光伏驅(qū)動一體式分散型農(nóng)村污水生物處理及其自動化控制研究

【摘要】：分散型污水生物處理系統(tǒng)的電耗是運行費用的主要支出之一。在我國一些偏遠(yuǎn)地區(qū)特別是農(nóng)村地區(qū)，多采用布局靈活的分散型污水處理系統(tǒng)，但政府投資興建的污水處理設(shè)施由于缺乏資金而無法正常運行。太陽能被認(rèn)為是最具前途的新能源之一。分散型農(nóng)村污水排放方式為間歇排放，生物膜法具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，結(jié)合分段進(jìn)水工藝可以根據(jù)污水的排放規(guī)律靈活的調(diào)整進(jìn)水流量，因此本論文以太陽能為農(nóng)村分散污水處理的動力能源，建立了光伏驅(qū)動一體式分段進(jìn)水生物膜反應(yīng)器來研究分散型農(nóng)村污水生物處理，降低污水處理系統(tǒng)的運行成本，為分散型農(nóng)村污水處理提供技術(shù)支持。 本論文通過對太陽能資源的調(diào)研和監(jiān)測，依據(jù)污水處理反應(yīng)器負(fù)載能耗大小，設(shè)計計算得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的總?cè)萘?。為了充分利用太陽能資源，建立了高、中、低能耗以及夜間4種不同能耗等級的污水處理運行模式，同時引入了PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)自動控制系統(tǒng)，以蓄電池的電壓為輸入變量，根據(jù)蓄電池電壓值來自動選擇相應(yīng)能耗等級的運行模式。通過不同進(jìn)水負(fù)荷、C/N、溫度和填料對反應(yīng)器污水處理效果的影響來優(yōu)化反應(yīng)器的運行條件，并考察了不同能耗等級和自控運行下的污水處理效果，獲得主要結(jié)果如下： （1）對太陽能輻射強(qiáng)度的周期變化進(jìn)行了調(diào)研和實地監(jiān)測，結(jié)果顯示：北京地區(qū)太陽輻射量全年平均為4686MJ/m2～5690MJ/m2,年平均日照時數(shù)在2000～2800h之間。反應(yīng)器負(fù)載最大功率為420W，通過計算最終確定了光伏組件的容量為：太陽能電池板串聯(lián)數(shù)為2，并聯(lián)數(shù)為4，考慮到充電余量，選取選用10塊太陽能電池板，總功率大小為1350W，容量大小為100Ah。 （2）PLC自動化控制系統(tǒng)通過蓄電池電壓的變化，實現(xiàn)光伏電力的自動化控制與分配。當(dāng)蓄電池電壓23V≤U＜24V時，運行低能耗等級A/O工藝，當(dāng)蓄電池組電壓值24V≤U＜25V時，運行中能耗兩段式分段進(jìn)水工藝，當(dāng)蓄電池組電壓值U≥25V時，運行高能耗三段式分段進(jìn)水工藝，當(dāng)蓄電池組電壓值22.5V≤U＜23V時，系統(tǒng)將開啟夜間過渡模式。 （3）研究了不同流量分配、C/N和溫度對污水處理效果的影響，其主要結(jié)果是，流量分配為5.25L/h、3.25L/h和1.25L/h時負(fù)荷分配均勻，CODCr、NH3-N和TN的去除率分別為92.5%、68.68%和59.8%。C/N低于3.5時不利于脫氮，水溫低于14℃時，硝化過程受抑制，影響脫氮效果。 （4）高能耗運行模式下的污水處理效果明顯優(yōu)于中能耗和低能耗，中能耗和低能耗運行模式下的污水處理效果相近。夜間模式只作為太陽輻射強(qiáng)度弱時的過渡，暫不考慮其運行效果。自控干預(yù)下運行初期30d內(nèi)， CODCr的去除率達(dá)到90%，出水濃度在25～40mg/L之間，NH3-N和TN的去除率分別為16%和22%；運行30d后，NH3-N和TN的去除率上升到81%和78%，CODCr去除率達(dá)90%以上。 （5）對不同填料掛膜的初步探討，空心球填料、彈性立體纖維填料和軟性填料對CODCr的去除效果都很高，出水濃度都在20mg/L左右。軟性填料和空心球填料的出水氨氮未檢出，前期由于軟性填料的接種容易附著吸附，總氮去除效果優(yōu)于其他兩種，而后期，由于空心球填料擁有較大的比表面積，能夠為微生物提供了更大的棲息和附著空間，使得微生物大量的附著生長，去除效果逐漸穩(wěn)定升高。 通過本論文的研究，在自動化控制系統(tǒng)下，太陽能驅(qū)動一體式分段進(jìn)水生物膜反應(yīng)器能夠有效地結(jié)合太陽輻射強(qiáng)度的變化，自動選擇相應(yīng)能耗等級的污水處理模式，可使污水CODCr去除率達(dá)90%以上，NH3-N和TN的去除率分別為81%和78%。獨立型光伏系統(tǒng)可完全脫離市政電網(wǎng)，解決了污水處理后期運行中電耗成本高的問題，為分散型農(nóng)村污水提供技術(shù)支持。 【關(guān)鍵詞】：分散型農(nóng)村污水 太陽能 自動化控制 分段進(jìn)水 生物膜反應(yīng)器 光伏發(fā)電
