光伏驅(qū)動(dòng)農(nóng)村生活污水一體化處理裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

摘 要：針對農(nóng)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(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)目標(biāo)，采用太陽能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行一體化處理裝置的設(shè)計(jì)。分析該裝置的生化處理負(fù)荷、運(yùn)行成本及裝置穩(wěn)定運(yùn)行情況，進(jìn)而改善農(nóng)村生活污水的處理效率和生態(tài)性。試驗(yàn)顯示，裝置掛膜啟動(dòng)后的硝化液回流比為200%時(shí)，污水中化學(xué)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(shí)，出水氨氮（NH3-N）的平均質(zhì)量濃度為4.6 mg/L，去除率為83.65%。與傳統(tǒng)污水處理站模式相比，一體化處理裝置每年能夠節(jié)省電能10 000 kW·h、聚合氯化鋁500 kg。結(jié)果表明，研究設(shè)計(jì)的一體化處理裝置能夠降低處理成本，減少碳排放，在農(nóng)村污水處理領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用意義和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽能驅(qū)動(dòng)；一體化處理裝置；硝化反應(yīng)；農(nóng)村生活污水；微生物多樣性

中圖分類號(hào)：X703.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）11-127-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.11.029

0 引言

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施、全面深化農(nóng)村改革政策的提出和農(nóng)村生活污水排放量的上升，農(nóng)村生態(tài)環(huán)境問題日益得到重視［1-2］。未經(jīng)處理的農(nóng)村生活污水直接排放不僅會(huì)污染農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，還會(huì)威脅人類健康。因此，高效且及時(shí)地治理農(nóng)村生活污水成為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施的重要舉措［3-4］。目前，專家學(xué)者對污水處理進(jìn)行了各種探索和嘗試，為我國農(nóng)村生活污水處理提供了有力的技術(shù)支持［5］。蔡若奇等［6］為解決農(nóng)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(yàn)結(jié)果表明，該凈化槽對化學(xué)需氧量的去除率達(dá)到89.6%。然而，我國凈化槽技術(shù)起步相對較晚，在運(yùn)營管理上存在較多問題，且農(nóng)村經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀并不利于凈化槽技術(shù)的推廣。因此，研發(fā)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(yōu)勢，結(jié)合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)能有效節(jié)約資源，減少土建和運(yùn)行成本，滿足農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)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(tǒng)運(yùn)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(yàn)結(jié)果表明，污水處理廠能夠減少10%～40%的碳排放?；谏鲜龉夥鼊?dòng)力污水處理裝置的優(yōu)越性能，該研究創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種光伏驅(qū)動(dòng)農(nóng)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(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

研究提出的光伏驅(qū)動(dòng)農(nóng)村污水一體化處理裝置主要由光伏驅(qū)動(dòng)模塊和污水一體化處理設(shè)備組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了減少日常人員投入，實(shí)時(shí)掌控污水處理狀況，研究將該裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)成全自動(dòng)化控制系統(tǒng)。其中，光伏驅(qū)動(dòng)模塊利用光伏驅(qū)動(dòng)技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，主要負(fù)責(zé)農(nóng)村生活污水一體化處理裝置的運(yùn)行和供電；光伏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(shè)備。另外，一體化處理裝置由初沉池、進(jìn)水配水池、缺氧池、接觸氧化池和沉淀池構(gòu)成。研究設(shè)定初沉池的有效容積為8.5 L，主要攔截進(jìn)水中較大懸浮物；進(jìn)水配水池的有效容積為15.4 L，主要去除細(xì)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(nèi)部填充有軟性填料；接觸氧化池內(nèi)部填充立體彈性填料，且底部安裝有空曝氣設(shè)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(nèi)部設(shè)有硝化液回流裝置，池體間通過間隙導(dǎo)流槽連接，實(shí)現(xiàn)污水從下到上的遷移。

1.2 試驗(yàn)用水及評定指標(biāo)

研究首先根據(jù)江蘇省N市農(nóng)村生活污水水質(zhì)特征進(jìn)行了水質(zhì)成分的測量與分析。其中，進(jìn)水水質(zhì)化學(xué)需氧量（COD）質(zhì)量濃度約為300 mg/L、氨氮（NH3-N）質(zhì)量濃度約為30 mg/L、總氮（TN）質(zhì)量濃度約為30 mg/L、總磷（TP）質(zhì)量濃度約為4 mg/L。同時(shí)，根據(jù)江蘇省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB32/3462—2020）（以下簡稱“排放標(biāo)準(zhǔn)”）對水質(zhì)進(jìn)行分析和評價(jià)，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(xù)流動(dòng)-鹽酸萘乙二胺分光光度法和連續(xù)流動(dòng)-鉬酸銨分光光度法。其中，裝置去除率計(jì)算公式見式（1）。

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

式中：p表示去除率，A表示進(jìn)水量，B表示出水量。此外，每個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)在試驗(yàn)周期內(nèi)的平均去除率由每天的去除率合計(jì)除以平均天數(shù)得到。

