根據(jù)中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部2014年提出的《污染防治行動計劃》，我國部分地區(qū)出水執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)已由污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的1級A標(biāo)準(zhǔn)提升到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，然而目前僅30%左右的污水廠出水達(dá)到了1級A排放標(biāo)準(zhǔn)，這意味著污水廠的提標(biāo)擴(kuò)建、升級改造勢在必行。

　　而污水處理屬能耗密集型行業(yè)，據(jù)統(tǒng)計分析，污水處理廠單位耗氧污染物削減電耗分布在0.58~3.05kW˙h/m3。我國城市污水產(chǎn)生量巨大，相應(yīng)處理量也在不斷增加，污水處理的能耗不容忽視(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)太陽能作為可再生能源，擁有蘊(yùn)藏量大、分布廣、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，而且太陽能技術(shù)的引進(jìn)不僅可以充分發(fā)揮污水廠容積率較小的優(yōu)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(shù)與城鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目相結(jié)合具有潛在的發(fā)展前景。當(dāng)前，如何因地制宜地使用太陽能已經(jīng)成為未來概念性污水廠的發(fā)展方向之一。

　　1太陽能污水處理技術(shù)

　　1.1污水處理廠光伏發(fā)電

　　城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用A2/O、氧化溝及序批式活性污泥法(sequencingbateactor,SBR)等處理工藝。將光伏電池板安裝于建筑物的屋頂、構(gòu)筑物的池面及各類閑置空間，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)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，這種污水處理系統(tǒng)備受關(guān)注。國內(nèi)目前已經(jīng)有了實(shí)際的案列，如揚(yáng)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(shè)光伏電站，其總裝機(jī)容量達(dá)9.7MW。按照日均發(fā)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。

　　目前，全國不同處理規(guī)模污水廠的投運(yùn)情況總體上均呈現(xiàn)出增長趨勢，尤其是小型污水處理廠(5萬m3/d以下)的投運(yùn)數(shù)量增長最為迅速。若將光伏發(fā)電應(yīng)用于中小型二級污水處理廠中，在節(jié)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(fù)荷主要集中在曝氣系統(tǒng)、泵房及污泥處置等方面，見表1。

　　污水廠設(shè)計用電總負(fù)荷為100kW。以光伏發(fā)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。選用的太陽能電池板性能參數(shù)和設(shè)計結(jié)果詳見表2與表3。

　　根據(jù)污水處理廠實(shí)際情況來進(jìn)行安裝。經(jīng)計算得知，太陽能日均發(fā)電量為896.9kW˙h，而污水處理廠實(shí)際電耗為1320kW˙h，即可滿足約70%以上的用電量。由此可見，太陽能光伏發(fā)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(qiáng)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(tǒng)發(fā)電量隨太陽輻射強(qiáng)度呈線性變化，因此，太陽能運(yùn)用于中小型污水處理廠和凈水廠時，通常采用并網(wǎng)方式且遵循“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的原則。

　　然而，光伏項(xiàng)目的實(shí)施受阻于原池體結(jié)構(gòu)的承載力限制范圍。對于原池體單元的改造，需要考慮的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)改造等。因此，新污水處理設(shè)施及凈水廠在設(shè)計建造時，應(yīng)該統(tǒng)一規(guī)劃其光伏發(fā)電項(xiàng)目，避免池體改造結(jié)構(gòu)上的困難。同時，陰雨天太陽能發(fā)電效率較低時的應(yīng)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(shù)因其基建投資小、處理效果好、布置靈活和運(yùn)行維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)，漸受到人們的重視，尤其適用于污水量較小并分散的農(nóng)村。農(nóng)村地區(qū)太陽能資源豐富，利用太陽能技術(shù)耦合人工濕地系統(tǒng)，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(yuǎn)或電網(wǎng)不發(fā)達(dá)地區(qū)。

　　太陽能濕地技術(shù)主要有兩種應(yīng)用形式：一種是采用太陽能集熱器收集輻射，并在濕地系統(tǒng)內(nèi)敷設(shè)加熱盤管等熱傳導(dǎo)設(shè)施，以溫度控制器調(diào)控濕地系統(tǒng)水溫，確保濕地正常運(yùn)行，并增設(shè)儲熱設(shè)備與反饋系統(tǒng)來調(diào)節(jié)溫度，其工藝流程見圖1。

　　該技術(shù)適用于因溫度降低、水結(jié)冰而導(dǎo)致運(yùn)行效果下降的環(huán)境。相比濕地系統(tǒng)覆蓋物隔離保溫技術(shù)來說，利用太陽能提高溫度技術(shù)具有綠色環(huán)保、管理方便、啟動時間快等優(yōu)勢。另一種是利用太陽能作為驅(qū)動能源，其系統(tǒng)流程見圖2。利用太陽能驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)曝氣，可提高濕地溶解氧利用率，氧化降解有機(jī)物，并有效解決及預(yù)防因有機(jī)物積累導(dǎo)致的堵塞問題。

