太陽能在污水處理廠中的運行模式*

劉慧敏，卞士杰，石程好，任擁政?

（1. 華中科技大學，中歐清潔與可再生能源學院，武漢 430074；2. 華中科技大學，環境科學與工程學院，武漢 430074）

0 前 言

根據中華人民共和國環境保護部 2014年提出的《污染防治行動計劃》，我國部分地區出水執行標準已由污染物排放標準的1級A標準提升到地表水IV類標準，然而目前僅30%左右的污水廠出水達到了1級A排放標準，這意味著污水廠的提標擴建、升級改造勢在必行。而污水處理屬能耗密集型行業，據統計分析，污水處理廠單位耗氧污染物削減電耗分布在0.58 ～ 3.05 kW·h/m3[1]。我國城市污水產生量巨大，相應處理量也在不斷增加，污水處理的能耗不容忽視[2]（其中污水、污泥的處理能耗占整個污水廠直接能耗的 60%以上[3]）太陽能作為可再生能源，擁有蘊藏量大、分布廣、環境友好等優點，而且太陽能技術的引進不僅可以充分發揮污水廠容積率較小的優勢，也有效解決了太陽能占地面積較大的問題。因此，將太陽能技術與城鎮污水處理項目相結合具有潛在的發展前景。當前，如何因地制宜地使用太陽能已經成為未來概念性污水廠的發展方向之一。

1 太陽能污水處理技術

1.1 污水處理廠光伏發電

城鎮污水處理廠大多采用A2/O、氧化溝及序批式活性污泥法（sequencing batch reactor, SBR）等處理工藝。將光伏電池板安裝于建筑物的屋頂、構筑物的池面及各類閑置空間，可在一定程度上實現空間的二次利用。自美國西部第一座以太陽能為主要能源的污水處理廠建成起[4]，這種污水處理系統備受關注。國內目前已經有了實際的案列，如揚州市六圩污水處理廠、湯汪污水處理廠、自來水公司第一水廠合計約9.8×104m2池面，并建設光伏電站，其總裝機容量達9.7 MW。按照日均發電量計，可滿足兩處污水處理廠30% ～ 40%的用電量，自來水廠則完全可以自給自足[5]。

目前，全國不同處理規模污水廠的投運情況總體上均呈現出增長趨勢，尤其是小型污水處理廠（5萬m3/d以下）的投運數量增長最為迅速[6]。

若將光伏發電應用于中小型二級污水處理廠中，在節約能耗、降低成本上有更顯著的效果。以一座小型污水處理廠為例，該廠用電負荷主要集中在曝氣系統、泵房及污泥處置等方面，見表1。

表1 某小型污水廠主要機電設備能耗一覽表Table 1 List of major electromechanical equipment in energy consumption of a small sewage treatment plant

污水廠設計用電總負荷為100 kW。以光伏發電作為主要能源，在不考慮安裝面積限制及日照較好情況下進行系統設計。選用的太陽能電池板性能參數和設計結果詳見表2與表3。

表2 太陽能電池板性能參數Table 2 Performance of solar panels

表3 設計結果主要參數Table 3 The main parameters of the design results

根據污水處理廠實際情況來進行安裝。經計算得知，太陽能日均發電量為896.9 kW·h，而污水處理廠實際電耗為1 320 kW·h，即可滿足約70%以上的用電量。由此可見，太陽能光伏發電更適用于中小型污水處理廠及能耗相對較低的凈水廠。日照強度和天氣情況等的變化對太陽能組件的功率有較大的影響，系統發電量隨太陽輻射強度呈線性變化，因此，太陽能運用于中小型污水處理廠和凈水廠時，通常采用并網方式且遵循“自發自用、余電上網”的原則。

然而，光伏項目的實施受阻于原池體結構的承載力限制范圍。對于原池體單元的改造，需要考慮的結構設計因素較多，因而給施工帶來了較大的阻力，如六圩污水處理廠結構改造等。因此，新污水處理設施及凈水廠在設計建造時，應該統一規劃其光伏發電項目，避免池體改造結構上的困難。同時，陰雨天太陽能發電效率較低時的應對措施也是亟待解決的問題之一。

