自動追蹤太陽能UASB反應(yīng)器的設(shè)計

施云芬 王旭暉 張更宇 姚海濱 陳弘名

(東北電力大學 a.化學工程學院；b.電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

以養(yǎng)豬廢水為代表的高濃度有機廢水通常以厭氧生物方法處理，溫度是厭氧生物反應(yīng)器運行的重要影響因素[1]。如何將新能源與厭氧生物方法結(jié)合，提高能源利用率并降低反應(yīng)器運行成本，受到國內(nèi)外學者的高度重視。Soheil F和Mirbagheri S A研究升流式厭氧污泥床( Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB)水力停留時間HRT和有機負荷率OLR，表明溫度波動在30℃到20℃期間，UASB的COD去除率從85%下降到73%[2]；Khanh D等研究發(fā)現(xiàn)，隨著UASB反應(yīng)器內(nèi)溫度的降低，COD去除率也隨之下降[3]；Winkler M K等發(fā)現(xiàn)，溫度和鹽度對顆粒污泥反應(yīng)器的設(shè)計、啟動和運行都有著重要的影響[4]；Lew B在變溫條件下進行UASB處理生活污水的實驗研究，結(jié)果表明，當溫度從28℃下降到10℃時，COD的去除率從78%下降到42%[5]；傅金祥等研究了溫度對常溫UASB運行的影響，通過對產(chǎn)氣量的考察發(fā)現(xiàn)，溫度突降對厭氧微生物的活性產(chǎn)生明顯的影響，而且溫度還可以間接影響厭氧系統(tǒng)中pH的變化[6]；余海發(fā)現(xiàn)，在相同環(huán)境條件下，自動追蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量提高約35%[7]；張勇濤等提出一種基于AT89S52的智能型雙精度太陽自動跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以適應(yīng)復(fù)雜的天氣情況，能量接收效率提高20%以上[8]；張翌翀進行了基于DSP的太陽跟蹤控制系統(tǒng)研究，設(shè)計了一種基于DSP的技術(shù)、經(jīng)濟性較好的太陽跟蹤控制系統(tǒng)[9]。筆者將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、太陽能加熱控制技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于污水厭氧生物處理領(lǐng)域，利用太陽能作為農(nóng)村分散式養(yǎng)豬廢水厭氧處理的熱源，可以為廣大偏遠農(nóng)村地區(qū)的廢水治理提供新方法。給出由簡易追蹤支架、基于單片機技術(shù)的太陽光自動追蹤系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和改進的升流式厭氧污泥床反應(yīng)器組成的自動追蹤太陽能UASB反應(yīng)器的設(shè)計方案。

1 簡易追蹤支架①

簡易支架(圖1)由梯形太陽能面板、軸、軸承座、支架底座、齒輪、步進電機、V形鐵板、彈簧及螺栓等組成。梯形太陽能面板與軸由螺栓固定連接，整個面板的重心垂直落在軸上，軸通過上、下兩個軸承座固定于雙梯形構(gòu)件和固定底座上，雙梯形構(gòu)件中間通過螺栓固定一塊V形鐵板，在V形鐵板兩側(cè)開有寬度與步進電機直徑相同的滑道，滑道一端通過螺栓將步進電機牢固固定，另一端通過螺栓松弛連接，并且通過彈簧的作用使步進電機與固定在軸上的齒輪緊緊咬合，彈簧的一端與松弛連接步進電機的螺栓連接，另一端與齒輪一起固定在軸上。光電追蹤控制器固定在支架底座上，一端與固定在太陽能電池板上的光傳感器相連，一端與步進電機相連，控制支架逐日轉(zhuǎn)動。

圖1 簡易追蹤支架示意圖

2 基于單片機技術(shù)的太陽光自動追蹤系統(tǒng)

太陽光自動追蹤系統(tǒng)由光傳感器、AD8591芯片、STC89C52單片機、LS293D步進電機驅(qū)動芯片、步進電機、電池板支架、齒輪及蓄電池等部件組成。自制的光傳感器(圖2)內(nèi)的光敏電阻將采集到的太陽光信號由AD芯片轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的數(shù)字量，單片機對輸送來的電壓數(shù)字量進行分析，并依此數(shù)據(jù)對步進電機驅(qū)動芯片發(fā)出指令，驅(qū)動步進電機進行逐日轉(zhuǎn)動。

圖2 光傳感器簡圖

3 溫度控制系統(tǒng)

由鎳鉻電池組、單片機、溫度傳感器(18B20)、LCD液晶顯示屏(12864型)、繼電器、電位器、三極管、電阻電容、二極管及散熱片等組成的溫度控制系統(tǒng)，通過PLC單元將捕獲的溫度感應(yīng)探頭獲得的實時溫度與設(shè)定的目標溫度進行對比，進而控制反應(yīng)器是否加熱。

