矿井压风替代鼓风在污水处理中的应用研究

侯 辉

（国投新集能源股份有限公司板集煤矿.安徽 利辛 236744）

摘要：根据煤矿生活污水处理技术、生活污水接触氧化池设备的运行工况，以及矿井压风的质量、稳定性、可调性等技术特点，提出利用矿井压风机集中供风替代罗茨鼓风机鼓风在矿区生活污水处理中进行合理改造应用。同时利用原系统中的PLC控制与新增添的电动调节阀、减压阀及储气罐等设备、实施技术改造，实现供风可调、可控，完全满足系统需求。

关键词：曝气池 PLC矿井压风 可调可控

1前言

在板集煤矿生活污水处理系统中，采用了常用的活性污泥法处理技术，该技术在以往的处理系统中通常使用罗茨鼓风机作为接触氧化池曝气气源设备，全天候地运转，虽然在罗茨鼓风机上采用交流变频调控技术，达到一些节能效果，但实际运行期间由于电机转速较慢，热量不易散发，导致罗茨鼓风机及电机经常在较高温度下运转，设备老化较快，鉴于此种情况我开始对同类型的煤矿特有的压风机设备进行研究，发现煤矿压风机具有设备集中控制、风源清洁稳定可靠、风压、流量易于控制等优点，这些优点完全满足矿井生活污水接触氧化池的需要，再经过技术改造，配以储气罐、减压设施及电动可控调节阀，然后同原系统中的DO（溶解氧）传感器、PLC相结合，完全可替代罗茨鼓风机作为矿区生活污水处理接触氧化池曝气风源设备。

2矿区生活污水的来源和有机物处理技术

生活污水是矿区职工日常生活中产生的各种废水的混合液，其中包括食堂、浴池、医院、洗衣房、化验室等地排出的洗涤、炊事污水、厕所排出污水以及各种公用事业排出的污水等。可能和生活污水合流在一起的，除生产污水外，还有降雨、雪水，以及清洒路面、绿地等排出的污水等。此外，污水中还会夹杂有大量的泥沙、垃圾、废物等。因此生活污水是一种成分极为复杂的混合液体，其中除了含有无机物的杂质以外，更多的是含有各式各样的有机化合物。

板集矿区生活污水处理系统，也是采用活性污泥法处理有机物。其过程主要借助好氧微生物的作用来实现的，溶解性的有机物主要通过好氧微生物自身功能吸收；固体及其它有机物则通过好氧微生物所产生的酶来间接分解。接触氧化池主要为微生物提供氧化、还原、合成等过程的场所，用自动曝气控制系统来促进有机物的氧化分解。根据曝气量不能太高、也不能太低，所以生活污水接触氧化池中设置溶解氧分析仪，检测溶解氧含量，检测值反馈给PLC，由PLC进行计算，与工艺参数模型进行比较，计算出生活污水接触氧化池所需要的曝气量，由PLC输出曝气量模拟控制信号给风机变频柜（改造前板集煤矿通过变频器改变风机频率，来实现节能，改造后这一块包括罗茨鼓风机仅用一个电动阀、一个减压阀和一个2m3储气罐替代），由变频器改变罗茨鼓风机的供电频率，进而改变风机转速达到改变风量的目的，使接触氧化池达到好氧微生物生长所需要的最佳曝气量。

3矿井压风系统的特点

3.1 矿井压缩机的优越性

空气压缩机是矿井必不可少重要设备，是矿井空气动力源，而且设备台数多，能实现集中控制，且不会有停风可能，由于近年来一些矿区采用较为先进的螺杆压缩机及智能控制系统，既能实现了集中控制、油水提前分离、可调定时排污，也能确保了矿井供风的安全性、连续性，而且输出的介质清洁度较高。也因为螺杆压缩机系统温度控制在100℃①以内，正常排气温度控制在环境温度+8℃②左右，不存在高温灼烧的情况，所以输出的介质基本无毒。

3.2压缩空气的特点

压缩空气适宜做功能传递中的介质，输送方便（只要根据管道长短而计算出其输送压力值），不凝结，对人体无害，没有起火危险，而且空气到处都有。广泛应用制药业，纺织、酿酒业、水泥、造纸业、采煤、机械加工等等。

3.3压缩空气的质量保证

3.3.1采集自然界的大气，经压缩后高温高湿的压缩空气首先进入压风机油分离器筒内，实现油气分离后，再经过压风机尾部的汽水分离，然后送至贮气罐，贮气罐的作用：一是降低流速，使部分油水、尘埃及固体颗粒沉降，并经罐底阀排出（目前已实现数码定时可调排污）；二是消除或减缓供气系统内空气流的脉冲，保证后置设备能得到稳定的气源，使后置设备更好的发挥各自的功效。

