情況進行分析調整。

7.4操作人員少，勞動強度輕

改造後的生活污水處理站，只有一人即可操作，簡單的維修一人也可完成。系統設置好後，整個系統實現閉環控制，崗位人員只要巡迴檢查一下設備，搞一下衞生就行了，克服了傳統生活污水氧化池採用羅茨鼓風機作為接觸氧化池曝氣源設備的弊端。由於全自動化運行，除了檢修期間無需手動操作，無形中勞動強度大大減輕，這樣不但免去了許多繁瑣的人工操作，並使系統始終處於一種節能狀態下運行，延長了設備的使用壽命，更好的適應了自動化生產需要。

7.5設備和設施投入少，節約、節能效果明顯

已經建成的煤礦，羅鼓風機及配電設備已到位，這樣我們可在生活污水處理站原有的曝氣系統上進行改造建成，改造後的系統不再用三台羅鼓風機、三台冷卻風機及其配電設備，這樣一方面節省了電力，另一方面設備的保養，配件、油脂的儲備等等也節約不少，另外廠房可挪作他用，避免重複建設。如果新建礦井可直接將整個系統超前考慮進去，羅茨鼓風機、配電設備及廠房就不必要投入，這樣將節省更多。

7.6設備運行可靠，維修費用低

儲氣罐為靜止裝置，耐衝擊、振動；電動調節閥結構簡單，因上游設備進風口裝有空濾器，當介質經過電動閥時，已比較潔淨，對閥門幾乎無磨損，所以閥門調節精度較高。另外閥門價格也較便宜，不用經常維修，如出現故障可解除電動閥通過旁路向系統供風。因此整個系統維修費用低廉。

8經濟效益

300萬噸的煤礦，其生活污水處理系統按設計要求需要配置三台11Kw的羅茨鼓風機，雖然很多礦井採用變頻調節，但高温季節電機温度降低較慢，造成設備經常倒換使用，而且夏季生活污水量較多時三台鼓風機要同時運行才能滿足需要，這樣還要為機房設備增加3台5.5KW的冷卻風機，冷卻風機要在機房使用將近4個月，每年光增加電費一項要多支出6萬餘元。改造後的生活污水處理接觸氧化池曝氣系統省去三台羅茨鼓風機及配套電控設備的維護費用，這一項包括人工、配件、油脂、電耗等又省去將近20萬元/年。

另外改造後的系統投資省，見效快，增加一台6.0米2儲氣罐，市場報價同型號的設備，且內部配置油水分離器的儲氣罐僅3.6萬，電動閥門也只有0.8萬多元。而且改造後系統充分利用了PLC豐富的內部控制功能，可以很方便地與其他控制系統實現閉環自動控制，而且後期更能方便地升級到礦集中控制中心。因此，在煤礦生活污水處理廠或相似的系統中使用壓風代替羅茨鼓風機鼓風應具有很好的推廣價值。

9結語

礦井壓風替代羅茨鼓風在煤礦生活污水處理接觸氧化池曝氣系統中的應用，不僅將原系統簡化了，讓系統更直觀，更易於控制，而且也為煤礦省去了不少人力資源。而且改造後系統安全性能高、實用性強，通過上位機可對數據分析、調節，能及時瞭解和掌握設備運行性能，大大降低事故率，減少事故處理時間。

通過應用表明，該技術具有使用可靠、風量及風壓可調、節能效果顯著等優點，值得在礦區或擁有壓風機設備的企業推廣。

註釋：

① 參見英格索蘭ML300操作維修手冊，英格索蘭空氣系統組團（中國區）2002年8月；

② 參見英格索蘭ML300操作維修手冊，英格索蘭空氣系統組團（中國區）2002年8月；

③ 參見煤礦在用壓縮機安全檢驗報告，安徽煤礦礦用安全產品檢驗中心2013年4月9日；

④ 參見ISO8573 國家標準GB/T13277－91《一般用壓縮空氣質量等級》

⑤ 國投新集能源股份有限公司 板集煤礦污水處理站配置

⑥ 國投新集能源股份有限公司 板集煤礦污水處理站配置

⑦ 《國投新集能源股份有限公司板集煤礦初步設計環保篇》

參考文獻：

[1]鄒雪：《污水處理與應用》，中國電力出版社，2009年6月；

[2]鄭正：《環境工程學》，北京：科學出版社2004年

[3]周玉文：《城市污水處理技術》，北京：中國建築工業出版社2004年

[4]牛樹仁，陳滋平《煤礦固定設備機械及運輸設備》，煤炭工業出版社2006年

[5]英格索蘭 《SSRM300空壓機操作維修手冊》2002

作者簡介：

侯輝（1975-），男，本科學歷機電高級工程師，現在中煤新集能源公司板集煤礦機電辦從事機電技術管理工作。