1.2 太陽能人工濕地

近年來，人工濕地技術因其基建投資小、處理效果好、布置靈活和運行維護管理方便等優點，逐漸受到人們的重視，尤其適用于污水量較小并分散的農村。農村地區太陽能資源豐富，利用太陽能技術耦合人工濕地系統，不僅解決了能源供給問題，還降低了管理成本，特別適用于地勢偏遠或電網不發達地區。

太陽能濕地技術主要有兩種應用形式：一種是采用太陽能集熱器收集輻射，并在濕地系統內敷設加熱盤管等熱傳導設施，以溫度控制器調控濕地系統水溫，確保濕地正常運行，并增設儲熱設備與反饋系統來調節溫度[7]，其工藝流程見圖1。該技術適用于因溫度降低、水結冰而導致運行效果下降的環境。相比濕地系統覆蓋物隔離保溫技術[8]來說，利用太陽能提高溫度技術具有綠色環保、管理方便、啟動時間快等優勢。另一種是利用太陽能作為驅動能源，其系統流程見圖 2。利用太陽能驅動鼓風機曝氣，可提高濕地溶解氧利用率，氧化降解有機物，并有效解決及預防因有機物積累導致的堵塞問題。

圖1 太陽能加熱人工濕地工藝流程圖Fig. 1 Solar energy heating artificial wetland process flow chart

圖2 太陽能驅動人工濕地流程圖Fig. 2 Solar energy flow chart for constructed wetlands

新型的太陽能濕地技術在實際中的應用還較少，僅在西藏及西北地區有相關的報道。為了推動該技術的發展，今后還需進一步提高太陽能光熱、光電效率及儲能技術、降低太陽能裝置成本，提高其經濟效益。

1.3 太陽能反滲透水處理

反滲透作為一項先進的水處理技術，目前廣泛應用于污水的深度處理、鍋爐補給水、海水淡化等方面。反滲透裝置的核心部件在于其反滲透膜，影響膜運行的因素大致可劃分為三大類，詳見圖3。

整個裝置的主要操作參數是運行壓力和進水溫度。進水溫度通常作為保護反滲透膜的限制條件，即規定不超過45℃。因此，在工業上通?？刂七M水溫度在20℃左右。太陽能作為一種環境友好的綠色能源，與反滲透技術相結合，開辟了太陽能應用的新方向。早在20世紀90年代，就有將太陽能與反滲透技術結合的相關研究，即首先將太陽能轉換成電能再利用電能驅動反滲透裝置。這是一項非常有前景的技術，其發展卻受制于太陽能低利用率與高投資。為了解決這些問題，不少學者進行了相關的研究并發現，當操作壓力一定時，升高水溫，產水量增加，電導率僅略微下降。NISAN等[9]利用ROSA模型分析了運行參數與進水的函數關系，從理論上證實了升高進水溫度可降低制水成本。當控制壓力保持 0.90 Mpa時，進水溫度從18℃提高到38℃，產水量從6.5 L/min增加到8.8 L/min，提高了35.5%；若保證產水量為8.0 L/min，提升相同的溫度，可將反滲透運行壓力從1.18 Mpa降至0.80 Mpa，能耗可降低 32.2%[10]。因此，在工業上可利用太陽能將反滲透裝置進水溫度提升，來降低能源成本。

圖3 工藝運行影響因素Fig. 3 Factors affecting the operation of the process

1.4 太陽能殺菌消毒技術

光催化氧化技術是近年出現的一種水處理新技術，也逐漸發展為污水深度處理的一項重要技術。自 1972年日本學者 FUJISHIMA等[11]的研究在《Nature》上發表后，從此揭開了光催化氧化技術的序幕。此后，隨著研究進一步深入，光催化氧化技術在降解水中污染物應用方面取得了突破性進展。相比于傳統的物化方法，光催化氧化技術在常溫常壓下就可將有機物完全分解和礦化，其操作簡易、能耗低，所使用的催化劑TiO2無毒無害，穩定性好，目前已經成為國內外的研究熱點。

