太阳能驱动分散型污水处理系统及其自动化控制研究

蔡铭杰，马宏瑞，刘俊新，梁瀚文＊

（1.陕西科技大学，陕西 西安 712081；2.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085）

0 引言

目前应用最为广泛的污水生物处理技术，在运行过程中往往采用鼓风曝气的方式为好氧微生物提供溶解氧，但对电能消耗较大.对我国近500座城市污水厂的能耗调查和数据统计表明，约70%是消耗在污水好氧生物处理单元［1］.在能源日益紧缺的今天，污水处理的高电耗已引起人们的广泛关注，如何降低污水处理过程中对电能的消耗成为研究热点.太阳能作为一种清洁型的新能源，已经越来越多地运用到生产生活中.我国每年陆地接收的总太阳辐射量，相当于24000亿t标煤［2］.全国2／3的国土面积年日照时数在2200h以上，年太阳辐射总量大于5×106kJ／m2［3］，特别是西藏、云南、青海、新疆、甘肃、宁夏及内蒙古等地区，年日照时数大于3000h，年总辐射超过6.7×106kJ／m2［4－6］.目前太阳能的利用主要分为两个方面：一是利用光热效应，即把太阳光的辐射能转换为热能，太阳能热水器和太阳灶就是典型的例子［7］；二是利用光生伏特（PV）效应（简称光伏效应，也称为光生电动势效应），将太阳光的辐射能直接转变为电能.过去几年，全球光伏发电的年增长率均高于40%以上，其应用范围已越来越大.2006年年底，我国光伏发电的总容量约为2000多MW，主要用于解决偏远地区居民的用电问题.目前太阳能应用于污水处理的研究中，多数为利用太阳光照射的光催化氧化处理污水技术［8－11］，而将光伏发电作为驱动能源代替常规电能应用于污水处理领域的研究还鲜有报道.本研究根据太阳光照的日变化规律、产生光伏电的特点，结合污水处理过程中对电能的需求，建立了太阳能驱动一体化生物膜污水处理反应器，本着尽可能少用甚至不用蓄电池（蓄电池更换成本及带来的二次污染）的原则，通过监测蓄电池电压的变化，获得实时电压来做为控制参数，结合太阳光照强度和天气变化规律，建立了一体化生物膜反应器的四种运行模式，编写了逻辑控制程序，通过计算机实现了界面式自动化操作控制，并对污水处理效果进行了分析.

1 材料与方法

1.1 一体化生物膜反应器

一体化生物膜反应器为双层圆筒式结构（图1，P119），共有3段缺氧／好氧交替区，内部圆形区域为竖流式沉淀池.污水进入生物反应器缺氧室，在各缺氧室中，反硝化菌利用原水中的有机物作为碳源，将上一好氧室出水中的硝酸盐转化成氮气，从而达到脱氮的目的.实验中负载设备包括3台进水泵（小于35W／台），3台搅拌电机（60W／台）和3台供氧空气泵（45W／台），最大总功率为420W.

图1 一体化生物膜反应器展开图Fig.1 Profile map of step feed biofilm reactor

分段进水生物膜工艺具有抗冲击负荷能力强、脱氮效果好的特点，又具有生物膜法不发生污泥膨胀、维护简单的优点.3段式分段进水一体化生物膜反应器，根据能量消耗的不同，可采取如下4种不同的运行模式：

低能耗：污水处理系统开启的设备为第1段的缺氧区进水泵3a（＜35W）和搅拌电机（60W），以及第1段的空气泵4a（45W），总能耗为140W左右.反应器的运行方式为缺氧／好氧／缺氧.从总体来看类似于A／O工艺，污水在此运行方式下，从反应器的第1段进入，流经反应器的6段，水力停留时间长，以保证较高的污染物去除效果.

中能耗：污水处理反应器开启的设备在低能耗模式的基础上，增开了第3段缺氧区进水泵3c（＜35W）和搅拌电机（60W）及第3段好氧区的空气泵4c（45W），总能耗为280W.反应器的运行方式相当于两段式的分段进水工艺.

