蔡銘杰，馬宏瑞，劉俊新，梁瀚文＊

（1.陜西科技大學，陜西 西安 712081；2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

0 引言

目前應用最為廣泛的污水生物處理技術，在運行過程中往往采用鼓風曝氣的方式為好氧微生物提供溶解氧，但對電能消耗較大.對我國近500座城市污水廠的能耗調查和數據統(tǒng)計表明，約70%是消耗在污水好氧生物處理單元［1］.在能源日益緊缺的今天，污水處理的高電耗已引起人們的廣泛關注，如何降低污水處理過程中對電能的消耗成為研究熱點.太陽能作為一種清潔型的新能源，已經越來越多地運用到生產生活中.我國每年陸地接收的總太陽輻射量，相當于24000億t標煤［2］.全國2／3的國土面積年日照時數在2200h以上，年太陽輻射總量大于5×106kJ／m2［3］，特別是西藏、云南、青海、新疆、甘肅、寧夏及內蒙古等地區(qū)，年日照時數大于3000h，年總輻射超過6.7×106kJ／m2［4－6］.目前太陽能的利用主要分為兩個方面：一是利用光熱效應，即把太陽光的輻射能轉換為熱能，太陽能熱水器和太陽灶就是典型的例子［7］；二是利用光生伏特（PV）效應（簡稱光伏效應，也稱為光生電動勢效應），將太陽光的輻射能直接轉變?yōu)殡娔?過去幾年，全球光伏發(fā)電的年增長率均高于40%以上，其應用范圍已越來越大.2006年年底，我國光伏發(fā)電的總容量約為2000多MW，主要用于解決偏遠地區(qū)居民的用電問題.目前太陽能應用于污水處理的研究中，多數為利用太陽光照射的光催化氧化處理污水技術［8－11］，而將光伏發(fā)電作為驅動能源代替常規(guī)電能應用于污水處理領域的研究還鮮有報道.本研究根據太陽光照的日變化規(guī)律、產生光伏電的特點，結合污水處理過程中對電能的需求，建立了太陽能驅動一體化生物膜污水處理反應器，本著盡可能少用甚至不用蓄電池（蓄電池更換成本及帶來的二次污染）的原則，通過監(jiān)測蓄電池電壓的變化，獲得實時電壓來做為控制參數，結合太陽光照強度和天氣變化規(guī)律，建立了一體化生物膜反應器的四種運行模式，編寫了邏輯控制程序，通過計算機實現了界面式自動化操作控制，并對污水處理效果進行了分析.

1 材料與方法

1.1 一體化生物膜反應器

一體化生物膜反應器為雙層圓筒式結構（圖1，P119），共有3段缺氧／好氧交替區(qū)，內部圓形區(qū)域為豎流式沉淀池.污水進入生物反應器缺氧室，在各缺氧室中，反硝化菌利用原水中的有機物作為碳源，將上一好氧室出水中的硝酸鹽轉化成氮氣，從而達到脫氮的目的.實驗中負載設備包括3臺進水泵（小于35W／臺），3臺攪拌電機（60W／臺）和3臺供氧空氣泵（45W／臺），最大總功率為420W.

圖1 一體化生物膜反應器展開圖Fig.1 Profile map of step feed biofilm reactor

分段進水生物膜工藝具有抗沖擊負荷能力強、脫氮效果好的特點，又具有生物膜法不發(fā)生污泥膨脹、維護簡單的優(yōu)點.3段式分段進水一體化生物膜反應器，根據能量消耗的不同，可采取如下4種不同的運行模式：

低能耗：污水處理系統(tǒng)開啟的設備為第1段的缺氧區(qū)進水泵3a（＜35W）和攪拌電機（60W），以及第1段的空氣泵4a（45W），總能耗為140W左右.反應器的運行方式為缺氧／好氧／缺氧.從總體來看類似于A／O工藝，污水在此運行方式下，從反應器的第1段進入，流經反應器的6段，水力停留時間長，以保證較高的污染物去除效果.

中能耗：污水處理反應器開啟的設備在低能耗模式的基礎上，增開了第3段缺氧區(qū)進水泵3c（＜35W）和攪拌電機（60W）及第3段好氧區(qū)的空氣泵4c（45W），總能耗為280W.反應器的運行方式相當于兩段式的分段進水工藝.

