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關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；新能源發(fā)電技術(shù)；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

作者簡介：韓楊（1982-），男，四川成都人，電子科技大學(xué)機電學(xué)院電力電子系，講師。

基金項目：本文系電子科技大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助（項目編號：2672011ZYGX2011J093）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）14-0046-02

“新能源發(fā)電技術(shù)”是電子科技大學(xué)電氣工程及自動化、機械設(shè)計制造及自動化、工業(yè)工程三個專業(yè)課程體系中的一門重要課程。該課程屬于高年級本科生的專業(yè)選修課，共32課時、內(nèi)容多、知識面廣、綜合性強。[1， 2]由于三個專業(yè)的學(xué)生知識體系存在一定差異，在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面，需要做出系統(tǒng)的設(shè)計和創(chuàng)新。筆者在教學(xué)過程中，充分吸收國外高校模塊化教學(xué)模式、凝練教學(xué)內(nèi)容，充分利用交互式教學(xué)方法，采用課堂講授、提問與解答、課程項目、研究報告等手段，把互動式教學(xué)方法成功應(yīng)用到教學(xué)實踐中。課程以電能變換與控制為主線，鼓勵不同專業(yè)背景的學(xué)生組成研究小組對課程項目進行協(xié)作研究，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。[3， 4]

一、國外“新能源發(fā)電技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容與模式回顧

1.麻省理工學(xué)院（MIT）的模塊化教學(xué)模式

課程簡介：課程評估當(dāng)前和未來潛在的能源系統(tǒng)，包括資源提取、轉(zhuǎn)換和最終使用技術(shù)，重點區(qū)域和全球能源需求。研究各種可再生能源和傳統(tǒng)能源的生產(chǎn)技術(shù)，能源最終用途和替代品，在不同國家的消費習(xí)慣。

第一部分：能源的背景。欠發(fā)達國家日益增長的能源需求、發(fā)達國家可持續(xù)的未來能源。能源概述、能源供給和需求的問題；能源轉(zhuǎn)換和經(jīng)濟性分析，氣候變化和應(yīng)對措施。模塊1：能量傳遞和轉(zhuǎn)換方法。模塊2：資源評估和消耗分析。模塊3：能量轉(zhuǎn)換、傳輸和存儲。模塊4：系統(tǒng)的分析方法。模塊5：能源供應(yīng)，需求和存儲規(guī)劃。模塊6：電氣系統(tǒng)動力學(xué)。模塊7：熱力學(xué)與效率的計算。

第二部分：具體的能源技術(shù)。模塊1：核能的基礎(chǔ)和現(xiàn)狀；核廢料處理；擴建民用核能和核擴散。模塊2：化石能源的燃料轉(zhuǎn)換，電源循環(huán)，聯(lián)合循環(huán)。模塊3：地?zé)崮茉吹念愋?；技術(shù)、環(huán)境、社會和經(jīng)濟問題。模塊4：生物質(zhì)能資源和用途，資源的類型和要求。

第三部分：能源最終用途，方案評估和權(quán)衡分析。模塊1：汽車技術(shù)和燃料經(jīng)濟政策。模塊2：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生命周期分析；土地使用問題、凈能量平衡和能量整合。模塊3：電化學(xué)方法電能儲存、能量轉(zhuǎn)換，燃料電池。模塊4：可持續(xù)能源，非洲撒哈拉以南地區(qū)的電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和選擇。

2.瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）課程內(nèi)容與要求

課程內(nèi)容：替代能源和可再生能源的全方位的介紹和分析，包括整合這些解決方案以滿足能源服務(wù)的要求。包括現(xiàn)有和未來的替代能源，如水能、風(fēng)能、太陽能、光伏、光熱，燃料處理；可再生能源系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)；動態(tài)整合各種可再生能源。在整個教學(xué)過程中，學(xué)生的讀、寫和研討主題是“先進的可再生能源系統(tǒng)技術(shù)”，特別是通過項目工作和多個為期半天的研討會對相關(guān)專題進行研討，每個人都參與演講和討論，并邀請有行業(yè)工程背景的專家和政策制定者來課堂參與探討，豐富課堂內(nèi)容、提升教學(xué)質(zhì)量。