高能耗：污水处理反应器开启的设备在中能耗模式的基础上，增开了第2段缺氧区进水泵3b（＜35W）和搅拌电机（60W）及第2段好氧区的空气泵4b（45W），总能耗为420W.反应器所有的耗能设备均开启，反应器的运行方式相当于3段式的分段进水工艺.

夜间模式：反应器的运行方式为采用时间和电压来控制，在电力允许的情况下，每小时反应器运行5 min，运行时除搅拌电机外，其他设备均开启.夜间模式运行的时间非常短暂，只是作为一个夜间到白天太阳能电力匮乏时的过渡，避免污水处理系统骤停骤开所带来的冲击.实际情况中夜间排放的污水量很少，可以忽略不计.

1.2 太阳能驱动系统

根据一体化分段进水生物膜反应器的能耗要求和运行方式的特点，建立了独立发电型太阳能光伏发电系统（图2，P120），太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池板，它将太阳光的光能直接转换成电能，并通过控制器把太阳能电池产生的电能存储于蓄电池.当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器分配到各个负载.太阳能电池所产生的直流电通过交流逆变器将其转化为交流电，供交流负载使用.本研究中太阳能电池板所发电能即发即用，蓄电池仅仅起到缓冲电容的作用，使得蓄电池的使用量尽可能的小，使用寿命得到延长，避免由于频繁更换蓄电池带来运行成本的增加以及造成二次污染的问题.

太阳能光伏发电系统设计参照中国工程建设标准化协会标准，太阳光伏电源系统安装工程设计规范CECS 84：96［12］.实验地点为北京市中国科学院生态环境研究中心，地理位置为北纬39.9°，东经116.3°，海拔高度43m，根据太阳光伏电源系统安装工程设计规范附录中提供的全国各大城市太阳能电池方阵最佳倾角表，北京市最佳倾角为当地纬度加4°，所以方阵的安装倾角为44°左右.

图2 独立型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图Fig.2 Principle of independent photovoltaic power generation system

1.2.1 光伏组件串、并联数

本研究中的光伏发电系统主要针对偏远农村地区分散型污水处理，根据农村污水排放主要在早、中、晚3个高峰期，设计污水处理反应器运行总时间为3h，采用的污水处理反应器最大总功率为420W，因此系统的负载日耗电量为1260W·h.

光伏组件的串并联数的计算公式及其参数选取均参照中国工程建设标准化协会标准，太阳光伏电源系统安装工程设计规范 CECS 84：96［12］.

光伏组件串联数计算公式：

式中，Vf——蓄电池浮充电压，不同类型蓄电池浮充电压见表1；Vd——防反冲二极管的压降及线路压降总和，一般取0.5－0.7；ΔVt——太阳能电池因升温引起的压降，

表1 蓄电池浮充最小电压VfTable 1 Minimun floating charge voltage of storage battery Vf

式中，α——太阳能电池组件的温度系数，对单晶硅组件和多晶硅组件来说，α＝0.005，对非晶硅组件，α＝0.003；tmax——太阳能电池组件的最高工作温度，为45～60℃；V0——单个组件在标准光强下的输出电压，由电池板的特性决定，本研究中选用的电池板在标准光强下的输出电压为17.7V；

光伏组件的并联数计算公式为：

式中：QL——负载日均平均耗电容量；η——蓄电池充电效率的温度修正系数（具体参数见表2）；Fc——太阳能电池组件表面灰尘，赃物等其他因素引起的损失的总修正系数，通常取1.05－1.15；H——在标准光强下（E＝100mW／cm2）年平均日照时数；I0——单个组件在标准光强下输出电流，本研究选用的电池板在标准光强下的输出电流为7.63A；

表2 蓄电池充电效率的温度修正系数表Table 2 Temperature correction factor of storage battery charge efficiency

太阳能电池组件数N：

太阳能电池板选用的为京瓷公司KD135GH－2P光伏组件，标准功率为135W，考虑到1.1的充电余量及太阳能控制系统待机消耗少量电耗，所以系统选用10块太阳能电池板，两两串并联接，总功率为1350 W，满足设计要求.

