與城市生活污水相比，農村生活污水具有分散、規模小、排放不穩定且區域差異大等特點，因此，農村生活污水處理既不能簡單地照搬城市生活污水的處理模式，也不能采用統一的農村生活污水處理模式，而應當結合當地條件，因地制宜地設計農村生活污水處理系統。目前在遠離市政管網的農村或者小型社區普遍采用分散型污水處理設施。

　　生物法可以有效地去除污水中的有機污染物、氮和磷，但由于運行能耗高導致的運行費用高使得許多農村生活污水處理設施無法長期穩定地發揮作用。因此，利用太陽能、風能等新能源受到重視。如利用太陽能為寒冷地區污水處理設施保溫、利用太陽能蒸餾實現污泥脫水、利用太陽能進行光催化氧化處理污水、利用風能為污水處理裝置進行供電等。然而，常規的太陽能和風能發電系統為保持穩定的電能輸出需要蓄電池組，但蓄電池的使用壽命通常是2～5 年，蓄電池的定期更換增加了發電成本，也增加了蓄電池污染環境風險。在農村地區，通常是白天有生活污水排放，夜間斷流，這個規律與太陽能輻射強度的變化規律大致吻合。此外，污水生物處理的厭氧、缺氧和好氧反應對溶解氧的需求也不同。將上述因素結合，開發無蓄電池直接利用太陽能驅動污水處理系統是可能的，這已在我們的初期研究得到驗證，但單獨太陽能供電在遇到連續陰天情況下存在電量供應不足的問題。

　　本研究構建了利用太陽能和風能互補發電，并通過自動控制實現污水處理裝置自動運行的集成系統。本研究重點對太陽能和風能的變化規律進行分析，研究與之相適應的污水處理生物反應器的運行方式，以期為新能源在農村污水處理中的應用探索有效途徑。

　　1 實驗部分

　　1.1 實驗裝置與運行條件

　　實驗裝置如圖1所示，由無蓄電池的風光互補發電單元、自控單元和生物反應器組成。發電單元的太陽能電池板共3 塊(標準功率為135 W·塊−1)，風力發電機1 臺(400 W，24 V);自控單元包括電子傳感器與PLC;發電裝置預配置市電端口，當極端氣候條件出現時，將設備與市電連接，保證負載用電。生物反應器為多點進水生物膜反應器，由3 組缺氧-好氧反應區串聯組成，有效容積分別為14、14、11 L，缺氧區與好氧區的容積比分別為1:3、1:3、1:2.75，出水沉淀池的容積為17 L。同時，根據每天產電裝置發電能力的變化特征，將反應器的進水和曝氣分為3 種運行工況。3 種運行工況的進水總流量分別為63、53、45 mL·min−1，相應的水力停留時間則分別為10、12、14 h，且分別對應3臺不同能耗級別的曝氣泵進行曝氣。裝置所在地為中國科學院生態環境研究中心，位于北京市海淀區，北緯40.0°，東經116.3°，海拔高度50 m。

　　圖1 實驗裝置系統圖

　　基于太陽能輻射強度的日變化規律，設計無蓄電池風-光能互補發電單元的輸出電能，分高、中、低3 級。與之相對應，生物反應器按3 種工況依次交替運行，以實現對能源最大程度的利用。實驗廢水取自北京某居民區化糞池污水，其水質如表1所示。多點進水生物膜反應器的3 組缺氧-好氧反應區進水流量分配比例為5:3:2。第1級缺氧單元可對50%的進水進行一定的厭氧消化，增強了污水的可生化性的同時也會有部分氨化作用的發生，第2級缺氧單元和第3級缺氧單元分別利用各自前段的好氧單元進水及部分原水進行反硝化脫氮作用。該多點進水反應器設計可省去硝化液回流過程，進而減少相應的能源動力成本。3 個缺氧區的溶解氧控制在0.2 mg·L−1以下，而好氧區的溶解氧均在4.0 mg·L−1以上。在運行期間，反應器內水溫隨季節變化，在8～29 ℃之間。

表1 反應器進水水質

　　1.2 檢測方法

　　COD采用快速消解分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，TN采用哈希預制試劑和分光光度計測定，NO2−-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，NO3−-N采用酚二磺酸分光光度法進行檢測，pH采用pH計(BANTE 900,上海般特儀器廠，中國)測定，溶解氧采用DO(BANTE 900,上海般特儀器廠，中國)測定。

　　太陽能輻射強度采用太陽能輻射測量儀測定，風速用風速測定儀測定，太陽能和風力實時發電強度、太陽能和風能發電量、反應器各工況的運行時長等均通過相應的電子傳感器與PLC (FX2N-40M，天津佳創科技發展有限公司，中國)檢測并記錄，能耗由電量表(優利德UT230A，電力監測儀，優利德科技(中國)有限公司)記錄。

