在我國(guó)，農(nóng)村污水處理率很低，絕大部分生活污水不經(jīng)處理直接排放，是引起湖庫(kù)富營(yíng)化的重要原因。

城市污水集中處理技術(shù)，因能耗高和管理維護(hù)要求高而成為農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用的制約因素。因此，低耗的污水處理技術(shù)，是當(dāng)今污水分散處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

本文采用光伏電板與直流氣泵直接連接，用于污水厭氧處理設(shè)施的改進(jìn)，氣泵同時(shí)曝氣和回流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化。通過(guò)光伏A/O池和厭氧池的生活污水處理效果的比較，同時(shí)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行能效分析，考察光伏技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中的適用性。

1．2 工程試驗(yàn)

在云南省大理市銀橋鎮(zhèn)西城尾村污水處理設(shè)施的厭氧池加裝光伏曝氣系統(tǒng)，對(duì)光伏曝氣系統(tǒng)的能效進(jìn)行分析。

西城尾村污水處理設(shè)施于2010年6月建成并投入運(yùn)行，工藝流程為：隔油池-厭氧池-土壤凈化槽，設(shè)計(jì)處理能力為60m3/d。2011年5月在西城尾污水處理設(shè)施厭氧池（有效容積60m3，HRT24h）上加裝光伏曝氣系統(tǒng)，將其改造成光伏A/O池。通過(guò)能效分析，考察光伏曝氣的適用性。

2．1 氮去除效果

中試裝置進(jìn)出水氮濃度的變化如圖2～圖4所示。在運(yùn)行期內(nèi)，厭氧池和光伏A/O池對(duì)NH3-N的平均去除率分別為6．4％和29．2％。厭氧池對(duì)NH3-N的去除效果不穩(wěn)定。在前100d的運(yùn)行期內(nèi)，光伏A/O池對(duì)NH3-N的平均去除率為21．5％，出水NO3--N較低，但隨后NH3-N去除率明顯上升，平均為52．2％，zui高為77．0％，出水NO3--N顯著升高，此時(shí)可認(rèn)為光伏A/O池啟動(dòng)成功。

污水處理池中較常見的硝化細(xì)菌為亞硝化單胞菌（Nitrosomonas），在生長(zhǎng)條件下，其世代周期為8h。光伏曝氣系統(tǒng)只在白天天晴時(shí)工作，一天中池內(nèi)DO波動(dòng)較大，停曝約1h后池內(nèi)DO即被耗盡，與間歇曝氣類似，但由于曝氣時(shí)間短（晴天≤9h/d），停曝時(shí)間長(zhǎng)（≥15h/d），又具有與常規(guī)間歇曝氣工藝不同的特征。在停曝階段，反應(yīng)池長(zhǎng)時(shí)間處于（≥14h）缺氧甚至厭氧狀態(tài)，在此狀態(tài)下氨氧化細(xì)菌生長(zhǎng)受到抑制。由圖2和圖4可以看出，光伏A/O池發(fā)生了明顯的氨氧化作用，由此推測(cè)，在光伏A/O池中可能存在具有高O2親和力的氨氧化古生菌，能夠適應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)間的缺氧環(huán)境同時(shí)與異養(yǎng)菌競(jìng)爭(zhēng)O2，通過(guò)氨氧化獲得能量，實(shí)現(xiàn)增殖。

厭氧池主要通過(guò)吸附、沉淀、微生物同化作用等去除污水中的TN。啟動(dòng)成功后，光伏A/O池通過(guò)硝化反硝化作用將污水中還原態(tài)NH3-N轉(zhuǎn)化成N2，實(shí)現(xiàn)脫氮的目的，故其對(duì)TN的去除率明顯高于厭氧池。

2．2 磷去除效果

中試裝置進(jìn)出水磷的變化如圖5和圖6所示。在整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)，厭氧池和光伏A/O池對(duì)SRP的平均去除率分別為46．0％和66．3％，對(duì)TP的平均去除率為39．3％和66．2％。