1.3 掛膜啟動(dòng)與運(yùn)行條件

一體化處理裝置采用人工接種掛膜法啟動(dòng)，接種污泥來自江蘇省N市某污水處理廠。將農(nóng)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(xù)進(jìn)水，12 d后以間隙方式進(jìn)水。裝置運(yùn)行29 d后，鏡檢顯示，填料上的生物膜密實(shí)，活性良好，出現(xiàn)較多輪蟲和鐘蟲等微生物，表明裝置掛膜啟動(dòng)完成且進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。同時(shí)，研究通過設(shè)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(jié)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(yàn)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(shè)定一體化處理裝置中水溫為19～22 ℃，進(jìn)水pH值為7～8，曝氣量為8 L/min，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為250～350 mg/L。當(dāng)R為100%、200%和300%時(shí)，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(jìn)水和出水COD平均質(zhì)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(zhì)量濃度均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)。由圖2（b）可知，當(dāng)硝化液回流比為100%、200%和300%時(shí)，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?yàn)槿毖醭貎?nèi)部的脫氮細(xì)菌在接觸氧化池還原過程中發(fā)生了硝化反應(yīng)，導(dǎo)致氮?dú)夂鸵谎趸莩觥Ｍ瑫r(shí)，也說明當(dāng)硝化液回流比為200%時(shí)，COD的去除效果最佳，這與金位棟等［9］的研究結(jié)論一致。

2.1.2 對NH3-N的去除效果

設(shè)定一體化處理裝置中水溫為19～22 ℃、進(jìn)水pH值為7～8、進(jìn)水溶解氧質(zhì)量濃度為4.0～5.5 mg/L、進(jìn)水NH3-N質(zhì)量濃度為24～36 mg/L，研究進(jìn)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(dāng)R為100%、200%和300%時(shí)，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(dāng)硝化液回流比（R）為100%時(shí)，一體化處理裝置的進(jìn)水和出水NH3-N平均質(zhì)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(dāng)硝化液回流比（R）為200%，一體化處理裝置的進(jìn)水和出水NH3-N平均質(zhì)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(dāng)硝化液回流比（R）為300%時(shí)，一體化處理裝置的進(jìn)水和出水NH3-N平均質(zhì)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(yīng)效率明顯下降。這說明當(dāng)硝化液回流比（R）為200%時(shí)，裝置對NH3-N的去除效果最佳，這與宗紹宇［10］的研究結(jié)果一致。在不同硝化液回流比（R）條件下， NH3-N質(zhì)量濃度均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 對TN的去除效果

設(shè)定一體化處理裝置中水溫為19～22 ℃、進(jìn)水pH值為7～8、進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為22～40 mg/L，進(jìn)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(dāng)R為100%、200%和300%時(shí)，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(jìn)水和出水TN平均質(zhì)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(zhì)量濃度均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)。由圖4（b）可知，當(dāng)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(dāng)硝化液回流比（R）為200%時(shí)，一體化處理裝置對TN的平均去除率為65.8%。當(dāng)硝化液回流比（R）為300%時(shí)，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(nóng)村生活污水經(jīng)缺氧池的生物接觸氧化工藝處理，可促進(jìn)部分有機(jī)物進(jìn)一步降解和氨氮轉(zhuǎn)化。在此過程中，可能需要考慮補(bǔ)充碳源以支持后續(xù)的反硝化反應(yīng)，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(shè)備處理農(nóng)村生活污水，必須額外添加碳源以促進(jìn)硝化反應(yīng)。當(dāng)硝化液回流比（R）為200%時(shí)，該裝置對TN的去除效果最好，這與侯祥東等［11］的研究結(jié)果一致。

2.1.4 對TP的去除效果

設(shè)定一體化處理裝置中水溫為19～22 ℃、進(jìn)水pH值為7～8、進(jìn)水TP質(zhì)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(dāng)R為100%、200%和300%時(shí)，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(jìn)水和出水TP平均質(zhì)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(zhì)量濃度均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)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(dāng)硝化液回流比（R）為200%時(shí)，一體化處理裝置對TP的平均去除率為89.2%。當(dāng)硝化液回流比（R）為300%時(shí)，一體化處理裝置對TP的平均去除率為88.4%。在連續(xù)進(jìn)水的情況下，缺氧池中的反硝化細(xì)菌進(jìn)行脫氮反應(yīng)，抑制聚磷菌釋磷和β-羥基丁酸酯合成。這說明當(dāng)硝化液回流比（R）為200%時(shí)，裝置對TP的去除效果最好，這與吳棟顥等［12］的研究結(jié)果一致。

2.2 裝置運(yùn)行穩(wěn)定性及微生物多樣性分析

設(shè)定一體化處理裝置中進(jìn)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(shè)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(shí)，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(yùn)行穩(wěn)定。由圖6（b）可知，當(dāng)日處理量為100 L時(shí)，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(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)日處理增大到150 L時(shí)，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(jié)合圖6（a）和圖6（b）可以看出，當(dāng)日處理量較小時(shí)，裝置對農(nóng)村生活污水中NH3-N的去除效果最好。前期裝置處于穩(wěn)定狀態(tài)，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(dāng)日處理量為100 L時(shí)，一體化處理裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，利用系統(tǒng)量測技術(shù)（16rRNA）對裝置中填料上的微生物進(jìn)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(yǎng)菌，能將污水中有機(jī)大分子分解為小分子；綠彎菌門中部分細(xì)菌為反硝化細(xì)菌，具有較強(qiáng)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(gè)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?yàn)橐患壢毖醭氐奈廴疚镔|(zhì)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(jīng)濟(jì)性和生態(tài)性評價(jià)

