与城市生活污水相比，农村生活污水具有分散、规模小、排放不稳定且区域差异大等特点，因此，农村生活污水处理既不能简单地照搬城市生活污水的处理模式，也不能采用统一的农村生活污水处理模式，而应当结合当地条件，因地制宜地设计农村生活污水处理系统。目前在远离市政管网的农村或者小型社区普遍采用分散型污水处理设施。
生物法可以有效地去除污水中的有机污染物、氮和磷，但由于运行能耗高导致的运行费用高使得许多农村生活污水处理设施无法长期稳定地发挥作用。因此，利用太阳能、风能等新能源受到重视。如利用太阳能为寒冷地区污水处理设施保温、利用太阳能蒸馏实现污泥脱水、利用太阳能进行光催化氧化处理污水、利用风能为污水处理装置进行供电等。然而，常规的太阳能和风能发电系统为保持稳定的电能输出需要蓄电池组，但蓄电池的使用寿命通常是2～5 年，蓄电池的定期更换增加了发电成本，也增加了蓄电池污染环境风险。在农村地区，通常是白天有生活污水排放，夜间断流，这个规律与太阳能辐射强度的变化规律大致吻合。此外，污水生物处理的厌氧、缺氧和好氧反应对溶解氧的需求也不同。将上述因素结合，开发无蓄电池直接利用太阳能驱动污水处理系统是可能的，这已在我们的初期研究得到验证，但单独太阳能供电在遇到连续阴天情况下存在电量供应不足的问题。
本研究构建了利用太阳能和风能互补发电，并通过自动控制实现污水处理装置自动运行的集成系统。本研究重点对太阳能和风能的变化规律进行分析，研究与之相适应的污水处理生物反应器的运行方式，以期为新能源在农村污水处理中的应用探索有效途径。
1 实验部分
1.1 实验装置与运行条件
实验装置如图1所示，由无蓄电池的风光互补发电单元、自控单元和生物反应器组成。发电单元的太阳能电池板共3 块(标准功率为135 W·块−1)，风力发电机1 台(400 W，24 V);自控单元包括电子传感器与PLC;发电装置预配置市电端口，当极端气候条件出现时，将设备与市电连接，保证负载用电。生物反应器为多点进水生物膜反应器，由3 组缺氧-好氧反应区串联组成，有效容积分别为14、14、11 L，缺氧区与好氧区的容积比分别为1:3、1:3、1:2.75，出水沉淀池的容积为17 L。同时，根据每天产电装置发电能力的变化特征，将反应器的进水和曝气分为3 种运行工况。3 种运行工况的进水总流量分别为63、53、45 mL·min−1，相应的水力停留时间则分别为10、12、14 h，且分别对应3台不同能耗级别的曝气泵进行曝气。装置所在地为中国科学院生态环境研究中心，位于北京市海淀区，北纬40.0°，东经116.3°，海拔高度50 m。
图1 实验装置系统图
基于太阳能辐射强度的日变化规律，设计无蓄电池风-光能互补发电单元的输出电能，分高、中、低3 级。与之相对应，生物反应器按3 种工况依次交替运行，以实现对能源最大程度的利用。实验废水取自北京某居民区化粪池污水，其水质如表1所示。多点进水生物膜反应器的3 组缺氧-好氧反应区进水流量分配比例为5:3:2。第1级缺氧单元可对50%的进水进行一定的厌氧消化，增强了污水的可生化性的同时也会有部分氨化作用的发生，第2级缺氧单元和第3级缺氧单元分别利用各自前段的好氧单元进水及部分原水进行反硝化脱氮作用。该多点进水反应器设计可省去硝化液回流过程，进而减少相应的能源动力成本。3 个缺氧区的溶解氧控制在0.2 mg·L−1以下，而好氧区的溶解氧均在4.0 mg·L−1以上。在运行期间，反应器内水温随季节变化，在8～29 ℃之间。
表1 反应器进水水质
1.2 检测方法
COD采用快速消解分光光度法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法，TN采用哈希预制试剂和分光光度计测定，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进行检测，pH采用pH计(BANTE 900,上海般特仪器厂，中国)测定，溶解氧采用DO(BANTE 900,上海般特仪器厂，中国)测定。
太阳能辐射强度采用太阳能辐射测量仪测定，风速用风速测定仪测定，太阳能和风力实时发电强度、太阳能和风能发电量、反应器各工况的运行时长等均通过相应的电子传感器与PLC (FX2N-40M，天津佳创科技发展有限公司，中国)检测并记录，能耗由电量表(优利德UT230A，电力监测仪，优利德科技(中国)有限公司)记录。
