與城市生活污水相比，農(nóng)村生活污水具有分散、規(guī)模小、排放不穩(wěn)定且區(qū)域差異大等特點(diǎn)，因此，農(nóng)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(tǒng)一的農(nóng)村生活污水處理模式，而應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件，因地制宜地設(shè)計(jì)農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)。目前在遠(yuǎn)離市政管網(wǎng)的農(nóng)村或者小型社區(qū)普遍采用分散型污水處理設(shè)施。

　　生物法可以有效地去除污水中的有機(jī)污染物、氮和磷，但由于運(yùn)行能耗高導(dǎo)致的運(yùn)行費(fèi)用高使得許多農(nóng)村生活污水處理設(shè)施無法長(zhǎng)期穩(wěn)定地發(fā)揮作用。因此，利用太陽能、風(fēng)能等新能源受到重視。如利用太陽能為寒冷地區(qū)污水處理設(shè)施保溫、利用太陽能蒸餾實(shí)現(xiàn)污泥脫水、利用太陽能進(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(guī)的太陽能和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)為保持穩(wěn)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(xiǎn)。在農(nóng)村地區(qū)，通常是白天有生活污水排放，夜間斷流，這個(gè)規(guī)律與太陽能輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律大致吻合。此外，污水生物處理的厭氧、缺氧和好氧反應(yīng)對(duì)溶解氧的需求也不同。將上述因素結(jié)合，開發(fā)無蓄電池直接利用太陽能驅(qū)動(dòng)污水處理系統(tǒng)是可能的，這已在我們的初期研究得到驗(yàn)證，但單獨(dú)太陽能供電在遇到連續(xù)陰天情況下存在電量供應(yīng)不足的問題。

　　本研究構(gòu)建了利用太陽能和風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電，并通過自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)污水處理裝置自動(dòng)運(yùn)行的集成系統(tǒng)。本研究重點(diǎn)對(duì)太陽能和風(fēng)能的變化規(guī)律進(jìn)行分析，研究與之相適應(yīng)的污水處理生物反應(yīng)器的運(yùn)行方式，以期為新能源在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用探索有效途徑。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行條件

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由無蓄電池的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電單元、自控單元和生物反應(yīng)器組成。發(fā)電單元的太陽能電池板共3 塊(標(biāo)準(zhǔn)功率為135 W·塊−1)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)1 臺(tái)(400 W，24 V);自控單元包括電子傳感器與PLC;發(fā)電裝置預(yù)配置市電端口，當(dāng)極端氣候條件出現(xiàn)時(shí)，將設(shè)備與市電連接，保證負(fù)載用電。生物反應(yīng)器為多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應(yīng)器，由3 組缺氧-好氧反應(yīng)區(qū)串聯(lián)組成，有效容積分別為14、14、11 L，缺氧區(qū)與好氧區(qū)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(jù)每天產(chǎn)電裝置發(fā)電能力的變化特征，將反應(yīng)器的進(jìn)水和曝氣分為3 種運(yùn)行工況。3 種運(yùn)行工況的進(jìn)水總流量分別為63、53、45 mL·min−1，相應(yīng)的水力停留時(shí)間則分別為10、12、14 h，且分別對(duì)應(yīng)3臺(tái)不同能耗級(jí)別的曝氣泵進(jìn)行曝氣。裝置所在地為中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，位于北京市海淀區(qū)，北緯40.0°，東經(jīng)116.3°，海拔高度50 m。

　　圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

　　基于太陽能輻射強(qiáng)度的日變化規(guī)律，設(shè)計(jì)無蓄電池風(fēng)-光能互補(bǔ)發(fā)電單元的輸出電能，分高、中、低3 級(jí)。與之相對(duì)應(yīng)，生物反應(yīng)器按3 種工況依次交替運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源最大程度的利用。實(shí)驗(yàn)廢水取自北京某居民區(qū)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(yīng)器的3 組缺氧-好氧反應(yīng)區(qū)進(jìn)水流量分配比例為5:3:2。第1級(jí)缺氧單元可對(duì)50%的進(jìn)水進(jìn)行一定的厭氧消化，增強(qiáng)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(jí)缺氧單元和第3級(jí)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(yīng)器設(shè)計(jì)可省去硝化液回流過程，進(jìn)而減少相應(yīng)的能源動(dòng)力成本。3 個(gè)缺氧區(qū)的溶解氧控制在0.2 mg·L−1以下，而好氧區(qū)的溶解氧均在4.0 mg·L−1以上。在運(yùn)行期間，反應(yīng)器內(nèi)水溫隨季節(jié)變化，在8～29 ℃之間。

表1 反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì)

　　1.2 檢測(cè)方法

　　COD采用快速消解分光光度法測(cè)定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，TN采用哈希預(yù)制試劑和分光光度計(jì)測(cè)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(cè)，pH采用pH計(jì)(BANTE 900,上海般特儀器廠，中國(guó))測(cè)定，溶解氧采用DO(BANTE 900,上海般特儀器廠，中國(guó))測(cè)定。

