思顯佩

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430070)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)鄉(xiāng)村居民的生活環(huán)境及生態(tài)環(huán)境日益重視，以及“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”建設(shè)的全面推進(jìn)，鄉(xiāng)村居民的生活環(huán)境得到了改善和提高，基礎(chǔ)配套設(shè)施也得到了完善，其中就包括生活污水處理設(shè)施。而污水處理技術(shù)屬于能源密集型的綜合技術(shù)，且目前污水處理設(shè)備的能耗問(wèn)題尚未得到有效解決[1]。

太陽(yáng)能是一種可再生能源，來(lái)自于自然界，取之不盡、用之不竭。目前利用太陽(yáng)能發(fā)電的方式主要有太陽(yáng)能熱發(fā)電和光伏發(fā)電[2]。而光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能的一種重要利用方式，其是通過(guò)光伏組件將收集的光能轉(zhuǎn)換為電能。這種發(fā)電方式對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染，并且對(duì)人類進(jìn)入節(jié)約能源、減少污染的時(shí)代起到了推動(dòng)作用[3]。光伏發(fā)電技術(shù)在美國(guó)污水處理廠的應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，節(jié)能效果顯著；與此同時(shí)，我國(guó)部分地區(qū)也已將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理行業(yè)，并取得了一定的節(jié)能效果。為徹底從根源上解決規(guī)模較小的鄉(xiāng)村污水處理廠的能耗問(wèn)題，本文從節(jié)約資源的角度出發(fā)，將光伏發(fā)電技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)均應(yīng)用于鄉(xiāng)村生活污水處理過(guò)程。其中，光伏發(fā)電技術(shù)可以直接提供電能，降低鄉(xiāng)村小型污水處理廠的能耗需求，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提供智能化的管理，使污水處理廠的管理更加便捷、有效，從而提高水資源的回收率。

1 光伏發(fā)電技術(shù)在污水處理工藝中的運(yùn)用

得益于國(guó)家對(duì)光伏發(fā)電的大力支持，截至2019 年年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量已達(dá)到204.3 GW，同比增長(zhǎng)17.1%[4]。

通常情況下，大型污水處理廠的占地面積較大，因此在污水生化池的池頂密封后，可在其上鋪設(shè)光伏組件，利用其所發(fā)電力為污水處理廠的設(shè)備供電[5]。

根據(jù)北京市已建成運(yùn)行的大型污水處理廠的相關(guān)數(shù)據(jù)，以污水處理規(guī)模來(lái)說(shuō)，平均每萬(wàn)t污水處理規(guī)模的污水處理廠的污水生化池池頂可供鋪設(shè)光伏組件的表面積在1147～1576 m2之間；基于商業(yè)化應(yīng)用的光伏組件的發(fā)電能力(光伏組件占地面積為4.65 m2時(shí)的日發(fā)電量為1.09 kWh)，此表面積內(nèi)安裝的光伏組件可以補(bǔ)償污水處理廠約10%的電耗[5]。

當(dāng)前，有研究人員對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理的效果和收益進(jìn)行了研究。高素坤等[6]研發(fā)了一套太陽(yáng)能微動(dòng)力組合式一體化污水處理設(shè)備，該設(shè)備具有占地面積小、處理效率高、安裝布置靈活、操作管理方便、適用范圍廣及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。王軍輝等[7]提出了一套由光伏發(fā)電系統(tǒng)供電的太陽(yáng)能微動(dòng)力設(shè)備，該設(shè)備設(shè)計(jì)的污水處理量為 50 t/d，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)每年的發(fā)電量為5698 kWh，若上網(wǎng)電價(jià)按1元/kWh計(jì)算，則光伏發(fā)電系統(tǒng)每天的發(fā)電收益為15.6元，與該設(shè)備每天的用電成本基本持平，從而實(shí)現(xiàn)了零電費(fèi)運(yùn)行。

2 光伏發(fā)電技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鄉(xiāng)村生活污水處理中的運(yùn)用