4 改進的UASB反應(yīng)器

UASB反應(yīng)器入水口處平鋪直徑1cm的玻璃珠，使得反應(yīng)器布水均勻，可以在一定程度上避免短流；玻璃床層上置有鐵碳床層，發(fā)生的化學反應(yīng)器可以緩解反應(yīng)器酸化，反應(yīng)產(chǎn)生的H2沿著氣壁向上擾動，起到攪拌介質(zhì)的作用，且零價鐵的存在能夠增強反應(yīng)器的耐沖擊力并維持pH穩(wěn)定[10]。三相分離器上部放置鐵絲網(wǎng)，防止污泥隨出水廢水流失，強化固液分離。改進后的UASB反應(yīng)器如圖3所示。

圖3 改進后的UASB反應(yīng)器示意圖

傳統(tǒng)UASB的供溫方式主要有兩種：

a. 在UASB反應(yīng)器的器壁外直接纏繞電阻絲進行加熱，會因為電阻絲纏繞的疏密程度不同，導(dǎo)致反應(yīng)器局部過熱或過冷，不利于微生物生長；

b. 用蒸汽加熱反應(yīng)器或者直接對原水進行加熱，會導(dǎo)致反應(yīng)器的下部入水口與上部出水口存在溫差，熱損失較大。

無論哪種供熱方式都會導(dǎo)致溫度場的紊亂，加劇對反應(yīng)器內(nèi)液體流速及壓力等的負面影響，從而對微生物構(gòu)成一定程度沖擊。

有研究發(fā)現(xiàn)，厭氧微生物對反應(yīng)器溫度的突變十分敏感，對于厭氧微生物來說，降溫幅度愈大低溫持續(xù)時間愈長，產(chǎn)氣量的下降就愈嚴重，升溫后產(chǎn)氣量的恢復(fù)愈困難，也就是恢復(fù)生物活性愈困難。所以，厭氧消化系統(tǒng)每天的溫度波動以不大于2～3℃為好[11]。當有±3℃變化時，就會抑制產(chǎn)甲烷菌的速率；有±5℃的變化時，反應(yīng)器就會停止產(chǎn)氣[12]。在北方的冬季，直接加熱原水的供溫方式帶來的溫度波動遠遠會超過所要求的2～3℃。劉冰等進行了內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的啟動和影響因素的實驗研究，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器一天內(nèi)溫度波動4℃以上，導(dǎo)致反應(yīng)器對COD的去除率下降[13]。筆者設(shè)計的自動追蹤太陽能UASB反應(yīng)器利用嵌入水價套層內(nèi)的鉛皮散熱套加熱溫水，為厭氧消化供溫。因為水的比熱容較大，熱傳質(zhì)均勻，是作為傳遞熱能的理想介質(zhì)，故此種供熱方式可以保證厭氧反應(yīng)器處在恒溫水浴，使得厭氧消化穩(wěn)定進行[14～17]。改進后的溫度供給方式如圖4所示。

圖4 改進后的供溫方式示意圖

5 結(jié)論

5.1自動追蹤太陽能系統(tǒng)供溫穩(wěn)定性易受天氣影響，惡劣天氣會導(dǎo)致追蹤系統(tǒng)中斷，從而影響能量的輸入和輸出，嚴重時會影響到厭氧消化的進行。采用蓄電池作為能量的中轉(zhuǎn)是太陽能研究者普遍采用的辦法，但是只能維持較短的時間，長時間的弱光甚至無光天氣會導(dǎo)致太陽能儲能系統(tǒng)的癱瘓，這是后續(xù)研究者應(yīng)該重視并解決的問題。

5.2UASB反應(yīng)器作為第二代厭氧生物反應(yīng)器的杰出代表，為第三代厭氧生物反應(yīng)器的研制提供了理論依據(jù)。相較于好氧生物處理技術(shù)，厭氧生物反應(yīng)器啟動過程復(fù)雜、啟動時間長是制約其推廣的短板。將培養(yǎng)好的針對養(yǎng)豬廢水有較好處理效果的厭氧顆粒污泥，放入反應(yīng)器中快速啟動反應(yīng)器，使之能夠迅速處理高濃度養(yǎng)豬廢水，是運行推廣中需要注意的問題。

5.3太陽能自動追蹤供溫系統(tǒng)與厭氧生物反應(yīng)器的聯(lián)動調(diào)試需要進一步細化和改進。太陽能自動追蹤供溫系統(tǒng)提供的能量需要滿足厭氧消化的進行，并且維持穩(wěn)定。溫度控制裝置需要實時控制蓄電池的能量輸出，保證厭氧消化的穩(wěn)定運行。

5.4UASB反應(yīng)器在工程實踐中尚缺乏規(guī)范的運行調(diào)試方法，此類裝置還未進行過工程實踐。從實驗得到的運行參數(shù)，如啟動時間、運行周期、反應(yīng)器相關(guān)性能參數(shù)及整套裝置對各種指標的去除效率等，還必須通過實際工程驗證。