無(wú)蓄電池風(fēng)-光能互補驅動(dòng)生物反應器處理農村生活污水可行性研究

　　與城市生活污水相比，農村生活污水具有分散、規模小、排放不穩定且區域差異大等特點(diǎn)，因此，農村生活污水處理既不能簡(jiǎn)單地照搬城市生活污水的處理模式，也不能采用統一的農村生活污水處理模式，而應當結合當地條件，因地制宜地設計農村生活污水處理系統。目前在遠離市政管網(wǎng)的農村或者小型社區普遍采用分散型污水處理設施。

　　生物法可以有效地去除污水中的有機污染物、氮和磷，但由于運行能耗高導致的運行費用高使得許多農村生活污水處理設施無(wú)法長(cháng)期穩定地發(fā)揮作用。因此，利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源受到重視。如利用太陽(yáng)能為寒冷地區污水處理設施保溫、利用太陽(yáng)能蒸餾實(shí)現污泥脫水、利用太陽(yáng)能進(jìn)行光催化氧化處理污水、利用風(fēng)能為污水處理裝置進(jìn)行供電等。然而，常規的太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電系統為保持穩定的電能輸出需要蓄電池組，但蓄電池的使用壽命通常是2～5 年，蓄電池的定期更換增加了發(fā)電成本，也增加了蓄電池污染環(huán)境風(fēng)險。在農村地區，通常是白天有生活污水排放，夜間斷流，這個(gè)規律與太陽(yáng)能輻射強度的變化規律大致吻合。此外，污水生物處理的厭氧、缺氧和好氧反應對溶解氧的需求也不同。將上述因素結合，開(kāi)發(fā)無(wú)蓄電池直接利用太陽(yáng)能驅動(dòng)污水處理系統是可能的，這已在我們的初期研究得到驗證，但單獨太陽(yáng)能供電在遇到連續陰天情況下存在電量供應不足的問(wèn)題。

　　本研究構建了利用太陽(yáng)能和風(fēng)能互補發(fā)電，并通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現污水處理裝置自動(dòng)運行的集成系統。本研究重點(diǎn)對太陽(yáng)能和風(fēng)能的變化規律進(jìn)行分析，研究與之相適應的污水處理生物反應器的運行方式，以期為新能源在農村污水處理中的應用探索有效途徑。

　　1 實(shí)驗部分

　　1.1 實(shí)驗裝置與運行條件

　　實(shí)驗裝置如圖1所示，由無(wú)蓄電池的風(fēng)光互補發(fā)電單元、自控單元和生物反應器組成。發(fā)電單元的太陽(yáng)能電池板共3 塊(標準功率為135 W·塊−1)，風(fēng)力發(fā)電機1 臺(400 W，24 V);自控單元包括電子傳感器與PLC;發(fā)電裝置預配置市電端口，當極端氣候條件出現時(shí)，將設備與市電連接，保證負載用電。生物反應器為多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應器，由3 組缺氧-好氧反應區串聯(lián)組成，有效容積分別為14、14、11 L，缺氧區與好氧區的容積比分別為1:3、1:3、1:2.75，出水沉淀池的容積為17 L。同時(shí)，根據每天產(chǎn)電裝置發(fā)電能力的變化特征，將反應器的進(jìn)水和曝氣分為3 種運行工況。3 種運行工況的進(jìn)水總流量分別為63、53、45 mL·min−1，相應的水力停留時(shí)間則分別為10、12、14 h，且分別對應3臺不同能耗級別的曝氣泵進(jìn)行曝氣。裝置所在地為中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，位于北京市海淀區，北緯40.0°，東經(jīng)116.3°，海拔高度50 m。