2 结果与讨论
2.1 太阳能辐射强度和风速变化特征调查分析
对本实验所在地生态系统研究站2016 年的日平均太阳能辐射强度和日平均风速的检测数据进行分析，结果如图2所示。
图2 太阳能辐射强度和风速随时间的变化
由图2可知，从年变化尺度上可以看出，太阳能日平均辐射强度与季节明显相关，在1月、11月和12月最低，在5—6月最高;平均风速则在1—4月及11—12月最大，在6—8月较低。因此，太阳能和风能在全年时间尺度上具有一定的互补性。
进一步选取典型月3月、6月、9月和12月分别代表春、夏、秋和冬4 个季节，基于代表月全月的监测数据对一年四季中太阳能辐射和风速日变化趋势进行分析，结果如图3所示。
图3 四季太阳辐射强度和风速随时间的变化
由图3(a)可知，太阳能辐射强度随着春夏秋冬的推移逐渐减小，日间最高辐射强度分别为700、500、400和300 W·m−2，且达到最高辐射强度的时间随着春夏秋冬的变化存在逐渐减小且向后偏移的趋势，冬季尤为明显。此外，夏季日照时间最长，为13 h左右，春季、秋季和冬季分别为12、10和9 h左右。因此，总体来看，春季的太阳能资源最为丰富，在春季实验地区主要以晴好天气为主，能见度高，空中云层遮挡较少，而在夏季阴雨天气明显增加，历史数据显示，北京地区，2014年6—8月共有阴雨天60 d，2015年6—8月共有阴雨天70 d，2016年6—8月共有阴雨天74 d,因此，极大地削弱了夏季的太阳能辐射强度，而在秋冬两季，随着太阳向南回归线的移动，平均辐射强度则会进一步降低并延后。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
由图3(b)可知，夏季和秋季风资源相对匮乏，而春季和冬季风力资源较为丰富，特别是在冬季，平均风速均可达到1 m·s−1以上。此外，春季白天风速较高，峰值出现在15:00左右;夏、秋两季日变化幅度较小;冬季风速日变化波动较大且维持在较高水平，风力最大值出现在16:00—18:00时之间。作为辅助能源，冬季相对丰富的风力资源对于冬季相对较弱的太阳能资源将是良好的补充。
因此，太阳能和风能存在的互补效应，基于风光互补供电的模式可以很大程度上强化供电的稳定性，使无蓄电池组的风-光能互补供电驱动农村生活污水处理设施成为可能。
2.2 太阳能辐射强度和风速变化特征调查分析
在实验期间，对生物反应器运行稳定后光伏发电板和风力发电机的发电能力、发电量、负载(生物反应器)的耗电量以及相对应的气象条件进行了连续监测，结果如图4所示。
图4 风光互补发电及自控系统效能的电能输出性能
由图4(a)可知，从2017年6月11日到2017年9月25日连续监测的107 d内，太阳能的日平均产电量高达641.4 kJ，作为辅助能源的风能日平均产电量则为51.9 kJ。这个结果与图2相符，在夏、秋季，风能的补充作用较小。太阳能和风能日平均总发电量为693.3 kJ，而生物反应器日平均用电量为587.2 kJ，能源利用率(当日耗电量/当日发电量)基本可维持在80.0%左右,如图4(b)所示。此外，由图4可以明显看出，除极端气候(如终日阴雨天气下)条件下，系统能量平衡(发电量-耗电量)均为正值，表明无蓄电池的风-光能互补发电系统的发电量完全可以满足污水生物处理反应器所需的耗电量，支持设备的稳定运行。图4(c)为以上数据相应的气象条件。基于传统风-光能互补发电系统的评价方法进行核算(除极端天气外)，本系统基本满足以下2点：1)光伏和风机的日平均发电量(825.6 kJ)应大于设定的最低日平均耗电量(485 kJ)的1.8 倍;2)发电量的峰值(952.0 kJ)不超过月平均耗电量(732.4 kJ)的10%。
2.3 风-光能互补发电驱动生物反应器处理污水效能研究