　　新型的太陽能濕地技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用還較少，僅在西藏及西北地區(qū)有相關(guān)的報道。為了推動該技術(shù)的發(fā)展，今后還需進(jìn)一步提高太陽能光熱、光電效率及儲能技術(shù)、降低太陽能裝置成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益。

　　1.3太陽能反滲透水處理

　　反滲透作為一項(xiàng)先進(jìn)的水處理技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于污水的深度處理、鍋爐補(bǔ)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(yùn)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(shù)是運(yùn)行壓力和進(jìn)水溫度。進(jìn)水溫度通常作為保護(hù)反滲透膜的限制條件，響膜運(yùn)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(shù)是運(yùn)行壓力和進(jìn)水溫度。進(jìn)水溫度通常作為保護(hù)反滲透膜的限制條件，即規(guī)定不超過45℃。因此，在工業(yè)上通?？刂七M(jìn)水溫度在20℃左右。

　　太陽能作為一種環(huán)境友好的綠色能源，與反滲透技術(shù)相結(jié)合，開辟了太陽能應(yīng)用的新方向。早在20世紀(jì)90年代，就有將太陽能與反滲透技術(shù)結(jié)合的相關(guān)研究，即首先將太陽能轉(zhuǎn)換成電能再利用電能驅(qū)動反滲透裝置。

　　這是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)，其發(fā)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(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究并發(fā)現(xiàn)，當(dāng)操作壓力一定時，升高水溫，產(chǎn)水量增加，電導(dǎo)率僅略微下降。

　　NISAN等利用ROSA模型分析了運(yùn)行參數(shù)與進(jìn)水的函數(shù)關(guān)系，從理論上證實(shí)了升高進(jìn)水溫度可降低制水成本。當(dāng)控制壓力保持0.90Mpa時，進(jìn)水溫度從18℃提高到38℃，產(chǎn)水量從6.5L/min增加到8.8L/min，提高了35.5%;、若保證產(chǎn)水量為8.0L/min，提升相同的溫度，可將反滲透運(yùn)行壓力從1.18Mpa降至0.80Mpa，能耗可降低32.2%。因此，在工業(yè)上可利用太陽能將反滲透裝置進(jìn)水溫度提升，來降低能源成本。

　　1.4太陽能殺菌消毒技術(shù)

　　光催化氧化技術(shù)是近年出現(xiàn)的一種水處理新技術(shù)，也逐漸發(fā)展為污水深度處理的一項(xiàng)重要技術(shù)。

　　自1972年日本學(xué)者FUJISHIMA等的研究在《Nature》上發(fā)表后，從此揭開了光催化氧化技術(shù)的序幕。此后，隨著研究進(jìn)一步深入，光催化氧化技術(shù)在降解水中污染物應(yīng)用方面取得了突破性進(jìn)展。相比于傳統(tǒng)的物化方法，光催化氧化技術(shù)在常溫常壓下就可將有機(jī)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(wěn)定性好，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

　　光催化氧化技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理大致為：催化劑TiO2受光源激發(fā)產(chǎn)生光電子和空穴，經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)過程，與水生成強(qiáng)氧化性和高活性的羥基自由基，大多數(shù)有機(jī)物和無機(jī)物能夠直接或間接被其氧化還原。

　　因此，光催化氧化技術(shù)亦可用于除藻和消毒。如自由基HO˙具有很強(qiáng)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(zhì)合成中斷，最終導(dǎo)致藻類死亡。趙海霞等進(jìn)行了太陽能-TiO2光催化氧化的殺藻實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，太陽能中的紫外光可激發(fā)納米TiO2產(chǎn)生HO˙，光催化8h后，殺藻率達(dá)最大。

　　而同時產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性物質(zhì)可與細(xì)胞壁、細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)的組分反應(yīng)，破壞有機(jī)物中的C—H、N—H、C=O鍵等，從而殺死病原體，達(dá)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(tǒng)的消毒方式，太陽能光催化技術(shù)具有殺菌速度快、效率高，且不產(chǎn)生有害的消毒副產(chǎn)物的優(yōu)點(diǎn)，同時也解決紫外線消毒后出水存在的微生物光復(fù)活問題。

　　2太陽能污泥處置

　　隨著大量污水處理廠投入運(yùn)行，所產(chǎn)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(diǎn)。在污泥的減量化處置中，首先需要進(jìn)行污泥脫水，而機(jī)械脫水的極限是50%~60%，則需要進(jìn)一步污泥干化。相比于傳統(tǒng)熱能污泥干化，太陽能干化有低溫干化、運(yùn)行費(fèi)用低廉、操作簡單、運(yùn)行安全穩(wěn)定、干化后污泥仍保留原有農(nóng)用價值等優(yōu)點(diǎn)。

　　2.1太陽能溫室干化

　　對于日照時間長、太陽輻射強(qiáng)的地區(qū)，可直接采用純太陽能干化。然而對于地理?xiàng)l件不理想的地區(qū)，直接利用會導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的，其核心部件是污泥翻滾機(jī)。經(jīng)過機(jī)械脫水后的污泥放料于儲存?zhèn)}中，由翻泥機(jī)平鋪于暖房內(nèi)的網(wǎng)孔地板上，通過太陽能加熱暖房內(nèi)的空氣和污泥，并由鼓風(fēng)機(jī)將干燥空氣吹射到污泥層上，帶走污泥中的水分。