針對(duì)我國(guó)鄉(xiāng)村生活污水分散、不易收集與集中處理的特點(diǎn)，結(jié)合鄉(xiāng)村污水處理廠規(guī)模小、管理維護(hù)困難、污水處理設(shè)備耗電高等問(wèn)題，再加上我國(guó)南方地區(qū)的太陽(yáng)能資源豐富[8]，因此，本文以武漢地區(qū)某個(gè)處理鄉(xiāng)村中生活污水的污水處理廠為例，將光伏發(fā)電技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)均應(yīng)用于該污水處理廠。

2.1 鄉(xiāng)村污水處理站的污水處理方式

由于鄉(xiāng)村的污水處理廠規(guī)模較小，因此一般以污水處理站的形式存在。鄉(xiāng)村污水處理站的污水處理過(guò)程主要集中在利用多層生物濾池工藝進(jìn)行生活污水的處理。鄉(xiāng)村污水處理站的污水處理流程圖如圖1所示。

圖1 鄉(xiāng)村污水處理站的污水處理流程圖Fig.1 Sewage treatment flow chart of rural sewage treatment station

鄉(xiāng)村污水處理站的處理流程具體為：生活污水先經(jīng)過(guò)化糞池等預(yù)處理系統(tǒng)后，進(jìn)入污水處理站前端的格柵井；在格柵井內(nèi)安裝有格柵，可將大顆粒污染物進(jìn)行去除；之后污水因重力作用流進(jìn)調(diào)節(jié)池，再通過(guò)調(diào)節(jié)池內(nèi)泵的提升后進(jìn)入多層生物濾池；多層生物濾池包括下部的生物濾池和上部的人工濕地，經(jīng)過(guò)生物濾池和人工濕地后的污水被排至出水池中，完成生活污水的處理。

其中，生物濾池的構(gòu)造為：濾池底部鋪設(shè)了由高密度聚乙烯(HDPE)組成的復(fù)合人工防滲膜，其上鋪設(shè)了1層厚度為40 mm、粒徑為2～8 cm的火山巖濾料，為微生物提供載體；火山巖濾料上面鋪設(shè)了厚度為20～40 mm、粒徑為2～5 cm的碎石；在碎石上面鋪設(shè)1層HDPE組成的復(fù)合人工防滲膜后，再鋪設(shè)1層30 cm厚的土壤，在土壤中種植耐寒水生植物，例如：美人蕉、再力花等，從而形成人工濕地。生物濾池的生物填料介于有機(jī)填料與無(wú)機(jī)填料之間，易于培養(yǎng)豐富的微生物種群。

進(jìn)入生物濾池中的污水首先被生物填料截留和吸附，然后利用布水布?xì)庀到y(tǒng)和生物填料優(yōu)良的水動(dòng)力學(xué)特性、物理化學(xué)特性，為填料中的特異微生物提供厭氧、兼氧(缺氧)、好氧的環(huán)境，使不同的微生物種群均能高效地生長(zhǎng)、代謝，并且生物濾池間歇式的運(yùn)行方式可以使微生物的增長(zhǎng)速率與衰減速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而實(shí)現(xiàn)在生物濾池運(yùn)行時(shí)無(wú)需再額外設(shè)置排泥設(shè)施的效果。在生物濾池階段，流入其中的生活污水的污染物去除率可達(dá)到80%～90%。

