0 前言
在我國，農(nóng)村污水處理率很低，絕大部分生活污水不經(jīng)處理直接排放，是引起湖庫富營化的重要原因。
城市污水集中處理技術(shù)，因能耗高和管理維護(hù)要求高而成為農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用的制約因素。因此，低耗高效的污水處理技術(shù)，是當(dāng)今污水分散處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)。
McCarty對如何降低生活污水處理能耗進(jìn)行了積極探索，研發(fā)出一種高效低耗的反應(yīng)器-厭氧流化床膜生物反應(yīng)器（AFMBR），COD去除率可達(dá)99％，單位水量能耗僅0．058kW·h/m3，約為傳統(tǒng)好氧膜生物反應(yīng)器的1/10，但在自然環(huán)境條件下的處理效率以及對生活污水厭氧處理的應(yīng)用前景、經(jīng)濟(jì)效益等方面仍有待進(jìn)一步研究。
太陽能作為一種潔凈、可再生的清潔能源具有廣闊的發(fā)展前景。將太陽能應(yīng)用于污水處理仍處于起步階段，許志蘭等和王文林等先后應(yīng)用美國“Solar Bee”太陽能表面曝氣技術(shù)處理微污染河流和重污染河流水體，使水體主要指標(biāo)有一定改善，但均未對系統(tǒng)能效進(jìn)行分析。蔣薇薇［8］利用太陽能曝氣組合土壤滲濾工藝處理生活污水，對氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和化學(xué)耗氧量（COD）的處理效果均高于未安裝太陽能的處理系統(tǒng)，但其采用的太陽能曝氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備繁多，基建投資高，且不易于管理維護(hù)。
本文采用光伏電板與直流氣泵直接連接，用于污水厭氧處理設(shè)施的改進(jìn)，氣泵同時曝氣和回流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡化。通過光伏A/O池和厭氧池的生活污水處理效果的比較，同時對實(shí)際工程進(jìn)行能效分析，考察光伏技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中的適用性。
1 材料和方法
1．1 中試裝置
中試裝置建于云南省大理州洱源縣鄧川鎮(zhèn)研究基地。2套中試污水處理裝置，均由鍍鋅鐵皮加工而成，為頂部敞開的長方體設(shè)施，尺寸為1m×0．3m×0．8m，有效容積210L，用隔板將反應(yīng)池分成等距的6個小格（在技術(shù)改造前，2套裝置均已在厭氧條件下啟動成功，并穩(wěn)定運(yùn)行了6個月，COD平均去除率為70％左右）。各個反應(yīng)池內(nèi)均加掛多孔懸浮球填料。進(jìn)水口和出水口分別設(shè)置在長方體設(shè)施兩端的上部，設(shè)施底部設(shè)置排泥管。其中，1套為單純的厭氧池，1套裝置加裝光伏曝氣系統(tǒng)（見圖1）。
光伏曝氣系統(tǒng)主要由單晶硅光伏電板、直流氣泵、充氣管和曝氣頭組成。氣泵直接與光伏電板連接，污水回流采用氣提回流，氣泵同時實(shí)現(xiàn)曝氣和回流。
以生活污水為原水（TN36．4mg/L，NH3-N31．9mg/L，TP4．4mg/L，正磷酸鹽（SRP）3．2mg/L，COD183．3mg/L），間歇進(jìn)水（8∶00～23∶00），日處理量240L，HRT21h。光伏A/O池在自然條件下啟動，采樣頻率為1周1次，采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定TN、NH3-N、NO3--N、TP、正磷酸鹽（SRP）、COD等指標(biāo)，在整個運(yùn)行期內(nèi)未排泥。
圖1 光伏曝氣接觸A/O池結(jié)構(gòu)示意
1．2 工程試驗(yàn)
在云南省大理市銀橋鎮(zhèn)西城尾村污水處理設(shè)施的厭氧池加裝光伏曝氣系統(tǒng)，對光伏曝氣系統(tǒng)的能效進(jìn)行分析。
西城尾村污水處理設(shè)施于2010年6月建成并投入運(yùn)行，工藝流程為：隔油池-厭氧池-土壤凈化槽，設(shè)計(jì)處理能力為60m3/d。2011年5月在西城尾污水處理設(shè)施厭氧池（有效容積60m3，HRT24h）上加裝光伏曝氣系統(tǒng)，將其改造成光伏A/O池。通過能效分析，考察光伏曝氣的適用性。