課程要求：在課程結(jié)束時，學(xué)生應(yīng)能夠分析和設(shè)計能源系統(tǒng)，利用風(fēng)能、生物能源、太陽能產(chǎn)生電力或用于加熱與冷卻。完成課程后，學(xué)生能詳細說明風(fēng)能、生物能、太陽能基本原理和主要特點，以及它們之間的區(qū)別。能掌握這3種可再生能源系統(tǒng)的主要組件，了解基于化石燃料的能源系統(tǒng)對環(huán)境和社會的影響。

3.威斯康星大學(xué)（UWM）課程內(nèi)容與要求

課程內(nèi)容：學(xué)習(xí)有關(guān)國家最先進的可再生能源系統(tǒng)，包括生物質(zhì)、電力和液體燃料，以及風(fēng)力、太陽能、水電。學(xué)生們將對可再生能源電力和能源供應(yīng)做工程計算，并要了解可再生能源的生產(chǎn)、分配和最終使用系統(tǒng)。能源存儲、可再生能源政策；經(jīng)濟分析，購買和銷售能源；風(fēng)能理論與實踐；太陽能可用性，光熱和光伏發(fā)電系統(tǒng)；水電；地?zé)幔毕芎筒ɡ税l(fā)電；生物能源、生物質(zhì)燃燒熱力和電力；生物質(zhì)氣化，生物油熱解；生物燃料的生命周期評估。

課程要求：掌握基本的可再生能源系統(tǒng)的工程計算，了解可再生資源評估和能源基礎(chǔ)設(shè)施一體化。確定可再生能源系統(tǒng)的環(huán)境影響。設(shè)計和評估可再生能源系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性。了解能源在社會中的關(guān)鍵作用。了解可再生能源發(fā)展的公共政策、市場結(jié)構(gòu)。卓越學(xué)生的學(xué)習(xí)成果：能夠運用數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程原則進行實驗設(shè)計，并能分析和解釋實驗現(xiàn)象。有能力設(shè)計一個系統(tǒng)、部件或過程，以滿足預(yù)期要求，具備解決工程問題和有效溝通的能力。

二、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式下“新能源發(fā)電技術(shù)”教學(xué)設(shè)計

通過對該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解中國的能源現(xiàn)狀，掌握電源變換與控制技術(shù)的基本原理，掌握光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的基本原理及系統(tǒng)的構(gòu)成，加深對中國風(fēng)力資源和風(fēng)力發(fā)電基本原理的認(rèn)識，理解生物質(zhì)資源的利用現(xiàn)狀、轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的基本原理，了解天然氣、燃氣發(fā)電與控制技術(shù)的基本原理和應(yīng)用情況。吸收國外經(jīng)驗，設(shè)計教學(xué)模塊。

1.電源變換和控制技術(shù)

內(nèi)容要點：電力電子器件的概念、特征和分類，不可控器件——電力二極管，半控型器件——晶閘管，電力場效應(yīng)晶體管——電力MOSFET，絕緣柵雙極型晶體管——IGBT；AC—DC變換電路：二極管整流器——不控整流，晶閘管整流器——相控整流，PWM整流器——斬波整流；DC—DC變換電路：單管不隔離式DC—DC變換器，隔離式DC—DC變換器；DC—AC變換電路原理、分類、參數(shù)計算；AC—AC變換電路。

課堂提問：晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件是什么？相控整流與PWM整流電路區(qū)別是什么？交流調(diào)壓電路的基本原理是什么？什么是逆變？如何防止逆變失??？

課程項目1：讓學(xué)生設(shè)計一個50kW的相控整流和PWM整流電路，進行MATLAB仿真分析，比較兩種整流電路的區(qū)別，要求分組討論、制作PPT演講，撰寫研究報告。

2.風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)