高能耗：污水處理反應器開啟的設備在中能耗模式的基礎上，增開了第2段缺氧區(qū)進水泵3b（＜35W）和攪拌電機（60W）及第2段好氧區(qū)的空氣泵4b（45W），總能耗為420W.反應器所有的耗能設備均開啟，反應器的運行方式相當于3段式的分段進水工藝.

夜間模式：反應器的運行方式為采用時間和電壓來控制，在電力允許的情況下，每小時反應器運行5 min，運行時除攪拌電機外，其他設備均開啟.夜間模式運行的時間非常短暫，只是作為一個夜間到白天太陽能電力匱乏時的過渡，避免污水處理系統(tǒng)驟停驟開所帶來的沖擊.實際情況中夜間排放的污水量很少，可以忽略不計.

1.2 太陽能驅動系統(tǒng)

根據一體化分段進水生物膜反應器的能耗要求和運行方式的特點，建立了獨立發(fā)電型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖2，P120），太陽能光伏發(fā)電的核心部件是太陽能電池板，它將太陽光的光能直接轉換成電能，并通過控制器把太陽能電池產生的電能存儲于蓄電池.當負載用電時，蓄電池中的電能通過控制器分配到各個負載.太陽能電池所產生的直流電通過交流逆變器將其轉化為交流電，供交流負載使用.本研究中太陽能電池板所發(fā)電能即發(fā)即用，蓄電池僅僅起到緩沖電容的作用，使得蓄電池的使用量盡可能的小，使用壽命得到延長，避免由于頻繁更換蓄電池帶來運行成本的增加以及造成二次污染的問題.

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計參照中國工程建設標準化協會標準，太陽光伏電源系統(tǒng)安裝工程設計規(guī)范CECS 84：96［12］.實驗地點為北京市中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，地理位置為北緯39.9°，東經116.3°，海拔高度43m，根據太陽光伏電源系統(tǒng)安裝工程設計規(guī)范附錄中提供的全國各大城市太陽能電池方陣最佳傾角表，北京市最佳傾角為當地緯度加4°，所以方陣的安裝傾角為44°左右.

圖2 獨立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理示意圖Fig.2 Principle of independent photovoltaic power generation system

1.2.1 光伏組件串、并聯數

本研究中的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要針對偏遠農村地區(qū)分散型污水處理，根據農村污水排放主要在早、中、晚3個高峰期，設計污水處理反應器運行總時間為3h，采用的污水處理反應器最大總功率為420W，因此系統(tǒng)的負載日耗電量為1260W·h.

光伏組件的串并聯數的計算公式及其參數選取均參照中國工程建設標準化協會標準，太陽光伏電源系統(tǒng)安裝工程設計規(guī)范 CECS 84：96［12］.

光伏組件串聯數計算公式：

式中，Vf——蓄電池浮充電壓，不同類型蓄電池浮充電壓見表1；Vd——防反沖二極管的壓降及線路壓降總和，一般取0.5－0.7；ΔVt——太陽能電池因升溫引起的壓降，

表1 蓄電池浮充最小電壓VfTable 1 Minimun floating charge voltage of storage battery Vf

式中，α——太陽能電池組件的溫度系數，對單晶硅組件和多晶硅組件來說，α＝0.005，對非晶硅組件，α＝0.003；tmax——太陽能電池組件的最高工作溫度，為45～60℃；V0——單個組件在標準光強下的輸出電壓，由電池板的特性決定，本研究中選用的電池板在標準光強下的輸出電壓為17.7V；

光伏組件的并聯數計算公式為：

式中：QL——負載日均平均耗電容量；η——蓄電池充電效率的溫度修正系數（具體參數見表2）；Fc——太陽能電池組件表面灰塵，贓物等其他因素引起的損失的總修正系數，通常取1.05－1.15；H——在標準光強下（E＝100mW／cm2）年平均日照時數；I0——單個組件在標準光強下輸出電流，本研究選用的電池板在標準光強下的輸出電流為7.63A；

表2 蓄電池充電效率的溫度修正系數表Table 2 Temperature correction factor of storage battery charge efficiency

太陽能電池組件數N：

太陽能電池板選用的為京瓷公司KD135GH－2P光伏組件，標準功率為135W，考慮到1.1的充電余量及太陽能控制系統(tǒng)待機消耗少量電耗，所以系統(tǒng)選用10塊太陽能電池板，兩兩串并聯接，總功率為1350 W，滿足設計要求.

