光伏发电技术及物联网技术在乡村生活污水处理中的应用

思显佩

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，武汉 430070)

0 引言

随着我国对乡村居民的生活环境及生态环境日益重视，以及“乡村振兴战略”建设的全面推进，乡村居民的生活环境得到了改善和提高，基础配套设施也得到了完善，其中就包括生活污水处理设施。而污水处理技术属于能源密集型的综合技术，且目前污水处理设备的能耗问题尚未得到有效解决[1]。

太阳能是一种可再生能源，来自于自然界，取之不尽、用之不竭。目前利用太阳能发电的方式主要有太阳能热发电和光伏发电[2]。而光伏发电作为太阳能的一种重要利用方式，其是通过光伏组件将收集的光能转换为电能。这种发电方式对环境无任何污染，并且对人类进入节约能源、减少污染的时代起到了推动作用[3]。光伏发电技术在美国污水处理厂的应用处于领先地位，节能效果显著；与此同时，我国部分地区也已将光伏发电系统应用于污水处理行业，并取得了一定的节能效果。为彻底从根源上解决规模较小的乡村污水处理厂的能耗问题，本文从节约资源的角度出发，将光伏发电技术和物联网技术均应用于乡村生活污水处理过程。其中，光伏发电技术可以直接提供电能，降低乡村小型污水处理厂的能耗需求，而物联网技术可以提供智能化的管理，使污水处理厂的管理更加便捷、有效，从而提高水资源的回收率。

1 光伏发电技术在污水处理工艺中的运用

得益于国家对光伏发电的大力支持，截至2019 年年底，我国光伏发电累计并网装机容量已达到204.3 GW，同比增长17.1%[4]。

通常情况下，大型污水处理厂的占地面积较大，因此在污水生化池的池顶密封后，可在其上铺设光伏组件，利用其所发电力为污水处理厂的设备供电[5]。

根据北京市已建成运行的大型污水处理厂的相关数据，以污水处理规模来说，平均每万t污水处理规模的污水处理厂的污水生化池池顶可供铺设光伏组件的表面积在1147～1576 m2之间；基于商业化应用的光伏组件的发电能力(光伏组件占地面积为4.65 m2时的日发电量为1.09 kWh)，此表面积内安装的光伏组件可以补偿污水处理厂约10%的电耗[5]。

当前，有研究人员对光伏发电系统应用于污水处理的效果和收益进行了研究。高素坤等[6]研发了一套太阳能微动力组合式一体化污水处理设备，该设备具有占地面积小、处理效率高、安装布置灵活、操作管理方便、适用范围广及节能环保等优势。王军辉等[7]提出了一套由光伏发电系统供电的太阳能微动力设备，该设备设计的污水处理量为 50 t/d，其中光伏发电系统每年的发电量为5698 kWh，若上网电价按1元/kWh计算，则光伏发电系统每天的发电收益为15.6元，与该设备每天的用电成本基本持平，从而实现了零电费运行。

2 光伏发电技术和物联网技术在乡村生活污水处理中的运用

针对我国乡村生活污水分散、不易收集与集中处理的特点，结合乡村污水处理厂规模小、管理维护困难、污水处理设备耗电高等问题，再加上我国南方地区的太阳能资源丰富[8]，因此，本文以武汉地区某个处理乡村中生活污水的污水处理厂为例，将光伏发电技术与物联网技术均应用于该污水处理厂。

2.1 乡村污水处理站的污水处理方式

由于乡村的污水处理厂规模较小，因此一般以污水处理站的形式存在。乡村污水处理站的污水处理过程主要集中在利用多层生物滤池工艺进行生活污水的处理。乡村污水处理站的污水处理流程图如图1所示。

图1 乡村污水处理站的污水处理流程图Fig.1 Sewage treatment flow chart of rural sewage treatment station