　　圖1 實(shí)驗裝置系統圖

　　基于太陽(yáng)能輻射強度的日變化規律，設計無(wú)蓄電池風(fēng)-光能互補發(fā)電單元的輸出電能，分高、中、低3 級。與之相對應，生物反應器按3 種工況依次交替運行，以實(shí)現對能源最大程度的利用。實(shí)驗廢水取自北京某居民區化糞池污水，其水質(zhì)如表1所示。多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應器的3 組缺氧-好氧反應區進(jìn)水流量分配比例為5:3:2。第1級缺氧單元可對50%的進(jìn)水進(jìn)行一定的厭氧消化，增強了污水的可生化性的同時(shí)也會(huì )有部分氨化作用的發(fā)生，第2級缺氧單元和第3級缺氧單元分別利用各自前段的好氧單元進(jìn)水及部分原水進(jìn)行反硝化脫氮作用。該多點(diǎn)進(jìn)水反應器設計可省去硝化液回流過(guò)程，進(jìn)而減少相應的能源動(dòng)力成本。3 個(gè)缺氧區的溶解氧控制在0.2 mg·L−1以下，而好氧區的溶解氧均在4.0 mg·L−1以上。在運行期間，反應器內水溫隨季節變化，在8～29 ℃之間。

表1 反應器進(jìn)水水質(zhì)

　　1.2 檢測方法

　　COD采用快速消解分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，TN采用哈希預制試劑和分光光度計測定，NO2−-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，NO3−-N采用酚二磺酸分光光度法進(jìn)行檢測，pH采用pH計(BANTE 900,上海般特儀器廠(chǎng)，中國)測定，溶解氧采用DO(BANTE 900,上海般特儀器廠(chǎng)，中國)測定。

　　太陽(yáng)能輻射強度采用太陽(yáng)能輻射測量?jì)x測定，風(fēng)速用風(fēng)速測定儀測定，太陽(yáng)能和風(fēng)力實(shí)時(shí)發(fā)電強度、太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電量、反應器各工況的運行時(shí)長(cháng)等均通過(guò)相應的電子傳感器與PLC (FX2N-40M，天津佳創(chuàng )科技發(fā)展有限公司，中國)檢測并記錄，能耗由電量表(優(yōu)利德UT230A，電力監測儀，優(yōu)利德科技(中國)有限公司)記錄。

　　2 結果與討論

　　2.1 太陽(yáng)能輻射強度和風(fēng)速變化特征調查分析

　　對本實(shí)驗所在地生態(tài)系統研究站2016 年的日平均太陽(yáng)能輻射強度和日平均風(fēng)速的檢測數據進(jìn)行分析，結果如圖2所示。

　　圖2 太陽(yáng)能輻射強度和風(fēng)速隨時(shí)間的變化

　　由圖2可知，從年變化尺度上可以看出，太陽(yáng)能日平均輻射強度與季節明顯相關(guān)，在1月、11月和12月最低，在5—6月最高;平均風(fēng)速則在1—4月及11—12月最大，在6—8月較低。因此，太陽(yáng)能和風(fēng)能在全年時(shí)間尺度上具有一定的互補性。

　　進(jìn)一步選取典型月3月、6月、9月和12月分別代表春、夏、秋和冬4 個(gè)季節，基于代表月全月的監測數據對一年四季中太陽(yáng)能輻射和風(fēng)速日變化趨勢進(jìn)行分析，結果如圖3所示。

　　圖3 四季太陽(yáng)輻射強度和風(fēng)速隨時(shí)間的變化

　　由圖3(a)可知，太陽(yáng)能輻射強度隨著(zhù)春夏秋冬的推移逐漸減小，日間最高輻射強度分別為700、500、400和300 W·m−2，且達到最高輻射強度的時(shí)間隨著(zhù)春夏秋冬的變化存在逐漸減小且向后偏移的趨勢，冬季尤為明顯。此外，夏季日照時(shí)間最長(cháng)，為13 h左右，春季、秋季和冬季分別為12、10和9 h左右。因此，總體來(lái)看，春季的太陽(yáng)能資源最為豐富，在春季實(shí)驗地區主要以晴好天氣為主，能見(jiàn)度高，空中云層遮擋較少，而在夏季陰雨天氣明顯增加，歷史數據顯示，北京地區，2014年6—8月共有陰雨天60 d，2015年6—8月共有陰雨天70 d，2016年6—8月共有陰雨天74 d,因此，極大地削弱了夏季的太陽(yáng)能輻射強度，而在秋冬兩季，隨著(zhù)太陽(yáng)向南回歸線(xiàn)的移動(dòng)，平均輻射強度則會(huì )進(jìn)一步降低并延后。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　由圖3(b)可知，夏季和秋季風(fēng)資源相對匱乏，而春季和冬季風(fēng)力資源較為豐富，特別是在冬季，平均風(fēng)速均可達到1 m·s−1以上。此外，春季白天風(fēng)速較高，峰值出現在15:00左右;夏、秋兩季日變化幅度較小;冬季風(fēng)速日變化波動(dòng)較大且維持在較高水平，風(fēng)力最大值出現在16:00—18:00時(shí)之間。作為輔助能源，冬季相對豐富的風(fēng)力資源對于冬季相對較弱的太陽(yáng)能資源將是良好的補充。