經(jīng)生物濾池處理后的污水流進(jìn)中間水池，然后通過(guò)中間水池內(nèi)的泵的提升污水進(jìn)入人工濕地。人工濕地處理污水的過(guò)程是利用物理方法、化學(xué)方法及生物方法的協(xié)同作用完成污水的凈化。人工濕地通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解機(jī)理對(duì)污水進(jìn)行進(jìn)一步的深度處理，在此階段時(shí)，流入其中的污水可在之前潔凈度的基礎(chǔ)上再去除80%～90%的污染物[7]。污水流入人工濕地后，植物的根系可對(duì)污水中大量懸浮固體、不溶性有機(jī)物進(jìn)行截流，對(duì)部分有機(jī)物進(jìn)行吸收；而微生物的代謝過(guò)程能對(duì)可溶解性有機(jī)物進(jìn)行降解[7]。通過(guò)人工濕地中植物根系的好氧、兼氧(缺氧)、厭氧環(huán)境的改變，可使污水中的氨、氮元素在進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng)后被去除；氨、氮元素也可以通過(guò)被植物根系吸附、過(guò)濾，沉淀后被植物及微生物作為營(yíng)養(yǎng)吸收，從而得以去除；氨、氮元素還可以與生物濾池填料中含鈣的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成磷酸鈣沉淀物后隨水體外排。另外，人工濕地對(duì)大腸桿菌有較強(qiáng)的殺滅作用[6]。

2.2 光伏發(fā)電技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入

本設(shè)計(jì)以武漢市部分生活污水及武漢市周邊鄉(xiāng)村的生活污水為污水源的鄉(xiāng)村污水處理站為例。設(shè)計(jì)人口為300人，人均用水量定額取120 L/d；污水收集率取0.8；則可計(jì)算得到該鄉(xiāng)村污水處理站的污水處理規(guī)模為28.8 t/d，取整數(shù)為30 t/d；出水水質(zhì)需達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B的排放標(biāo)準(zhǔn)。將光伏發(fā)電技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于該鄉(xiāng)村污水處理站。

2.2.1 光伏發(fā)電技術(shù)的引入

將光伏發(fā)電技術(shù)引入鄉(xiāng)村污水處理站，該光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、控制器、蓄電池及逆變器組成。光伏組件將光能轉(zhuǎn)換成電能，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件；蓄電池用于儲(chǔ)存電能；控制器主要用于在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)將蓄電池中的電能分配到各個(gè)用電設(shè)備[4]；逆變器可將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

鄉(xiāng)村污水處理站中的耗電設(shè)備主要有泵和鼓風(fēng)機(jī)，其中：泵用于調(diào)節(jié)池、中間水池中污水的提升；鼓風(fēng)機(jī)用于多層生物濾池的通氣[9]。本設(shè)計(jì)中共安裝了4臺(tái)泵，調(diào)節(jié)池與中間水池各安裝2臺(tái)，均為1臺(tái)使用、1臺(tái)備用，單臺(tái)泵的耗電功率為0.75 kW；共安裝2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，1臺(tái)使用、1臺(tái)備用，單臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的耗電功率為1.5 kW。鄉(xiāng)村污水處理站的總裝機(jī)功率為6 kW，若泵與鼓風(fēng)機(jī)24 h連續(xù)運(yùn)行，則1天的用電量為144 kWh。

根據(jù)鄉(xiāng)村污水處理站中耗電設(shè)備的總耗電功率可計(jì)算得到所需光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量。本設(shè)計(jì)中光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為45 kW，采用130塊單晶硅光伏組件，1天的發(fā)電量為210 kWh，向耗電設(shè)備供電后的余電存入蓄電池。本設(shè)計(jì)共采用54塊蓄電池和1臺(tái)綜合了逆變器和控制器功能的逆控一體機(jī)[10]，當(dāng)由于天氣原因?qū)е鹿夥l(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力不足以供給耗電設(shè)備的用電量時(shí)，會(huì)由蓄電池和電網(wǎng)輔助供電，以保障鄉(xiāng)村污水處理站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入

目前困擾鄉(xiāng)村污水處理項(xiàng)目健康有序推進(jìn)的問(wèn)題包括適宜的污水處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，以及長(zhǎng)效管理體系的構(gòu)建。多層生物濾池工藝較好解決了鄉(xiāng)村生活污水的處理問(wèn)題，并通過(guò)工程實(shí)踐不斷得到改進(jìn)和完善。圍繞可進(jìn)一步提高運(yùn)行和管理水平的長(zhǎng)效管理體系的構(gòu)建問(wèn)題，依托多層生物濾池工藝的優(yōu)勢(shì)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了可實(shí)現(xiàn)將分散的鄉(xiāng)村污水處理站集中處理和移動(dòng)終端監(jiān)控管理服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，達(dá)到從簡(jiǎn)單的、分散的粗放式管理到區(qū)域集中管理和移動(dòng)終端監(jiān)控的飛躍[11]。