乡村污水处理站的处理流程具体为：生活污水先经过化粪池等预处理系统后，进入污水处理站前端的格栅井；在格栅井内安装有格栅，可将大颗粒污染物进行去除；之后污水因重力作用流进调节池，再通过调节池内泵的提升后进入多层生物滤池；多层生物滤池包括下部的生物滤池和上部的人工湿地，经过生物滤池和人工湿地后的污水被排至出水池中，完成生活污水的处理。

其中，生物滤池的构造为：滤池底部铺设了由高密度聚乙烯(HDPE)组成的复合人工防渗膜，其上铺设了1层厚度为40 mm、粒径为2～8 cm的火山岩滤料，为微生物提供载体；火山岩滤料上面铺设了厚度为20～40 mm、粒径为2～5 cm的碎石；在碎石上面铺设1层HDPE组成的复合人工防渗膜后，再铺设1层30 cm厚的土壤，在土壤中种植耐寒水生植物，例如：美人蕉、再力花等，从而形成人工湿地。生物滤池的生物填料介于有机填料与无机填料之间，易于培养丰富的微生物种群。

进入生物滤池中的污水首先被生物填料截留和吸附，然后利用布水布气系统和生物填料优良的水动力学特性、物理化学特性，为填料中的特异微生物提供厌氧、兼氧(缺氧)、好氧的环境，使不同的微生物种群均能高效地生长、代谢，并且生物滤池间歇式的运行方式可以使微生物的增长速率与衰减速率达到动态平衡，从而实现在生物滤池运行时无需再额外设置排泥设施的效果。在生物滤池阶段，流入其中的生活污水的污染物去除率可达到80%～90%。

经生物滤池处理后的污水流进中间水池，然后通过中间水池内的泵的提升污水进入人工湿地。人工湿地处理污水的过程是利用物理方法、化学方法及生物方法的协同作用完成污水的净化。人工湿地通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解机理对污水进行进一步的深度处理，在此阶段时，流入其中的污水可在之前洁净度的基础上再去除80%～90%的污染物[7]。污水流入人工湿地后，植物的根系可对污水中大量悬浮固体、不溶性有机物进行截流，对部分有机物进行吸收；而微生物的代谢过程能对可溶解性有机物进行降解[7]。通过人工湿地中植物根系的好氧、兼氧(缺氧)、厌氧环境的改变，可使污水中的氨、氮元素在进行硝化和反硝化反应后被去除；氨、氮元素也可以通过被植物根系吸附、过滤，沉淀后被植物及微生物作为营养吸收，从而得以去除；氨、氮元素还可以与生物滤池填料中含钙的物质发生反应，生成磷酸钙沉淀物后随水体外排。另外，人工湿地对大肠杆菌有较强的杀灭作用[6]。

2.2 光伏发电技术和物联网技术的引入

本设计以武汉市部分生活污水及武汉市周边乡村的生活污水为污水源的乡村污水处理站为例。设计人口为300人，人均用水量定额取120 L/d；污水收集率取0.8；则可计算得到该乡村污水处理站的污水处理规模为28.8 t/d，取整数为30 t/d；出水水质需达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级B的排放标准。将光伏发电技术及物联网技术应用于该乡村污水处理站。

2.2.1 光伏发电技术的引入

将光伏发电技术引入乡村污水处理站，该光伏发电系统主要由光伏组件、控制器、蓄电池及逆变器组成。光伏组件将光能转换成电能，是光伏发电系统的核心部件；蓄电池用于储存电能；控制器主要用于在设备启动时将蓄电池中的电能分配到各个用电设备[4]；逆变器可将直流电转换成交流电。

乡村污水处理站中的耗电设备主要有泵和鼓风机，其中：泵用于调节池、中间水池中污水的提升；鼓风机用于多层生物滤池的通气[9]。本设计中共安装了4台泵，调节池与中间水池各安装2台，均为1台使用、1台备用，单台泵的耗电功率为0.75 kW；共安装2台鼓风机，1台使用、1台备用，单台鼓风机的耗电功率为1.5 kW。乡村污水处理站的总装机功率为6 kW，若泵与鼓风机24 h连续运行，则1天的用电量为144 kWh。

