自動追蹤太陽能UASB反應器的設計

施云芬 王旭暉 張更宇 姚海濱 陳弘名

(東北電力大學 a.化學工程學院；b.電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

以養(yǎng)豬廢水為代表的高濃度有機廢水通常以厭氧生物方法處理，溫度是厭氧生物反應器運行的重要影響因素[1]。如何將新能源與厭氧生物方法結(jié)合，提高能源利用率并降低反應器運行成本，受到國內(nèi)外學者的高度重視。Soheil F和Mirbagheri S A研究升流式厭氧污泥床( Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB)水力停留時間HRT和有機負荷率OLR，表明溫度波動在30℃到20℃期間，UASB的COD去除率從85%下降到73%[2]；Khanh D等研究發(fā)現(xiàn)，隨著UASB反應器內(nèi)溫度的降低，COD去除率也隨之下降[3]；Winkler M K等發(fā)現(xiàn)，溫度和鹽度對顆粒污泥反應器的設計、啟動和運行都有著重要的影響[4]；Lew B在變溫條件下進行UASB處理生活污水的實驗研究，結(jié)果表明，當溫度從28℃下降到10℃時，COD的去除率從78%下降到42%[5]；傅金祥等研究了溫度對常溫UASB運行的影響，通過對產(chǎn)氣量的考察發(fā)現(xiàn)，溫度突降對厭氧微生物的活性產(chǎn)生明顯的影響，而且溫度還可以間接影響厭氧系統(tǒng)中pH的變化[6]；余海發(fā)現(xiàn)，在相同環(huán)境條件下，自動追蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量提高約35%[7]；張勇濤等提出一種基于AT89S52的智能型雙精度太陽自動跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以適應復雜的天氣情況，能量接收效率提高20%以上[8]；張翌翀進行了基于DSP的太陽跟蹤控制系統(tǒng)研究，設計了一種基于DSP的技術、經(jīng)濟性較好的太陽跟蹤控制系統(tǒng)[9]。筆者將太陽能光伏發(fā)電技術、太陽能加熱控制技術結(jié)合應用于污水厭氧生物處理領域，利用太陽能作為農(nóng)村分散式養(yǎng)豬廢水厭氧處理的熱源，可以為廣大偏遠農(nóng)村地區(qū)的廢水治理提供新方法。給出由簡易追蹤支架、基于單片機技術的太陽光自動追蹤系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和改進的升流式厭氧污泥床反應器組成的自動追蹤太陽能UASB反應器的設計方案。

1 簡易追蹤支架①

簡易支架(圖1)由梯形太陽能面板、軸、軸承座、支架底座、齒輪、步進電機、V形鐵板、彈簧及螺栓等組成。梯形太陽能面板與軸由螺栓固定連接，整個面板的重心垂直落在軸上，軸通過上、下兩個軸承座固定于雙梯形構(gòu)件和固定底座上，雙梯形構(gòu)件中間通過螺栓固定一塊V形鐵板，在V形鐵板兩側(cè)開有寬度與步進電機直徑相同的滑道，滑道一端通過螺栓將步進電機牢固固定，另一端通過螺栓松弛連接，并且通過彈簧的作用使步進電機與固定在軸上的齒輪緊緊咬合，彈簧的一端與松弛連接步進電機的螺栓連接，另一端與齒輪一起固定在軸上。光電追蹤控制器固定在支架底座上，一端與固定在太陽能電池板上的光傳感器相連，一端與步進電機相連，控制支架逐日轉(zhuǎn)動。

圖1 簡易追蹤支架示意圖

2 基于單片機技術的太陽光自動追蹤系統(tǒng)

太陽光自動追蹤系統(tǒng)由光傳感器、AD8591芯片、STC89C52單片機、LS293D步進電機驅(qū)動芯片、步進電機、電池板支架、齒輪及蓄電池等部件組成。自制的光傳感器(圖2)內(nèi)的光敏電阻將采集到的太陽光信號由AD芯片轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的數(shù)字量，單片機對輸送來的電壓數(shù)字量進行分析，并依此數(shù)據(jù)對步進電機驅(qū)動芯片發(fā)出指令，驅(qū)動步進電機進行逐日轉(zhuǎn)動。

圖2 光傳感器簡圖

3 溫度控制系統(tǒng)

由鎳鉻電池組、單片機、溫度傳感器(18B20)、LCD液晶顯示屏(12864型)、繼電器、電位器、三極管、電阻電容、二極管及散熱片等組成的溫度控制系統(tǒng)，通過PLC單元將捕獲的溫度感應探頭獲得的實時溫度與設定的目標溫度進行對比，進而控制反應器是否加熱。

