光伏驱动农村生活污水一体化处理装置设计及应用研究

摘 要：针对农村生活污水处理过程中存在的高耗能问题，研究提出了一种光伏驱动污水一体化处理装置。该装置以低投资、高效率和低能耗为设计目标，采用太阳能驱动进行一体化处理装置的设计。分析该装置的生化处理负荷、运行成本及装置稳定运行情况，进而改善农村生活污水的处理效率和生态性。试验显示，装置挂膜启动后的硝化液回流比为200%时，污水中化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）的去除效果最佳，去除率分别为90.51%、65.8%和89.2%。硝化液回流比为200%时，出水氨氮（NH3-N）的平均质量浓度为4.6 mg/L，去除率为83.65%。与传统污水处理站模式相比，一体化处理装置每年能够节省电能10 000 kW·h、聚合氯化铝500 kg。结果表明，研究设计的一体化处理装置能够降低处理成本，减少碳排放，在农村污水处理领域具有较大的应用意义和推广价值。

关键词：太阳能驱动；一体化处理装置；硝化反应；农村生活污水；微生物多样性

中图分类号：X703.3 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）11-127-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.11.029

0 引言

随着乡村振兴战略的实施、全面深化农村改革政策的提出和农村生活污水排放量的上升，农村生态环境问题日益得到重视［1-2］。未经处理的农村生活污水直接排放不仅会污染农村生态环境，还会威胁人类健康。因此，高效且及时地治理农村生活污水成为乡村振兴战略实施的重要举措［3-4］。目前，专家学者对污水处理进行了各种探索和尝试，为我国农村生活污水处理提供了有力的技术支持［5］。蔡若奇等［6］为解决农村生活污水分布广、差异大的问题，提出了利用新型玄武岩相位填料净化槽处理分散式生活污水；且其多因素正交试验结果表明，该净化槽对化学需氧量的去除率达到89.6%。然而，我国净化槽技术起步相对较晚，在运营管理上存在较多问题，且农村经济现状并不利于净化槽技术的推广。因此，研发高效低耗的污水处理工艺显得尤为重要。污水一体化处理装置具有投资低、效率高和能耗低等优势，结合太阳能光伏发电系统能有效节约资源，减少土建和运行成本，满足农村地区的经济适用需求［7］。CHEN等［8］针对污水处理的高能耗问题，将光伏系统运用在污水处理厂，来评估污水处理厂的光伏潜力和减排效果；其试验结果表明，污水处理厂能够减少10%～40%的碳排放。基于上述光伏动力污水处理装置的优越性能，该研究创新性地设计了一种光伏驱动农村生活污水一体化处理装置，以提高污水处理效率和性能。

1 试验部分

1.1 试验装置设计

研究提出的光伏驱动农村污水一体化处理装置主要由光伏驱动模块和污水一体化处理设备组成，具体结构如图1所示。为了减少日常人员投入，实时掌控污水处理状况，研究将该装置系统设计成全自动化控制系统。其中，光伏驱动模块利用光伏驱动技术将太阳能转化为电能，主要负责农村生活污水一体化处理装置的运行和供电；光伏驱动系统包含太阳能光伏阵列、光伏控制器、蓄电池组、逆变器及各种线缆等其他附属设备。另外，一体化处理装置由初沉池、进水配水池、缺氧池、接触氧化池和沉淀池构成。研究设定初沉池的有效容积为8.5 L，主要拦截进水中较大悬浮物；进水配水池的有效容积为15.4 L，主要去除细小絮体碰撞形成的大颗粒；缺氧池包括一级缺氧池和二级缺氧池，内部填充有软性填料；接触氧化池内部填充立体弹性填料，且底部安装有空曝气设施；沉淀池的有效容积为16 L，主要沉淀去除接触氧化池中脱落的生物膜。此外，装置内部设有硝化液回流装置，池体间通过间隙导流槽连接，实现污水从下到上的迁移。