3.3.2经贮气罐排出的气体进入输送管道，沿途降低气体温度，至生活污水接触氧化池储气罐，压缩空气已接近常温，其气体中杂质、油水将再一次被储气罐分离排出。

3.4环保型螺杆压缩机的原理

螺杆压缩机壳体内有一对经过精密加工的相互啮合的阴阳转子。其中阳转子有4个齿，阴转子有6个齿。电机通过齿轮驱动阳转子带动阴转子。空气经卸荷阀与喷入的油混合，在转子齿槽间被有效压缩，然后经过最小压力阀给系统供风。其结构主要有六个系统组成。即气路系统、油路系统、冷却系统、排放系统、调节系统和电气系统组成。主要部件有压缩机、空气滤清器、油滤清器、油气分离器、电磁阀等。优点是安全性好，可靠性强，且运行中风量、压力恒定，适用于各种条件下的作业。故障解决的办法也很多，维修工作量小，运行成本低，劳动强度小，易于掌握，且油水分离彻底，介质中含油量极少，压缩空气温度低（2013年4月份实测风包温度为28.2℃③），对接触氧化池内好氧细菌生长几乎无影响。

3.5压缩空气的稳定性保障

煤矿压风机是矿井主要固定机电设备之一，也就是所谓矿井“四大件”之一，主要担负矿井井下掘进施工用的风动设备和其它一些需要用压缩空气作为动力源的自动化气动装置用的气缸。只要矿井生产，矿用压风机就要运转，另外很多煤矿压风机都实现了全自动化控制，压风系统可根据矿井压风管网的需求自动增减压风机开启台数，所以在为污水处理站供风方面具有绝对地稳定性保障。

ISO8573即国家标准GB/T13277－91一般用压缩空气质量等级④

4板集煤矿现有的基础设施情况及改造需要增设的配套系统

4.1 矿内压缩机的配置情况

根据近年来一些煤矿的压风数据中心配置情况分析，一般年产300～400万吨配备60米3/分钟压风机4～5台，500～800万吨的煤矿配备8～10台60米3/分钟压风机。而且新建矿井一般都安装多台新型环保、免维护的双螺杆压缩机。矿井投产后整个压风系统就能够根据系统所需压力实现集中控制，确保供风的安全性、连续性。

4.2 矿内生活污水处理系统罗茨鼓风机配置情况

一般300万吨矿井，生活污水处理系统日常处理量2000t/d，系统配置3台罗茨鼓风机，风量Q=7.26m3/min ，风压PN=5510mm/H2O，功率P=11KW，正常情况下一用一备一检修，鼓风机与系统中的DO（溶解氧）传感器、PLC相结合，实现变频闭环控制。

4.3一般矿井地面基础设施概况

煤矿特有工广管道及电缆桥架为供风管道的延伸敷设提供了便利条件，而且污水处理站也是煤矿的必要车间，工广桥架也要延伸到污水处理站，改造时只需要沿工广管道及电缆桥架敷设一路DN100压风管至污水处理站生活污水接触氧化池，就可完成压缩空气输送过程。

4.4系统改造需要投入的主要设备

增加一台6m3储气罐（配自动数码排污装置），进出口管径DN100mm；增加可控电动阀一只，设备型号：A+Z64/K1216，Z945T-10 DN100 PN1.0调节器范围：0～100%（手动/自动）；稳态精度：±1%；阀门材质及形式：不锈钢法兰型；采用电机：220VAC单相电机，该阀门执行机构接收DCS系统、调节器、上位机等单元输出的4～20mA或1～5V的模拟量信号，执行机构的输出轴位移与此信号成比例关系，自动地完成调节任务，另外还要在储气罐的进口管路上增设一只机械式减压阀，以使储气罐的出口压力达到接触氧化池所需压力0.05MPa左右；改造时将原曝气池供风母管管径加大到DN300mm,以保证流量需求。

4.5原系统溶解氧传感器及分析仪技术参数

设备型号SDLZ-11-170200A-S⑤，测量范围：0～15mg/l；测量原理：采用电化学法传感器；材质：传感器本体：POM；覆膜帽：POM；测量精度：±0.20mg/l；响应时间：25℃ 60S，断电自动存储数据；零序电流：无；防护等级：传感器：IP68；现场仪表IP65；现场仪表外壳：ABS PCFr，电缆长度9m；分析仪供电、传输与通讯：85~265VAC；4/20Ma+HART+Rel;安装方式及清洗：传感器支架安装、自动清洗。