光催化氧化技術的反應機理大致為：催化劑TiO2受光源激發產生光電子和空穴，經過一系列化學反應過程，與水生成強氧化性和高活性的羥基自由基，大多數有機物和無機物能夠直接或間接被其氧化還原。因此，光催化氧化技術亦可用于除藻和消毒。如自由基 HO·具有很強的氧化性，可氧化藻類葉綠素，使葉綠素新陳代謝停止，迫使蛋白質合成中斷，最終導致藻類死亡。趙海霞等[12]進行了太陽能-TiO2光催化氧化的殺藻實驗，研究結果表明，太陽能中的紫外光可激發納米TiO2產生HO·，光催化8 h后，殺藻率達最大。而同時產生的強氧化性物質可與細胞壁、細胞膜或細胞內的組分反應，破壞有機物中的C—H、N—H、C=O鍵等，從而殺死病原體，達到殺菌消毒的效果。有研究表明，TiO2在紫外光照射下可殺滅酵母菌、大腸桿菌、膿桿菌及金黃色葡萄球菌等。相比傳統的消毒方式，太陽能光催化技術具有殺菌速度快、效率高，且不產生有害的消毒副產物的優點，同時也解決紫外線消毒后出水存在的微生物光復活問題。

2 太陽能污泥處置

隨著大量污水處理廠投入運行，所產生的污泥處置問題迫在眉睫，已成為水處理研究的一大熱點。在污泥的減量化處置中，首先需要進行污泥脫水，而機械脫水的極限是50% ～ 60%，則需要進一步污泥干化。相比于傳統熱能污泥干化，太陽能干化有低溫干化、運行費用低廉、操作簡單、運行安全穩定、干化后污泥仍保留原有農用價值等優點。

2.1 太陽能溫室干化

對于日照時間長、太陽輻射強的地區，可直接采用純太陽能干化。然而對于地理條件不理想的地區，直接利用會導致占地面積過大且存在處理時間過長的問題。因此，一般需要增加額外的能源，比如利用污水熱泵從污水廠的出水中抽提熱能，并通過熱水向干化裝置提供能源。

太陽能干化是借助太陽暖房實現的，其核心部件是污泥翻滾機。經過機械脫水后的污泥放料于儲存倉中，由翻泥機平鋪于暖房內的網孔地板上，通過太陽能加熱暖房內的空氣和污泥，并由鼓風機將干燥空氣吹射到污泥層上，帶走污泥中的水分[13]。在冬季，為防止出現污泥堆積以及干化效果降低的問題，可安裝高效加熱地板，利用污水廠出水的熱量，通過熱泵技術加熱地板，使得干化的效率大大提高。工程案例（Huber SRT）證實機械脫水之后的污泥（含水率為75%），經過該干化系統（SHP系統）后，含水率下降至約40%甚至更低。因此，在干化效果上，與普通的熱干化設備是相同的。

相對于傳統的熱干化法，污泥單純利用太陽能干燥無輔助熱源時，干燥速率不超過0.63 kg/m2·h[14]，而污泥在小型槳葉式污泥干化機內的干化速率最高達到 0.6 kg/(m2·min)[15]，速率約為太陽能干化的60倍。目前為了解決太陽能無輔助熱源干化速率較低的問題，通常增加熱泵作為輔助熱源、提高太陽能集熱系統、主被動結合干化等方式來提高干化速率。并增加風力及光伏發電來滿足干化風機等用電，進一步降低成本。

2.2 厭氧消化

城鎮污泥的厭氧處置技術發展已經十分成熟，而且應用越來越廣泛。該項技術尤其適用于溫暖地區。相比傳統的好氧處置，該技術具有投資與運營成本較低、產泥量少等優點。但由于厭氧處置的去除率受溫度影響較大，如果將該技術運用到溫度較低的寒冷地區，為保證其使用效果，需加大能源的消耗，并增加相應的管理成本。因此，為了降低能耗和管理成本，將太陽能應用于厭氧消化就具有可觀的發展前景。