1.2 试验用水及评定指标

研究首先根据江苏省N市农村生活污水水质特征进行了水质成分的测量与分析。其中，进水水质化学需氧量（COD）质量浓度约为300 mg/L、氨氮（NH3-N）质量浓度约为30 mg/L、总氮（TN）质量浓度约为30 mg/L、总磷（TP）质量浓度约为4 mg/L。同时，根据江苏省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB32/3462—2020）（以下简称“排放标准”）对水质进行分析和评价，COD、NH3-N、TN和TP的测定方法分别为快速消解分光光度法、水杨酸分光光度法、连续流动-盐酸萘乙二胺分光光度法和连续流动-钼酸铵分光光度法。其中，装置去除率计算公式见式（1）。

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

式中：p表示去除率，A表示进水量，B表示出水量。此外，每个检验指标在试验周期内的平均去除率由每天的去除率合计除以平均天数得到。

1.3 挂膜启动与运行条件

一体化处理装置采用人工接种挂膜法启动，接种污泥来自江苏省N市某污水处理厂。将农村生活污水和接种污泥投入缺氧池和接触氧化池，并在投入24 h后以小流量连续进水，12 d后以间隙方式进水。装置运行29 d后，镜检显示，填料上的生物膜密实，活性良好，出现较多轮虫和钟虫等微生物，表明装置挂膜启动完成且进入稳定运行阶段。同时，研究通过设置不同硝化液回流比（R），探究硝化液回流比对COD、NH3-N、TN和TP的去除效果。

2 结果与讨论

2.1 硝化液回流比对一体化处理装置处理效果分析

2.1.1 对COD的去除效果

为了验证研究提出的一体化处理装置的有效性，首先对比了不同硝化液回流比（R）下装置对COD的去除效果。设定一体化处理装置中水温为19～22 ℃，进水pH值为7～8，曝气量为8 L/min，进水COD质量浓度为250～350 mg/L。当R为100%、200%和300%时，一体化处理装置对COD的去除情况如图2所示。

由图2（a）可知，一体化处理装置的进水和出水COD平均质量浓度分别为292.71 mg/L和28.4 mg/L，这说明该装置对COD具有良好的去除效果。在不同硝化液回流比条件下，一体化处理装置处理后出水COD质量浓度均满足排放标准一级标准。由图2（b）可知，当硝化液回流比为100%、200%和300%时，一体化处理装置对COD的平均去除率分别为87.63%、90.51%和90.45%。与消化液回流比100%相比，消化液回流比200%和300%下COD去除率明显提高，这可能是因为缺氧池内部的脱氮细菌在接触氧化池还原过程中发生了硝化反应，导致氮气和一氧化二氮逸出。同时，也说明当硝化液回流比为200%时，COD的去除效果最佳，这与金位栋等［9］的研究结论一致。

2.1.2 对NH3-N的去除效果

设定一体化处理装置中水温为19～22 ℃、进水pH值为7～8、进水溶解氧质量浓度为4.0～5.5 mg/L、进水NH3-N质量浓度为24～36 mg/L，研究进一步分析了不同硝化液回流比（R）下装置对NH3-N的去除效果。当R为100%、200%和300%时，一体化处理装置对NH3-N的去除情况如图3所示。

由图3（a）可知，当硝化液回流比（R）为100%时，一体化处理装置的进水和出水NH3-N平均质量浓度分别为28.8 mg/L和5.2 mg/L，NH3-N的平均去除率为82.95%。由图3（b）可知，当硝化液回流比（R）为200%，一体化处理装置的进水和出水NH3-N平均质量浓度分别为28.4 mg/L和4.6 mg/L，NH3-N的平均去除率为83.65%。由图3（c）可知，当硝化液回流比（R）为300%时，一体化处理装置的进水和出水NH3-N平均质量浓度分别为29.8 mg/L和5.1 mg/L，NH3-N的平均去除率为82.79%。综上可知，随着硝化液回流比（R）的不断增大，接触氧化池的溶解氧浓度降低，硝化反应效率明显下降。这说明当硝化液回流比（R）为200%时，装置对NH3-N的去除效果最佳，这与宗绍宇［10］的研究结果一致。在不同硝化液回流比（R）条件下， NH3-N质量浓度均满足排放标准一级标准。

2.1.3 对TN的去除效果

设定一体化处理装置中水温为19～22 ℃、进水pH值为7～8、进水TN质量浓度为22～40 mg/L，进一步分析了不同硝化液回流比（R）下装置对TN的去除效果。当R为100%、200%和300%时，一体化处理装置对TN的去除情况如图4所示。