　　在冬季，為防止出現(xiàn)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(shù)加熱地板，使得干化的效率大大提高。工程案例(HuberSRT)證實(shí)機(jī)械脫水之后的污泥(含水率為75%)，經(jīng)過該干化系統(tǒng)(SHP系統(tǒng))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(shè)備是相同的。

　　相對于傳統(tǒng)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0.63kg/m2˙h，而污泥在小型槳葉式污泥干化機(jī)內(nèi)的干化速率最高達(dá)到0.6kg/(m2˙min)，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(tǒng)、主被動結(jié)合干化等方式來提高干化速率。并增加風(fēng)力及光伏發(fā)電來滿足干化風(fēng)機(jī)等用電，進(jìn)一步降低成本。

　　2.2厭氧消化

　　城鎮(zhèn)污泥的厭氧處置技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，而且應(yīng)用越來越廣泛。該項(xiàng)技術(shù)尤其適用于溫暖地區(qū)。相比傳統(tǒng)的好氧處置，該技術(shù)具有投資與運(yùn)營成本較低、產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn)。但由于厭氧處置的去除率受溫度影響較大，如果將該技術(shù)運(yùn)用到溫度較低的寒冷地區(qū)，為保證其使用效果，需加大能源的消耗，并增加相應(yīng)的管理成本。因此，為了降低能耗和管理成本，將太陽能應(yīng)用于厭氧消化就具有可觀的發(fā)展前景。

　　國外相關(guān)學(xué)者設(shè)計了用于污水生物處理的太陽能保溫厭氧反應(yīng)器，該反應(yīng)器主要是利用平板集熱器加熱儲熱罐中的循環(huán)水，通過熱交換器維持雙層隔離厭氧生物池的內(nèi)部溫度。該反應(yīng)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(dá)到80%以上。近年來，國內(nèi)研究人員也對厭氧消化過程中的太陽能應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了探索，并取得了較大的成果。因該項(xiàng)技術(shù)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(jīng)濟(jì)效益

　　3.1污水廠能耗分析

　　在國內(nèi)，各區(qū)域城鎮(zhèn)污水處理單位能耗總體上隨規(guī)模的增加而減少，污水處理的深度不同，能耗差異較大，國內(nèi)不同規(guī)模的污水處理廠能耗的比較結(jié)果如表4所示。中國污水處理發(fā)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(biāo)改造工程的落實(shí)及排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格執(zhí)行，污水廠的電能消耗將進(jìn)一步增大。將太陽能運(yùn)用于城鎮(zhèn)污水處理廠中，對降低能耗有著重要的意義。比如光伏發(fā)電可滿足大型污水廠用電量的30%~40%，中小型可達(dá)70%以上。對于城鎮(zhèn)污水處理廠中能耗占比較大的污泥來說，太陽能干化可節(jié)約相當(dāng)大一部分電能。具體電能消耗情況詳見表5。

　　相比于傳統(tǒng)的熱干化設(shè)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(jīng)濟(jì)效益

　　與國外相比，污水處理廠基建費(fèi)與人工費(fèi)大于能源費(fèi)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(yīng)用于污水處理項(xiàng)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(wǎng)更能獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。由國家發(fā)改委價格司和國家能源局審核，確定2016年光伏發(fā)電上網(wǎng)標(biāo)桿電價如表6所示。

　　根據(jù)相關(guān)補(bǔ)助政策，國家實(shí)行按照發(fā)電量進(jìn)行電價補(bǔ)貼的政策，電價貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42元/kW˙h。對于污水處理廠項(xiàng)目而言，其特點(diǎn)是投資大、回收期長。國家補(bǔ)貼以及上網(wǎng)電價回報可有效降低投資回收期，獲得較佳的經(jīng)濟(jì)收益。

　　4結(jié)論

　　本文通過對實(shí)際污水廠光伏發(fā)電進(jìn)行模擬分析，并且參照正在運(yùn)行中相關(guān)示范項(xiàng)目的發(fā)電量與用電量均衡詳情，闡明了太陽能應(yīng)用于城鎮(zhèn)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(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益。此外，光伏發(fā)電在自來水廠中的應(yīng)用可基本實(shí)現(xiàn)能源供給與消耗的平衡，為未來自來水廠建設(shè)能源供給方面提供寶貴的案例經(jīng)驗(yàn)。與此同時，對于污水處理廠中其它環(huán)節(jié)如污泥處置和殺菌消毒等方面，太陽能技術(shù)的引進(jìn)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(fā)展中，建議將光伏發(fā)電項(xiàng)目并入污水處理廠建設(shè)項(xiàng)目一起統(tǒng)籌規(guī)劃，避免污水廠后期改造存在的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題?？偠灾?，太陽能在污水處理廠中的運(yùn)行模式是一種可同步實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、低碳排放與經(jīng)濟(jì)收益的有效模式。