內(nèi)容要點：風(fēng)的產(chǎn)生、特性與應(yīng)用；風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)、分類與工作原理；風(fēng)力發(fā)電的特點、控制要求和功率調(diào)節(jié)控制；風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償：同步發(fā)電機組、異步發(fā)電機組和雙饋異步發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償。

課堂提問：簡述風(fēng)能轉(zhuǎn)換的基本原理。風(fēng)力機的空氣動力學(xué)參數(shù)有哪些？具體怎么求解？風(fēng)力機有哪幾種分類方法？

課程項目2：讓學(xué)生設(shè)計基于全功率變換器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在課程項目1的PWM整流電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計整流和逆變電路及其控制算法，進行MATLAB仿真，驗證工作原理，要求分組討論、制作PPT演講、撰寫研究報告。

3.太陽能、光伏發(fā)電與控制技術(shù)

內(nèi)容要點：太陽能利用方式、分類及原理，中國光伏發(fā)電的歷史和研究現(xiàn)狀；太陽能電池的工作原理，太陽能電池材料的光學(xué)性質(zhì)、等效電路、輸出功率和填充因數(shù)，太陽能電池的效率、影響效率的因素及提高的途徑；太陽能電池制造工藝，多、單晶硅制造技術(shù)；太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成，正弦波PWM技術(shù)，逆變器基本特性及評價；獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成；并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類、特點、結(jié)構(gòu)、供電形式和設(shè)備構(gòu)成。

課堂提問：多晶硅和單晶硅的制造工藝有什么不同？根據(jù)制作工藝的不同它們各有什么特點？什么是正弦波PWM逆變技術(shù)？并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由哪幾部分構(gòu)成？

課程項目3：讓學(xué)生設(shè)計小功率并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在課程項目2逆變電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計單相及三相逆變電路及其控制算法，進行MATLAB仿真，驗證工作原理，要求分組討論、制作PPT演講、撰寫研究報告。

4.生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)

內(nèi)容要點：生物質(zhì)能的定義、生物質(zhì)資源特點及類別；生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換和發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換的能源模形式，城市垃圾、生物質(zhì)燃氣發(fā)電技術(shù)；生物質(zhì)熱裂解發(fā)電技術(shù)的分類、生物質(zhì)熱裂解機理，生物質(zhì)熱裂解技術(shù)及裝置簡介；我國生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀及開發(fā)生物質(zhì)能的必要性，生物質(zhì)能發(fā)電前景。

課堂提問：生物質(zhì)能的優(yōu)缺點是什么？根據(jù)其優(yōu)缺點如何揚長避短充分利用生物質(zhì)資源？生物質(zhì)熱裂解的機理是什么？請詳細分析說明。影響生物質(zhì)熱裂解的因素有哪些？具體是如何影響的？

5.天然氣、燃氣發(fā)電與控制技術(shù)

內(nèi)容要點：天然氣水合物的概念，形成機理及化學(xué)性質(zhì)；天然氣的綜合利用、環(huán)境價值與發(fā)展前景；小型燃氣輪機發(fā)電機組的原理及用途、主要形式及應(yīng)用前景；燃氣輪機組的電能變換與控制系統(tǒng)、電網(wǎng)供電及控制；燃氣發(fā)電機組的并網(wǎng)運行與控制策略，DC-AC低頻并網(wǎng)逆變技術(shù)，DC-AC/ AC-DC-AC三級變換高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變技術(shù)；燃氣發(fā)電機組高頻并網(wǎng)逆變的控制策略。

課堂提問：小型燃氣輪機組并網(wǎng)發(fā)電的原理是什么？簡述燃氣輪機組電能變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。燃氣發(fā)電機組高頻并網(wǎng)逆變是如何實現(xiàn)的？

三、結(jié)束語

在充分吸收國外高?！靶履茉窗l(fā)電技術(shù)”模塊化教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，以人才培養(yǎng)為中心，凝練教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法，提高了學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，課堂互動得到明顯改善，不同專業(yè)背景的學(xué)生能夠?qū)φn程項目進行協(xié)作研究，發(fā)揮各自的特長收集和吸收國外前沿技術(shù)，在PPT演講、研究報告撰寫方面鍛煉了學(xué)生的綜合能力，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]何瑞文，謝云，陳璟華.電氣工程及其自動化專業(yè)建設(shè)與實踐模式探討[J].中國電力教育，2012，（3）：72-73.