　　因此，太陽(yáng)能和風(fēng)能存在的互補效應，基于風(fēng)光互補供電的模式可以很大程度上強化供電的穩定性，使無(wú)蓄電池組的風(fēng)-光能互補供電驅動(dòng)農村生活污水處理設施成為可能。

　　2.2 太陽(yáng)能輻射強度和風(fēng)速變化特征調查分析

　　在實(shí)驗期間，對生物反應器運行穩定后光伏發(fā)電板和風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電能力、發(fā)電量、負載(生物反應器)的耗電量以及相對應的氣象條件進(jìn)行了連續監測，結果如圖4所示。

　　圖4 風(fēng)光互補發(fā)電及自控系統效能的電能輸出性能

　　由圖4(a)可知，從2017年6月11日到2017年9月25日連續監測的107 d內，太陽(yáng)能的日平均產(chǎn)電量高達641.4 kJ，作為輔助能源的風(fēng)能日平均產(chǎn)電量則為51.9 kJ。這個(gè)結果與圖2相符，在夏、秋季，風(fēng)能的補充作用較小。太陽(yáng)能和風(fēng)能日平均總發(fā)電量為693.3 kJ，而生物反應器日平均用電量為587.2 kJ，能源利用率(當日耗電量/當日發(fā)電量)基本可維持在80.0%左右,如圖4(b)所示。此外，由圖4可以明顯看出，除極端氣候(如終日陰雨天氣下)條件下，系統能量平衡(發(fā)電量-耗電量)均為正值，表明無(wú)蓄電池的風(fēng)-光能互補發(fā)電系統的發(fā)電量完全可以滿(mǎn)足污水生物處理反應器所需的耗電量，支持設備的穩定運行。圖4(c)為以上數據相應的氣象條件�；�于傳統風(fēng)-光能互補發(fā)電系統的評價(jià)方法進(jìn)行核算(除極端天氣外)，本系統基本滿(mǎn)足以下2點(diǎn)：1)光伏和風(fēng)機的日平均發(fā)電量(825.6 kJ)應大于設定的最低日平均耗電量(485 kJ)的1.8 倍;2)發(fā)電量的峰值(952.0 kJ)不超過(guò)月平均耗電量(732.4 kJ)的10%。

　　2.3 風(fēng)-光能互補發(fā)電驅動(dòng)生物反應器處理污水效能研究

　　實(shí)驗裝置連續進(jìn)行167 d，重點(diǎn)考察了反應器對COD、NH4+-N和TN的去除效果，結果如圖5所示。實(shí)驗期間的進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。由圖5可知，除極端天氣條件，多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應器對COD、NH4+-N和TN的平均去除率分別為90.6%、94.7%和61.7%，出水中COD、NH4+-N和TN平均濃度為29.1、2.2和15.7 mg·L−1。盡管進(jìn)水中各污染物濃度有較大幅度的波動(dòng)，但反應器仍可以穩定運行，對COD、NH4+-N和TN保持了較高的去除效率。表明多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應器具有較強的抗沖擊負荷能力。

　　圖5 反應器對COD、NH4+-N和TN的去除效果

　　為了進(jìn)一步考察生物反應器中 3 組缺氧-好氧反應區對污水的處理效果的貢獻，以24 h為監測周期，對每組缺氧-好氧反應區去除COD、NH4+-N、TN、NO3−-N和NO2−-N的效果進(jìn)行解析，結果如圖6所示。按照太陽(yáng)能和風(fēng)能強度的日變化規律，無(wú)蓄電池組風(fēng)-光能互補發(fā)電單元在08:00—17:00向多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應器供電，生物反應器處于有進(jìn)水和好氧區曝氣的運行狀態(tài)，多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應器的 3 組缺氧-好氧反應區進(jìn)水流量分配比例為5：3：2;在夜晚18:00—翌日07:00停止供電，生物反應器處于靜置狀態(tài)。

