蔡銘杰,馬宏瑞,劉俊新,梁瀚文*
(1.陜西科技大學(xué),陜西 西安 712081;2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085)
目前應(yīng)用最為廣泛的污水生物處理技術(shù),在運(yùn)行過(guò)程中往往采用鼓風(fēng)曝氣的方式為好氧微生物提供溶解氧,但對(duì)電能消耗較大.對(duì)我國(guó)近500座城市污水廠的能耗調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(guān)注,如何降低污水處理過(guò)程中對(duì)電能的消耗成為研究熱點(diǎn).太陽(yáng)能作為一種清潔型的新能源,已經(jīng)越來(lái)越多地運(yùn)用到生產(chǎn)生活中.我國(guó)每年陸地接收的總太陽(yáng)輻射量,相當(dāng)于24000億t標(biāo)煤[2].全國(guó)2/3的國(guó)土面積年日照時(shí)數(shù)在2200h以上,年太陽(yáng)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(nèi)蒙古等地區(qū),年日照時(shí)數(shù)大于3000h,年總輻射超過(guò)6.7×106kJ/m2[4-6].目前太陽(yáng)能的利用主要分為兩個(gè)方面:一是利用光熱效應(yīng),即把太陽(yáng)光的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能,太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)灶就是典型的例子[7];二是利用光生伏特(PV)效應(yīng)(簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng),也稱為光生電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)),將太陽(yáng)光的輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?過(guò)去幾年,全球光伏發(fā)電的年增長(zhǎng)率均高于40%以上,其應(yīng)用范圍已越來(lái)越大.2006年年底,我國(guó)光伏發(fā)電的總?cè)萘考s為2000多MW,主要用于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民的用電問(wèn)題.目前太陽(yáng)能應(yīng)用于污水處理的研究中,多數(shù)為利用太陽(yáng)光照射的光催化氧化處理污水技術(shù)[8-11],而將光伏發(fā)電作為驅(qū)動(dòng)能源代替常規(guī)電能應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的研究還鮮有報(bào)道.本研究根據(jù)太陽(yáng)光照的日變化規(guī)律、產(chǎn)生光伏電的特點(diǎn),結(jié)合污水處理過(guò)程中對(duì)電能的需求,建立了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)一體化生物膜污水處理反應(yīng)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(lái)的二次污染)的原則,通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄電池電壓的變化,獲得實(shí)時(shí)電壓來(lái)做為控制參數(shù),結(jié)合太陽(yáng)光照強(qiáng)度和天氣變化規(guī)律,建立了一體化生物膜反應(yīng)器的四種運(yùn)行模式,編寫(xiě)了邏輯控制程序,通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了界面式自動(dòng)化操作控制,并對(duì)污水處理效果進(jìn)行了分析.
一體化生物膜反應(yīng)器為雙層圓筒式結(jié)構(gòu)(圖1,P119),共有3段缺氧/好氧交替區(qū),內(nèi)部圓形區(qū)域?yàn)樨Q流式沉淀池.污水進(jìn)入生物反應(yīng)器缺氧室,在各缺氧室中,反硝化菌利用原水中的有機(jī)物作為碳源,將上一好氧室出水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮?dú)?,從而達(dá)到脫氮的目的.實(shí)驗(yàn)中負(fù)載設(shè)備包括3臺(tái)進(jìn)水泵(小于35W/臺(tái)),3臺(tái)攪拌電機(jī)(60W/臺(tái))和3臺(tái)供氧空氣泵(45W/臺(tái)),最大總功率為420W.
圖1 一體化生物膜反應(yīng)器展開(kāi)圖Fig.1 Profile map of step feed biofilm reactor
分段進(jìn)水生物膜工藝具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、脫氮效果好的特點(diǎn),又具有生物膜法不發(fā)生污泥膨脹、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn).3段式分段進(jìn)水一體化生物膜反應(yīng)器,根據(jù)能量消耗的不同,可采取如下4種不同的運(yùn)行模式:
低能耗:污水處理系統(tǒng)開(kāi)啟的設(shè)備為第1段的缺氧區(qū)進(jìn)水泵3a(<35W)和攪拌電機(jī)(60W),以及第1段的空氣泵4a(45W),總能耗為140W左右.反應(yīng)器的運(yùn)行方式為缺氧/好氧/缺氧.從總體來(lái)看類似于A/O工藝,污水在此運(yùn)行方式下,從反應(yīng)器的第1段進(jìn)入,流經(jīng)反應(yīng)器的6段,水力停留時(shí)間長(zhǎng),以保證較高的污染物去除效果.