農(nóng)村生活污水處理應(yīng)綜合考慮地形、人口聚集程度、污水處理站建設(shè)費(fèi)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(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析。研究以N市某農(nóng)村為例，對光伏驅(qū)動(dòng)農(nóng)村污水一體化處理裝置的處理效果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)性評價(jià)，一體化處理裝置污水處理項(xiàng)目情況見表1。

光伏驅(qū)動(dòng)農(nóng)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(fèi)用約3 000元，降低了管網(wǎng)基建投資費(fèi)用，光伏驅(qū)動(dòng)減少了能耗和藥耗，不需要專業(yè)人員維護(hù)。一體化處理裝置投資費(fèi)用80萬元/a，傳統(tǒng)污水處理站模式投資費(fèi)用150 萬元/a。因此，與傳統(tǒng)污水處理站模式相比，一體化處理裝置投資費(fèi)用較低。農(nóng)村污水一體化處理裝置采用太陽能驅(qū)動(dòng)，不會(huì)對環(huán)境直接產(chǎn)生污染，主要消耗方式為電能和藥劑投放，而電耗和藥耗會(huì)間接影響污水處理站的碳排放。而N市某農(nóng)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(qū)動(dòng)農(nóng)村污水一體化處理裝置每年可節(jié)省電費(fèi)和藥劑費(fèi)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(qū)動(dòng)農(nóng)村污水一體化處理裝置能夠降低經(jīng)濟(jì)成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

3 結(jié)束語

為解決農(nóng)村生活污水治理點(diǎn)源分散、日排放系數(shù)變化大和水質(zhì)波動(dòng)大等問題，研究設(shè)計(jì)了一種投資和能耗低、效率高的太陽能驅(qū)動(dòng)農(nóng)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(qiáng)。裝置內(nèi)部設(shè)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(nóng)村生活污水中的污染物進(jìn)行去除，且裝置的出水水質(zhì)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)村生活污水經(jīng)一體化處理裝置高效處理凈化后，可用于農(nóng)作物灌溉，實(shí)現(xiàn)污水的二次利用，提高了農(nóng)村生活污水處理的效率和精度。

參考文獻(xiàn)：

［1］李鵬峰，孫永利，隋克儉，等.我國農(nóng)村污水處理現(xiàn)狀問題分析及治理模式探討［J］.給水排水，2021，57（12）：65-71.

［2］王娟，張通通，王淑雅，等.鄉(xiāng)村振興背景下南四湖流域生活污水治理模式探討：以微山縣為例［J］.凈水技術(shù)，2023，42（6）：112-119.

［3］張鼎強(qiáng)，蔡天洲，楊帆，等.改良SBR工藝處理分散式農(nóng)村生活污水效能研究［J］.工業(yè)水處理，2023，43（11）：167-172.

［4］羅亭，付朝暉，陳洪洪.污水廠群應(yīng)急聯(lián)合調(diào)度：珠海香洲區(qū)污水系統(tǒng)規(guī)劃案例［J］.中國給水排水，2021，37（6）：17-23.

［5］ YOSHIHIRO K Y， CHOEISAI P， KHOTWIE

NG W，et al. Efficiency of high rate treatment of low-strength municipality sewage by a pilot-scale combination system of a sedimentation tank and a down-flow hanging sponge reactor［J］. Environmental Technology， 2022， 43（16）： 2457-2466.

［6］蔡若奇，倪慧成，席海朋，等.新型玄武巖纖維填料凈化槽處理分散式生活污水［J］.環(huán)境工程，2022，40（7）：146-152.

［7］顏魯薪，甄簫斐，雒苗，等.基于太陽能光伏光熱的污水處理系統(tǒng)［J］.中國沼氣，2023，41（2）：65-75.

［8］CHEN X， ZHOU W. Economic and ecological assessment of photovoltaic systems for wastewater treatment plants in China［J］. Renewable Energy， 2022， 191（5）： 852-867.

［9］金位棟，焦巨龍，李劍屏，等.微生物菌劑強(qiáng)化A/O脫氮反應(yīng)器運(yùn)行效果及微生物群落變化［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2021，11（2）：354-364.

［10］宗紹宇.一種新型污水處理體系及其對廢水處理效果試驗(yàn)［J］.化學(xué)工程師，2023，37（12）：54-58.

［11］侯祥東，王潔宇，劉愛國，等.移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器-生物濾池脫氮除磷中試研究［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，55（1）：131-136.

［12］吳棟顥，劉曉永，梁曉暉，等.倒置A2/O-MBBR一體化設(shè)備處理農(nóng)村污水試驗(yàn)［J］.水處理技術(shù)，2023，49（5）：120-124，134.