國外相關學者設計了用于污水生物處理的太陽能保溫厭氧反應器，該反應器主要是利用平板集熱器加熱儲熱罐中的循環水，通過熱交換器維持雙層隔離厭氧生物池的內部溫度。該反應器在一年中絕大部分時間都能夠維持35℃的理想溫度，COD去除率達到80%以上[16]。近年來，國內研究人員也對厭氧消化過程中的太陽能應用技術進行了探索，并取得了較大的成果。因該項技術受氣候、地域和時間的影響較大，如何提高太陽能利用率成了亟待研究的問題。

3 能耗與經濟效益

3.1 污水廠能耗分析

在國內，各區域城鎮污水處理單位能耗總體上隨規模的增加而減少，污水處理的深度不同，能耗差異較大，國內不同規模的污水處理廠能耗的比較結果如表4所示[16]。

中國污水處理發展位于初步階段，大部分仍為中小型水廠，處理率較低。因此，隨著污水處理廠提標改造工程的落實及排放標準的嚴格執行，污水廠的電能消耗將進一步增大。將太陽能運用于城鎮污水處理廠中，對降低能耗有著重要的意義。比如光伏發電可滿足大型污水廠用電量的30% ～ 40%，中小型可達70%以上。對于城鎮污水處理廠中能耗占比較大的污泥來說，太陽能干化可節約相當大一部分電能。具體電能消耗情況詳見表5[18-19]。

表4 不同規模污水處理廠能耗情況[17]Table 4 Energy consumption of different scale sewage treatment plants

表5 污泥干化能耗比較情況[18-19]Table 5 Comparison of sludge drying energy consumption

相比于傳統的熱干化設備來說，利用太陽能干化污泥消耗的電能僅為其四十分之一，即使是在天氣情況較差或者冬季時，增加熱泵作為輔助熱源，其電耗也是較低的。

3.2 經濟效益

國內污水處理廠整體費用分析詳見圖4[20-21]。

圖4 污水處理廠整體費用分配[20-21]Fig. 4 Sewage treatment plant overall cost allocation

與國外相比，污水處理廠基建費與人工費大于能源費用，但隨著自動化程度的增加，能源的比重將增加，將太陽能應用于污水處理項目中，不僅可以使其電耗降低，滿足污水廠大部分用電量，通過余電上網更能獲得一定的經濟效益。由國家發改委價格司和國家能源局審核，確定2016年光伏發電上網標桿電價如表6所示。

根據相關補助政策，國家實行按照發電量進行電價補貼的政策，電價貼標準為 0.42元/kW·h。對于污水處理廠項目而言，其特點是投資大、回收期長。國家補貼以及上網電價回報可有效降低投資回收期，獲得較佳的經濟收益。

表6 光伏發電上網標桿電價Table 6 Photovoltaic power grid benchmark price

4 結 論

本文通過對實際污水廠光伏發電進行模擬分析，并且參照正在運行中相關示范項目的發電量與用電量均衡詳情，闡明了太陽能應用于城鎮污水處理廠是一種值得嘗試的新方法，且已逐漸獲得較大的經濟與生態效益。此外，光伏發電在自來水廠中的應用可基本實現能源供給與消耗的平衡，為未來自來水廠建設能源供給方面提供寶貴的案例經驗。與此同時，對于污水處理廠中其它環節如污泥處置和殺菌消毒等方面，太陽能技術的引進能大大降低污水處理的能源消耗及污泥處置的成本。在未來的發展中，建議將光伏發電項目并入污水處理廠建設項目一起統籌規劃，避免污水廠后期改造存在的結構設計問題?？偠灾?，太陽能在污水處理廠中的運行模式是一種可同步實現清潔生產、低碳排放與經濟收益的有效模式。

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