中能耗:污水處理反應(yīng)器開(kāi)啟的設(shè)備在低能耗模式的基礎(chǔ)上,增開(kāi)了第3段缺氧區(qū)進(jìn)水泵3c(<35W)和攪拌電機(jī)(60W)及第3段好氧區(qū)的空氣泵4c(45W),總能耗為280W.反應(yīng)器的運(yùn)行方式相當(dāng)于兩段式的分段進(jìn)水工藝.
高能耗:污水處理反應(yīng)器開(kāi)啟的設(shè)備在中能耗模式的基礎(chǔ)上,增開(kāi)了第2段缺氧區(qū)進(jìn)水泵3b(<35W)和攪拌電機(jī)(60W)及第2段好氧區(qū)的空氣泵4b(45W),總能耗為420W.反應(yīng)器所有的耗能設(shè)備均開(kāi)啟,反應(yīng)器的運(yùn)行方式相當(dāng)于3段式的分段進(jìn)水工藝.
夜間模式:反應(yīng)器的運(yùn)行方式為采用時(shí)間和電壓來(lái)控制,在電力允許的情況下,每小時(shí)反應(yīng)器運(yùn)行5 min,運(yùn)行時(shí)除攪拌電機(jī)外,其他設(shè)備均開(kāi)啟.夜間模式運(yùn)行的時(shí)間非常短暫,只是作為一個(gè)夜間到白天太陽(yáng)能電力匱乏時(shí)的過(guò)渡,避免污水處理系統(tǒng)驟停驟開(kāi)所帶來(lái)的沖擊.實(shí)際情況中夜間排放的污水量很少,可以忽略不計(jì).
根據(jù)一體化分段進(jìn)水生物膜反應(yīng)器的能耗要求和運(yùn)行方式的特點(diǎn),建立了獨(dú)立發(fā)電型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)(圖2,P120),太陽(yáng)能光伏發(fā)電的核心部件是太陽(yáng)能電池板,它將太陽(yáng)光的光能直接轉(zhuǎn)換成電能,并通過(guò)控制器把太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)于蓄電池.當(dāng)負(fù)載用電時(shí),蓄電池中的電能通過(guò)控制器分配到各個(gè)負(fù)載.太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的直流電通過(guò)交流逆變器將其轉(zhuǎn)化為交流電,供交流負(fù)載使用.本研究中太陽(yáng)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(zhǎng),避免由于頻繁更換蓄電池帶來(lái)運(yùn)行成本的增加以及造成二次污染的問(wèn)題.
太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)參照中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn),太陽(yáng)光伏電源系統(tǒng)安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范CECS 84:96[12].實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為北京市中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,地理位置為北緯39.9°,東經(jīng)116.3°,海拔高度43m,根據(jù)太陽(yáng)光伏電源系統(tǒng)安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范附錄中提供的全國(guó)各大城市太陽(yáng)能電池方陣最佳傾角表,北京市最佳傾角為當(dāng)?shù)鼐暥燃?°,所以方陣的安裝傾角為44°左右.
圖2 獨(dú)立型太陽(yáng)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(lián)數(shù)
本研究中的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要針對(duì)偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)分散型污水處理,根據(jù)農(nóng)村污水排放主要在早、中、晚3個(gè)高峰期,設(shè)計(jì)污水處理反應(yīng)器運(yùn)行總時(shí)間為3h,采用的污水處理反應(yīng)器最大總功率為420W,因此系統(tǒng)的負(fù)載日耗電量為1260W·h.
光伏組件的串并聯(lián)數(shù)的計(jì)算公式及其參數(shù)選取均參照中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn),太陽(yáng)光伏電源系統(tǒng)安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范 CECS 84:96[12].
光伏組件串聯(lián)數(shù)計(jì)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(jiàn)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(yáng)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(yáng)能電池組件的溫度系數(shù),對(duì)單晶硅組件和多晶硅組件來(lái)說(shuō),α=0.005,對(duì)非晶硅組件,α=0.003;tmax——太陽(yáng)能電池組件的最高工作溫度,為45~60℃;V0——單個(gè)組件在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的輸出電壓為17.7V;
光伏組件的并聯(lián)數(shù)計(jì)算公式為:
式中:QL——負(fù)載日均平均耗電容量;η——蓄電池充電效率的溫度修正系數(shù)(具體參數(shù)見(jiàn)表2);Fc——太陽(yáng)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(shù),通常取1.05-1.15;H——在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下(E=100mW/cm2)年平均日照時(shí)數(shù);I0——單個(gè)組件在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下輸出電流,本研究選用的電池板在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)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(shù)表Table 2 Temperature correction factor of storage battery charge efficiency
太陽(yáng)能電池組件數(shù)N:
太陽(yáng)能電池板選用的為京瓷公司KD135GH-2P光伏組件,標(biāo)準(zhǔn)功率為135W,考慮到1.1的充電余量及太陽(yáng)能控制系統(tǒng)待機(jī)消耗少量電耗,所以系統(tǒng)選用10塊太陽(yáng)能電池板,兩兩串并聯(lián)接,總功率為1350 W,滿足設(shè)計(jì)要求.