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X703
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目錄10-12
• 1 緒論12-20
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 污水處理能耗13-14
• 1.2.2 太陽能光伏發(fā)電14-15
• 1.2.3 太陽能光伏發(fā)電在污水處理中的應(yīng)用15-16
• 1.2.4 農(nóng)村污水生物處理工藝的研究16-18
• 1.3 研究目的，內(nèi)容以及創(chuàng)新點18-20
• 1.3.1 課題來源18
• 1.3.2 研究目的18
• 1.3.3 研究內(nèi)容18-19
• 1.3.4 創(chuàng)新點19-20
• 2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與計算20-27
• 2.1 中國地區(qū)太陽能資源分布特征20-22
• 2.2 北京地區(qū)太陽能輻射特征22
• 2.3 太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計計算22-27
• 2.3.1 光伏電池板串聯(lián)數(shù)計算24-25
• 2.3.2 光伏電池板并聯(lián)數(shù)計算25
• 2.3.3 蓄電池容量計算25-27
• 3 污水處理反應(yīng)器及運行模式的設(shè)計27-32
• 3.1 污水處理反應(yīng)器的構(gòu)造及其特點27-29
• 3.2 反應(yīng)器運行模式的設(shè)計29-32
• 3.2.1 低能耗運行模式30
• 3.2.2 中能耗運行模式30-31
• 3.2.3 高能耗運行模式31
• 3.2.4 夜間模式31-32
• 4 光伏電力自動化分配與控制系統(tǒng)設(shè)計32-41
• 4.1 自控系統(tǒng)功能與要求32
• 4.2 自動化控制參數(shù)選擇分析32-34
• 4.2.1 太陽輻射強(qiáng)度為控制參數(shù)32
• 4.2.2 光伏電池板輸出功率為控制參數(shù)32-33
• 4.2.3 蓄電池剩余容量為控制參數(shù)33-34
• 4.2.4 蓄電池實時電壓為控制參數(shù)34
• 4.3 自動化控制程序及其監(jiān)控界面展示34-41
• 4.3.1 自動化控制原理34-35
• 4.3.2 自控中心操作界面及監(jiān)控界面展示35-41
• 5 太陽能驅(qū)動一體式分段進(jìn)水生物膜反應(yīng)器污水處理效果研究41-55
• 5.1 實驗內(nèi)容與方法41-43
• 5.1.1 不同進(jìn)水流量比對污染物去除效果分析41
• 5.1.2 不同水溫對對污染物的去除效果41
• 5.1.3 不同能耗等級模式下污染物去除效果41
• 5.1.4 自動化控制下反應(yīng)器運行效果41-42
• 5.1.5 不同填料掛膜比較42-43
• 5.2 分析項目與測定方法43
• 5.3 實驗條件43-44
• 5.4 實驗結(jié)果與分析44-55
• 5.4.1 進(jìn)水流量為 8.25L/h，6.25L/h，4.25L/h 時運行效果44-45
• 5.4.2 進(jìn)水流量為 5.25L/h，3.25L/h，1.25L/h 時運行效果45-48
• 5.4.3 不同水溫下運行效果48-49
• 5.4.4 不同能耗模式下運行效果49-52
• 5.4.5 自動化控制下運行效果52-53
• 5.4.6 不同填料掛膜實驗53-55
• 6 結(jié)論與展望55-56
• 6.1 結(jié)論55
• 6.2 展望55-56
• 致謝56-57
• 參考文獻(xiàn)57-62
• 攻讀碩士學(xué)位期間公開發(fā)表的論文62-63

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