光伏技术在村落生活污水处理中的应用
摘要：在云南省大理州洱源县邓川镇开展了光伏曝气接触（A/O）池的中试研究。光伏电板与直流气泵直接连接，气泵同时用来曝气和回流。运行约100d后，光伏A/O池完成自启动，对NH3-N、TN、SRP、TP和COD的平均去除率比厌氧池分别高22．7％、19．2％、20．4％、26．9％和14．9％。大理市西城尾村污水处理设施设计处理量为60m3/d，工艺流程为：隔油池-厌氧池-土壤净化槽，2010年6月建成并投入运行，2011年5月对其厌氧池加装光伏曝气系统后改造成光伏A/O池。光伏曝气系统建设投入，在运行4．8年后与常规曝气系统电费相当。
关键词：光伏曝气 农村生活污水 脱氮 能耗
0 前言
在我国，农村污水处理率很低［1］，绝大部分生活污水不经处理直接排放，是引起湖库富营化的重要原因［2，3］。
城市污水集中处理技术，因能耗高和管理维护要求高而成为农村地区推广应用的制约因素。因此，低耗高效的污水处理技术，是当今污水分散处理技术的研究热点。
McCarty对如何降低生活污水处理能耗进行了积极探索［4］，研发出一种高效低耗的反应器-厌氧流化床膜生物反应器（AFMBR）［5］，COD去除率可达99％，单位水量能耗仅0．058kW·h/m3，约为传统好氧膜生物反应器的1/10，但在自然环境条件下的处理效率以及对生活污水厌氧处理的应用前景、经济效益等方面仍有待进一步研究［4］。
太阳能作为一种洁净、可再生的清洁能源具有广阔的发展前景。将太阳能应用于污水处理仍处于起步阶段，许志兰等［6］和王文林等［7］先后应用美国“Solar Bee”太阳能表面曝气技术处理微污染河流和重污染河流水体，使水体主要指标有一定改善，但均未对系统能效进行分析。蒋薇薇［8］利用太阳能曝气组合土壤渗滤工艺处理生活污水，对氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）和化学耗氧量（COD）的处理效果均高于未安装太阳能的处理系统，但其采用的太阳能曝气系统结构复杂，设备繁多，基建投资高，且不易于管理维护。
本文采用光伏电板与直流气泵直接连接，用于污水厌氧处理设施的改进，气泵同时曝气和回流，实现系统简化。通过光伏A/O池和厌氧池的生活污水处理效果的比较，同时对实际工程进行能效分析，考察光伏技术在农村生活污水处理中的适用性。
1 材料和方法
1．1 中试装置
中试装置建于云南省大理州洱源县邓川镇研究基地。2套中试污水处理装置，均由镀锌铁皮加工而成，为顶部敞开的长方体设施，尺寸为1m×0．3m×0．8m，有效容积210L，用隔板将反应池分成等距的6个小格（在技术改造前，2套装置均已在厌氧条件下启动成功，并稳定运行了6个月，COD平均去除率为70％左右）。各个反应池内均加挂多孔悬浮球填料。进水口和出水口分别设置在长方体设施两端的上部，设施底部设置排泥管。其中，1套为单纯的厌氧池，1套装置加装光伏曝气系统（见图1）。
光伏曝气系统主要由单晶硅光伏电板、直流气泵、充气管和曝气头组成。气泵直接与光伏电板连接，污水回流采用气提回流，气泵同时实现曝气和回流。
以生活污水为原水（TN36．4mg/L，NH3-N31．9mg/L，TP4．4mg/L，正磷酸盐（SRP）3．2mg/L，COD183．3mg/L），间歇进水（8∶00～23∶00），日处理量240L，HRT21h。光伏A/O池在自然条件下启动，采样频率为1周1次，采用标准方法测定TN、NH3-N、NO3--N、TP、正磷酸盐（SRP）、COD等指标［9，10］，在整个运行期内未排泥。
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图1 光伏曝气接触A/O池结构示意
1．2 工程试验
在云南省大理市银桥镇西城尾村污水处理设施的厌氧池加装光伏曝气系统，对光伏曝气系统的能效进行分析。