[2]王三義.淺談新能源發(fā)電技術(shù)[J].中國電力教育，2011，（15）：92-93.

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關(guān)鍵詞：分布式；雙向計量；監(jiān)控；一體化

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.05.230

0 引言

化石能源等傳統(tǒng)能源，具有不可再生性，它們的日漸枯竭使得人們尋找新能源替代。在這種背景下，大量可再生新能源的開發(fā)利用提上日程，甚至已經(jīng)開始應(yīng)用。與傳統(tǒng)能源不同，太陽能生物能、風(fēng)能、小水電資源等可再生資源都是分布式存在的。國家大力推行新能源，倡導(dǎo)新能源發(fā)電。一方面，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)，電力客戶的用電需求也在增加；另一方面，城鎮(zhèn)化的建設(shè)實施同時也為分布式能源的大量、成規(guī)模地加入提供了有利的大環(huán)境。

1 分布式電源發(fā)展概況

1.1 分布式電源技術(shù)定義及分類

分布式發(fā)電（ Distributed Generation，DG） 技g一般主要包括發(fā)電容量為幾十到幾百 kW 的燃料電池、微型燃氣輪機、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)等。這些技術(shù)依靠可再生新能源為主的小型發(fā)電設(shè)備實現(xiàn)，這些小型設(shè)備都就近分布在負(fù)荷附近。

1.2 分布式電源優(yōu)缺點

分布式電源具有投資小、占地少及節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點。但跟傳統(tǒng)的集中能源相比，還是有弊端存在。人們將現(xiàn)代電能質(zhì)量通常理解為 “ 導(dǎo)致用戶電力設(shè)備不能正常工作的電壓 、電流或頻率偏差，造成用電設(shè)備故障或錯誤動作的任何電力問題都是電能質(zhì)量問題 ”。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題包括諧波、頻率偏差、電壓波動與閃變等；暫態(tài)電能質(zhì)量問題主要包括電壓凹陷、電壓凸起、暫態(tài)震蕩等，是電力系統(tǒng)發(fā)生故障機投切操作等伴隨的暫時性現(xiàn)象。分布式電源接入電網(wǎng)，其輸出功率具有隨機性和波動性特征，并網(wǎng)后容易引起變壓波形畸變、電壓波動與閃變、三項不平衡、諧波等一系列問題，會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2 雙向計量與監(jiān)控一體化設(shè)備的需求

2.1 家庭微電網(wǎng)應(yīng)用分析

對家庭微電網(wǎng)進行應(yīng)用分析，本文是基于高級計量架構(gòu)（AMI）的。高級計量架構(gòu)包含以下幾個部分：測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（ MDMS） 、雙向通信網(wǎng)絡(luò)、智能電表和用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

高級計量架構(gòu)中的計量和智能監(jiān)控功能由雙向計量與監(jiān)控一體化設(shè)備承擔(dān)。設(shè)備包括：主站、智能設(shè)備、分布式電源、智能負(fù)載。一方面，從上級主站或微電網(wǎng)獲得電價、調(diào)度信息等；另一方面通過RS-485、信息網(wǎng)絡(luò)等方式對分布式電源及用電設(shè)備來進行監(jiān)控。

2.2 家庭用戶功能需求

家庭微電網(wǎng)的潮流方式與普通電網(wǎng)潮流方式不同，它是存在雙向流動的。分布式電源發(fā)電補貼、余電上網(wǎng)、用電電價不同、家庭用電方式不同。傳統(tǒng)的電能計量裝置顯然已經(jīng)不能滿足如此多樣化的需求了。這就要求有一種可以雙向計量且具有監(jiān)控功能的設(shè)備來替代。

