光伏發(fā)電技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鄉(xiāng)村生活污水處理中的應(yīng)用

思顯佩

(中煤科工集團武漢設(shè)計研究院有限公司，武漢 430070)

0 引言

隨著我國對鄉(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，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)備的能耗問題尚未得到有效解決[1]。

太陽能是一種可再生能源，來自于自然界，取之不盡、用之不竭。目前利用太陽能發(fā)電的方式主要有太陽能熱發(fā)電和光伏發(fā)電[2]。而光伏發(fā)電作為太陽能的一種重要利用方式，其是通過光伏組件將收集的光能轉(zhuǎn)換為電能。這種發(fā)電方式對環(huán)境無任何污染，并且對人類進入節(jié)約能源、減少污染的時代起到了推動作用[3]。光伏發(fā)電技術(shù)在美國污水處理廠的應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，節(jié)能效果顯著；與此同時，我國部分地區(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用

得益于國家對光伏發(fā)電的大力支持，截至2019 年年底，我國光伏發(fā)電累計并網(wǎng)裝機容量已達到204.3 GW，同比增長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)模來說，平均每萬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償污水處理廠約10%的電耗[5]。

當(dāng)前，有研究人員對光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理的效果和收益進行了研究。高素坤等[6]研發(fā)了一套太陽能微動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。王軍輝等[7]提出了一套由光伏發(fā)電系統(tǒng)供電的太陽能微動力設(shè)備，該設(shè)備設(shè)計的污水處理量為 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)電價按1元/kWh計算，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，從而實現(xiàn)了零電費運行。

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用

針對我國鄉(xiāng)村生活污水分散、不易收集與集中處理的特點，結(jié)合鄉(xiāng)村污水處理廠規(guī)模小、管理維護困難、污水處理設(shè)備耗電高等問題，再加上我國南方地區(qū)的太陽能資源豐富[8]，因此，本文以武漢地區(qū)某個處理鄉(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程主要集中在利用多層生物濾池工藝進行生活污水的處理。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)過化糞池等預(yù)處理系統(tǒng)后，進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行去除；之后污水因重力作用流進調(diào)節(jié)池，再通過調(diào)節(jié)池內(nèi)泵的提升后進入多層生物濾池；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填料與無機填料之間，易于培養(yǎng)豐富的微生物種群。

進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、代謝，并且生物濾池間歇式的運行方式可以使微生物的增長速率與衰減速率達到動態(tài)平衡，從而實現(xiàn)在生物濾池運行時無需再額外設(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到80%～90%。

經(jīng)生物濾池處理后的污水流進中間水池，然后通過中間水池內(nèi)的泵的提升污水進入人工濕地。人工濕地處理污水的過程是利用物理方法、化學(xué)方法及生物方法的協(xié)同作用完成污水的凈化。人工濕地通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解機理對污水進行進一步的深度處理，在此階段時，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，植物的根系可對污水中大量懸浮固體、不溶性有機物進行截流，對部分有機物進行吸收；而微生物的代謝過程能對可溶解性有機物進行降解[7]。通過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、氮元素在進行硝化和反硝化反應(yīng)后被去除；氨、氮元素也可以通過被植物根系吸附、過濾，沉淀后被植物及微生物作為營養(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，人工濕地對大腸桿菌有較強的殺滅作用[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；蓄電池用于儲存電能；控制器主要用于在設(shè)備啟動時將蓄電池中的電能分配到各個用電設(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，其中：泵用于調(diào)節(jié)池、中間水池中污水的提升；鼓風(fēng)機用于多層生物濾池的通氣[9]。本設(shè)計中共安裝了4臺泵，調(diào)節(jié)池與中間水池各安裝2臺，均為1臺使用、1臺備用，單臺泵的耗電功率為0.75 kW；共安裝2臺鼓風(fēng)機，1臺使用、1臺備用，單臺鼓風(fēng)機的耗電功率為1.5 kW。鄉(xiāng)村污水處理站的總裝機功率為6 kW，若泵與鼓風(fēng)機24 h連續(xù)運行，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算得到所需光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量。本設(shè)計中光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機容量為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)計共采用54塊蓄電池和1臺綜合了逆變器和控制器功能的逆控一體機[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，會由蓄電池和電網(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)村污水處理項目健康有序推進的問題包括適宜的污水處理技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，以及長效管理體系的構(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題，并通過工程實踐不斷得到改進和完善。圍繞可進一步提高運行和管理水平的長效管理體系的構(gòu)建問題，依托多層生物濾池工藝的優(yōu)勢和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了可實現(xiàn)將分散的鄉(xiāng)村污水處理站集中處理和移動終端監(jiān)控管理服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，達到從簡單的、分散的粗放式管理到區(qū)域集中管理和移動終端監(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執(zhí)行模塊、移動通信網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域集中監(jiān)控管理工作站及移動終端監(jiān)控管理軟件組成。該系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：1)鄉(xiāng)村污水處理站運行狀態(tài)和參數(shù)的現(xiàn)場采集和傳輸；2)利用移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信傳輸；3)對區(qū)域內(nèi)的鄉(xiāng)村污水處理站進行集中監(jiān)控管理；4)可通過移動終端對鄉(xiāng)村污水處理站的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的功能實現(xiàn)示意圖如圖2所示。由圖2可知，通過移動通信網(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，進行數(shù)據(jù)存儲，工作人員通過在手機上安裝移動終端監(jiān)控管理軟件，可實時監(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)的實現(xiàn)方式如圖3所示。各污染源監(jiān)測站采用4G網(wǎng)絡(luò)，通過污水監(jiān)測中心服務(wù)器將信息傳輸?shù)轿鬯O(jiān)測中心站，工作人員可通過手機實現(xiàn)對鄉(xiāng)村污水處理站的運行管理、日報及預(yù)報的控制。

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臺機動現(xiàn)場服務(wù)車，并有1名專業(yè)的維修養(yǎng)護人員。當(dāng)鄉(xiāng)村污水處理站出現(xiàn)運行故障時，可根據(jù)現(xiàn)場情況的緊急程度，采取直接派遣專業(yè)人員到現(xiàn)場處置故障的方式；或采取先利用物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)先發(fā)送強制停止指令，再派遣專業(yè)人員到現(xiàn)場進行故障診斷再排除的方式。

8 h工作時間以外的時間，由專門的工作人員通過手機上的移動終端監(jiān)控管理軟件訪問區(qū)域集中監(jiān)控管理工作站服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，以獲取鄉(xiāng)村污水處理站的運行狀態(tài)和信息。若鄉(xiāng)村污水處理站出現(xiàn)故障，工作人員的手機將自動接收到報警信息，此時工作人員可通過區(qū)域集中監(jiān)控管理工作站服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進一步查明故障詳情，并做出是否發(fā)出強制停止指令或等待工作時間再安排工作人員進行現(xiàn)場處理的決策。

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)的費用進行折算，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，在其運行期間可為鄉(xiāng)村污水處理站的設(shè)備供電，可基本實現(xiàn)零電費。

3 結(jié)論

結(jié)合我國鄉(xiāng)村生活污水處理具有分散、不易集中收集處理、維護管理不便、設(shè)備耗電量高等特點，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，既實現(xiàn)了將分散的鄉(xiāng)村污水處理站集中處理和移動終端監(jiān)控管理，又實現(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實現(xiàn)了遠(yuǎn)程實時監(jiān)控管理，是一種可實現(xiàn)鄉(xiāng)村污水處理站低能耗、維護管理便捷且具有推廣性的鄉(xiāng)村生活污水處理技術(shù)。