1.2.2 蓄电池容量

蓄电池容量应按下式计算：

式中：bc——蓄电池附加容量，其值由1a内方阵发电容量（AH）低于负载耗电容量（AH）月份的累积值来计算——蓄电池剩余容量的补偿；Q——负载平均每天的耗电容量（AH）；n——最长连续阴天数；dt——L环境温度的修正系数（表3）.

表3 蓄电池环境温度充电修正系数Table 3 Temperature correction factor of storage battery

针对农村的特殊情况，连续阴天时生物处理系统具有较强的抗冲击能力，为了充分利用太阳能资源，而又不增加蓄电池的投资成本和蓄电池更换成本及带来的二次污染，所以在连续阴雨天，光伏发电系统不能产生足够电力时，系统不运行，设计时连续阴雨天仅为1d.蓄电池放电深度按0.75考虑，经计算蓄电池容量为93Ah，所以选用容量为100Ah的标准电池.

1.3 太阳能驱动分段进水一体化生物膜系统运行方式

根据光伏产电量的规律，结合污水生物处理过程中能耗的特点，以充分利用光伏产电为原则，提出了高、中、低能耗以及夜间4种运行模式，在逻辑程序控制下实现自动化运行，通过电脑实现界面化操作.该太阳能驱动系统中蓄电池仅用于稳压和缓冲电流，而不专门储存电能.因此，连续阴天时系统不运行，设计时连续阴雨天仅为1d.相对于常规蓄电池储能光伏电系统，不仅在蓄电池容量选择时节约了资金，而且寿命的延长避免了频繁更换费用和二次污染.

2 结果与讨论

2.1 太阳能驱动分段进水一体化生物膜反应器逻辑控制

分散型污水处理系统多位于偏远农村地区，缺乏专业的操作人员来对污水处理系统进行管理和维护，为了能使整个污水处理系统稳定的运行，本研究中引入了太阳能电力自动化分配和控制方法，编写逻辑控制程序，实现自动化操作.

2.1.1 自动化控制信号参数的选取

太阳能发电系统电力供应的最直接参数是当地的太阳辐射强度值，若以电池板上太阳辐射值的大小作为控制信号进而判断运行模式，则可以直观地反映太阳辐射的周期性变化和天气变化，并且对蓄电池的依赖程度最小.但是太阳辐射强度计算复杂，实际应用中易受到光电转化率、温度和灰尘等其他因素的干扰，难以真实地辨别出电池板上实际的太阳辐射值.根据太阳能电池板的实时输出功率与预设的运行模式的功率相比较，选择相应的运行模式是另一种可行的方式.目前商家提供的监测仪表虽然可以直接监测太阳能电池板的输出功率，但其检测范围为电池板峰值功率的15%～100%，对于本研究中的负载系统，总功率较小，分级后很大一部分时间负载的总功率低于电池板峰值功率的15%，因此依据电池板输出功率的方案对本研究不适用.以蓄电池剩余容量作为控制的依据，虽然不像利用瞬时的太阳辐射强度来得直观，但仍可间接地反映此时的太阳光照强度和天气的变化；而且通过监测蓄电池的剩余电量来划分等级，可以直观的观察和控制蓄电池的放电深度，有利于蓄电池的保护.但此方法增加了对蓄电池的依赖性，相应的带来蓄电池选用和更换成本的提高.此外，目前的剩余容量监测仪器，数据采集和上传的时间周期较长，不能准确快速地实现自动化控制，而且需要定期的修正（测内阻），操作繁琐.

蓄电池组电压的高低指示的是蓄电池剩余容量的大小，以蓄电池的实时电压作为控制的参数，不仅可以间接地反映此时的太阳光照强度和天气的变化，而且利用蓄电池的剩余容量分级，可使得系统的稳定性增强，掉电可能性降低，便于控制和管理.另外，蓄电池电压数据采集快、精度高易于实现自动化控制.

