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摘 要： 摘 要：光伏發電技術與物聯網技術均可以應用到鄉村的生活污水處理中，設計了一套可為日處理污水量為30t的鄉村污水處理站供電的光伏發電系統，其裝機容量為45kW，1天的發電量為210kWh。該鄉村污水處理站采用光伏發電技術后，在實際運行中實現了低能耗、零電費
摘 要：光伏發電技術與物聯網技術均可以應用到鄉村的生活污水處理中，設計了一套可為日處理污水量為30t的鄉村污水處理站供電的光伏發電系統，其裝機容量為45kW，1天的發電量為210kWh。該鄉村污水處理站采用光伏發電技術后，在實際運行中實現了低能耗、零電費;采用物聯網技術后，該污水處理站實現了遠程監控、夜間無人值守、維護管理便捷。光伏發電技術與物聯網技術均是適合在鄉村污水處理站中推廣使用的、切實可行的技術。
關鍵詞：光伏發電;物聯網技術;鄉村污水處理站;污水處理工藝
0引言
隨著我國對鄉村居民的生活環境及生態環境日益重視，以及“鄉村振興倡議”建設的全面推進，鄉村居民的生活環境得到了改善和提高，基礎配套設施也得到了完善，其中就包括生活污水處理設施。而污水處理技術屬于能源密集型的綜合技術，且目前污水處理設備的能耗問題尚未得到有效解決[1]。
太陽能是一種可再生能源，來自于自然界，取之不盡、用之不竭。目前利用太陽能發電的方式主要有太陽能熱發電和光伏發電[2]。而光伏發電作為太陽能的一種重要利用方式，其是通過光伏組件將收集的光能轉換為電能。這種發電方式對環境無任何污染，并且對人類進入節約能源、減少污染的時代起到了推動作用[3]。光伏發電技術在美國污水處理廠的應用處于領先地位，節能效果顯著;與此同時，我國部分地區也已將光伏發電系統應用于污水處理行業，并取得了一定的節能效果。為徹底從根源上解決規模較小的鄉村污水處理廠的能耗問題，本文從節約資源的角度出發，將光伏發電技術和物聯網技術均應用于鄉村生活污水處理過程。其中，光伏發電技術可以直接提供電能，降低鄉村小型污水處理廠的能耗需求，而物聯網技術可以提供智能化的管理，使污水處理廠的管理更加便捷、有效，從而提高水資源的回收率。
1光伏發電技術在污水處理工藝中的運用
得益于國家對光伏發電的大力支持，截至2019年年底，我國光伏發電累計并網裝機容量已達到204.3GW，同比增長17.1%[4]。
通常情況下，大型污水處理廠的占地面積較大，因此在污水生化池的池頂密封后，可在其上鋪設光伏組件，利用其所發電力為污水處理廠的設備供電[5]。
根據北京市已建成運行的大型污水處理廠的相關數據，以污水處理規模來說，平均每萬t污水處理規模的污水處理廠的污水生化池池頂可供鋪設光伏組件的表面積在1147～1576m2之間;基于商業化應用的光伏組件的發電能力(光伏組件占地面積為4.65m2時的日發電量為1.09kWh)，此表面積內安裝的光伏組件可以補償污水處理廠約10%的電耗[5]。
當前，有研究人員對光伏發電系統應用于污水處理的效果和收益進行了研究。高素坤等[6]研發了一套太陽能微動力組合式一體化污水處理設備，該設備具有占地面積小、處理效率高、安裝布置靈活、操作管理方便、適用范圍廣及節能環保等優勢。王軍輝等[7]提出了一套由光伏發電系統供電的太陽能微動力設備，該設備設計的污水處理量為50t/d，其中光伏發電系統每年的發電量為5698kWh，若上網電價按1元/kWh計算，則光伏發電系統每天的發電收益為15.6元，與該設備每天的用電成本基本持平，從而實現了零電費運行。
2光伏發電技術和物聯網技術在鄉村生活污水處理中的運用
針對我國鄉村生活污水分散、不易收集與集中處理的特點，結合鄉村污水處理廠規模小、管理維護困難、污水處理設備耗電高等問題，再加上我國南方地區的太陽能資源豐富[8]，因此，本文以武漢地區某個處理鄉村中生活污水的污水處理廠為例，將光伏發電技術與物聯網技術均應用于該污水處理廠。
