光伏驱动一体式分散型农村污水生物处理及其自动化控制研究

【摘要】：分散型污水生物处理系统的电耗是运行费用的主要支出之一。在我国一些偏远地区特别是农村地区，多采用布局灵活的分散型污水处理系统，但政府投资兴建的污水处理设施由于缺乏资金而无法正常运行。太阳能被认为是最具前途的新能源之一。分散型农村污水排放方式为间歇排放，生物膜法具有较强的抗冲击能力，结合分段进水工艺可以根据污水的排放规律灵活的调整进水流量，因此本论文以太阳能为农村分散污水处理的动力能源，建立了光伏驱动一体式分段进水生物膜反应器来研究分散型农村污水生物处理，降低污水处理系统的运行成本，为分散型农村污水处理提供技术支持。 本论文通过对太阳能资源的调研和监测，依据污水处理反应器负载能耗大小，设计计算得到光伏发电系统的总容量。为了充分利用太阳能资源，建立了高、中、低能耗以及夜间4种不同能耗等级的污水处理运行模式，同时引入了PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)自动控制系统，以蓄电池的电压为输入变量，根据蓄电池电压值来自动选择相应能耗等级的运行模式。通过不同进水负荷、C/N、温度和填料对反应器污水处理效果的影响来优化反应器的运行条件，并考察了不同能耗等级和自控运行下的污水处理效果，获得主要结果如下： （1）对太阳能辐射强度的周期变化进行了调研和实地监测，结果显示：北京地区太阳辐射量全年平均为4686MJ/m2～5690MJ/m2,年平均日照时数在2000～2800h之间。反应器负载最大功率为420W，通过计算最终确定了光伏组件的容量为：太阳能电池板串联数为2，并联数为4，考虑到充电余量，选取选用10块太阳能电池板，总功率大小为1350W，容量大小为100Ah。 （2）PLC自动化控制系统通过蓄电池电压的变化，实现光伏电力的自动化控制与分配。当蓄电池电压23V≤U＜24V时，运行低能耗等级A/O工艺，当蓄电池组电压值24V≤U＜25V时，运行中能耗两段式分段进水工艺，当蓄电池组电压值U≥25V时，运行高能耗三段式分段进水工艺，当蓄电池组电压值22.5V≤U＜23V时，系统将开启夜间过渡模式。 （3）研究了不同流量分配、C/N和温度对污水处理效果的影响，其主要结果是，流量分配为5.25L/h、3.25L/h和1.25L/h时负荷分配均匀，CODCr、NH3-N和TN的去除率分别为92.5%、68.68%和59.8%。C/N低于3.5时不利于脱氮，水温低于14℃时，硝化过程受抑制，影响脱氮效果。 （4）高能耗运行模式下的污水处理效果明显优于中能耗和低能耗，中能耗和低能耗运行模式下的污水处理效果相近。夜间模式只作为太阳辐射强度弱时的过渡，暂不考虑其运行效果。自控干预下运行初期30d内， CODCr的去除率达到90%，出水浓度在25～40mg/L之间，NH3-N和TN的去除率分别为16%和22%；运行30d后，NH3-N和TN的去除率上升到81%和78%，CODCr去除率达90%以上。 （5）对不同填料挂膜的初步探讨，空心球填料、弹性立体纤维填料和软性填料对CODCr的去除效果都很高，出水浓度都在20mg/L左右。软性填料和空心球填料的出水氨氮未检出，前期由于软性填料的接种容易附着吸附，总氮去除效果优于其他两种，而后期，由于空心球填料拥有较大的比表面积，能够为微生物提供了更大的栖息和附着空间，使得微生物大量的附着生长，去除效果逐渐稳定升高。 通过本论文的研究，在自动化控制系统下，太阳能驱动一体式分段进水生物膜反应器能够有效地结合太阳辐射强度的变化，自动选择相应能耗等级的污水处理模式，可使污水CODCr去除率达90%以上，NH3-N和TN的去除率分别为81%和78%。独立型光伏系统可完全脱离市政电网，解决了污水处理后期运行中电耗成本高的问题，为分散型农村污水提供技术支持。 【关键词】：分散型农村污水 太阳能 自动化控制 分段进水 生物膜反应器 光伏发电
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目录10-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外相关研究现状13-18
• 1.2.1 污水处理能耗13-14
• 1.2.2 太阳能光伏发电14-15
• 1.2.3 太阳能光伏发电在污水处理中的应用15-16
• 1.2.4 农村污水生物处理工艺的研究16-18
• 1.3 研究目的，内容以及创新点18-20
• 1.3.1 课题来源18
• 1.3.2 研究目的18
• 1.3.3 研究内容18-19
• 1.3.4 创新点19-20
• 2 太阳能光伏发电系统的设计与计算20-27
• 2.1 中国地区太阳能资源分布特征20-22
• 2.2 北京地区太阳能辐射特征22
• 2.3 太阳能光伏系统设计计算22-27
• 2.3.1 光伏电池板串联数计算24-25
• 2.3.2 光伏电池板并联数计算25
• 2.3.3 蓄电池容量计算25-27
• 3 污水处理反应器及运行模式的设计27-32
• 3.1 污水处理反应器的构造及其特点27-29
• 3.2 反应器运行模式的设计29-32
• 3.2.1 低能耗运行模式30
• 3.2.2 中能耗运行模式30-31
• 3.2.3 高能耗运行模式31
• 3.2.4 夜间模式31-32
• 4 光伏电力自动化分配与控制系统设计32-41
• 4.1 自控系统功能与要求32
• 4.2 自动化控制参数选择分析32-34
• 4.2.1 太阳辐射强度为控制参数32
• 4.2.2 光伏电池板输出功率为控制参数32-33
• 4.2.3 蓄电池剩余容量为控制参数33-34
• 4.2.4 蓄电池实时电压为控制参数34
• 4.3 自动化控制程序及其监控界面展示34-41
• 4.3.1 自动化控制原理34-35
• 4.3.2 自控中心操作界面及监控界面展示35-41
• 5 太阳能驱动一体式分段进水生物膜反应器污水处理效果研究41-55
• 5.1 实验内容与方法41-43
• 5.1.1 不同进水流量比对污染物去除效果分析41
• 5.1.2 不同水温对对污染物的去除效果41
• 5.1.3 不同能耗等级模式下污染物去除效果41
• 5.1.4 自动化控制下反应器运行效果41-42
• 5.1.5 不同填料挂膜比较42-43
• 5.2 分析项目与测定方法43
• 5.3 实验条件43-44
• 5.4 实验结果与分析44-55
• 5.4.1 进水流量为 8.25L/h，6.25L/h，4.25L/h 时运行效果44-45
• 5.4.2 进水流量为 5.25L/h，3.25L/h，1.25L/h 时运行效果45-48
• 5.4.3 不同水温下运行效果48-49
• 5.4.4 不同能耗模式下运行效果49-52
• 5.4.5 自动化控制下运行效果52-53
• 5.4.6 不同填料挂膜实验53-55
• 6 结论与展望55-56
• 6.1 结论55
• 6.2 展望55-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-62
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文62-63

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