1.2.2 蓄電池容量

蓄電池容量應按下式計算：

式中：bc——蓄電池附加容量，其值由1a內方陣發(fā)電容量（AH）低于負載耗電容量（AH）月份的累積值來計算——蓄電池剩余容量的補償；Q——負載平均每天的耗電容量（AH）；n——最長連續(xù)陰天數；dt——L環(huán)境溫度的修正系數（表3）.

表3 蓄電池環(huán)境溫度充電修正系數Table 3 Temperature correction factor of storage battery

針對農村的特殊情況，連續(xù)陰天時生物處理系統(tǒng)具有較強的抗沖擊能力，為了充分利用太陽能資源，而又不增加蓄電池的投資成本和蓄電池更換成本及帶來的二次污染，所以在連續(xù)陰雨天，光伏發(fā)電系統(tǒng)不能產生足夠電力時，系統(tǒng)不運行，設計時連續(xù)陰雨天僅為1d.蓄電池放電深度按0.75考慮，經計算蓄電池容量為93Ah，所以選用容量為100Ah的標準電池.

1.3 太陽能驅動分段進水一體化生物膜系統(tǒng)運行方式

根據光伏產電量的規(guī)律，結合污水生物處理過程中能耗的特點，以充分利用光伏產電為原則，提出了高、中、低能耗以及夜間4種運行模式，在邏輯程序控制下實現自動化運行，通過電腦實現界面化操作.該太陽能驅動系統(tǒng)中蓄電池僅用于穩(wěn)壓和緩沖電流，而不專門儲存電能.因此，連續(xù)陰天時系統(tǒng)不運行，設計時連續(xù)陰雨天僅為1d.相對于常規(guī)蓄電池儲能光伏電系統(tǒng)，不僅在蓄電池容量選擇時節(jié)約了資金，而且壽命的延長避免了頻繁更換費用和二次污染.

2 結果與討論

2.1 太陽能驅動分段進水一體化生物膜反應器邏輯控制

分散型污水處理系統(tǒng)多位于偏遠農村地區(qū)，缺乏專業(yè)的操作人員來對污水處理系統(tǒng)進行管理和維護，為了能使整個污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定的運行，本研究中引入了太陽能電力自動化分配和控制方法，編寫邏輯控制程序，實現自動化操作.

2.1.1 自動化控制信號參數的選取

太陽能發(fā)電系統(tǒng)電力供應的最直接參數是當地的太陽輻射強度值，若以電池板上太陽輻射值的大小作為控制信號進而判斷運行模式，則可以直觀地反映太陽輻射的周期性變化和天氣變化，并且對蓄電池的依賴程度最小.但是太陽輻射強度計算復雜，實際應用中易受到光電轉化率、溫度和灰塵等其他因素的干擾，難以真實地辨別出電池板上實際的太陽輻射值.根據太陽能電池板的實時輸出功率與預設的運行模式的功率相比較，選擇相應的運行模式是另一種可行的方式.目前商家提供的監(jiān)測儀表雖然可以直接監(jiān)測太陽能電池板的輸出功率，但其檢測范圍為電池板峰值功率的15%～100%，對于本研究中的負載系統(tǒng)，總功率較小，分級后很大一部分時間負載的總功率低于電池板峰值功率的15%，因此依據電池板輸出功率的方案對本研究不適用.以蓄電池剩余容量作為控制的依據，雖然不像利用瞬時的太陽輻射強度來得直觀，但仍可間接地反映此時的太陽光照強度和天氣的變化；而且通過監(jiān)測蓄電池的剩余電量來劃分等級，可以直觀的觀察和控制蓄電池的放電深度，有利于蓄電池的保護.但此方法增加了對蓄電池的依賴性，相應的帶來蓄電池選用和更換成本的提高.此外，目前的剩余容量監(jiān)測儀器，數據采集和上傳的時間周期較長，不能準確快速地實現自動化控制，而且需要定期的修正（測內阻），操作繁瑣.

蓄電池組電壓的高低指示的是蓄電池剩余容量的大小，以蓄電池的實時電壓作為控制的參數，不僅可以間接地反映此時的太陽光照強度和天氣的變化，而且利用蓄電池的剩余容量分級，可使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，掉電可能性降低，便于控制和管理.另外，蓄電池電壓數據采集快、精度高易于實現自動化控制.