2.1鄉村污水處理站的污水處理方式
由于鄉村的污水處理廠規模較小，因此一般以污水處理站的形式存在。鄉村污水處理站的污水處理過程主要集中在利用多層生物濾池工藝進行生活污水的處理。鄉村污水處理站的污水處理流程圖如圖1所示。
鄉村污水處理站的處理流程具體為：生活污水先經過化糞池等預處理系統后，進入污水處理站前端的格柵井;在格柵井內安裝有格柵，可將大顆粒污染物進行去除;之后污水因重力作用流進調節池，再通過調節池內泵的提升后進入多層生物濾池;多層生物濾池包括下部的生物濾池和上部的人工濕地，經過生物濾池和人工濕地后的污水被排至出水池中，完成生活污水的處理。
其中，生物濾池的構造為：濾池底部鋪設了由高密度聚乙烯(HDPE)組成的復合人工防滲膜，其上鋪設了1層厚度為40mm、粒徑為2～8cm的火山巖濾料，為微生物提供載體;火山巖濾料上面鋪設了厚度為20～40mm、粒徑為2～5cm的碎石;在碎石上面鋪設1層HDPE組成的復合人工防滲膜后，再鋪設1層30cm厚的土壤，在土壤中種植耐寒水生植物，例如：美人蕉、再力花等，從而形成人工濕地。生物濾池的生物填料介于有機填料與無機填料之間，易于培養豐富的微生物種群。
進入生物濾池中的污水首先被生物填料截留和吸附，然后利用布水布氣系統和生物填料優良的水動力學特性、物理化學特性，為填料中的特異微生物提供厭氧、兼氧(缺氧)、好氧的環境，使不同的微生物種群均能高效地生長、代謝，并且生物濾池間歇式的運行方式可以使微生物的增長速率與衰減速率達到動態平衡，從而實現在生物濾池運行時無需再額外設置排泥設施的效果。在生物濾池階段，流入其中的生活污水的污染物去除率可達到80%～90%。
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經生物濾池處理后的污水流進中間水池，然后通過中間水池內的泵的提升污水進入人工濕地。人工濕地處理污水的過程是利用物理方法、化學方法及生物方法的協同作用完成污水的凈化。人工濕地通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解機理對污水進行進一步的深度處理，在此階段時，流入其中的污水可在之前潔凈度的基礎上再去除80%～90%的污染物[7]。污水流入人工濕地后，植物的根系可對污水中大量懸浮固體、不溶性有機物進行截流，對部分有機物進行吸收;而微生物的代謝過程能對可溶解性有機物進行降解[7]。通過人工濕地中植物根系的好氧、兼氧(缺氧)、厭氧環境的改變，可使污水中的氨、氮元素在進行硝化和反硝化反應后被去除;氨、氮元素也可以通過被植物根系吸附、過濾，沉淀后被植物及微生物作為營養吸收，從而得以去除;氨、氮元素還可以與生物濾池填料中含鈣的物質發生反應，生成磷酸鈣沉淀物后隨水體外排。另外，人工濕地對大腸桿菌有較強的殺滅作用[6]。
2.2光伏發電技術和物聯網技術的引入
本設計以武漢市部分生活污水及武漢市周邊鄉村的生活污水為污水源的鄉村污水處理站為例。設計人口為300人，人均用水量定額取120L/d;污水收集率取0.8;則可計算得到該鄉村污水處理站的污水處理規模為28.8t/d，取整數為30t/d;出水水質需達到GB18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級B的排放標準。將光伏發電技術及物聯網技術應用于該鄉村污水處理站。
2.2.1光伏發電技術的引入
將光伏發電技術引入鄉村污水處理站，該光伏發電系統主要由光伏組件、控制器、蓄電池及逆變器組成。光伏組件將光能轉換成電能，是光伏發電系統的核心部件;蓄電池用于儲存電能;控制器主要用于在設備啟動時將蓄電池中的電能分配到各個用電設備[4];逆變器可將直流電轉換成交流電。