　　太陽能輻射強(qiáng)度采用太陽能輻射測(cè)量?jī)x測(cè)定，風(fēng)速用風(fēng)速測(cè)定儀測(cè)定，太陽能和風(fēng)力實(shí)時(shí)發(fā)電強(qiáng)度、太陽能和風(fēng)能發(fā)電量、反應(yīng)器各工況的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等均通過相應(yīng)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(guó))檢測(cè)并記錄，能耗由電量表(優(yōu)利德UT230A，電力監(jiān)測(cè)儀，優(yōu)利德科技(中國(guó))有限公司)記錄。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 太陽能輻射強(qiáng)度和風(fēng)速變化特征調(diào)查分析

　　對(duì)本實(shí)驗(yàn)所在地生態(tài)系統(tǒng)研究站2016 年的日平均太陽能輻射強(qiáng)度和日平均風(fēng)速的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

　　圖2 太陽能輻射強(qiáng)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，太陽能日平均輻射強(qiáng)度與季節(jié)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，太陽能和風(fēng)能在全年時(shí)間尺度上具有一定的互補(bǔ)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(jié)，基于代表月全月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)一年四季中太陽能輻射和風(fēng)速日變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

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

　　由圖3(a)可知，太陽能輻射強(qiáng)度隨著春夏秋冬的推移逐漸減小，日間最高輻射強(qiáng)度分別為700、500、400和300 W·m−2，且達(dá)到最高輻射強(qiáng)度的時(shí)間隨著春夏秋冬的變化存在逐漸減小且向后偏移的趨勢(shì)，冬季尤為明顯。此外，夏季日照時(shí)間最長(zhǎng)，為13 h左右，春季、秋季和冬季分別為12、10和9 h左右。因此，總體來看，春季的太陽能資源最為豐富，在春季實(shí)驗(yàn)地區(qū)主要以晴好天氣為主，能見度高，空中云層遮擋較少，而在夏季陰雨天氣明顯增加，歷史數(shù)據(jù)顯示，北京地區(qū)，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能輻射強(qiáng)度，而在秋冬兩季，隨著太陽向南回歸線的移動(dòng)，平均輻射強(qiáng)度則會(huì)進(jìn)一步降低并延后。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.northcarolinalenders.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(duì)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(dá)到1 m·s−1以上。此外，春季白天風(fēng)速較高，峰值出現(xiàn)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(xiàn)在16:00—18:00時(shí)之間。作為輔助能源，冬季相對(duì)豐富的風(fēng)力資源對(duì)于冬季相對(duì)較弱的太陽能資源將是良好的補(bǔ)充。

　　因此，太陽能和風(fēng)能存在的互補(bǔ)效應(yīng)，基于風(fēng)光互補(bǔ)供電的模式可以很大程度上強(qiáng)化供電的穩(wěn)定性，使無蓄電池組的風(fēng)-光能互補(bǔ)供電驅(qū)動(dòng)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施成為可能。

　　2.2 太陽能輻射強(qiáng)度和風(fēng)速變化特征調(diào)查分析

　　在實(shí)驗(yàn)期間，對(duì)生物反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后光伏發(fā)電板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力、發(fā)電量、負(fù)載(生物反應(yīng)器)的耗電量以及相對(duì)應(yīng)的氣象條件進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

　　圖4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電及自控系統(tǒng)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(xù)監(jiān)測(cè)的107 d內(nèi)，太陽能的日平均產(chǎn)電量高達(dá)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(jié)果與圖2相符，在夏、秋季，風(fēng)能的補(bǔ)充作用較小。太陽能和風(fēng)能日平均總發(fā)電量為693.3 kJ，而生物反應(yīng)器日平均用電量為587.2 kJ，能源利用率(當(dāng)日耗電量/當(dāng)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(tǒng)能量平衡(發(fā)電量-耗電量)均為正值，表明無蓄電池的風(fēng)-光能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量完全可以滿足污水生物處理反應(yīng)器所需的耗電量，支持設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。圖4(c)為以上數(shù)據(jù)相應(yīng)的氣象條件。基于傳統(tǒng)風(fēng)-光能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行核算(除極端天氣外)，本系統(tǒng)基本滿足以下2點(diǎn)：1)光伏和風(fēng)機(jī)的日平均發(fā)電量(825.6 kJ)應(yīng)大于設(shè)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)不超過月平均耗電量(732.4 kJ)的10%。

　　2.3 風(fēng)-光能互補(bǔ)發(fā)電驅(qū)動(dòng)生物反應(yīng)器處理污水效能研究

　　實(shí)驗(yàn)裝置連續(xù)進(jìn)行167 d，重點(diǎn)考察了反應(yīng)器對(duì)COD、NH4+-N和TN的去除效果，結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)期間的進(jìn)水水質(zhì)見表1。由圖5可知，除極端天氣條件，多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應(yīng)器對(duì)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(yīng)器仍可以穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)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(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