3 硬件方案

雙向計量與監(jiān)控一體化設(shè)備同時具備對電網(wǎng)的質(zhì)量監(jiān)測、可雙向計量電能費用、可計量分布式電源的發(fā)電補貼、可體現(xiàn)用電能效等功能。設(shè)備采用MCU+計量芯片方案，主要組成部分為：雙向計量、CAN總線、信息網(wǎng)絡(luò)及RS-485模塊。

3.1 雙向計量模塊

依照《 國家電網(wǎng)智能電表技術(shù)規(guī)范 》要求，雙向計量應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)的功能有：“組合/正向/反向有功總電能、組合/正向/反向各費率有功電能、正向/反向分相有功電能、正向/反向有功最大需量、 瞬時凍結(jié)功能、整點凍結(jié)功能、電壓過壓欠壓事件記錄、電流失流過流事件記錄、瞬時電壓電流功率的檢測等功能?！苯?jīng)過綜合考慮，采用ADE7878/7593 計量芯片為宜。

3.2 通信功能模塊

為滿足實際應(yīng)用中不同的通信接口需求，設(shè)備集成信息網(wǎng)絡(luò)、電力線載波、RS-485、CAN、紅外借口等通信模塊。例如：后期與其他能效管理設(shè)備通訊可使用CAN；遠程抄表功能的實現(xiàn)可依靠紅外通訊；信息網(wǎng)絡(luò)可用于與其他分布式單元通訊，獲得更多訊息。

4 軟件設(shè)計及任務(wù)組成

設(shè)備要實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測、雙向獨立計量電能電費、計量補貼、雙向通信等功能。整個系統(tǒng)對實時性要求非常高，任務(wù)繁重，操作系統(tǒng)選取輕量級的，比如FreeRTOS?；诓僮飨到y(tǒng)支持，可將設(shè)備的軟件流程在不影響功能的情況下分解成幾塊主要任務(wù)。

4.1 總體任務(wù)設(shè)計

雙向計量與監(jiān)控一體化設(shè)備的任務(wù)涉及電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、雙向電能計量、人機交互等方面。為保證電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測的準(zhǔn)確性，電網(wǎng)參數(shù)采集處理任務(wù)設(shè)置成最高優(yōu)先級；雙向計量任務(wù)也較為重要，設(shè)置為次優(yōu)先級；通信任務(wù)在不同時段不同場合需要根據(jù)實際情況來設(shè)置級別；數(shù)據(jù)存儲時間要求很短，設(shè)置為較低的優(yōu)先級；能效管理任務(wù)對實時性要求不高，可設(shè)置級別為0。

4.2 電能雙向計量任務(wù)

電能雙向計量任務(wù)由線周期電能累計模式實現(xiàn)。在電能計量模式下，對計量芯片進行配置。設(shè)置為：LINECYC 寄存器中所設(shè)整數(shù)個半波周期的積分每次處理完畢，就會向主控芯片發(fā)出中斷請求。主控芯片收到請求即讀取電能寄存器的值及獲取寄存器狀態(tài)，及時判斷有功的正反向；利用獲取的信息進一步進行處理，為用戶能效管理任務(wù)及微電網(wǎng)中央控制器提供有效數(shù)據(jù)。

4.3 電能質(zhì)量監(jiān)測任務(wù)

分布式電源不同于傳統(tǒng)的集中能源，它所產(chǎn)生的電能質(zhì)量不佳。分布式能源產(chǎn)生的電能穩(wěn)定性差、會產(chǎn)生電壓波動和閃變、還會出現(xiàn)諧波、電壓偏差、頻率波動等問題。雙向計量與監(jiān)控一體化設(shè)備雖然不能把上述問題全部解決，但對于諧波還是有一定作用的。對諧波進行計量，則需采集定時電壓、瞬時電流值。利用操作系統(tǒng)設(shè)置一個周

（下轉(zhuǎn)第262頁）（上接第263頁）

期采集100或200個樣本，設(shè)置每隔0.1或0.2ms進行一次采樣工作。此采樣程序設(shè)置為最優(yōu)先級，以使電網(wǎng)得到最快響應(yīng)，來保護大電網(wǎng)的運行。

4.4 數(shù)據(jù)存儲任務(wù)