西城尾村污水处理设施于2010年6月建成并投入运行，工艺流程为：隔油池-厌氧池-土壤净化槽，设计处理能力为60m3/d。2011年5月在西城尾污水处理设施厌氧池（有效容积60m3，HRT24h）上加装光伏曝气系统，将其改造成光伏A/O池。通过能效分析，考察光伏曝气的适用性。
2 结果和讨论
2．1 氮去除效果
中试装置进出水氮浓度的变化如图2～图4所示。在运行期内，厌氧池和光伏A/O池对NH3-N的平均去除率分别为6．4％和29．2％。厌氧池对NH3-N的去除效果不稳定。在前100d的运行期内，光伏A/O池对NH3-N的平均去除率为21．5％，出水NO3--N较低，但随后NH3-N去除率明显上升，平均为52．2％，最高为77．0％，出水NO3--N显著升高，此时可认为光伏A/O池启动成功。
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图2 NH3-N去除效果
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图3 TN去除效果
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图4 NO3--N变化
两套装置的TN去除效果变化与NH3-N去除效果变化相似，厌氧池和光伏A/O池对TN的平均去除率分别为9．4％和28．7％，厌氧池对TN的去除效果不稳定，也出现了出水高于进水的现象。前期（前100d），光伏A/O池对TN的平均去除率为24．3％，随后显著上升，平均为41．8％，最高为51．8％。
氨氧化是硝化反应的限速步骤，目前报道的有2大类微生物能实现有氧氨氧化：氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古生菌（AOA）［11，12］。氨氧化细菌生长最适DO为3～4mg/L［13］，为严格的好氧菌，DO过高或过低都会抑制氨氧化细菌的生长。在大多数污水处理厂中，为实现生物脱氮，好氧单元DO一般大于2mg/L，以保证充分的硝化并维持系统中氨氧化细菌数量的稳定［14］。
氨氧化古生菌发现得较晚。2005年，Knneke［15］等人首次分离出氨氧化古生菌。Park等人［11］首次发现氨氧化古生菌存在于实际污水处理厂生物硝化处理单元中。在这些污水处理厂中，生化池为缺氧环境（DO小于0．2mg/L）以实现同步硝化反硝化［11］。
污水处理池中较常见的硝化细菌为亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）［16］，在最佳生长条件下，其世代周期为8h［13］。光伏曝气系统只在白天天晴时工作，一天中池内DO波动较大，停曝约1h后池内DO即被耗尽，与间歇曝气类似［17］，但由于曝气时间短（晴天≤9h/d），停曝时间长（≥15h/d），又具有与常规间歇曝气工艺不同的特征。在停曝阶段，反应池长时间处于（≥14h）缺氧甚至厌氧状态，在此状态下氨氧化细菌生长受到抑制。由图2和图4可以看出，光伏A/O池发生了明显的氨氧化作用，由此推测，在光伏A/O池中可能存在具有高O2亲和力［18］的氨氧化古生菌，能够适应较长时间的缺氧环境同时与异养菌竞争O2，通过氨氧化获得能量，实现增殖。
厌氧池主要通过吸附、沉淀、微生物同化作用等去除污水中的TN。启动成功后，光伏A/O池通过硝化反硝化作用将污水中还原态NH3-N转化成N2，实现脱氮的目的，故其对TN的去除率明显高于厌氧池。
2．2 磷去除效果
中试装置进出水磷的变化如图5和图6所示。在整个运行期内，厌氧池和光伏A/O池对SRP的平均去除率分别为46．0％和66．3％，对TP的平均去除率为39．3％和66．2％。
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图5 SRP去除效果
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图6 TP去除效果