鄉村污水處理站中的耗電設備主要有泵和鼓風機，其中：泵用于調節池、中間水池中污水的提升;鼓風機用于多層生物濾池的通氣[9]。本設計中共安裝了4臺泵，調節池與中間水池各安裝2臺，均為1臺使用、1臺備用，單臺泵的耗電功率為0.75kW;共安裝2臺鼓風機，1臺使用、1臺備用，單臺鼓風機的耗電功率為1.5kW。鄉村污水處理站的總裝機功率為6kW，若泵與鼓風機24h連續運行，則1天的用電量為144kWh。
根據鄉村污水處理站中耗電設備的總耗電功率可計算得到所需光伏發電系統的裝機容量。本設計中光伏發電系統的總裝機容量為45kW，采用130塊單晶硅光伏組件，1天的發電量為210kWh，向耗電設備供電后的余電存入蓄電池。本設計共采用54塊蓄電池和1臺綜合了逆變器和控制器功能的逆控一體機[10]，當由于天氣原因導致光伏發電系統所發電力不足以供給耗電設備的用電量時，會由蓄電池和電網輔助供電，以保障鄉村污水處理站的正常運轉。
2.2.2物聯網技術的引入
目前困擾鄉村污水處理項目健康有序推進的問題包括適宜的污水處理技術的開發和應用，以及長效管理體系的構建。多層生物濾池工藝較好解決了鄉村生活污水的處理問題，并通過工程實踐不斷得到改進和完善。圍繞可進一步提高運行和管理水平的長效管理體系的構建問題，依托多層生物濾池工藝的優勢和物聯網技術，開發了可實現將分散的鄉村污水處理站集中處理和移動終端監控管理服務的物聯網管理系統，達到從簡單的、分散的粗放式管理到區域集中管理和移動終端監控的飛躍[11]。
物聯網管理系統由鄉村污水處理站信息采集傳輸及控制指令接收執行模塊、移動通信網絡、區域集中監控管理工作站及移動終端監控管理軟件組成。該系統可實現以下功能：1)鄉村污水處理站運行狀態和參數的現場采集和傳輸;2)利用移動通信網絡實現數據的無線通信傳輸;3)對區域內的鄉村污水處理站進行集中監控管理;4)可通過移動終端對鄉村污水處理站的運行狀態進行監控。
物聯網管理系統的功能實現示意圖如圖2所示。由圖2可知，通過移動通信網絡將采集到的各鄉村污水處理站的信息傳送到區域集中監控管理工作站服務器的數據庫，進行數據存儲，工作人員通過在手機上安裝移動終端監控管理軟件，可實時監控各鄉村污水處理站的情況。
物聯網管理系統在線監控技術的實現方式如圖3所示。各污染源監測站采用4G網絡，通過污水監測中心服務器將信息傳輸到污水監測中心站，工作人員可通過手機實現對鄉村污水處理站的運行管理、日報及預報的控制。
鄉村污水處理站采用8h專人管理工作制(定額1人)，配備1臺機動現場服務車，并有1名專業的維修養護人員。當鄉村污水處理站出現運行故障時，可根據現場情況的緊急程度，采取直接派遣專業人員到現場處置故障的方式;或采取先利用物聯網管理系統先發送強制停止指令，再派遣專業人員到現場進行故障診斷再排除的方式。
8h工作時間以外的時間，由專門的工作人員通過手機上的移動終端監控管理軟件訪問區域集中監控管理工作站服務器的數據庫，以獲取鄉村污水處理站的運行狀態和信息。若鄉村污水處理站出現故障，工作人員的手機將自動接收到報警信息，此時工作人員可通過區域集中監控管理工作站服務器的數據庫進一步查明故障詳情，并做出是否發出強制停止指令或等待工作時間再安排工作人員進行現場處理的決策。
2.3成本
將安裝光伏發電系統和物聯網管理系統的費用進行折算，則鄉村污水處理站凈化1t污水的成本將增加1000～2000元。但光伏發電系統的使用壽命將近25年，在其運行期間可為鄉村污水處理站的設備供電，可基本實現零電費。
3結論
結合我國鄉村生活污水處理具有分散、不易集中收集處理、維護管理不便、設備耗電量高等特點，本文提出了將光伏發電技術和物聯網技術應用于鄉村污水處理站中，既實現了將分散的鄉村污水處理站集中處理和移動終端監控管理，又實現了零電耗。雖然安裝光伏發電系統和物聯網管理系統使污水處理站1t污水的處理成本增加了1000～2000元，但鄉村污水處理站在降低能耗的同時實現了遠程實時監控管理，是一種可實現鄉村污水處理站低能耗、維護管理便捷且具有推廣性的鄉村生活污水處理技術。——論文作者：思顯佩