专利名称：一种利用太阳能驱动的污水生物处理系统及其操作方法
技术领域：
本发明属于利用太阳能和生物技术处理污水的技术领域，特别涉及一种利用太阳
能驱动的污水生物处理系统及其操作方法。
背景技术：
污水处理是能源密集型的综合技术，特别是污水生物处理系统的曝气过程，其电 耗将占污水处理全流程电耗的70%左右。高电耗一方面造成了污水处理设施运行成本高； 另一方面，高电耗也加重了我国现阶段的能源危机。低能耗污水生物处理工艺的开发一直 是人们关注的热点之一。如果能够开发自然能作为污水处理系统的驱动能源，可以减少对 常规电能的需求。 太阳能是国内外公认的有可能成为优先开发利用的新能源之一。在各国政府的大 力支持下，光伏产业发展迅速，在过去的10年里，太阳电池及组件生产的年平均复合增长 率达到41. 8% 。中国的光伏产业在过去的8年里的平均年增长率是49. 5，其中2007年的增 长率为56. 2。中国已经成为世界上最大的太阳能电池生产国，占有世界总产量的26. 6%。 根据中国太阳能协会的报告，2007年中国的太阳能电池产量为1180丽。常规的太阳能发电 系统由太阳能电池板、蓄电池组、太阳能充电控制器和逆变器四部分组成，其中蓄电池的使 用寿命短，需定期更换，是太阳能发电系统成本高的主要原因之一。 目前为止，太阳能用于污水处理领域的例子很少，主要是直接利用太阳光照射的 光催化氧化处理污水技术和利用太阳光照射污泥脱水等。例如公开号为CN101190805的 中国专利公开了一种利用太阳光照射蒸发水蒸汽，然后冷却水蒸汽使被污染的废水净化再 生。而直接利用太阳能发电驱动的污水处理系统未见报道。
发明内容
本发明的目的之一是为污水生物处理反应器运行探索新的能源；将污水生物处理 与太阳能发电系统结合，形成一种利用太阳能驱动的污水生物处理系统，为减少污水处理 工艺对常规电能的消耗提供一条有效的途径。
本发明的另一 目的是提供上述污水生物处理系统的操作方法。 本发明的利用太阳能驱动的污水生物处理系统由发电单元、电力分配与自动控制
单元和污水生物处理单元组合构成；所述发电单元将太阳能转变为电能，并以交流电的形
式输出；所述电力分配与自动控制单元安装在太阳能光伏发电单元的太阳能电池板和逆变
器之间，以控制和稳定太阳能光伏发电单元的电量输出，根据太阳能辐射强度信号控制太
阳能光伏系统对污水生物处理单元的多个功能设备输出电力与否，以保证其稳定运行；所
述污水生物处理单元根据太阳能光伏发电单元输出电量的变化，周期性实现生物反应器中
厌氧、缺氧和好氧过程的交替，有效去除污水中的有机物、氮和磷等污染物。 所述的发电单元由太阳能电池板和逆变器组成。太阳能电池板和逆变器中间用传
输线连接，太阳能电池板将太阳能转变为电能，通过逆变器以交流电的形式输出。所用的太阳能电池板可以是任意一种太阳能电池板，包括晶体硅太阳能电池板、薄膜硅太阳能电池
板、CIGS太阳能电池板、碲化镉太阳能电池板、聚光砷化镓太阳能电池板等。 所述的电力分配与自动控制单元安装在太阳能光伏发电单元的太阳能电池板和
逆变器之间，以控制和稳定太阳能光伏发电单元的电量输出。 所述电力分配与设备控制单元可由太阳能辐射强度计、数据采集卡、单片机、继电 器以及单片机内部的自动控制程序组成，封装为一个单独设备，通过上述设备控制分配太 阳能光伏电池所产生的电能为整套污水处理设备供电。 所述的污水生物处理单元包括进水管、生物反应区、出水管、污水泵和曝气与搅拌 设备。 所述的太阳能光伏发电单元产生的电流由电力分配与自动控制单元控制和分配， 并经由逆变器将电流输入到电源输出线末端的n个插座上，插座的个数与所述污水生物处 理单元内的污水泵和曝气与搅拌设备的个数相匹配，所述污水生物处理单元中的污水泵与 所述n个插座中的第1个插座相接，多级曝气设备和搅拌器等功能设备与第2至第n个插 座相接；其中n的范围为n > 2， 一般为2_10。 