光伏驅動農村生活污水一體化處理裝置設計及應用研究

摘 要：針對農村生活污水處理過程中存在的高耗能問題，研究提出了一種光伏驅動污水一體化處理裝置。該裝置以低投資、高效率和低能耗為設計目標，采用太陽能驅動進行一體化處理裝置的設計。分析該裝置的生化處理負荷、運行成本及裝置穩定運行情況，進而改善農村生活污水的處理效率和生態性。試驗顯示，裝置掛膜啟動后的硝化液回流比為200%時，污水中化學需氧量（COD）、總氮（TN）和總磷（TP）的去除效果最佳，去除率分別為90.51%、65.8%和89.2%。硝化液回流比為200%時，出水氨氮（NH3-N）的平均質量濃度為4.6 mg/L，去除率為83.65%。與傳統污水處理站模式相比，一體化處理裝置每年能夠節省電能10 000 kW·h、聚合氯化鋁500 kg。結果表明，研究設計的一體化處理裝置能夠降低處理成本，減少碳排放，在農村污水處理領域具有較大的應用意義和推廣價值。

關鍵詞：太陽能驅動；一體化處理裝置；硝化反應；農村生活污水；微生物多樣性

中圖分類號：X703.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）11-127-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.11.029

0 引言

隨著鄉村振興戰略的實施、全面深化農村改革政策的提出和農村生活污水排放量的上升，農村生態環境問題日益得到重視［1-2］。未經處理的農村生活污水直接排放不僅會污染農村生態環境，還會威脅人類健康。因此，高效且及時地治理農村生活污水成為鄉村振興戰略實施的重要舉措［3-4］。目前，專家學者對污水處理進行了各種探索和嘗試，為我國農村生活污水處理提供了有力的技術支持［5］。蔡若奇等［6］為解決農村生活污水分布廣、差異大的問題，提出了利用新型玄武巖相位填料凈化槽處理分散式生活污水；且其多因素正交試驗結果表明，該凈化槽對化學需氧量的去除率達到89.6%。然而，我國凈化槽技術起步相對較晚，在運營管理上存在較多問題，且農村經濟現狀并不利于凈化槽技術的推廣。因此，研發高效低耗的污水處理工藝顯得尤為重要。污水一體化處理裝置具有投資低、效率高和能耗低等優勢，結合太陽能光伏發電系統能有效節約資源，減少土建和運行成本，滿足農村地區的經濟適用需求［7］。CHEN等［8］針對污水處理的高能耗問題，將光伏系統運用在污水處理廠，來評估污水處理廠的光伏潛力和減排效果；其試驗結果表明，污水處理廠能夠減少10%～40%的碳排放。基于上述光伏動力污水處理裝置的優越性能，該研究創新性地設計了一種光伏驅動農村生活污水一體化處理裝置，以提高污水處理效率和性能。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置設計

研究提出的光伏驅動農村污水一體化處理裝置主要由光伏驅動模塊和污水一體化處理設備組成，具體結構如圖1所示。為了減少日常人員投入，實時掌控污水處理狀況，研究將該裝置系統設計成全自動化控制系統。其中，光伏驅動模塊利用光伏驅動技術將太陽能轉化為電能，主要負責農村生活污水一體化處理裝置的運行和供電；光伏驅動系統包含太陽能光伏陣列、光伏控制器、蓄電池組、逆變器及各種線纜等其他附屬設備。另外，一體化處理裝置由初沉池、進水配水池、缺氧池、接觸氧化池和沉淀池構成。研究設定初沉池的有效容積為8.5 L，主要攔截進水中較大懸浮物；進水配水池的有效容積為15.4 L，主要去除細小絮體碰撞形成的大顆粒；缺氧池包括一級缺氧池和二級缺氧池，內部填充有軟性填料；接觸氧化池內部填充立體彈性填料，且底部安裝有空曝氣設施；沉淀池的有效容積為16 L，主要沉淀去除接觸氧化池中脫落的生物膜。此外，裝置內部設有硝化液回流裝置，池體間通過間隙導流槽連接，實現污水從下到上的遷移。