　　2 結果與討論

　　2.1 太陽能輻射強度和風速變化特征調查分析

　　對本實驗所在地生態系統研究站2016 年的日平均太陽能輻射強度和日平均風速的檢測數據進行分析，結果如圖2所示。

　　圖2 太陽能輻射強度和風速隨時間的變化

　　由圖2可知，從年變化尺度上可以看出，太陽能日平均輻射強度與季節明顯相關，在1月、11月和12月最低，在5—6月最高;平均風速則在1—4月及11—12月最大，在6—8月較低。因此，太陽能和風能在全年時間尺度上具有一定的互補性。

　　進一步選取典型月3月、6月、9月和12月分別代表春、夏、秋和冬4 個季節，基于代表月全月的監測數據對一年四季中太陽能輻射和風速日變化趨勢進行分析，結果如圖3所示。

　　圖3 四季太陽輻射強度和風速隨時間的變化

　　由圖3(a)可知，太陽能輻射強度隨著春夏秋冬的推移逐漸減小，日間最高輻射強度分別為700、500、400和300 W·m−2，且達到最高輻射強度的時間隨著春夏秋冬的變化存在逐漸減小且向后偏移的趨勢，冬季尤為明顯。此外，夏季日照時間最長，為13 h左右，春季、秋季和冬季分別為12、10和9 h左右。因此，總體來看，春季的太陽能資源最為豐富，在春季實驗地區主要以晴好天氣為主，能見度高，空中云層遮擋較少，而在夏季陰雨天氣明顯增加，歷史數據顯示，北京地區，2014年6—8月共有陰雨天60 d，2015年6—8月共有陰雨天70 d，2016年6—8月共有陰雨天74 d,因此，極大地削弱了夏季的太陽能輻射強度，而在秋冬兩季，隨著太陽向南回歸線的移動，平均輻射強度則會進一步降低并延后。具體聯系污水寶或參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　由圖3(b)可知，夏季和秋季風資源相對匱乏，而春季和冬季風力資源較為豐富，特別是在冬季，平均風速均可達到1 m·s−1以上。此外，春季白天風速較高，峰值出現在15:00左右;夏、秋兩季日變化幅度較小;冬季風速日變化波動較大且維持在較高水平，風力最大值出現在16:00—18:00時之間。作為輔助能源，冬季相對豐富的風力資源對于冬季相對較弱的太陽能資源將是良好的補充。

　　因此，太陽能和風能存在的互補效應，基于風光互補供電的模式可以很大程度上強化供電的穩定性，使無蓄電池組的風-光能互補供電驅動農村生活污水處理設施成為可能。

　　2.2 太陽能輻射強度和風速變化特征調查分析

　　在實驗期間，對生物反應器運行穩定后光伏發電板和風力發電機的發電能力、發電量、負載(生物反應器)的耗電量以及相對應的氣象條件進行了連續監測，結果如圖4所示。

　　圖4 風光互補發電及自控系統效能的電能輸出性能

　　由圖4(a)可知，從2017年6月11日到2017年9月25日連續監測的107 d內，太陽能的日平均產電量高達641.4 kJ，作為輔助能源的風能日平均產電量則為51.9 kJ。這個結果與圖2相符，在夏、秋季，風能的補充作用較小。太陽能和風能日平均總發電量為693.3 kJ，而生物反應器日平均用電量為587.2 kJ，能源利用率(當日耗電量/當日發電量)基本可維持在80.0%左右,如圖4(b)所示。此外，由圖4可以明顯看出，除極端氣候(如終日陰雨天氣下)條件下，系統能量平衡(發電量-耗電量)均為正值，表明無蓄電池的風-光能互補發電系統的發電量完全可以滿足污水生物處理反應器所需的耗電量，支持設備的穩定運行。圖4(c)為以上數據相應的氣象條件。基于傳統風-光能互補發電系統的評價方法進行核算(除極端天氣外)，本系統基本滿足以下2點：1)光伏和風機的日平均發電量(825.6 kJ)應大于設定的最低日平均耗電量(485 kJ)的1.8 倍;2)發電量的峰值(952.0 kJ)不超過月平均耗電量(732.4 kJ)的10%。