所述的电力分配与自动控制单元中有设定的软件程序，所述程序首先对太阳能辐 射强度和太阳能光伏电池板输出电压进行自动监测与分析，辐射强度和电压达不到第一设 定值则电路系统不启动；当太阳能辐射强度和太阳能光伏电池板输出电压达到第一设定值 时，随着太阳能辐射强度的增加，电力分配与自动控制单元将电力依次分配给第1个插座 至第n个插座，即第l至第n个插座相继通电；当太阳能辐射强度减弱并达到第二设定数值 时，从第n个插座开始依次断电，直至太阳能辐射低于第一设定值第1个插座断电，至此全 部插座断电。 —种上述处理系统的操作方法，即污水生物处理单元的运行所需要的电能由太阳 能发电单元提供，太阳能光伏发电单元产生的电流由电力分配与自动控制单元控制和分配 到电源输出线末端的n个插座上，所述的电力分配与自动控制单元中有设定的软件程序， 所述程序首先对太阳能辐射强度和太阳能光伏电池板输出电压进行自动监测与分析，辐射 强度和电压达不到第一设定值则电路系统不启动，此时污水生物处理单元静置；当太阳能 辐射强度和太阳能光伏电池板输出电压达到第一设定值时，随着太阳能辐射强度的增加， 电力分配与自动控制单元将电力依次分配给第1个插座至第n个插座，即第1至第n个插 座相继通电；与此相对应，污水生物处理单元的污水泵与上述第一个插座相接，多级曝气设 备和搅拌器等功能设备与第二至第n个插座相接；在第一个插座通电后，污水泵启动，污水 生物处理反应器开始进水，之后，随着各插座的相继通电，开始曝气和搅拌，生物反应器内 为好氧状态，完成降解有机物、硝化和吸磷，处理出水由出水管排放；当太阳能辐射强度减 弱并达到第二设定数值时，从第n个插座开始依次断电，直至太阳能辐射低于第一设定值 第1个插座断电，至此全部插座断电；与此对应的污水生物处理单元内各功能设备的逆序 关闭，随后生物反应器进入缺氧和厌氧状态，发生反硝化和磷的释放；每天随着太阳能电力 的供给与停止，污水生物处理反应器内实现好氧、缺氧和厌氧过程的周期交替，分别进行污 水中氮、磷和有机污染物的去除；其中所述的n的范围为n > 2。 一般范围为2_10。本发明 将太阳能发电与污水生物处理技术有效结合，将新能源用于污水处理，更有利于环境保护。 并且根据太阳朝升夕落周期规律，系统内合理安排污水生物处理过程，当早晨太阳升起时，随着太阳能辐射强度的增强，首先电路接通系统中污水生物处理单元的进水泵，进水泵工 作，污水生物处理反应器开始进水，随后随着太阳能辐射强度的继续增强，电路在电力分配 与自动控制单元的控制和分配下依次接通多级曝气设备和搅拌器。曝气设备和搅拌器接通 后，开始曝气和搅拌，污水生物处理单元中的生物反应区此时为好氧状态，在此过程中，完 成降解有机物、硝化和吸磷，处理后的出水由出水管排放。傍晚，随着太阳能辐射强度的减 弱，程序控制各功能设备的关闭顺序为逆序，随后生物反应区进入缺氧和厌氧状态，发生反 硝化和磷的释放。每天随着太阳能电力的供给与停止，生物反应区内实现好氧、缺氧和厌氧 过程的交替，可有效去除污水中氮、磷和有机污染物，同时还可以省去为太阳能发电配备蓄 电池，有效实现能源利用和节约，更可以降低成本。
有益效果 本发明的优点(l)利用太阳能代替常规电能驱动污水生物处理反应器，节省了 污水处理反应器对常规电能的消耗；(2)根据分散型污水昼夜排放量差异大的特点和污水 处理的生物脱氮除磷过程中厌氧、缺氧和好氧反应对氧的需求差异，与太阳能的变化规律 相结合，舍弃了常规太阳能系统中的蓄电池，在一定程度上降低了成本，减少蓄电池可能造 成环境污染；(3)自动控制器通过软件控制可以实现电能的稳定输出，保障污水生物处理 反应器的稳定运行，简化了操作。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的利用太阳能驱动的污水生物处理系统示意图； 图2为本发明的利用太阳能驱动的污水生物处理系统中的太阳能光伏发电单元 和电力分配与自动控制单元程序设计图； 图3为本发明的利用太阳能驱动的污水生物处理系统中的污水生物处理反应器 示意图。 附图标记