4.6PLC可编程控制器

PLC自控系统采用日本立石公司C200H-CPU⑥输入、输出模块及软件编程，电源模块C200H-P206，服务器运行平均无故障工作时间不小于20000小时，有RS232/RS485通讯接口，支持相应软件进行编程，带后备电池供电，能完成停电状态下的数据的可靠保存。

5具体改造应用情况

5.1改造工艺流程

一般矿区都有工广管道及电缆桥架，改造时可将压风管沿桥架敷设，管道直径为DN100mm的无缝钢管，管路每 隔100米装柔性伸缩节一只，管路的另一端通过减压阀、隔离闸阀接入污水处理站站内2米3储气罐，储气罐出口接电动阀，电动阀设置有旁路，一旦电动阀门损坏能够及时被解除，通过旁路实现系统不间断运行，电动阀的一端与原污水处理站生活污水接触氧化池曝气管网连接，电动阀通过PLC实现与原系统溶解氧传感器的自动闭环控制。先期整个污水处理站尚未实现自动化运转，可暂时改造实现手动，通过控制闸阀的开度来控制压缩空气的流量，满足接触氧化池需氧量，待后期整个系统调试时再进行自动化改造。

5.2应用过程

依托矿井集中压风系统将压缩空气通过管道送入生活污水接触氧化池，让空气中的氧溶解在污水中，供给活性污泥中的好氧微生物。我们可根据生活污水接触氧化池工艺要求的曝气量，设置溶解氧分析仪的范围（上位机手动设置）。溶解氧DO传感器（测量范围是0～15 mg/L）采集信号传给PLC，由PLC进行处理计算，并与接触氧化池工艺参数进行比较，调整偏差后输出标准的生活污水接触氧化池需要的曝气量，在由PLC输出电流(4～20mA)模拟控制信号给可控电动阀，改变阀门开度，进而使供风流量达到可调、控制，并能随时自动调整，使接触氧化池达到好氧细菌生长所需求的最佳曝气量。同时可根据工艺和参数的要求，适当的调节（通过上位机）设定的参数，进而来调节污水中的氧气含量。而且还可以根据溶解氧传感器反馈的信号（4～20mA）很方便的实现闭环自动控制。免去了许多繁琐的人工操作及设备检修工作，并具有明显的节能效果。

上位机→PLC ←———— ↑

↑ 溶解氧分析仪

↓↑

矿井压风→电动调节阀→反应池→ 溶解氧（DO）

6应用过程中存在的问题及解决对策

6.1电动阀调节不同步

由于电动阀长期频繁动作，其机械联接部位磨损，使阀门开关不到位，给PLC及上位机传输的信号失真，造成电动阀的开度与上位机调节数据不一致，影响接触氧化池的供氧量。解决对策是经常检查阀门电动执行机构与阀门联接螺栓，必要时手动试验做适当调整。

6.2电动阀指示与输出（反馈）的指示有误差

处理对策是轻微误差可调整微调模块0%电位器消除误差。偏差较大调整路线板上的调稳电位器。

6.3自动系统出现故障时，特别是电动阀在关闭位置出现故障时，污水处理站氧化池无法供氧

解决办法是在电动阀的前后各增设一闸阀，并在一侧增加一个配置有闸阀的旁路，一旦电动阀出现故障检修时，可切除电动阀管路，开通傍通管路向接触氧化池供氧。

6.4管路沿途有分支，造成有时风压不稳

可根据实际情况，解决对策是在沿途运输轨道线的气动道岔附近增设一个2m3的储气罐，来平衡管路风压。

7系统应用效果

7.1整个系统设计改造合理

充分利用了矿井特有的压风系统，在不增加压风机的前提下实现污水处理站接触氧化池自动供氧。通过几个煤矿污水处理站接触氧化池使用过程的观察，可以说污水处理站氧接触化池需氧量较小（每分钟0.05MPa压缩空气7.26米3 ⑦），对于整个矿井压风系统几乎无影响。

7.2设备及设施噪音低

整个站内设备只有电动阀在不停地调节，而且电机较小，几乎听不到噪音；由于矿井压缩机采用的是环保型双螺杆压缩机，不存在供风冲击，所以储气罐内也没有噪音。

7.3全自动化操作

采用了先进的PLC控制，设备操作方便，运转可靠。整个系统均由控制柜内的PLC和上位机自动控制系统来完成，并可通过上位机进行程序的调整和对话，查询运行故障原因，对工作程序、参数执行情况进行分析调整。