1.2 試驗用水及評定指標

研究首先根據江蘇省N市農村生活污水水質特征進行了水質成分的測量與分析。其中，進水水質化學需氧量（COD）質量濃度約為300 mg/L、氨氮（NH3-N）質量濃度約為30 mg/L、總氮（TN）質量濃度約為30 mg/L、總磷（TP）質量濃度約為4 mg/L。同時，根據江蘇省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB32/3462—2020）（以下簡稱“排放標準”）對水質進行分析和評價，COD、NH3-N、TN和TP的測定方法分別為快速消解分光光度法、水楊酸分光光度法、連續流動-鹽酸萘乙二胺分光光度法和連續流動-鉬酸銨分光光度法。其中，裝置去除率計算公式見式（1）。

[p=（A-B）A×100]%" " " " " " " " " " "（1）

式中：p表示去除率，A表示進水量，B表示出水量。此外，每個檢驗指標在試驗周期內的平均去除率由每天的去除率合計除以平均天數得到。

1.3 掛膜啟動與運行條件

一體化處理裝置采用人工接種掛膜法啟動，接種污泥來自江蘇省N市某污水處理廠。將農村生活污水和接種污泥投入缺氧池和接觸氧化池，并在投入24 h后以小流量連續進水，12 d后以間隙方式進水。裝置運行29 d后，鏡檢顯示，填料上的生物膜密實，活性良好，出現較多輪蟲和鐘蟲等微生物，表明裝置掛膜啟動完成且進入穩定運行階段。同時，研究通過設置不同硝化液回流比（R），探究硝化液回流比對COD、NH3-N、TN和TP的去除效果。

2 結果與討論

2.1 硝化液回流比對一體化處理裝置處理效果分析

2.1.1 對COD的去除效果

為了驗證研究提出的一體化處理裝置的有效性，首先對比了不同硝化液回流比（R）下裝置對COD的去除效果。設定一體化處理裝置中水溫為19～22 ℃，進水pH值為7～8，曝氣量為8 L/min，進水COD質量濃度為250～350 mg/L。當R為100%、200%和300%時，一體化處理裝置對COD的去除情況如圖2所示。

由圖2（a）可知，一體化處理裝置的進水和出水COD平均質量濃度分別為292.71 mg/L和28.4 mg/L，這說明該裝置對COD具有良好的去除效果。在不同硝化液回流比條件下，一體化處理裝置處理后出水COD質量濃度均滿足排放標準一級標準。由圖2（b）可知，當硝化液回流比為100%、200%和300%時，一體化處理裝置對COD的平均去除率分別為87.63%、90.51%和90.45%。與消化液回流比100%相比，消化液回流比200%和300%下COD去除率明顯提高，這可能是因為缺氧池內部的脫氮細菌在接觸氧化池還原過程中發生了硝化反應，導致氮氣和一氧化二氮逸出。同時，也說明當硝化液回流比為200%時，COD的去除效果最佳，這與金位棟等［9］的研究結論一致。

2.1.2 對NH3-N的去除效果

設定一體化處理裝置中水溫為19～22 ℃、進水pH值為7～8、進水溶解氧質量濃度為4.0～5.5 mg/L、進水NH3-N質量濃度為24～36 mg/L，研究進一步分析了不同硝化液回流比（R）下裝置對NH3-N的去除效果。當R為100%、200%和300%時，一體化處理裝置對NH3-N的去除情況如圖3所示。