4 改進的UASB反應器

UASB反應器入水口處平鋪直徑1cm的玻璃珠，使得反應器布水均勻，可以在一定程度上避免短流；玻璃床層上置有鐵碳床層，發(fā)生的化學反應器可以緩解反應器酸化，反應產(chǎn)生的H2沿著氣壁向上擾動，起到攪拌介質(zhì)的作用，且零價鐵的存在能夠增強反應器的耐沖擊力并維持pH穩(wěn)定[10]。三相分離器上部放置鐵絲網(wǎng)，防止污泥隨出水廢水流失，強化固液分離。改進后的UASB反應器如圖3所示。

圖3 改進后的UASB反應器示意圖

傳統(tǒng)UASB的供溫方式主要有兩種：

a. 在UASB反應器的器壁外直接纏繞電阻絲進行加熱，會因為電阻絲纏繞的疏密程度不同，導致反應器局部過熱或過冷，不利于微生物生長；

b. 用蒸汽加熱反應器或者直接對原水進行加熱，會導致反應器的下部入水口與上部出水口存在溫差，熱損失較大。

無論哪種供熱方式都會導致溫度場的紊亂，加劇對反應器內(nèi)液體流速及壓力等的負面影響，從而對微生物構(gòu)成一定程度沖擊。

有研究發(fā)現(xiàn)，厭氧微生物對反應器溫度的突變十分敏感，對于厭氧微生物來說，降溫幅度愈大低溫持續(xù)時間愈長，產(chǎn)氣量的下降就愈嚴重，升溫后產(chǎn)氣量的恢復愈困難，也就是恢復生物活性愈困難。所以，厭氧消化系統(tǒng)每天的溫度波動以不大于2～3℃為好[11]。當有±3℃變化時，就會抑制產(chǎn)甲烷菌的速率；有±5℃的變化時，反應器就會停止產(chǎn)氣[12]。在北方的冬季，直接加熱原水的供溫方式帶來的溫度波動遠遠會超過所要求的2～3℃。劉冰等進行了內(nèi)循環(huán)厭氧反應器的啟動和影響因素的實驗研究，發(fā)現(xiàn)反應器一天內(nèi)溫度波動4℃以上，導致反應器對COD的去除率下降[13]。筆者設計的自動追蹤太陽能UASB反應器利用嵌入水價套層內(nèi)的鉛皮散熱套加熱溫水，為厭氧消化供溫。因為水的比熱容較大，熱傳質(zhì)均勻，是作為傳遞熱能的理想介質(zhì)，故此種供熱方式可以保證厭氧反應器處在恒溫水浴，使得厭氧消化穩(wěn)定進行[14～17]。改進后的溫度供給方式如圖4所示。

圖4 改進后的供溫方式示意圖

5 結(jié)論

5.1自動追蹤太陽能系統(tǒng)供溫穩(wěn)定性易受天氣影響，惡劣天氣會導致追蹤系統(tǒng)中斷，從而影響能量的輸入和輸出，嚴重時會影響到厭氧消化的進行。采用蓄電池作為能量的中轉(zhuǎn)是太陽能研究者普遍采用的辦法，但是只能維持較短的時間，長時間的弱光甚至無光天氣會導致太陽能儲能系統(tǒng)的癱瘓，這是后續(xù)研究者應該重視并解決的問題。

5.2UASB反應器作為第二代厭氧生物反應器的杰出代表，為第三代厭氧生物反應器的研制提供了理論依據(jù)。相較于好氧生物處理技術，厭氧生物反應器啟動過程復雜、啟動時間長是制約其推廣的短板。將培養(yǎng)好的針對養(yǎng)豬廢水有較好處理效果的厭氧顆粒污泥，放入反應器中快速啟動反應器，使之能夠迅速處理高濃度養(yǎng)豬廢水，是運行推廣中需要注意的問題。

5.3太陽能自動追蹤供溫系統(tǒng)與厭氧生物反應器的聯(lián)動調(diào)試需要進一步細化和改進。太陽能自動追蹤供溫系統(tǒng)提供的能量需要滿足厭氧消化的進行，并且維持穩(wěn)定。溫度控制裝置需要實時控制蓄電池的能量輸出，保證厭氧消化的穩(wěn)定運行。

5.4UASB反應器在工程實踐中尚缺乏規(guī)范的運行調(diào)試方法，此類裝置還未進行過工程實踐。從實驗得到的運行參數(shù)，如啟動時間、運行周期、反應器相關性能參數(shù)及整套裝置對各種指標的去除效率等，還必須通過實際工程驗證。