雙向計量與監(jiān)控一體化設(shè)備還包括數(shù)據(jù)存儲功能。數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲及讀取操作。其中包括基本參數(shù)、電能質(zhì)量信息以及用戶用電信息等。同時，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)還可對設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。通過記錄設(shè)備設(shè)備的運行狀態(tài)，能效管理狀態(tài)信息，停送電事件發(fā)生時處理申請；信息網(wǎng)絡(luò)連接時，管理設(shè)備連接狀態(tài)，將不用的鏈接關(guān)閉以釋放資源來使設(shè)備更加順暢地運行等。另外，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)還可以對分布式電源進行監(jiān)控，并反饋給上級電網(wǎng)。

5 結(jié)束語

隨著分布式電源大量接入電網(wǎng)，家庭微電網(wǎng)潮流存在雙向性，分布式電源電費補貼，分布式電源接入電網(wǎng)后電能質(zhì)量不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致傳統(tǒng)的電能計量裝置不再適用。雙向計量與監(jiān)控一體化設(shè)備可以較好地解決上述問題。進一步配合FreeRTOS 嵌入式操作系統(tǒng)對設(shè)備進行軟件設(shè)計，彌補傳統(tǒng)電能表的缺憾，實現(xiàn)雙向電能獨立計量、補貼電費計算、微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測及信息通訊等功能。為分布式電源的推廣應(yīng)用做了一個良好的助推，也為大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供了有效保障。

參考文獻：

[1]史哲.分布式電源接入雙向計量與監(jiān)控一體化終端設(shè)計[D].浙江大學(xué)，2015.

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關(guān)鍵詞：低濃度；污水處理；好氧工藝；厭氧工藝

中圖分類號：X703 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0048-03

低濃度污水一般是指COD濃度低于1000mg?L-1或BOD濃度低于500mg?L-1的有機污水，主要由城市生活污水和各種稀釋的工業(yè)廢水等組成。低濃度污水由于碳源不足，無法為微生物提供足夠的養(yǎng)分，對生物處理中的脫氮除磷過程有著制約作用。生物除磷脫氮的原理是微生物在厭氧、缺氧、好氧的交替環(huán)境中，依靠硝化菌和反硝化菌的硝化―反硝化作用實現(xiàn)生物脫氮，依靠聚磷菌的厭氧釋磷―好氧攝磷作用實現(xiàn)生物除磷。脫氮除磷過程中的反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要由碳源競爭引起，因為厭氧釋磷、缺氧反硝化、好氧異養(yǎng)菌代謝都需要消耗碳源。其中反硝化和釋磷對于揮發(fā)性脂肪酸的競爭尤為突出，為了充分釋磷，往往先滿足厭氧釋磷對碳源的要求，從而導(dǎo)致反硝化碳源的不足，影響處理系統(tǒng)脫氮的效果。因此，處理好低碳源條件下脫氮除磷的矛盾，進而達到同時高效脫氮除磷的目的，成為了今后城市污水處理亟待解決的問題。

1 用于低濃度污水處理的主要工藝

一般來說，城市低濃度污水的處理多采用生物膜法、活性污泥法、厭氧處理工藝等，在環(huán)境允許的地方還可以考慮人工濕地處理方法。目前，活性污泥法等好氧工藝技術(shù)已經(jīng)研究發(fā)展得比較成熟，并應(yīng)用到了許多實際工程中，取得了比較好的成果。然而隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，城市污水排放量正逐年增長，而好氧工藝由于使用了充氧設(shè)備，其能耗大，維護管理及運行的費用較高，已經(jīng)對財政造成了很大的困擾。相對于好氧工藝，厭氧生物處理法能耗少，運行費用低，且營養(yǎng)鹽需要少，這對C/N小的生活污水來說尤為重要。因此在繼續(xù)挖掘好氧工藝潛力的同時，越來越多的研究者開始進行低濃度污水的厭氧處理研究，并已取得了不錯的成績。