2．3 COD去除效果

中試裝置進(jìn)出水COD的變化如圖7所示。在整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)，厭氧池和光伏A/O池對(duì)COD的平均去除率分別為64．2％和79．1％，厭氧池和光伏A/O池出水COD平均濃度分別為62．95mg/L和38．67mg/L。厭氧池去除率隨進(jìn)水濃度變化波動(dòng)較大，而光伏A/O池的去除率相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明光伏曝氣接觸A/O池抗COD沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。

2．4 工程能效分析

大理市年均降雨量1 078．9mm，冬干夏雨，冬半年（11月至次年4月）干季雨量?jī)H占全年降雨量的5％～15％，夏半年（5～10月）雨季降雨量占全年的85％～95％，年均日照時(shí)數(shù)2 276．6h，年均晴天數(shù)230天，太陽(yáng)能資源豐富。

西城尾村污水處理設(shè)施設(shè)計(jì)處理量為60m3/d，于2010年6月建成并投入運(yùn)行，2011年5月在其厭氧池加裝光伏曝氣系統(tǒng)，將厭氧池改造成光伏A/O池。選用150W單晶（12VDC）光伏電板和120W直流氣泵（12VDC，120L/min），氣水比取8∶1，無(wú)蓄電池，直流氣泵直接連接光伏電板。晴天曝氣系統(tǒng)正常工作時(shí)間一般可達(dá)7～9h，陰雨時(shí)停止工作。

氣泵數(shù)量為8臺(tái)，光伏電板總功率為1 200W。目前（2012年2月）市場(chǎng)光伏電板（單晶硅）價(jià)格為8元/W，系統(tǒng)光伏電板購(gòu)置費(fèi)計(jì)9 600元（1 200W×8元/W）。在相同的時(shí)間和曝氣量下，以當(dāng)?shù)赜秒娰M(fèi)用1元/kW·h，常規(guī)曝氣系統(tǒng)年電費(fèi)為1 987．2元（0．12kW×8臺(tái)×9h×230d）。

光伏曝氣系統(tǒng)和常規(guī)曝氣系統(tǒng)相比，只增加光伏電板的購(gòu)置成本（直流泵和交流泵的購(gòu)置成本相當(dāng)），而無(wú)運(yùn)行電費(fèi)。若按2012年2月的成本計(jì)算，光伏曝氣系統(tǒng)使用4．8年后，其購(gòu)置成本便可抵消常規(guī)曝氣系統(tǒng)電費(fèi)（光伏電板壽命為10～15年）。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏電板成本還會(huì)進(jìn)一步降低，故光伏曝氣代替常規(guī)曝氣應(yīng)用于中小型農(nóng)村污水處理，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有廣闊的發(fā)展前景，尤其是在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)。

目前，西城尾村光伏曝氣系統(tǒng)已正常運(yùn)行10個(gè)月，但在光照較強(qiáng)的條件下，直流氣泵會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，可考慮加裝直流穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)直流氣泵的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

（1）將光伏電板與直流氣泵直接連接，氣泵同時(shí)實(shí)現(xiàn)曝氣和回流，大大降低了光伏曝氣系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量和建設(shè)成本。

（2）光伏A/O池在運(yùn)行約100d后，完成自啟動(dòng)，對(duì)氨氮的zui高去除率達(dá)到77．0％，系統(tǒng)中可能存在具有高O2親和力的氨氧化古生菌。

（3）兩套中試裝置對(duì)磷的去除有一定的特異性，可能是通過(guò)鍍鋅鐵皮腐蝕形成的Fe（Ⅲ）氫氧化物和非晶態(tài)亞鐵化合物的吸附除磷。

（4）通過(guò)對(duì)實(shí)際工程改造后的能效分析，光伏曝氣代替常規(guī)曝氣應(yīng)用于中小型農(nóng)村污水處理設(shè)施上具有廣闊的發(fā)展前景，但在光伏間歇曝氣條件下的脫氮機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。