由圖3（a）可知，當硝化液回流比（R）為100%時，一體化處理裝置的進水和出水NH3-N平均質量濃度分別為28.8 mg/L和5.2 mg/L，NH3-N的平均去除率為82.95%。由圖3（b）可知，當硝化液回流比（R）為200%，一體化處理裝置的進水和出水NH3-N平均質量濃度分別為28.4 mg/L和4.6 mg/L，NH3-N的平均去除率為83.65%。由圖3（c）可知，當硝化液回流比（R）為300%時，一體化處理裝置的進水和出水NH3-N平均質量濃度分別為29.8 mg/L和5.1 mg/L，NH3-N的平均去除率為82.79%。綜上可知，隨著硝化液回流比（R）的不斷增大，接觸氧化池的溶解氧濃度降低，硝化反應效率明顯下降。這說明當硝化液回流比（R）為200%時，裝置對NH3-N的去除效果最佳，這與宗紹宇［10］的研究結果一致。在不同硝化液回流比（R）條件下， NH3-N質量濃度均滿足排放標準一級標準。

2.1.3 對TN的去除效果

設定一體化處理裝置中水溫為19～22 ℃、進水pH值為7～8、進水TN質量濃度為22～40 mg/L，進一步分析了不同硝化液回流比（R）下裝置對TN的去除效果。當R為100%、200%和300%時，一體化處理裝置對TN的去除情況如圖4所示。

由圖4（a）可知，一體化處理裝置的進水和出水TN平均質量濃度分別為29.6 mg/L和12.1 mg/L，這說明在不同硝化液回流比（R）條件下，出水TN質量濃度均滿足排放標準一級標準。由圖4（b）可知，當硝化液回流比（R）為100%，一體化處理裝置對TN的平均去除率為59.9%。當硝化液回流比（R）為200%時，一體化處理裝置對TN的平均去除率為65.8%。當硝化液回流比（R）為300%時，一體化處理裝置對TN的平均去除率為52.4%。綜上可知，一體化處理裝置對TN的去除率比對COD和NH3-N的去除率低。農村生活污水經缺氧池的生物接觸氧化工藝處理，可促進部分有機物進一步降解和氨氮轉化。在此過程中，可能需要考慮補充碳源以支持后續的反硝化反應，從而更有效地去除污水中的氮含量。然而，利用大型一體化設備處理農村生活污水，必須額外添加碳源以促進硝化反應。當硝化液回流比（R）為200%時，該裝置對TN的去除效果最好，這與侯祥東等［11］的研究結果一致。

2.1.4 對TP的去除效果

設定一體化處理裝置中水溫為19～22 ℃、進水pH值為7～8、進水TP質量濃度為3～5 mg/L，研究分析了不同硝化液回流比（R）下裝置對TP的去除效果。當R為100%、200%和300%時，一體化處理裝置對TP的去除情況如圖5所示。

由圖5可知，一體化處理裝置的進水和出水TP平均質量濃度分別為4.0 mg/L和0.5 mg/L，這表明該一體化處理裝置對TP具有較好的去除效果。在不同硝化液回流比（R）條件下，出水TP質量濃度均滿足排放標準一級標準。當硝化液回流比（R）為100%，一體化處理裝置對TP的平均去除率為88.0%。當硝化液回流比（R）為200%時，一體化處理裝置對TP的平均去除率為89.2%。當硝化液回流比（R）為300%時，一體化處理裝置對TP的平均去除率為88.4%。在連續進水的情況下，缺氧池中的反硝化細菌進行脫氮反應，抑制聚磷菌釋磷和β-羥基丁酸酯合成。這說明當硝化液回流比（R）為200%時，裝置對TP的去除效果最好，這與吳棟顥等［12］的研究結果一致。

2.2 裝置運行穩定性及微生物多樣性分析

設定一體化處理裝置中進水pH值為7～8、水溫為20～24 ℃、曝氣量為8 L/min、硝化液回流比為200%等，研究分析了不同日處理量下的污染物處理效果。假設日處理量為50 L、100 L、150 L，不同日處理量下一體化處理裝置對各污染物的處理效果如圖6所示。