因此，經過比較以上4種不同控制參數的特點，本實驗最終選取蓄電池的電壓作為控制參數，通過實時監(jiān)測蓄電池兩端電壓反饋到自動控制中心，來實現電力的自動化控制與分配.

2.1.2 太陽能驅動污水處理模式的設計

實驗采用的是12V，100Ah理士蓄電池兩節(jié)，過放限制低電壓為21.6V，通常情況下蓄電池未接負載時的浮充電壓在26.5V左右，即蓄電池的放電電壓范圍為21.6V～26.5V之間.在此電壓范圍內，分成4個能耗等級，結合分段進水反應器的結構特點，建立了4種不同能耗的自控模式：

1）當蓄電池組電壓值23V≤U＜24V時，系統(tǒng)將開啟低能耗的模式；

2）當蓄電池組電壓值24V≤U＜25V時，系統(tǒng)將開啟中能耗的模式；

3）當蓄電池組電壓值U≥25V時，系統(tǒng)將開啟高能耗的模式；

4）當蓄電池組電壓值22.5V≤U＜23V時，系統(tǒng)將開啟夜間模式.

當蓄電池組電壓值U＜22.5V時，為了保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長蓄電池的使用壽命，供電系統(tǒng)自動關閉，直至蓄電池組電壓值恢復至相應的電壓值時才重新啟動.

本系統(tǒng)采用羅克韋爾的micrologix控制器以及通訊模塊，通過與電池監(jiān)測儀的通訊采集蓄電池電壓值來控制污水處理系統(tǒng)的運行.PLC根據蓄電池巡檢儀采集到的蓄電池實時電壓值進行邏輯判斷分析，根據數值的大小范圍自動選擇與之對應的運行模式，然后經驅動器發(fā)出控制指令，將電力自動分配到相應模式下空氣泵、水泵和攪拌電機，完成污水的生物處理.自控中心啟動后會自動記錄1d內不同模式的開啟和關閉時間，以及1d內，不同模式運行的總時間，計算出系統(tǒng)消耗的總電量.通過1d中各種模式的運行狀況，來進行模式的修改與完善.此外，本系統(tǒng)還設置了手動控制，以便污水處理單元的檢修和維護.

2.2 太陽能驅動一體化生物膜反應器運行效果分析

實驗在中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心（以下簡稱生態(tài)中心）進行，進水來自生態(tài)中心生活區(qū)污水（有部分試驗樓雜排水），水質指標見表4.三段進水比例為5∶3∶1.

表4 實驗用水水質Table 4 Wastewater quality of experimental

污水生物處理系統(tǒng)在自控系統(tǒng)下穩(wěn)定運行后對COD、NH3－N和TN的去除效果進行了監(jiān)測，在運行期間，COD的出水濃度20mg／L～37mg／L，去除率在92%以上；TN的出水濃度為18mg／L～54mg／L之間，去除率在60%左右；NH3－N的出水濃度在6mg／L～30mg／L，平均去除率70%～90%.

本研究中的污水生物處理系統(tǒng)對有機物去除效果較好，而對總氮和氨氮的去除率存在波動，分析原因主要是反應器運行時，進水中含有部分實驗污水，氨氮含量過高、碳氮比僅為1.8左右，而理論上將1.0g NO3－N還原為N2需要碳源 （以BOD5表示）2.86g.一般認為，反硝化反應器中污水的BOD5／TKN值大于4～6時，可認為碳源充足［13］.此外，溫度對硝化反應和反硝化反應有較大影響，硝化反應溫度一般控制在20～30℃，反硝化反應溫度一般控制在20～40℃［14］.本研究中實驗水溫在16～18℃，水溫偏低導致硝化反應進行的不夠徹底，NH3－N的殘留含量較高，也影響了TN的去除效果.

3 結論

本研究將太陽能光伏產電技術引入污水處理領域，構建了太陽能驅動一體化生物膜系統(tǒng).根據光照產電規(guī)律和分散型污水的排放特點，結合污水生物處理中的能耗需要，本著既有即用、沒有不用的原則，提出了4種不同能耗等級的運行模式并實現自動化控制，最大限度地利用太陽能資源同時盡可能地減少蓄電池的使用；運行效果表明污水生物處理系統(tǒng)對有機污染物的去除效果較好，進水碳氮比和水溫是影響脫氮的主要因素.

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