1.1 序批式活性污泥工藝（SBR）

SBR法在我國城市污水處理中研究比較深入，技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。SBR工藝流程簡單，污水在一個反應(yīng)池內(nèi)就可以完成生化反應(yīng)、沉淀、排水、排泥，在運行費用低的前提下可以取得比較高的脫氮除磷效果，耐沖擊負(fù)荷也比較強。然而傳統(tǒng)的SBR法存在水力時間停留過長的問題，若管理不精準(zhǔn)，還會造成除磷效果不夠好，污泥膨脹等。將生化和物化兩方法協(xié)同起來，強化污水處理能力，成了研究人員關(guān)注的方向。往SBR反應(yīng)器內(nèi)分別投加各種無機混凝劑以組成SBR/混凝協(xié)同工藝來對城市污水處理進行研究。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，將新型復(fù)合混凝劑PISC以40mg?L-1的量在曝氣2h后投入SBR反應(yīng)器內(nèi)時對CODcr、SS和TP的去除效果最佳，分別達到了76.8%、87.8%和93.1%。此外PISC的投入可以使水力停留時間縮短1/3，有抑制污泥膨脹的效果，并能降低出水的SS。將粉末活性炭（PAC）以400mg?L-1的量投入SBR反應(yīng)器來進行低濃度污水處理的試驗研究。微生物能在活性炭的表面能形成一層生物膜，提高除磷效率，促使污泥沉降；不同種類的微生物形成的膜能形成好氧、缺氧和厭氧的區(qū)域，提高了反硝化效率。結(jié)果表明，投加了PAC的SBR反應(yīng)器對污水中COD、TN和TP的去除率分別為94.9%、67.7%和96.6%。

1.2 生物膜法

生物膜法可用來處理低濃度污水，對水質(zhì)水量變動有較強的適應(yīng)性，其污泥沉降性能好，宜于固液分離。但生物膜法不若活性污泥法的人工強化，而是趨于自然凈化原理，其生物量不夠大，導(dǎo)致處理效果不夠好，更由于成本問題，生物膜法一般應(yīng)用在小型污水廠或廢水廠。為順應(yīng)當(dāng)今時代的要求，低成本的生物膜法技術(shù)吸引了研究者的眼光。他們利用透水混凝土生物膜來處理城市污水，這種生物膜是由混凝土原材料和活性材料ATV-C按一定比例組成的固體膜片，上面有預(yù)留的透水孔，其構(gòu)造成本很低。經(jīng)過試驗研究，在進水流量為1.1～1.25L?min-1，回流量為4.5～6L/min，停留時間為1.5h，BOD5負(fù)荷為850g/（d?m3）的條件下，對CODcr、NH3-N、BOD5的去除率分別達到了76.0%、54.1%和94.9%，但這種生物膜對TP的去除效果不明顯，需要再進行深入研究。

1.3 A2/O工藝處理低濃度污水

A2/O生物脫氮工藝是將傳統(tǒng)的活性污泥、生物硝化工藝結(jié)合起來，取長補短，更有效的去除水中的有機物。A2/O工藝的內(nèi)在固有缺欠就是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機負(fù)荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭，很難在同一系統(tǒng)中同時獲得氮、磷的高效去除，阻礙著生物除磷脫氮技術(shù)的應(yīng)用。西朗污水處理廠對傳統(tǒng)A2/O工藝和UCT工藝進行改進，綜合了它們的優(yōu)點，使得這個改良的工藝具有脫氮除磷效果更好的優(yōu)勢。改良A2/O工藝是在厭氧池、缺氧池和好氧池前增設(shè)了一個預(yù)缺氧池，這樣就保證了聚磷菌在厭氧段內(nèi)的釋放磷的能力及好氧段內(nèi)的吸磷能力，加強了除磷的效果。由預(yù)缺氧池接收沉淀池回流的污泥，從好氧池回流的混合液進入缺氧池，這種分開回流的模式減少了進入?yún)捬醭貎?nèi)的硝酸鹽，提高了脫氮的效率。經(jīng)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)西朗污水廠對BOD5、COD、氨氮、TN、TP的去除率分別達到了93.5%、84.7%、96.9%、61.5%、78.9%。在A2/O工藝中，污泥齡對COD、TN、氨氮等的去除不產(chǎn)生大的影響，但它是影響除磷的一個重要因素。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥齡為12d時，A2/O工藝的綜合處理效果最好。而將AOA工藝與生物接觸氧化法組合起來形成一套一級強化生物絮凝吸附的高效、低耗新型系統(tǒng)后經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，兩者之間最大程度地利用了生物絮凝階段的高負(fù)荷及接觸生物膜過濾的低負(fù)荷，將各自優(yōu)勢更好地發(fā)揮出來，并增加抗沖擊負(fù)荷的能力。研究表明，在進水體積流量為1.0m-3?d-1、吸附池F/M為2.8kgCOD?kg-1MLSS?d-1、水力停留時間為1.5h時，這個組合系統(tǒng)的效率最高，對SS、COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別達到了84.12%、86.37%、74.18%、75.23%、42.68%。