根据乡村污水处理站中耗电设备的总耗电功率可计算得到所需光伏发电系统的装机容量。本设计中光伏发电系统的总装机容量为45 kW，采用130块单晶硅光伏组件，1天的发电量为210 kWh，向耗电设备供电后的余电存入蓄电池。本设计共采用54块蓄电池和1台综合了逆变器和控制器功能的逆控一体机[10]，当由于天气原因导致光伏发电系统所发电力不足以供给耗电设备的用电量时，会由蓄电池和电网辅助供电，以保障乡村污水处理站的正常运转。

2.2.2 物联网技术的引入

目前困扰乡村污水处理项目健康有序推进的问题包括适宜的污水处理技术的开发和应用，以及长效管理体系的构建。多层生物滤池工艺较好解决了乡村生活污水的处理问题，并通过工程实践不断得到改进和完善。围绕可进一步提高运行和管理水平的长效管理体系的构建问题，依托多层生物滤池工艺的优势和物联网技术，开发了可实现将分散的乡村污水处理站集中处理和移动终端监控管理服务的物联网管理系统，达到从简单的、分散的粗放式管理到区域集中管理和移动终端监控的飞跃[11]。

物联网管理系统由乡村污水处理站信息采集传输及控制指令接收执行模块、移动通信网络、区域集中监控管理工作站及移动终端监控管理软件组成。该系统可实现以下功能：1)乡村污水处理站运行状态和参数的现场采集和传输；2)利用移动通信网络实现数据的无线通信传输；3)对区域内的乡村污水处理站进行集中监控管理；4)可通过移动终端对乡村污水处理站的运行状态进行监控。

物联网管理系统的功能实现示意图如图2所示。由图2可知，通过移动通信网络将采集到的各乡村污水处理站的信息传送到区域集中监控管理工作站服务器的数据库，进行数据存储，工作人员通过在手机上安装移动终端监控管理软件，可实时监控各乡村污水处理站的情况。

图2 物联网管理系统的功能实现示意图Fig.2 Schematic diagram of function realization of Internet of Things management system

物联网管理系统在线监控技术的实现方式如图3所示。各污染源监测站采用4G网络，通过污水监测中心服务器将信息传输到污水监测中心站，工作人员可通过手机实现对乡村污水处理站的运行管理、日报及预报的控制。

乡村污水处理站采用8 h专人管理工作制(定额1人)，配备1台机动现场服务车，并有1名专业的维修养护人员。当乡村污水处理站出现运行故障时，可根据现场情况的紧急程度，采取直接派遣专业人员到现场处置故障的方式；或采取先利用物联网管理系统先发送强制停止指令，再派遣专业人员到现场进行故障诊断再排除的方式。

8 h工作时间以外的时间，由专门的工作人员通过手机上的移动终端监控管理软件访问区域集中监控管理工作站服务器的数据库，以获取乡村污水处理站的运行状态和信息。若乡村污水处理站出现故障，工作人员的手机将自动接收到报警信息，此时工作人员可通过区域集中监控管理工作站服务器的数据库进一步查明故障详情，并做出是否发出强制停止指令或等待工作时间再安排工作人员进行现场处理的决策。

2.3 成本

将安装光伏发电系统和物联网管理系统的费用进行折算，则乡村污水处理站净化1 t污水的成本将增加1000～2000元。但光伏发电系统的使用寿命将近25年，在其运行期间可为乡村污水处理站的设备供电，可基本实现零电费。

3 结论

结合我国乡村生活污水处理具有分散、不易集中收集处理、维护管理不便、设备耗电量高等特点，本文提出了将光伏发电技术和物联网技术应用于乡村污水处理站中，既实现了将分散的乡村污水处理站集中处理和移动终端监控管理，又实现了零电耗。虽然安装光伏发电系统和物联网管理系统使污水处理站1 t污水的处理成本增加了1000～2000元，但乡村污水处理站在降低能耗的同时实现了远程实时监控管理，是一种可实现乡村污水处理站低能耗、维护管理便捷且具有推广性的乡村生活污水处理技术。