在整个运行期内，两套装置均未排泥，故生物聚磷对磷去除贡献很小，推测其主要除磷机理为Fe（Ⅲ）氢氧化物和非晶态亚铁化合物的吸附作用，因为运行过程中镀锌铁皮表面被腐蚀。在厌氧池内，腐蚀溶出的Fe一部分与S2-结合生成黑色FeS沉淀（出水变黑），一部分形成凝胶状的具有较大表面积的非晶态亚铁化合物，此类化合物具有较高的磷吸附量和较低的结合能［19］，通过吸附去除溶解性磷（厌氧池SRP的去除率高于TP的去除率）。在光伏A/O池内，溶出的Fe在曝气阶段形成Fe（OH）3和FeO（OH）等氢氧化物，在停曝阶段，部分Fe（OH）3和FeO（OH）可能被还原成非晶态亚铁化合物，但不会将硫酸盐还原成S2-与亚铁形成FeS沉淀（出水清亮）。Fe（OH）3和FeO（OH）等氢氧化物比非晶态亚铁化合物比表面积小，但与磷结合得更牢固［19］，同时在光伏A/O池内不存在S2-与SRP竞争，因此光伏A/O池对磷的去除率比厌氧池高。
2．3 COD去除效果
中试装置进出水COD的变化如图7所示。在整个运行期内，厌氧池和光伏A/O池对COD的平均去除率分别为64．2％和79．1％，厌氧池和光伏A/O池出水COD平均浓度分别为62．95mg/L和38．67mg/L。厌氧池去除率随进水浓度变化波动较大，而光伏A/O池的去除率相对稳定，说明光伏曝气接触A/O池抗COD冲击负荷能力强。
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图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）干季雨量仅占全年降雨量的5％～15％，夏半年（5～10月）雨季降雨量占全年的85％～95％，年均日照时数2 276．6h，年均晴天数230天［20］，太阳能资源丰富。
西城尾村污水处理设施设计处理量为60m3/d，于2010年6月建成并投入运行，2011年5月在其厌氧池加装光伏曝气系统，将厌氧池改造成光伏A/O池。选用150W单晶（12VDC）光伏电板和120W直流气泵（12VDC，120L/min），气水比取8∶1，无蓄电池，直流气泵直接连接光伏电板。晴天曝气系统正常工作时间一般可达7～9h，阴雨时停止工作。
气泵数量为8台，光伏电板总功率为1 200W。目前（2012年2月）市场光伏电板（单晶硅）价格为8元/W，系统光伏电板购置费计9 600元（1 200W×8元/W）。在相同的时间和曝气量下，以当地用电费用1元/kW·h，常规曝气系统年电费为1 987．2元（0．12kW×8台×9h×230d）。
光伏曝气系统和常规曝气系统相比，只增加光伏电板的购置成本（直流泵和交流泵的购置成本相当），而无运行电费。若按2012年2月的成本计算，光伏曝气系统使用4．8年后，其购置成本便可抵消常规曝气系统电费（光伏电板寿命为10～15年）。随着技术的进步，光伏电板成本还会进一步降低，故光伏曝气代替常规曝气应用于中小型农村污水处理，在技术上和经济上都具有广阔的发展前景，尤其是在太阳能资源丰富的地区。
目前，西城尾村光伏曝气系统已正常运行10个月，但在光照较强的条件下，直流气泵会出现过载现象，可考虑加装直流稳压器实现直流气泵的稳定运行。
3 结论
（1）首次将光伏电板与直流气泵直接连接，气泵同时实现曝气和回流，大大降低了光伏曝气系统的设备数量和建设成本。
（2）光伏A/O池在运行约100d后，完成自启动，对氨氮的最高去除率达到77．0％，系统中可能存在具有高O2亲和力的氨氧化古生菌。
（3）两套中试装置对磷的去除有一定的特异性，可能是通过镀锌铁皮腐蚀形成的Fe（Ⅲ）氢氧化物和非晶态亚铁化合物的吸附除磷。
（4）通过对实际工程改造后的能效分析，光伏曝气代替常规曝气应用于中小型农村污水处理设施上具有广阔的发展前景，但在光伏间歇曝气条件下的脱氮机理仍需进一步研究。
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