0 前言
在我國，農村污水處理率很低，絕大部分生活污水不經處理直接排放，是引起湖庫富營化的重要原因。
城市污水集中處理技術，因能耗高和管理維護要求高而成為農村地區推廣應用的制約因素。因此，低耗高效的污水處理技術，是當今污水分散處理技術的研究熱點。
McCarty對如何降低生活污水處理能耗進行了積極探索，研發出一種高效低耗的反應器-厭氧流化床膜生物反應器（AFMBR），COD去除率可達99％，單位水量能耗僅0．058kW·h/m3，約為傳統好氧膜生物反應器的1/10，但在自然環境條件下的處理效率以及對生活污水厭氧處理的應用前景、經濟效益等方面仍有待進一步研究。
太陽能作為一種潔凈、可再生的清潔能源具有廣闊的發展前景。將太陽能應用于污水處理仍處于起步階段，許志蘭等和王文林等先后應用美國“Solar Bee”太陽能表面曝氣技術處理微污染河流和重污染河流水體，使水體主要指標有一定改善，但均未對系統能效進行分析。蔣薇薇［8］利用太陽能曝氣組合土壤滲濾工藝處理生活污水，對氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和化學耗氧量（COD）的處理效果均高于未安裝太陽能的處理系統，但其采用的太陽能曝氣系統結構復雜，設備繁多，基建投資高，且不易于管理維護。
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施的改進，氣泵同時曝氣和回流，實現系統簡化。通過光伏A/O池和厭氧池的生活污水處理效果的比較，同時對實際工程進行能效分析，考察光伏技術在農村生活污水處理中的適用性。
1 材料和方法
1．1 中試裝置
中試裝置建于云南省大理州洱源縣鄧川鎮研究基地。2套中試污水處理裝置，均由鍍鋅鐵皮加工而成，為頂部敞開的長方體設施，尺寸為1m×0．3m×0．8m，有效容積210L，用隔板將反應池分成等距的6個小格（在技術改造前，2套裝置均已在厭氧條件下啟動成功，并穩定運行了6個月，COD平均去除率為70％左右）。各個反應池內均加掛多孔懸浮球填料。進水口和出水口分別設置在長方體設施兩端的上部，設施底部設置排泥管。其中，1套為單純的厭氧池，1套裝置加裝光伏曝氣系統（見圖1）。
光伏曝氣系統主要由單晶硅光伏電板、直流氣泵、充氣管和曝氣頭組成。氣泵直接與光伏電板連接，污水回流采用氣提回流，氣泵同時實現曝氣和回流。
以生活污水為原水（TN36．4mg/L，NH3-N31．9mg/L，TP4．4mg/L，正磷酸鹽（SRP）3．2mg/L，COD183．3mg/L），間歇進水（8∶00～23∶00），日處理量240L，HRT21h。光伏A/O池在自然條件下啟動，采樣頻率為1周1次，采用標準方法測定TN、NH3-N、NO3--N、TP、正磷酸鹽（SRP）、COD等指標，在整個運行期內未排泥。
圖1 光伏曝氣接觸A/O池結構示意
1．2 工程試驗
在云南省大理市銀橋鎮西城尾村污水處理設施的厭氧池加裝光伏曝氣系統，對光伏曝氣系統的能效進行分析。
西城尾村污水處理設施于2010年6月建成并投入運行，工藝流程為：隔油池-厭氧池-土壤凈化槽，設計處理能力為60m3/d。2011年5月在西城尾污水處理設施厭氧池（有效容積60m3，HRT24h）上加裝光伏曝氣系統，將其改造成光伏A/O池。通過能效分析，考察光伏曝氣的適用性。
2 結果和討論
2．1 氮去除效果
中試裝置進出水氮濃度的變化如圖2～圖4所示。在運行期內，厭氧池和光伏A/O池對NH3-N的平均去除率分別為6．4％和29．2％。厭氧池對NH3-N的去除效果不穩定。在前100d的運行期內，光伏A/O池對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％，最高為77．0％，出水NO3--N顯著升高，此時可認為光伏A/O池啟動成功。
圖2 NH3-N去除效果
圖3 TN去除效果
圖4 NO3--N變化
兩套裝置的TN去除效果變化與NH3-N去除效果變化相似，厭氧池和光伏A/O池對TN的平均去除率分別為9．4％和28．7％，厭氧池對TN的去除效果不穩定，也出現了出水高于進水的現象。前期（前100d），光伏A/O池對TN的平均去除率為24．3％，隨后顯著上升，平均為41．8％，最高為51．8％。
氨氧化是硝化反應的限速步驟，目前報道的有2大類微生物能實現有氧氨氧化：氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古生菌（AOA）。氨氧化細菌生長最適DO為3～4mg/L，為嚴格的好氧菌，DO過高或過低都會抑制氨氧化細菌的生長。在大多數污水處理廠中，為實現生物脫氮，好氧單元DO一般大于2mg/L，以保證充分的硝化并維持系統中氨氧化細菌數量的穩定。
氨氧化古生菌發現得較晚。2005年，Knneke等人首次分離出氨氧化古生菌。Park等人首次發現氨氧化古生菌存在于實際污水處理廠生物硝化處理單元中。在這些污水處理廠中，生化池為缺氧環境（DO小于0．2mg/L）以實現同步硝化反硝化。