　　圖5 反應(yīng)器對(duì)COD、NH4+-N和TN的去除效果

　　為了進(jìn)一步考察生物反應(yīng)器中 3 組缺氧-好氧反應(yīng)區(qū)對(duì)污水的處理效果的貢獻(xiàn)，以24 h為監(jiān)測(cè)周期，對(duì)每組缺氧-好氧反應(yīng)區(qū)去除COD、NH4+-N、TN、NO3−-N和NO2−-N的效果進(jìn)行解析，結(jié)果如圖6所示。按照太陽能和風(fēng)能強(qiáng)度的日變化規(guī)律，無蓄電池組風(fēng)-光能互補(bǔ)發(fā)電單元在08:00—17:00向多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應(yīng)器供電，生物反應(yīng)器處于有進(jìn)水和好氧區(qū)曝氣的運(yùn)行狀態(tài)，多點(diǎn)進(jìn)水生物膜反應(yīng)器的 3 組缺氧-好氧反應(yīng)區(qū)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(yīng)器處于靜置狀態(tài)。

　　圖6 反應(yīng)器24 h周期內(nèi)各反映單元對(duì)COD、NH4+-N、TN、NO3−-N和NO2−-N的處理

　　由圖6(a)可見，COD總?cè)コ�量�?2 473.0 mg·d−1，其中運(yùn)行階段去除量為11 434.9 mg·d−1,占總?cè)コ�量�?1.6%，靜置階段去除量較小,僅占總?cè)コ�量�?.3%。COD的去除主要發(fā)生在RO-I反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)器運(yùn)行期間對(duì)COD去除量和貢獻(xiàn)率分別為3 910.7 mg·d−1和31.3%，當(dāng)電力供應(yīng)不足，反應(yīng)器處于靜置狀態(tài)時(shí)，仍然可以繼續(xù)對(duì)污水中的COD進(jìn)行一定的去除，靜置期間的去除量和貢獻(xiàn)率分別為105.0 mg·d−1和0.8%，RO-I反應(yīng)區(qū)的總貢獻(xiàn)率高達(dá)32.1%，其余各階段對(duì)COD的去除貢獻(xiàn)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(jié)果。NH4+-N總?cè)コ�量�? 961.0 mg·d−1，其中運(yùn)行階段去除量2 853.3 mg·d−1,占總?cè)コ�量�?6.3%，靜置階段去除量同樣較少,占總?cè)コ�量�?.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(yīng)器運(yùn)行期間對(duì)NH4+-N去除量和貢獻(xiàn)率分別為1 156.0 mg·d−1和39.0%;反應(yīng)器靜置期間對(duì)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(yīng)器運(yùn)行和靜置狀態(tài)下的總?cè)コ�貢獻(xiàn)率分別為24.4%和21.2%。在反應(yīng)器靜置期間，各反應(yīng)單元內(nèi)NH4+-N無明顯變化。TN總?cè)コ�量�? 953.5 mg·d−1，其中運(yùn)行階段去除量2 522.4 mg·d−1,占總?cè)コ�量�?6.33%，靜置階段去除量431.1 mg·d−1,占總?cè)コ�量�?3.6%。TN的變化趨勢(shì)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(yīng)器靜置階段以及RO-III得以去除，最終沒有發(fā)生明顯的積累。

　　2.4 發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型比較

　　發(fā)電系統(tǒng)中的各組件成本如表2所示。通過對(duì)比無蓄電池的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用得出，無蓄電池的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)總成本相對(duì)于傳統(tǒng)帶有蓄電池的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)降低了43.2%。

　　表2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

　　3 結(jié)論

　　1)太陽能與風(fēng)能具有季節(jié)互補(bǔ)性，特別是太陽能輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱的冬季，風(fēng)能補(bǔ)充作用明顯。

　　2)通過自控系統(tǒng)的調(diào)控及建立相應(yīng)的生物反應(yīng)器運(yùn)行工況，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電單元電能輸出穩(wěn)定，且能源利用率達(dá)到80.0%，證明利用無蓄電池風(fēng)-光能互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)生物反應(yīng)器處理農(nóng)村生活污水是可行的。

　　3)采用無蓄電池組風(fēng)-光能互補(bǔ)發(fā)電驅(qū)動(dòng)生物反應(yīng)器，167 d的連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)COD、NH4+-N和TN的平均去除率分別為90.6%、94.7%和61.7%。

　　4)通過24 h連續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器在白天運(yùn)行和夜間靜置階段對(duì)污染物的去除均有貢獻(xiàn)，其中白天運(yùn)行階段對(duì)COD、NH4+-N和TN的去除貢獻(xiàn)較大，分別為91.6%、96.3%和86.3%。

　　5)無蓄電池的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)基建投資總成本相對(duì)于傳統(tǒng)帶有蓄電池的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)降低了43.2%。(來源：環(huán)境工程學(xué)報(bào) 作者：李鵬宇)