由圖6（a）可知，在日處理量為50 L時，一體化處理裝置對COD的平均去除率為97.2%，對NH3-N的平均去除率為99.8%，對TN的平均去除率為78.2%，對TP的平均去除率為46.5%，說明一體化處理裝置運行穩定。由圖6（b）可知，當日處理量為100 L時，裝置對COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為94.8%、82.3%、61.4%和31.1%，裝置可穩定運行。當日處理增大到150 L時，裝置對COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為78.8%、60.3%、38.7%和0.5%。結合圖6（a）和圖6（b）可以看出，當日處理量較小時，裝置對農村生活污水中NH3-N的去除效果最好。前期裝置處于穩定狀態，后期隨著微生物繁殖過快，溶解氧不足，裝置對TN和TP的去除效果下降，尤其是對TP的去除效果極差。當日處理量為100 L時，一體化處理裝置穩定運行后，利用系統量測技術（16rRNA）對裝置中填料上的微生物進行分析，裝置中的微生物群落主要是變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、綠彎菌門和疣微菌門。其中，變形菌門屬于革蘭氏陰性菌，是污水除碳和脫氮的厭氧微生物；擬桿菌門和厚壁菌門屬于異養菌，能將污水中有機大分子分解為小分子；綠彎菌門中部分細菌為反硝化細菌，具有較強的脫氮能力；接觸氧化池中的疣微菌門嗜酸，對甲烷具有一定的氧化能力。一級缺氧池的微生物多樣性高于二級缺氧池和接觸氧化池，且2個缺氧池和接觸氧化池的微生物類型相差較小。一級缺氧池的微生物種類較多，可能是因為一級缺氧池的污染物質量濃度較高，能滿足更多微生物生存繁衍的需求。

2.3 裝置經濟性和生態性評價

農村生活污水處理應綜合考慮地形、人口聚集程度、污水處理站建設費用及管理的難易程度等因素。因此，有必要對污水一體化處理裝置的經濟效益和生態環境進行分析。研究以N市某農村為例，對光伏驅動農村污水一體化處理裝置的處理效果進行經濟性和生態性評價，一體化處理裝置污水處理項目情況見表1。

光伏驅動農村污水一體化處理裝置包含槽體、填料、回流和曝氣裝置。一體化處理裝置費用約3 000元，降低了管網基建投資費用，光伏驅動減少了能耗和藥耗，不需要專業人員維護。一體化處理裝置投資費用80萬元/a，傳統污水處理站模式投資費用150 萬元/a。因此，與傳統污水處理站模式相比，一體化處理裝置投資費用較低。農村污水一體化處理裝置采用太陽能驅動，不會對環境直接產生污染，主要消耗方式為電能和藥劑投放，而電耗和藥耗會間接影響污水處理站的碳排放。而N市某農村人均污水排放量為20 L/d，則年污水排放量為9 500 t。光伏驅動農村污水一體化處理裝置每年可節省電費和藥劑費10 000元、電能10 000 kW·h、葡萄糖600 kg、聚合氯化鋁500 kg和間接的碳排放量12 500 kg。這說明光伏驅動農村污水一體化處理裝置能夠降低經濟成本，具有較高的經濟效益和環境效益。

3 結束語

為解決農村生活污水治理點源分散、日排放系數變化大和水質波動大等問題，研究設計了一種投資和能耗低、效率高的太陽能驅動農村生活污水一體化處理裝置。該裝置占地面積小，集成度高，靈活性強。裝置內部設置的缺氧池和接觸氧化池通過填充不同材料形成生物膜，從而生成不同種類微生物。研究利用生物處理方法對農村生活污水中的污染物進行去除，且裝置的出水水質滿足排放標準一級標準。農村生活污水經一體化處理裝置高效處理凈化后，可用于農作物灌溉，實現污水的二次利用，提高了農村生活污水處理的效率和精度。

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