2 結(jié)果和討論
2．1 氮去除效果
中試裝置進(jìn)出水氮濃度的變化如圖2～圖4所示。在運(yùn)行期內(nèi)，厭氧池和光伏A/O池對NH3-N的平均去除率分別為6．4％和29．2％。厭氧池對NH3-N的去除效果不穩(wěn)定。在前100d的運(yùn)行期內(nèi)，光伏A/O池對NH3-N的平均去除率為21．5％，出水NO3--N較低，但隨后NH3-N去除率明顯上升，平均為52．2％，最高為77．0％，出水NO3--N顯著升高，此時可認(rèn)為光伏A/O池啟動成功。
圖2 NH3-N去除效果
圖3 TN去除效果
圖4 NO3--N變化
兩套裝置的TN去除效果變化與NH3-N去除效果變化相似，厭氧池和光伏A/O池對TN的平均去除率分別為9．4％和28．7％，厭氧池對TN的去除效果不穩(wěn)定，也出現(xiàn)了出水高于進(jìn)水的現(xiàn)象。前期（前100d），光伏A/O池對TN的平均去除率為24．3％，隨后顯著上升，平均為41．8％，最高為51．8％。
氨氧化是硝化反應(yīng)的限速步驟，目前報道的有2大類微生物能實(shí)現(xiàn)有氧氨氧化：氨氧化細(xì)菌（AOB）和氨氧化古生菌（AOA）。氨氧化細(xì)菌生長最適DO為3～4mg/L，為嚴(yán)格的好氧菌，DO過高或過低都會抑制氨氧化細(xì)菌的生長。在大多數(shù)污水處理廠中，為實(shí)現(xiàn)生物脫氮，好氧單元DO一般大于2mg/L，以保證充分的硝化并維持系統(tǒng)中氨氧化細(xì)菌數(shù)量的穩(wěn)定。
氨氧化古生菌發(fā)現(xiàn)得較晚。2005年，Knneke等人首次分離出氨氧化古生菌。Park等人首次發(fā)現(xiàn)氨氧化古生菌存在于實(shí)際污水處理廠生物硝化處理單元中。在這些污水處理廠中，生化池為缺氧環(huán)境（DO小于0．2mg/L）以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化。
污水處理池中較常見的硝化細(xì)菌為亞硝化單胞菌（Nitrosomonas），在最佳生長條件下，其世代周期為8h。光伏曝氣系統(tǒng)只在白天天晴時工作，一天中池內(nèi)DO波動較大，停曝約1h后池內(nèi)DO即被耗盡，與間歇曝氣類似，但由于曝氣時間短（晴天≤9h/d），停曝時間長（≥15h/d），又具有與常規(guī)間歇曝氣工藝不同的特征。在停曝階段，反應(yīng)池長時間處于（≥14h）缺氧甚至厭氧狀態(tài)，在此狀態(tài)下氨氧化細(xì)菌生長受到抑制。由圖2和圖4可以看出，光伏A/O池發(fā)生了明顯的氨氧化作用，由此推測，在光伏A/O池中可能存在具有高O2親和力的氨氧化古生菌，能夠適應(yīng)較長時間的缺氧環(huán)境同時與異養(yǎng)菌競爭O2，通過氨氧化獲得能量，實(shí)現(xiàn)增殖。
厭氧池主要通過吸附、沉淀、微生物同化作用等去除污水中的TN。啟動成功后，光伏A/O池通過硝化反硝化作用將污水中還原態(tài)NH3-N轉(zhuǎn)化成N2，實(shí)現(xiàn)脫氮的目的，故其對TN的去除率明顯高于厭氧池。
2．2 磷去除效果
中試裝置進(jìn)出水磷的變化如圖5和圖6所示。在整個運(yùn)行期內(nèi)，厭氧池和光伏A/O池對SRP的平均去除率分別為46．0％和66．3％，對TP的平均去除率為39．3％和66．2％。
圖5 SRP去除效果
圖6 TP去除效果
在整個運(yùn)行期內(nèi)，兩套裝置均未排泥，故生物聚磷對磷去除貢獻(xiàn)很小，推測其主要除磷機(jī)理為Fe（Ⅲ）氫氧化物和非晶態(tài)亞鐵化合物的吸附作用，因?yàn)檫\(yùn)行過程中鍍鋅鐵皮表面被腐蝕。在厭氧池內(nèi)，腐蝕溶出的Fe一部分與S2-結(jié)合生成黑色FeS沉淀（出水變黑），一部分形成凝膠狀的具有較大表面積的非晶態(tài)亞鐵化合物，此類化合物具有較高的磷吸附量和較低的結(jié)合能，通過吸附去除溶解性磷（厭氧池SRP的去除率高于TP的去除率）。在光伏A/O池內(nèi)，溶出的Fe在曝氣階段形成Fe（OH）3和FeO（OH）等氫氧化物，在停曝階段，部分Fe（OH）3和FeO（OH）可能被還原成非晶態(tài)亞鐵化合物，但不會將硫酸鹽還原成S2-與亞鐵形成FeS沉淀（出水清亮）。Fe（OH）3和FeO（OH）等氫氧化物比非晶態(tài)亞鐵化合物比表面積小，但與磷結(jié)合得更牢固，同時在光伏A/O池內(nèi)不存在S2-與SRP競爭，因此光伏A/O池對磷的去除率比厭氧池高。