由图4（a）可知，一体化处理装置的进水和出水TN平均质量浓度分别为29.6 mg/L和12.1 mg/L，这说明在不同硝化液回流比（R）条件下，出水TN质量浓度均满足排放标准一级标准。由图4（b）可知，当硝化液回流比（R）为100%，一体化处理装置对TN的平均去除率为59.9%。当硝化液回流比（R）为200%时，一体化处理装置对TN的平均去除率为65.8%。当硝化液回流比（R）为300%时，一体化处理装置对TN的平均去除率为52.4%。综上可知，一体化处理装置对TN的去除率比对COD和NH3-N的去除率低。农村生活污水经缺氧池的生物接触氧化工艺处理，可促进部分有机物进一步降解和氨氮转化。在此过程中，可能需要考虑补充碳源以支持后续的反硝化反应，从而更有效地去除污水中的氮含量。然而，利用大型一体化设备处理农村生活污水，必须额外添加碳源以促进硝化反应。当硝化液回流比（R）为200%时，该装置对TN的去除效果最好，这与侯祥东等［11］的研究结果一致。

2.1.4 对TP的去除效果

设定一体化处理装置中水温为19～22 ℃、进水pH值为7～8、进水TP质量浓度为3～5 mg/L，研究分析了不同硝化液回流比（R）下装置对TP的去除效果。当R为100%、200%和300%时，一体化处理装置对TP的去除情况如图5所示。

由图5可知，一体化处理装置的进水和出水TP平均质量浓度分别为4.0 mg/L和0.5 mg/L，这表明该一体化处理装置对TP具有较好的去除效果。在不同硝化液回流比（R）条件下，出水TP质量浓度均满足排放标准一级标准。当硝化液回流比（R）为100%，一体化处理装置对TP的平均去除率为88.0%。当硝化液回流比（R）为200%时，一体化处理装置对TP的平均去除率为89.2%。当硝化液回流比（R）为300%时，一体化处理装置对TP的平均去除率为88.4%。在连续进水的情况下，缺氧池中的反硝化细菌进行脱氮反应，抑制聚磷菌释磷和β-羟基丁酸酯合成。这说明当硝化液回流比（R）为200%时，装置对TP的去除效果最好，这与吴栋颢等［12］的研究结果一致。

2.2 装置运行稳定性及微生物多样性分析

设定一体化处理装置中进水pH值为7～8、水温为20～24 ℃、曝气量为8 L/min、硝化液回流比为200%等，研究分析了不同日处理量下的污染物处理效果。假设日处理量为50 L、100 L、150 L，不同日处理量下一体化处理装置对各污染物的处理效果如图6所示。

由图6（a）可知，在日处理量为50 L时，一体化处理装置对COD的平均去除率为97.2%，对NH3-N的平均去除率为99.8%，对TN的平均去除率为78.2%，对TP的平均去除率为46.5%，说明一体化处理装置运行稳定。由图6（b）可知，当日处理量为100 L时，装置对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为94.8%、82.3%、61.4%和31.1%，装置可稳定运行。当日处理增大到150 L时，装置对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为78.8%、60.3%、38.7%和0.5%。结合图6（a）和图6（b）可以看出，当日处理量较小时，装置对农村生活污水中NH3-N的去除效果最好。前期装置处于稳定状态，后期随着微生物繁殖过快，溶解氧不足，装置对TN和TP的去除效果下降，尤其是对TP的去除效果极差。当日处理量为100 L时，一体化处理装置稳定运行后，利用系统量测技术（16rRNA）对装置中填料上的微生物进行分析，装置中的微生物群落主要是变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、绿弯菌门和疣微菌门。其中，变形菌门属于革兰氏阴性菌，是污水除碳和脱氮的厌氧微生物；拟杆菌门和厚壁菌门属于异养菌，能将污水中有机大分子分解为小分子；绿弯菌门中部分细菌为反硝化细菌，具有较强的脱氮能力；接触氧化池中的疣微菌门嗜酸，对甲烷具有一定的氧化能力。一级缺氧池的微生物多样性高于二级缺氧池和接触氧化池，且2个缺氧池和接触氧化池的微生物类型相差较小。一级缺氧池的微生物种类较多，可能是因为一级缺氧池的污染物质量浓度较高，能满足更多微生物生存繁衍的需求。