7.4操作人员少，劳动强度轻

改造后的生活污水处理站，只有一人即可操作，简单的维修一人也可完成。系统设置好后，整个系统实现闭环控制，岗位人员只要巡回检查一下设备，搞一下卫生就行了，克服了传统生活污水氧化池采用罗茨鼓风机作为接触氧化池曝气源设备的弊端。由于全自动化运行，除了检修期间无需手动操作，无形中劳动强度大大减轻，这样不但免去了许多繁琐的人工操作，并使系统始终处于一种节能状态下运行，延长了设备的使用寿命，更好的适应了自动化生产需要。

7.5设备和设施投入少，节约、节能效果明显

已经建成的煤矿，罗鼓风机及配电设备已到位，这样我们可在生活污水处理站原有的曝气系统上进行改造建成，改造后的系统不再用三台罗鼓风机、三台冷却风机及其配电设备，这样一方面节省了电力，另一方面设备的保养，配件、油脂的储备等等也节约不少，另外厂房可挪作他用，避免重复建设。如果新建矿井可直接将整个系统超前考虑进去，罗茨鼓风机、配电设备及厂房就不必要投入，这样将节省更多。

7.6设备运行可靠，维修费用低

储气罐为静止装置，耐冲击、振动；电动调节阀结构简单，因上游设备进风口装有空滤器，当介质经过电动阀时，已比较洁净，对阀门几乎无磨损，所以阀门调节精度较高。另外阀门价格也较便宜，不用经常维修，如出现故障可解除电动阀通过旁路向系统供风。因此整个系统维修费用低廉。

8经济效益

300万吨的煤矿，其生活污水处理系统按设计要求需要配置三台11Kw的罗茨鼓风机，虽然很多矿井采用变频调节，但高温季节电机温度降低较慢，造成设备经常倒换使用，而且夏天生活污水量较多时三台鼓风机要同时运行才能满足需要，这样还要为数据中心设备增加3台5.5KW的冷却风机，冷却风机要在数据中心使用将近4个月，每年光增加电费一项要多支出6万余元。改造后的生活污水处理接触氧化池曝气系统省去三台罗茨鼓风机及配套电控设备的维护费用，这一项包括人工、配件、油脂、电耗等也省去将近20万元/年。

另外改造后的系统投资省，见效快，增加一台6.0米2储气罐，市场报价同型号的设备，且内部配置油水分离器的储气罐仅3.6万，电动阀门也只有0.8万多元。而且改造后系统充分利用了PLC丰富的内部控制功能，可以很方便地与其他控制系统实现闭环自动控制，而且后期更能方便地升级到矿集中控制中心。因此，在煤矿生活污水处理厂或相似的系统中使用压风代替罗茨鼓风机鼓风应具有很好的推广价值。

9结语

矿井压风替代罗茨鼓风在煤矿生活污水处理接触氧化池曝气系统中的应用，不仅将原系统简化了，让系统更直观，更易于控制，而且也为煤矿省去了不少人力资源。而且改造后系统安全性能高、实用性强，通过上位机可对数据分析、调节，能及时了解和掌握设备运行性能，大大降低事故率，减少事故处理时间。

通过应用表明，该技术具有使用可靠、风量及风压可调、节能效果显著等优点，值得在矿区或拥有压风机设备的企业推广。

注释：

① 参见英格索兰ML300操作维修手册，英格索兰空气系统组团（中国区）2002年8月；

② 参见英格索兰ML300操作维修手册，英格索兰空气系统组团（中国区）2002年8月；

③ 参见煤矿在用压缩机安全检验报告，安徽煤矿矿用安全产品检验中心2013年4月9日；

④ 参见ISO8573 国家标准GB/T13277－91《一般用压缩空气质量等级》

⑤ 国投新集能源股份有限公司 板集煤矿污水处理站配置

⑥ 国投新集能源股份有限公司 板集煤矿污水处理站配置

⑦ 《国投新集能源股份有限公司板集煤矿初步设计环保篇》

参考文献：

[1]邹雪：《污水处理与应用》，中国电力出版社，2009年6月；

[2]郑正：《环境工程学》，北京：科学出版社2004年

[3]周玉文：《城市污水处理技术》，北京：中国建筑工业出版社2004年

[4]牛树仁，陈滋平《煤矿固定设备机械及运输设备》，煤炭工业出版社2006年

[5]英格索兰 《SSRM300空压机操作维修手册》2002

作者简介：

侯辉（1975-），男，本科学历机电高级工程师，现在中煤新集能源公司板集煤矿机电办从事机电技术管理工作。

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