1. 3. 5. 7. 9. 11
太阳能光伏电池板
逆变器
电源插座
生物反应区
污水泵
.污水生物处理反应器
2.电力分配与自动控制器 4.输出线 6.进水管 8.出水管
10.曝气器与搅拌设备
具体实施例方式
如图1所示，本发明的利用太阳能驱动的污水生物处理系统包括太阳能电池板1， 其后连接有电力分配与自动控制单元2，用以控制和稳定太阳能光伏发电单元的电量输出， 然后通过逆变器3将太阳能电池板1产生的直流电转换成交流电，然后通过多条电力输出 线4供给到多个插座5上。后续的污水生物处理单元ll中的功能设备连接到插座，使用太 阳能电池板1产生的电力来驱动工作。 如图2所示，电力分配与自动控制单元中预设程序的流程设计图。。
如图3所示，本发明的利用太阳能驱动的污水处理系统中的污水生物处理单元， 包括其上设有进水管6和出水管8的生物反应区7，进水管6的另一端与污水泵9相连，生 物反应区7内设有多个曝气与搅拌设备10。其中污水泵与第一个插座相连；曝气与搅拌设 备10分别与第二个至第n个插座相连。 将本发明应用于某小区生活污水处理，其水质为SS:60 100mg/L， C0Dcr : 100 250mg/L，TN :25 50mg/L，TP :3. 0 7. 0mg/L。太阳能光伏电池板架设面积为6m2， 最大输出功率为500w，污水生物处理系统的设计容量为240L，日最大处理量为240L，曝气 与搅拌设备总数为4个，功率均为60w，进水泵1台，35w。电力分配与自动控制单元按照用 户预设模式在不同时间将电力分别分配给5个插座。系统运行时间的长短取决于当日太阳 能辐射状况，北京地区年平均日运行时间约为6.5小时。实验结果表明太阳能光伏发电单 元舍弃蓄电池，不仅降低了初期建设成本，同时也省却了蓄电池后期维护、更新费用，系统 架设、运行和维护成本降低约30% 。在自动控制器的自动干预下污水生物处理反应器运行 稳定，根据太阳能辐射强度变化规律与污水处理的能耗特征需求相结合，可有效去除污染 物，出水中SS为8 20mg/L，C0Dcr为25 50mg/L，氨氮为0 3mg/L，TN为9 25mg/L， TP为0. 5 2. 5mg/L左右。
权利要求
一种利用太阳能驱动的污水生物处理系统，由发电单元、电力分配与自动控制单元和污水生物处理单元组合构成，其特征在于所述发电单元将太阳能转变为电能，并以交流电的形式输出；所述电力分配与自动控制单元安装在太阳能光伏发电单元的太阳能电池板和逆变器之间，以控制和稳定太阳能光伏发电单元的电量输出，根据太阳能辐射强度信号控制太阳能光伏系统对污水生物处理单元的多个功能设备输出电力与否，以保证其稳定运行；所述污水生物处理单元根据太阳能光伏发电单元输出电量的变化，周期性实现生物反应器中厌氧、缺氧和好氧过程的交替，有效去除污水中的有机物、氮和磷等污染物。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的发电单元由太阳能电池板和逆变器 组成，将太阳能转变为电能，并以交流电的形式输出。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的污水生物处理单元包括进水管、生 物反应区、出水管、污水泵和曝气与搅拌设备。