　　2.3 風-光能互補發電驅動生物反應器處理污水效能研究

　　實驗裝置連續進行167 d，重點考察了反應器對COD、NH4+-N和TN的去除效果，結果如圖5所示。實驗期間的進水水質見表1。由圖5可知，除極端天氣條件，多點進水生物膜反應器對COD、NH4+-N和TN的平均去除率分別為90.6%、94.7%和61.7%，出水中COD、NH4+-N和TN平均濃度為29.1、2.2和15.7 mg·L−1。盡管進水中各污染物濃度有較大幅度的波動，但反應器仍可以穩定運行，對COD、NH4+-N和TN保持了較高的去除效率。表明多點進水生物膜反應器具有較強的抗沖擊負荷能力。

　　圖5 反應器對COD、NH4+-N和TN的去除效果

　　為了進一步考察生物反應器中 3 組缺氧-好氧反應區對污水的處理效果的貢獻，以24 h為監測周期，對每組缺氧-好氧反應區去除COD、NH4+-N、TN、NO3−-N和NO2−-N的效果進行解析，結果如圖6所示。按照太陽能和風能強度的日變化規律，無蓄電池組風-光能互補發電單元在08:00—17:00向多點進水生物膜反應器供電，生物反應器處于有進水和好氧區曝氣的運行狀態，多點進水生物膜反應器的 3 組缺氧-好氧反應區進水流量分配比例為5：3：2;在夜晚18:00—翌日07:00停止供電，生物反應器處于靜置狀態。

　　圖6 反應器24 h周期內各反映單元對COD、NH4+-N、TN、NO3−-N和NO2−-N的處理

　　由圖6(a)可見，COD總去除量為12 473.0 mg·d−1，其中運行階段去除量為11 434.9 mg·d−1,占總去除量的91.6%，靜置階段去除量較小,僅占總去除量的8.3%。COD的去除主要發生在RO-I反應區，反應器運行期間對COD去除量和貢獻率分別為3 910.7 mg·d−1和31.3%，當電力供應不足，反應器處于靜置狀態時，仍然可以繼續對污水中的COD進行一定的去除，靜置期間的去除量和貢獻率分別為105.0 mg·d−1和0.8%，RO-I反應區的總貢獻率高達32.1%，其余各階段對COD的去除貢獻率在14.0%左右。圖6(b)、(c)、(d)、(e)分別是NH4+-N、TN、NO2−-N和NO3−-N的變化結果。NH4+-N總去除量為2 961.0 mg·d−1，其中運行階段去除量2 853.3 mg·d−1,占總去除量的96.3%，靜置階段去除量同樣較少,占總去除量的3.6%。NH4+-N主要在RO-I、RO-II、RO-III中去除，其中在RO-II中的去除效果最好，反應器運行期間對NH4+-N去除量和貢獻率分別為1 156.0 mg·d−1和39.0%;反應器靜置期間對NH4+-N的去除量和去除率分別為22.9 mg·d−1和0.7%。RO-I和RO-III在反應器運行和靜置狀態下的總去除貢獻率分別為24.4%和21.2%。在反應器靜置期間，各反應單元內NH4+-N無明顯變化。TN總去除量為2 953.5 mg·d−1，其中運行階段去除量2 522.4 mg·d−1,占總去除量的86.33%，靜置階段去除量431.1 mg·d−1,占總去除量的13.6%。TN的變化趨勢與NH4+-N基本相同。NO3−-N 的積累主要發生在好氧段，在厭氧段下降。NO2−-N的積累主要發生在RO-II中，并且在反應器靜置階段以及RO-III得以去除，最終沒有發生明顯的積累。

　　2.4 發電系統經濟型比較

　　發電系統中的各組件成本如表2所示。通過對比無蓄電池的風光互補發電系統以及傳統的風光互補發電系統的基礎建設費用得出，無蓄電池的風光互補發電系統總成本相對于傳統帶有蓄電池的風光互補系統降低了43.2%。

　　表2 經濟性對比分析

　　3 結論

　　1)太陽能與風能具有季節互補性，特別是太陽能輻射強度相對較弱的冬季，風能補充作用明顯。

　　2)通過自控系統的調控及建立相應的生物反應器運行工況，可以實現發電單元電能輸出穩定，且能源利用率達到80.0%，證明利用無蓄電池風-光能互補驅動生物反應器處理農村生活污水是可行的。

　　3)采用無蓄電池組風-光能互補發電驅動生物反應器，167 d的連續運行實驗結果顯示，對COD、NH4+-N和TN的平均去除率分別為90.6%、94.7%和61.7%。

　　4)通過24 h連續實驗發現，反應器在白天運行和夜間靜置階段對污染物的去除均有貢獻，其中白天運行階段對COD、NH4+-N和TN的去除貢獻較大，分別為91.6%、96.3%和86.3%。

　　5)無蓄電池的風光互補發電系統基建投資總成本相對于傳統帶有蓄電池的風光互補系統降低了43.2%。(來源：環境工程學報 作者：李鵬宇)