自动追踪太阳能UASB反应器的设计

施云芬 王旭晖 张更宇 姚海滨 陈弘名

(东北电力大学 a.化学工程学院；b.电气工程学院，吉林 吉林 132012)

以养猪废水为代表的高浓度有机废水通常以厌氧生物方法处理，温度是厌氧生物反应器运行的重要影响因素[1]。如何将新能源与厌氧生物方法结合，提高能源利用率并降低反应器运行成本，受到国内外学者的高度重视。Soheil F和Mirbagheri S A研究升流式厌氧污泥床( Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB)水力停留时间HRT和有机负荷率OLR，表明温度波动在30℃到20℃期间，UASB的COD去除率从85%下降到73%[2]；Khanh D等研究发现，随着UASB反应器内温度的降低，COD去除率也随之下降[3]；Winkler M K等发现，温度和盐度对颗粒污泥反应器的设计、启动和运行都有着重要的影响[4]；Lew B在变温条件下进行UASB处理生活污水的实验研究，结果表明，当温度从28℃下降到10℃时，COD的去除率从78%下降到42%[5]；傅金祥等研究了温度对常温UASB运行的影响，通过对产气量的考察发现，温度突降对厌氧微生物的活性产生明显的影响，而且温度还可以间接影响厌氧系统中pH的变化[6]；余海发现，在相同环境条件下，自动追踪式光伏发电系统比固定式光伏发电系统的发电量提高约35%[7]；张勇涛等提出一种基于AT89S52的智能型双精度太阳自动跟踪系统，该系统可以适应复杂的天气情况，能量接收效率提高20%以上[8]；张翌翀进行了基于DSP的太阳跟踪控制系统研究，设计了一种基于DSP的技术、经济性较好的太阳跟踪控制系统[9]。笔者将太阳能光伏发电技术、太阳能加热控制技术结合应用于污水厌氧生物处理领域，利用太阳能作为农村分散式养猪废水厌氧处理的热源，可以为广大偏远农村地区的废水治理提供新方法。给出由简易追踪支架、基于单片机技术的太阳光自动追踪系统、温度控制系统和改进的升流式厌氧污泥床反应器组成的自动追踪太阳能UASB反应器的设计方案。

1 简易追踪支架①

简易支架(图1)由梯形太阳能面板、轴、轴承座、支架底座、齿轮、步进电机、V形铁板、弹簧及螺栓等组成。梯形太阳能面板与轴由螺栓固定连接，整个面板的重心垂直落在轴上，轴通过上、下两个轴承座固定于双梯形构件和固定底座上，双梯形构件中间通过螺栓固定一块V形铁板，在V形铁板两侧开有宽度与步进电机直径相同的滑道，滑道一端通过螺栓将步进电机牢固固定，另一端通过螺栓松弛连接，并且通过弹簧的作用使步进电机与固定在轴上的齿轮紧紧咬合，弹簧的一端与松弛连接步进电机的螺栓连接，另一端与齿轮一起固定在轴上。光电追踪控制器固定在支架底座上，一端与固定在太阳能电池板上的光传感器相连，一端与步进电机相连，控制支架逐日转动。

图1 简易追踪支架示意图

2 基于单片机技术的太阳光自动追踪系统

太阳光自动追踪系统由光传感器、AD8591芯片、STC89C52单片机、LS293D步进电机驱动芯片、步进电机、电池板支架、齿轮及蓄电池等部件组成。自制的光传感器(图2)内的光敏电阻将采集到的太阳光信号由AD芯片转换成单片机能够识别的数字量，单片机对输送来的电压数字量进行分析，并依此数据对步进电机驱动芯片发出指令，驱动步进电机进行逐日转动。

图2 光传感器简图

3 温度控制系统

由镍铬电池组、单片机、温度传感器(18B20)、LCD液晶显示屏(12864型)、继电器、电位器、三极管、电阻电容、二极管及散热片等组成的温度控制系统，通过PLC单元将捕获的温度感应探头获得的实时温度与设定的目标温度进行对比，进而控制反应器是否加热。