2．3 COD去除效果
中試裝置進(jìn)出水COD的變化如圖7所示。在整個運(yùn)行期內(nèi)，厭氧池和光伏A/O池對COD的平均去除率分別為64．2％和79．1％，厭氧池和光伏A/O池出水COD平均濃度分別為62．95mg/L和38．67mg/L。厭氧池去除率隨進(jìn)水濃度變化波動較大，而光伏A/O池的去除率相對穩(wěn)定，說明光伏曝氣接觸A/O池抗COD沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。
圖7 COD去除效果
2．4 工程能效分析
大理市年均降雨量1 078．9mm，冬干夏雨，冬半年（11月至次年4月）干季雨量僅占全年降雨量的5％～15％，夏半年（5～10月）雨季降雨量占全年的85％～95％，年均日照時數(shù)2 276．6h，年均晴天數(shù)230天，太陽能資源豐富。
西城尾村污水處理設(shè)施設(shè)計(jì)處理量為60m3/d，于2010年6月建成并投入運(yùn)行，2011年5月在其厭氧池加裝光伏曝氣系統(tǒng)，將厭氧池改造成光伏A/O池。選用150W單晶（12VDC）光伏電板和120W直流氣泵（12VDC，120L/min），氣水比取8∶1，無蓄電池，直流氣泵直接連接光伏電板。晴天曝氣系統(tǒng)正常工作時間一般可達(dá)7～9h，陰雨時停止工作。
氣泵數(shù)量為8臺，光伏電板總功率為1 200W。目前（2012年2月）市場光伏電板（單晶硅）價格為8元/W，系統(tǒng)光伏電板購置費(fèi)計(jì)9 600元（1 200W×8元/W）。在相同的時間和曝氣量下，以當(dāng)?shù)赜秒娰M(fèi)用1元/kW·h，常規(guī)曝氣系統(tǒng)年電費(fèi)為1 987．2元（0．12kW×8臺×9h×230d）。
光伏曝氣系統(tǒng)和常規(guī)曝氣系統(tǒng)相比，只增加光伏電板的購置成本（直流泵和交流泵的購置成本相當(dāng)），而無運(yùn)行電費(fèi)。若按2012年2月的成本計(jì)算，光伏曝氣系統(tǒng)使用4．8年后，其購置成本便可抵消常規(guī)曝氣系統(tǒng)電費(fèi)（光伏電板壽命為10～15年）。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏電板成本還會進(jìn)一步降低，故光伏曝氣代替常規(guī)曝氣應(yīng)用于中小型農(nóng)村污水處理，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有廣闊的發(fā)展前景，尤其是在太陽能資源豐富的地區(qū)。
目前，西城尾村光伏曝氣系統(tǒng)已正常運(yùn)行10個月，但在光照較強(qiáng)的條件下，直流氣泵會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，可考慮加裝直流穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)直流氣泵的穩(wěn)定運(yùn)行。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
（1）首次將光伏電板與直流氣泵直接連接，氣泵同時實(shí)現(xiàn)曝氣和回流，大大降低了光伏曝氣系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量和建設(shè)成本。
（2）光伏A/O池在運(yùn)行約100d后，完成自啟動，對氨氮的最高去除率達(dá)到77．0％，系統(tǒng)中可能存在具有高O2親和力的氨氧化古生菌。
（3）兩套中試裝置對磷的去除有一定的特異性，可能是通過鍍鋅鐵皮腐蝕形成的Fe（Ⅲ）氫氧化物和非晶態(tài)亞鐵化合物的吸附除磷。
（4）通過對實(shí)際工程改造后的能效分析，光伏曝氣代替常規(guī)曝氣應(yīng)用于中小型農(nóng)村污水處理設(shè)施上具有廣闊的發(fā)展前景，但在光伏間歇曝氣條件下的脫氮機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。