　　圖6 反應器24 h周期內各反映單元對COD、NH4+-N、TN、NO3−-N和NO2−-N的處理

　　由圖6(a)可見(jiàn)，COD總去除量為12 473.0 mg·d−1，其中運行階段去除量為11 434.9 mg·d−1,占總去除量的91.6%，靜置階段去除量較小,僅占總去除量的8.3%。COD的去除主要發(fā)生在RO-I反應區，反應器運行期間對COD去除量和貢獻率分別為3 910.7 mg·d−1和31.3%，當電力供應不足，反應器處于靜置狀態(tài)時(shí)，仍然可以繼續對污水中的COD進(jìn)行一定的去除，靜置期間的去除量和貢獻率分別為105.0 mg·d−1和0.8%，RO-I反應區的總貢獻率高達32.1%，其余各階段對COD的去除貢獻率在14.0%左右。圖6(b)、(c)、(d)、(e)分別是NH4+-N、TN、NO2−-N和NO3−-N的變化結果。NH4+-N總去除量為2 961.0 mg·d−1，其中運行階段去除量2 853.3 mg·d−1,占總去除量的96.3%，靜置階段去除量同樣較少,占總去除量的3.6%。NH4+-N主要在RO-I、RO-II、RO-III中去除，其中在RO-II中的去除效果最好，反應器運行期間對NH4+-N去除量和貢獻率分別為1 156.0 mg·d−1和39.0%;反應器靜置期間對NH4+-N的去除量和去除率分別為22.9 mg·d−1和0.7%。RO-I和RO-III在反應器運行和靜置狀態(tài)下的總去除貢獻率分別為24.4%和21.2%。在反應器靜置期間，各反應單元內NH4+-N無(wú)明顯變化。TN總去除量為2 953.5 mg·d−1，其中運行階段去除量2 522.4 mg·d−1,占總去除量的86.33%，靜置階段去除量431.1 mg·d−1,占總去除量的13.6%。TN的變化趨勢與NH4+-N基本相同。NO3−-N 的積累主要發(fā)生在好氧段，在厭氧段下降。NO2−-N的積累主要發(fā)生在RO-II中，并且在反應器靜置階段以及RO-III得以去除，最終沒(méi)有發(fā)生明顯的積累。

　　2.4 發(fā)電系統經(jīng)濟型比較

　　發(fā)電系統中的各組件成本如表2所示。通過(guò)對比無(wú)蓄電池的風(fēng)光互補發(fā)電系統以及傳統的風(fēng)光互補發(fā)電系統的基礎建設費用得出，無(wú)蓄電池的風(fēng)光互補發(fā)電系統總成本相對于傳統帶有蓄電池的風(fēng)光互補系統降低了43.2%。

　　表2 經(jīng)濟性對比分析

　　3 結論

　　1)太陽(yáng)能與風(fēng)能具有季節互補性，特別是太陽(yáng)能輻射強度相對較弱的冬季，風(fēng)能補充作用明顯。

　　2)通過(guò)自控系統的調控及建立相應的生物反應器運行工況，可以實(shí)現發(fā)電單元電能輸出穩定，且能源利用率達到80.0%，證明利用無(wú)蓄電池風(fēng)-光能互補驅動(dòng)生物反應器處理農村生活污水是可行的。

　　3)采用無(wú)蓄電池組風(fēng)-光能互補發(fā)電驅動(dòng)生物反應器，167 d的連續運行實(shí)驗結果顯示，對COD、NH4+-N和TN的平均去除率分別為90.6%、94.7%和61.7%。

　　4)通過(guò)24 h連續實(shí)驗發(fā)現，反應器在白天運行和夜間靜置階段對污染物的去除均有貢獻，其中白天運行階段對COD、NH4+-N和TN的去除貢獻較大，分別為91.6%、96.3%和86.3%。

　　5)無(wú)蓄電池的風(fēng)光互補發(fā)電系統基建投資總成本相對于傳統帶有蓄電池的風(fēng)光互補系統降低了43.2%。(來(lái)源：環(huán)境工程學(xué)報 作者：李鵬宇)