4 改进的UASB反应器

UASB反应器入水口处平铺直径1cm的玻璃珠，使得反应器布水均匀，可以在一定程度上避免短流；玻璃床层上置有铁碳床层，发生的化学反应器可以缓解反应器酸化，反应产生的H2沿着气壁向上扰动，起到搅拌介质的作用，且零价铁的存在能够增强反应器的耐冲击力并维持pH稳定[10]。三相分离器上部放置铁丝网，防止污泥随出水废水流失，强化固液分离。改进后的UASB反应器如图3所示。

图3 改进后的UASB反应器示意图

传统UASB的供温方式主要有两种：

a. 在UASB反应器的器壁外直接缠绕电阻丝进行加热，会因为电阻丝缠绕的疏密程度不同，导致反应器局部过热或过冷，不利于微生物生长；

b. 用蒸汽加热反应器或者直接对原水进行加热，会导致反应器的下部入水口与上部出水口存在温差，热损失较大。

无论哪种供热方式都会导致温度场的紊乱，加剧对反应器内液体流速及压力等的负面影响，从而对微生物构成一定程度冲击。

有研究发现，厌氧微生物对反应器温度的突变十分敏感，对于厌氧微生物来说，降温幅度愈大低温持续时间愈长，产气量的下降就愈严重，升温后产气量的恢复愈困难，也就是恢复生物活性愈困难。所以，厌氧消化系统每天的温度波动以不大于2～3℃为好[11]。当有±3℃变化时，就会抑制产甲烷菌的速率；有±5℃的变化时，反应器就会停止产气[12]。在北方的冬季，直接加热原水的供温方式带来的温度波动远远会超过所要求的2～3℃。刘冰等进行了内循环厌氧反应器的启动和影响因素的实验研究，发现反应器一天内温度波动4℃以上，导致反应器对COD的去除率下降[13]。笔者设计的自动追踪太阳能UASB反应器利用嵌入水价套层内的铅皮散热套加热温水，为厌氧消化供温。因为水的比热容较大，热传质均匀，是作为传递热能的理想介质，故此种供热方式可以保证厌氧反应器处在恒温水浴，使得厌氧消化稳定进行[14～17]。改进后的温度供给方式如图4所示。

图4 改进后的供温方式示意图

5 结论

5.1自动追踪太阳能系统供温稳定性易受天气影响，恶劣天气会导致追踪系统中断，从而影响能量的输入和输出，严重时会影响到厌氧消化的进行。采用蓄电池作为能量的中转是太阳能研究者普遍采用的办法，但是只能维持较短的时间，长时间的弱光甚至无光天气会导致太阳能储能系统的瘫痪，这是后续研究者应该重视并解决的问题。

5.2UASB反应器作为第二代厌氧生物反应器的杰出代表，为第三代厌氧生物反应器的研制提供了理论依据。相较于好氧生物处理技术，厌氧生物反应器启动过程复杂、启动时间长是制约其推广的短板。将培养好的针对养猪废水有较好处理效果的厌氧颗粒污泥，放入反应器中快速启动反应器，使之能够迅速处理高浓度养猪废水，是运行推广中需要注意的问题。

5.3太阳能自动追踪供温系统与厌氧生物反应器的联动调试需要进一步细化和改进。太阳能自动追踪供温系统提供的能量需要满足厌氧消化的进行，并且维持稳定。温度控制装置需要实时控制蓄电池的能量输出，保证厌氧消化的稳定运行。

5.4UASB反应器在工程实践中尚缺乏规范的运行调试方法，此类装置还未进行过工程实践。从实验得到的运行参数，如启动时间、运行周期、反应器相关性能参数及整套装置对各种指标的去除效率等，还必须通过实际工程验证。