物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)由鄉(xiāng)村污水處理站信息采集傳輸及控制指令接收?qǐng)?zhí)行模塊、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域集中監(jiān)控管理工作站及移動(dòng)終端監(jiān)控管理軟件組成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：1)鄉(xiāng)村污水處理站運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)采集和傳輸；2)利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線通信傳輸；3)對(duì)區(qū)域內(nèi)的鄉(xiāng)村污水處理站進(jìn)行集中監(jiān)控管理；4)可通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)鄉(xiāng)村污水處理站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)示意圖如圖2所示。由圖2可知，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將采集到的各鄉(xiāng)村污水處理站的信息傳送到區(qū)域集中監(jiān)控管理工作站服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，工作人員通過(guò)在手機(jī)上安裝移動(dòng)終端監(jiān)控管理軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)控各鄉(xiāng)村污水處理站的情況。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of function realization of Internet of Things management system

物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)在線監(jiān)控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。各污染源監(jiān)測(cè)站采用4G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)污水監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器將信息傳輸?shù)轿鬯O(jiān)測(cè)中心站，工作人員可通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)鄉(xiāng)村污水處理站的運(yùn)行管理、日?qǐng)?bào)及預(yù)報(bào)的控制。

鄉(xiāng)村污水處理站采用8 h專人管理工作制(定額1人)，配備1臺(tái)機(jī)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)車(chē)，并有1名專業(yè)的維修養(yǎng)護(hù)人員。當(dāng)鄉(xiāng)村污水處理站出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的緊急程度，采取直接派遣專業(yè)人員到現(xiàn)場(chǎng)處置故障的方式；或采取先利用物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)先發(fā)送強(qiáng)制停止指令，再派遣專業(yè)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障診斷再排除的方式。

8 h工作時(shí)間以外的時(shí)間，由專門(mén)的工作人員通過(guò)手機(jī)上的移動(dòng)終端監(jiān)控管理軟件訪問(wèn)區(qū)域集中監(jiān)控管理工作站服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，以獲取鄉(xiāng)村污水處理站的運(yùn)行狀態(tài)和信息。若鄉(xiāng)村污水處理站出現(xiàn)故障，工作人員的手機(jī)將自動(dòng)接收到報(bào)警信息，此時(shí)工作人員可通過(guò)區(qū)域集中監(jiān)控管理工作站服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)一步查明故障詳情，并做出是否發(fā)出強(qiáng)制停止指令或等待工作時(shí)間再安排工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理的決策。

2.3 成本

將安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的費(fèi)用進(jìn)行折算，則鄉(xiāng)村污水處理站凈化1 t污水的成本將增加1000～2000元。但光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命將近25年，在其運(yùn)行期間可為鄉(xiāng)村污水處理站的設(shè)備供電，可基本實(shí)現(xiàn)零電費(fèi)。

3 結(jié)論

結(jié)合我國(guó)鄉(xiāng)村生活污水處理具有分散、不易集中收集處理、維護(hù)管理不便、設(shè)備耗電量高等特點(diǎn)，本文提出了將光伏發(fā)電技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于鄉(xiāng)村污水處理站中，既實(shí)現(xiàn)了將分散的鄉(xiāng)村污水處理站集中處理和移動(dòng)終端監(jiān)控管理，又實(shí)現(xiàn)了零電耗。雖然安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)使污水處理站1 t污水的處理成本增加了1000～2000元，但鄉(xiāng)村污水處理站在降低能耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，是一種可實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村污水處理站低能耗、維護(hù)管理便捷且具有推廣性的鄉(xiāng)村生活污水處理技術(shù)。