4. 根据权利要求1-3中任意一项所述的系统，其特征在于所述的太阳能光伏发电单元 产生的电流由电力分配与自动控制单元控制和分配，并经由逆变器将电流输入到电源输出 线末端的n个插座上，插座的个数与所述污水生物处理单元内的污水泵和曝气与搅拌设备 的个数相匹配；所述污水生物处理单元中的污水泵与所述n个插座中的第l个插座相接，多 级曝气设备和搅拌器等功能设备与第2至第n个插座相接；其中n的范围为n > 2。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于所述的n的范围为2-10。
6. 根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于所述的电力分配与自动控制单元中有 设定的软件程序，所述程序首先对太阳能辐射强度和太阳能光伏电池板输出电压进行自动 监测与分析，辐射强度和电压达不到第一设定值则电路系统不启动；当太阳能辐射强度和 太阳能光伏电池板输出电压达到第一设定值时，随着太阳能辐射强度的增加，电力分配与 自动控制单元将电力依次分配给第1个插座至第n个插座，即第1至第n个插座相继通电； 当太阳能辐射强度减弱并达到第二设定数值时，从第n个插座开始依次断电，直至太阳能 辐射低于第一设定值第1个插座断电，至此全部插座断电。
7. —种如权利要求1所述系统的操作方法，其特征在于污水生物处理单元的运行所 需要的电能由太阳能发电单元提供，太阳能光伏发电单元产生的电流由电力分配与自动控 制单元控制和分配到电源输出线末端的n个插座上，所述程序首先对太阳能辐射强度和太 阳能光伏电池板输出电压进行自动监测与分析，辐射强度和电压达不到第一设定值则电路 系统不启动，此时污水生物处理单元静置；当太阳能辐射强度和太阳能光伏电池板输出电 压达到第一设定值时，随着太阳能辐射强度的增加，电力分配与自动控制单元将电力依次 分配给第1个插座至第n个插座，即第1至第n个插座相继通电；与此相对应，污水生物处 理单元的污水泵与上述第一个插座相接，多级曝气设备和搅拌器等功能设备与第二至第n 个插座相接；在第一个插座通电后，污水泵启动，污水生物处理反应器开始进水，之后，随着 各插座的相继通电，开始曝气和搅拌，生物反应器内为好氧状态，完成降解有机物、硝化和 吸磷，处理出水由出水管排放；当太阳能辐射强度减弱并达到第二设定数值时，从第n个插 座开始依次断电，直至太阳能辐射低于第一设定值第1个插座断电，至此全部插座断电；与 此对应的污水生物处理单元内各功能设备的逆序关闭，随后生物反应器进入缺氧和厌氧状 态，发生反硝化和磷的释放；每天随着太阳能电力的供给与停止，污水生物处理反应器内实 现好氧、缺氧和厌氧过程的周期交替，分别进行污水中氮、磷和有机污染物的去除；其中所述的n的范围为n > 2。
8.根据权利要求1所述的操作方法，其特征在于所述的n的范围为2-10。
全文摘要
本发明公开了一种利用太阳能驱动的污水生物处理系统及其操作方法。该系统由发电单元、电力分配与自动控制单元和污水生物处理单元组合构成，采用无蓄电池的太阳能光伏电池板发电，通过电力分配与自动控制，使污水生物处理单元在有太阳能辐射的情况下运行、在无太阳能辐射的情况下静置，实现污水厌氧、缺氧和好氧过程的交替与太阳辐射强度变化周期相结合，有效去除污水中的各类污染物。本发明的优越性在于利用太阳能代替常规电能驱动污水生物处理反应器，而且舍弃了常规太阳能系统中的蓄电池，降低了太阳能光伏单元的建设和维护成本，通过软件控制，实现了电力的稳定输出；本发明适于分散型污水处理。
文档编号H02N6/00GK101786725SQ20101010084
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月26日 优先权日2009年12月31日
发明者刘俊新, 梁瀚文, 郭雪松, 韩昌福 申请人:中国科学院生态环境研究中心