污水處理池中較常見的硝化細菌為亞硝化單胞菌（Nitrosomonas），在最佳生長條件下，其世代周期為8h。光伏曝氣系統只在白天天晴時工作，一天中池內DO波動較大，停曝約1h后池內DO即被耗盡，與間歇曝氣類似，但由于曝氣時間短（晴天≤9h/d），停曝時間長（≥15h/d），又具有與常規間歇曝氣工藝不同的特征。在停曝階段，反應池長時間處于（≥14h）缺氧甚至厭氧狀態，在此狀態下氨氧化細菌生長受到抑制。由圖2和圖4可以看出，光伏A/O池發生了明顯的氨氧化作用，由此推測，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，能夠適應較長時間的缺氧環境同時與異養菌競爭O2，通過氨氧化獲得能量，實現增殖。
厭氧池主要通過吸附、沉淀、微生物同化作用等去除污水中的TN。啟動成功后，光伏A/O池通過硝化反硝化作用將污水中還原態NH3-N轉化成N2，實現脫氮的目的，故其對TN的去除率明顯高于厭氧池。
2．2 磷去除效果
中試裝置進出水磷的變化如圖5和圖6所示。在整個運行期內，厭氧池和光伏A/O池對SRP的平均去除率分別為46．0％和66．3％，對TP的平均去除率為39．3％和66．2％。
圖5 SRP去除效果
圖6 TP去除效果
在整個運行期內，兩套裝置均未排泥，故生物聚磷對磷去除貢獻很小，推測其主要除磷機理為Fe（Ⅲ）氫氧化物和非晶態亞鐵化合物的吸附作用，因為運行過程中鍍鋅鐵皮表面被腐蝕。在厭氧池內，腐蝕溶出的Fe一部分與S2-結合生成黑色FeS沉淀（出水變黑），一部分形成凝膠狀的具有較大表面積的非晶態亞鐵化合物，此類化合物具有較高的磷吸附量和較低的結合能，通過吸附去除溶解性磷（厭氧池SRP的去除率高于TP的去除率）。在光伏A/O池內，溶出的Fe在曝氣階段形成Fe（OH）3和FeO（OH）等氫氧化物，在停曝階段，部分Fe（OH）3和FeO（OH）可能被還原成非晶態亞鐵化合物，但不會將硫酸鹽還原成S2-與亞鐵形成FeS沉淀（出水清亮）。Fe（OH）3和FeO（OH）等氫氧化物比非晶態亞鐵化合物比表面積小，但與磷結合得更牢固，同時在光伏A/O池內不存在S2-與SRP競爭，因此光伏A/O池對磷的去除率比厭氧池高。
2．3 COD去除效果
中試裝置進出水COD的變化如圖7所示。在整個運行期內，厭氧池和光伏A/O池對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。厭氧池去除率隨進水濃度變化波動較大，而光伏A/O池的去除率相對穩定，說明光伏曝氣接觸A/O池抗COD沖擊負荷能力強。
圖7 COD去除效果
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）干季雨量僅占全年降雨量的5％～15％，夏半年（5～10月）雨季降雨量占全年的85％～95％，年均日照時數2 276．6h，年均晴天數230天，太陽能資源豐富。
西城尾村污水處理設施設計處理量為60m3/d，于2010年6月建成并投入運行，2011年5月在其厭氧池加裝光伏曝氣系統，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，無蓄電池，直流氣泵直接連接光伏電板。晴天曝氣系統正常工作時間一般可達7～9h，陰雨時停止工作。
氣泵數量為8臺，光伏電板總功率為1 200W。目前（2012年2月）市場光伏電板（單晶硅）價格為8元/W，系統光伏電板購置費計9 600元（1 200W×8元/W）。在相同的時間和曝氣量下，以當地用電費用1元/kW·h，常規曝氣系統年電費為1 987．2元（0．12kW×8臺×9h×230d）。
光伏曝氣系統和常規曝氣系統相比，只增加光伏電板的購置成本（直流泵和交流泵的購置成本相當），而無運行電費。若按2012年2月的成本計算，光伏曝氣系統使用4．8年后，其購置成本便可抵消常規曝氣系統電費（光伏電板壽命為10～15年）。隨著技術的進步，光伏電板成本還會進一步降低，故光伏曝氣代替常規曝氣應用于中小型農村污水處理，在技術上和經濟上都具有廣闊的發展前景，尤其是在太陽能資源豐富的地區。
目前，西城尾村光伏曝氣系統已正常運行10個月，但在光照較強的條件下，直流氣泵會出現過載現象，可考慮加裝直流穩壓器實現直流氣泵的穩定運行。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
3 結論
（1）首次將光伏電板與直流氣泵直接連接，氣泵同時實現曝氣和回流，大大降低了光伏曝氣系統的設備數量和建設成本。
（2）光伏A/O池在運行約100d后，完成自啟動，對氨氮的最高去除率達到77．0％，系統中可能存在具有高O2親和力的氨氧化古生菌。
（3）兩套中試裝置對磷的去除有一定的特異性，可能是通過鍍鋅鐵皮腐蝕形成的Fe（Ⅲ）氫氧化物和非晶態亞鐵化合物的吸附除磷。
（4）通過對實際工程改造后的能效分析，光伏曝氣代替常規曝氣應用于中小型農村污水處理設施上具有廣闊的發展前景，但在光伏間歇曝氣條件下的脫氮機理仍需進一步研究。