1.2.2 蓄電池容量
蓄電池容量應(yīng)按下式計(jì)算:
式中:bc——蓄電池附加容量,其值由1a內(nèi)方陣發(fā)電容量(AH)低于負(fù)載耗電容量(AH)月份的累積值來(lái)計(jì)算——蓄電池剩余容量的補(bǔ)償;Q——負(fù)載平均每天的耗電容量(AH);n——最長(zhǎng)連續(xù)陰天數(shù);dt——L環(huán)境溫度的修正系數(shù)(表3).
表3 蓄電池環(huán)境溫度充電修正系數(shù)Table 3 Temperature correction factor of storage battery
針對(duì)農(nóng)村的特殊情況,連續(xù)陰天時(shí)生物處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗沖擊能力,為了充分利用太陽(yáng)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(lái)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(chǎn)生足夠電力時(shí),系統(tǒng)不運(yùn)行,設(shè)計(jì)時(shí)連續(xù)陰雨天僅為1d.蓄電池放電深度按0.75考慮,經(jīng)計(jì)算蓄電池容量為93Ah,所以選用容量為100Ah的標(biāo)準(zhǔn)電池.
根據(jù)光伏產(chǎn)電量的規(guī)律,結(jié)合污水生物處理過(guò)程中能耗的特點(diǎn),以充分利用光伏產(chǎn)電為原則,提出了高、中、低能耗以及夜間4種運(yùn)行模式,在邏輯程序控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行,通過(guò)電腦實(shí)現(xiàn)界面化操作.該太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中蓄電池僅用于穩(wěn)壓和緩沖電流,而不專門(mén)儲(chǔ)存電能.因此,連續(xù)陰天時(shí)系統(tǒng)不運(yùn)行,設(shè)計(jì)時(shí)連續(xù)陰雨天僅為1d.相對(duì)于常規(guī)蓄電池儲(chǔ)能光伏電系統(tǒng),不僅在蓄電池容量選擇時(shí)節(jié)約了資金,而且壽命的延長(zhǎng)避免了頻繁更換費(fèi)用和二次污染.
分散型污水處理系統(tǒng)多位于偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū),缺乏專業(yè)的操作人員來(lái)對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù),為了能使整個(gè)污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行,本研究中引入了太陽(yáng)能電力自動(dòng)化分配和控制方法,編寫(xiě)邏輯控制程序,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作.
2.1.1 自動(dòng)化控制信號(hào)參數(shù)的選取
太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)電力供應(yīng)的最直接參數(shù)是當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射強(qiáng)度值,若以電池板上太陽(yáng)輻射值的大小作為控制信號(hào)進(jìn)而判斷運(yùn)行模式,則可以直觀地反映太陽(yáng)輻射的周期性變化和天氣變化,并且對(duì)蓄電池的依賴程度最小.但是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算復(fù)雜,實(shí)際應(yīng)用中易受到光電轉(zhuǎn)化率、溫度和灰塵等其他因素的干擾,難以真實(shí)地辨別出電池板上實(shí)際的太陽(yáng)輻射值.根據(jù)太陽(yáng)能電池板的實(shí)時(shí)輸出功率與預(yù)設(shè)的運(yùn)行模式的功率相比較,選擇相應(yīng)的運(yùn)行模式是另一種可行的方式.目前商家提供的監(jiān)測(cè)儀表雖然可以直接監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池板的輸出功率,但其檢測(cè)范圍為電池板峰值功率的15%~100%,對(duì)于本研究中的負(fù)載系統(tǒng),總功率較小,分級(jí)后很大一部分時(shí)間負(fù)載的總功率低于電池板峰值功率的15%,因此依據(jù)電池板輸出功率的方案對(duì)本研究不適用.以蓄電池剩余容量作為控制的依據(jù),雖然不像利用瞬時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度來(lái)得直觀,但仍可間接地反映此時(shí)的太陽(yáng)光照強(qiáng)度和天氣的變化;而且通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄電池的剩余電量來(lái)劃分等級(jí),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(hù).但此方法增加了對(duì)蓄電池的依賴性,相應(yīng)的帶來(lái)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(cè)儀器,數(shù)據(jù)采集和上傳的時(shí)間周期較長(zhǎng),不能準(zhǔn)確快速地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,而且需要定期的修正(測(cè)內(nèi)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(shí)時(shí)電壓作為控制的參數(shù),不僅可以間接地反映此時(shí)的太陽(yáng)光照強(qiáng)度和天氣的變化,而且利用蓄電池的剩余容量分級(jí),可使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng),掉電可能性降低,便于控制和管理.另外,蓄電池電壓數(shù)據(jù)采集快、精度高易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制.