因此，经过比较以上4种不同控制参数的特点，本实验最终选取蓄电池的电压作为控制参数，通过实时监测蓄电池两端电压反馈到自动控制中心，来实现电力的自动化控制与分配.

2.1.2 太阳能驱动污水处理模式的设计

实验采用的是12V，100Ah理士蓄电池两节，过放限制低电压为21.6V，通常情况下蓄电池未接负载时的浮充电压在26.5V左右，即蓄电池的放电电压范围为21.6V～26.5V之间.在此电压范围内，分成4个能耗等级，结合分段进水反应器的结构特点，建立了4种不同能耗的自控模式：

1）当蓄电池组电压值23V≤U＜24V时，系统将开启低能耗的模式；

2）当蓄电池组电压值24V≤U＜25V时，系统将开启中能耗的模式；

3）当蓄电池组电压值U≥25V时，系统将开启高能耗的模式；

4）当蓄电池组电压值22.5V≤U＜23V时，系统将开启夜间模式.

当蓄电池组电压值U＜22.5V时，为了保证供电系统的稳定性和延长蓄电池的使用寿命，供电系统自动关闭，直至蓄电池组电压值恢复至相应的电压值时才重新启动.

本系统采用罗克韦尔的micrologix控制器以及通讯模块，通过与电池监测仪的通讯采集蓄电池电压值来控制污水处理系统的运行.PLC根据蓄电池巡检仪采集到的蓄电池实时电压值进行逻辑判断分析，根据数值的大小范围自动选择与之对应的运行模式，然后经驱动器发出控制指令，将电力自动分配到相应模式下空气泵、水泵和搅拌电机，完成污水的生物处理.自控中心启动后会自动记录1d内不同模式的开启和关闭时间，以及1d内，不同模式运行的总时间，计算出系统消耗的总电量.通过1d中各种模式的运行状况，来进行模式的修改与完善.此外，本系统还设置了手动控制，以便污水处理单元的检修和维护.

2.2 太阳能驱动一体化生物膜反应器运行效果分析

实验在中国科学院生态环境研究中心（以下简称生态中心）进行，进水来自生态中心生活区污水（有部分试验楼杂排水），水质指标见表4.三段进水比例为5∶3∶1.

表4 实验用水水质Table 4 Wastewater quality of experimental

污水生物处理系统在自控系统下稳定运行后对COD、NH3－N和TN的去除效果进行了监测，在运行期间，COD的出水浓度20mg／L～37mg／L，去除率在92%以上；TN的出水浓度为18mg／L～54mg／L之间，去除率在60%左右；NH3－N的出水浓度在6mg／L～30mg／L，平均去除率70%～90%.

本研究中的污水生物处理系统对有机物去除效果较好，而对总氮和氨氮的去除率存在波动，分析原因主要是反应器运行时，进水中含有部分实验污水，氨氮含量过高、碳氮比仅为1.8左右，而理论上将1.0g NO3－N还原为N2需要碳源 （以BOD5表示）2.86g.一般认为，反硝化反应器中污水的BOD5／TKN值大于4～6时，可认为碳源充足［13］.此外，温度对硝化反应和反硝化反应有较大影响，硝化反应温度一般控制在20～30℃，反硝化反应温度一般控制在20～40℃［14］.本研究中实验水温在16～18℃，水温偏低导致硝化反应进行的不够彻底，NH3－N的残留含量较高，也影响了TN的去除效果.

3 结论

本研究将太阳能光伏产电技术引入污水处理领域，构建了太阳能驱动一体化生物膜系统.根据光照产电规律和分散型污水的排放特点，结合污水生物处理中的能耗需要，本着既有即用、没有不用的原则，提出了4种不同能耗等级的运行模式并实现自动化控制，最大限度地利用太阳能资源同时尽可能地减少蓄电池的使用；运行效果表明污水生物处理系统对有机污染物的去除效果较好，进水碳氮比和水温是影响脱氮的主要因素.

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