实验装置连续进行167 d，重点考察了反应器对COD、NH4+-N和TN的去除效果，结果如图5所示。实验期间的进水水质见表1。由图5可知，除极端天气条件，多点进水生物膜反应器对COD、NH4+-N和TN的平均去除率分别为90.6%、94.7%和61.7%，出水中COD、NH4+-N和TN平均浓度为29.1、2.2和15.7 mg·L−1。尽管进水中各污染物浓度有较大幅度的波动，但反应器仍可以稳定运行，对COD、NH4+-N和TN保持了较高的去除效率。表明多点进水生物膜反应器具有较强的抗冲击负荷能力。
图5 反应器对COD、NH4+-N和TN的去除效果
为了进一步考察生物反应器中 3 组缺氧-好氧反应区对污水的处理效果的贡献，以24 h为监测周期，对每组缺氧-好氧反应区去除COD、NH4+-N、TN、NO3−-N和NO2−-N的效果进行解析，结果如图6所示。按照太阳能和风能强度的日变化规律，无蓄电池组风-光能互补发电单元在08:00—17:00向多点进水生物膜反应器供电，生物反应器处于有进水和好氧区曝气的运行状态，多点进水生物膜反应器的 3 组缺氧-好氧反应区进水流量分配比例为5：3：2;在夜晚18:00—翌日07:00停止供电，生物反应器处于静置状态。
图6 反应器24 h周期内各反映单元对COD、NH4+-N、TN、NO3−-N和NO2−-N的处理
由图6(a)可见，COD总去除量为12 473.0 mg·d−1，其中运行阶段去除量为11 434.9 mg·d−1,占总去除量的91.6%，静置阶段去除量较小,仅占总去除量的8.3%。COD的去除主要发生在RO-I反应区，反应器运行期间对COD去除量和贡献率分别为3 910.7 mg·d−1和31.3%，当电力供应不足，反应器处于静置状态时，仍然可以继续对污水中的COD进行一定的去除，静置期间的去除量和贡献率分别为105.0 mg·d−1和0.8%，RO-I反应区的总贡献率高达32.1%，其余各阶段对COD的去除贡献率在14.0%左右。图6(b)、(c)、(d)、(e)分别是NH4+-N、TN、NO2−-N和NO3−-N的变化结果。NH4+-N总去除量为2 961.0 mg·d−1，其中运行阶段去除量2 853.3 mg·d−1,占总去除量的96.3%，静置阶段去除量同样较少,占总去除量的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，反应器运行期间对NH4+-N去除量和贡献率分别为1 156.0 mg·d−1和39.0%;反应器静置期间对NH4+-N的去除量和去除率分别为22.9 mg·d−1和0.7%。RO-I和RO-III在反应器运行和静置状态下的总去除贡献率分别为24.4%和21.2%。在反应器静置期间，各反应单元内NH4+-N无明显变化。TN总去除量为2 953.5 mg·d−1，其中运行阶段去除量2 522.4 mg·d−1,占总去除量的86.33%，静置阶段去除量431.1 mg·d−1,占总去除量的13.6%。TN的变化趋势与NH4+-N基本相同。NO3−-N 的积累主要发生在好氧段，在厌氧段下降。NO2−-N的积累主要发生在RO-II中，并且在反应器静置阶段以及RO-III得以去除，最终没有发生明显的积累。
2.4 发电系统经济型比较
发电系统中的各组件成本如表2所示。通过对比无蓄电池的风光互补发电系统以及传统的风光互补发电系统的基础建设费用得出，无蓄电池的风光互补发电系统总成本相对于传统带有蓄电池的风光互补系统降低了43.2%。
表2 经济性对比分析
3 结论
1)太阳能与风能具有季节互补性，特别是太阳能辐射强度相对较弱的冬季，风能补充作用明显。
2)通过自控系统的调控及建立相应的生物反应器运行工况，可以实现发电单元电能输出稳定，且能源利用率达到80.0%，证明利用无蓄电池风-光能互补驱动生物反应器处理农村生活污水是可行的。
3)采用无蓄电池组风-光能互补发电驱动生物反应器，167 d的连续运行实验结果显示，对COD、NH4+-N和TN的平均去除率分别为90.6%、94.7%和61.7%。
4)通过24 h连续实验发现，反应器在白天运行和夜间静置阶段对污染物的去除均有贡献，其中白天运行阶段对COD、NH4+-N和TN的去除贡献较大，分别为91.6%、96.3%和86.3%。
5)无蓄电池的风光互补发电系统基建投资总成本相对于传统带有蓄电池的风光互补系统降低了43.2%。(来源：环境工程学报 作者：李鹏宇)