因此,經(jīng)過(guò)比較以上4種不同控制參數(shù)的特點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)最終選取蓄電池的電壓作為控制參數(shù),通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池兩端電壓反饋到自動(dòng)控制中心,來(lái)實(shí)現(xiàn)電力的自動(dòng)化控制與分配.
2.1.2 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)污水處理模式的設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)采用的是12V,100Ah理士蓄電池兩節(jié),過(guò)放限制低電壓為21.6V,通常情況下蓄電池未接負(fù)載時(shí)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(nèi),分成4個(gè)能耗等級(jí),結(jié)合分段進(jìn)水反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了4種不同能耗的自控模式:
1)當(dāng)蓄電池組電壓值23V≤U<24V時(shí),系統(tǒng)將開(kāi)啟低能耗的模式;
2)當(dāng)蓄電池組電壓值24V≤U<25V時(shí),系統(tǒng)將開(kāi)啟中能耗的模式;
3)當(dāng)蓄電池組電壓值U≥25V時(shí),系統(tǒng)將開(kāi)啟高能耗的模式;
4)當(dāng)蓄電池組電壓值22.5V≤U<23V時(shí),系統(tǒng)將開(kāi)啟夜間模式.
當(dāng)蓄電池組電壓值U<22.5V時(shí),為了保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,供電系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉,直至蓄電池組電壓值恢復(fù)至相應(yīng)的電壓值時(shí)才重新啟動(dòng).
本系統(tǒng)采用羅克韋爾的micrologix控制器以及通訊模塊,通過(guò)與電池監(jiān)測(cè)儀的通訊采集蓄電池電壓值來(lái)控制污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行.PLC根據(jù)蓄電池巡檢儀采集到的蓄電池實(shí)時(shí)電壓值進(jìn)行邏輯判斷分析,根據(jù)數(shù)值的大小范圍自動(dòng)選擇與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式,然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令,將電力自動(dòng)分配到相應(yīng)模式下空氣泵、水泵和攪拌電機(jī),完成污水的生物處理.自控中心啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)記錄1d內(nèi)不同模式的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間,以及1d內(nèi),不同模式運(yùn)行的總時(shí)間,計(jì)算出系統(tǒng)消耗的總電量.通過(guò)1d中各種模式的運(yùn)行狀況,來(lái)進(jìn)行模式的修改與完善.此外,本系統(tǒng)還設(shè)置了手動(dòng)控制,以便污水處理單元的檢修和維護(hù).
實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(以下簡(jiǎn)稱生態(tài)中心)進(jìn)行,進(jìn)水來(lái)自生態(tài)中心生活區(qū)污水(有部分試驗(yàn)樓雜排水),水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表4.三段進(jìn)水比例為5∶3∶1.
表4 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)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(yùn)行后對(duì)COD、NH3-N和TN的去除效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè),在運(yùn)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(duì)有機(jī)物去除效果較好,而對(duì)總氮和氨氮的去除率存在波動(dòng),分析原因主要是反應(yīng)器運(yùn)行時(shí),進(jìn)水中含有部分實(shí)驗(yàn)污水,氨氮含量過(guò)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(rèn)為,反硝化反應(yīng)器中污水的BOD5/TKN值大于4~6時(shí),可認(rèn)為碳源充足[13].此外,溫度對(duì)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)有較大影響,硝化反應(yīng)溫度一般控制在20~30℃,反硝化反應(yīng)溫度一般控制在20~40℃[14].本研究中實(shí)驗(yàn)水溫在16~18℃,水溫偏低導(dǎo)致硝化反應(yīng)進(jìn)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.
本研究將太陽(yáng)能光伏產(chǎn)電技術(shù)引入污水處理領(lǐng)域,構(gòu)建了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)一體化生物膜系統(tǒng).根據(jù)光照產(chǎn)電規(guī)律和分散型污水的排放特點(diǎn),結(jié)合污水生物處理中的能耗需要,本著既有即用、沒(méi)有不用的原則,提出了4種不同能耗等級(jí)的運(yùn)行模式并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,最大限度地利用太陽(yáng)能資源同時(shí)盡可能地減少蓄電池的使用;運(yùn)行效果表明污水生物處理系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物的去除效果較好,進(jìn)水碳氮比和水溫是影響脫氮的主要因素.
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