1.4 膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器（EGSB）與SBR的組合工藝

EGSB反應(yīng)器是對常規(guī)的高效厭氧反應(yīng)器UASB進行改善后制造出來的污水處理反應(yīng)器，它以增大流速和加快出水循環(huán)來更有效地利用反應(yīng)器空間，具有更高的運行效率。和純粹EGSB和SBR工藝相比，EGSB-SBR組合工藝對COD，TP，TN等的去除更為徹底，其出水指標(biāo)可以達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的一級標(biāo)準(zhǔn)。污水先通過調(diào)節(jié)池之后再通過EGSB反應(yīng)器，最后通過SBR反應(yīng)器，這樣能有效彌補這兩種工藝的缺陷，對有機物的去除，硝化和反硝化進行合理安排。經(jīng)過試驗研究，當(dāng)HRT為3h，COD容積負(fù)荷為3.5kg?m-3?d-1，EGSB反應(yīng)器的上升流速為6.5～7m?h-1時，COD的去除率最高，達到95%。接著用SBR反應(yīng)器對EGSB反應(yīng)器的出水作進一步處理，以除去污水中尚未達標(biāo)的氮和磷。當(dāng)選用污泥齡為20～30d的污泥時，SBR反應(yīng)器的除磷效果最好，能達到90%以上；當(dāng)厭氧階段的DO質(zhì)量濃度控制在0.2mg?L-1以下時，SBR反應(yīng)器就能取得很好的脫氮效果，脫氮率達到了90%以上。

在厭氧條件下，污水中氨與硝酸鹽的消失是同時發(fā)生的，表現(xiàn)為5NH4++3NO3-4N2+9H2+2H+ ΔG=-297kJ/MOL（NH4+）

即該反應(yīng)可以自發(fā)進行，這使得這個組合工藝的脫氮效率非常理想。而在6℃～15℃的范圍內(nèi)，EGSB-SBR組合工藝對TP的去除率能達到88.6%。

1.5 厭氧折流板反應(yīng)器（ABR工藝）

厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）是一種新型高效的處理工藝，不僅在處理高濃度有機廢水的研究和應(yīng)用方面取得了較大的進展，而且在處理低濃度污水方面也越來越引起重視。ABR反應(yīng)器可看成是由多個上流式厭氧污泥床（UASB）的連接而成，對低濃度污水有良好的處理效率。它具有構(gòu)造簡單、運行維護費用低、生物截留能力強、水力停留時間短、耐水力以及有機物沖擊、對有毒物質(zhì)沖擊抵抗力和恢復(fù)力強等優(yōu)點。ABR的工藝設(shè)計中分格數(shù)對處理效果具有較大的影響，在處理較低濃度污水時，ABR分格數(shù)控制在3～4格較好。將進水COD濃度控制在400mg?L-1以內(nèi)，用BOD5∶N∶P（質(zhì)量比）=（150～300）∶5∶1的葡萄糖配水模擬生活污水進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)水力停留時間、污泥濃度、有機負(fù)荷、溫度等不同程度地影響ABR反應(yīng)器運行效率。當(dāng)平均溫度為29.6℃，水力負(fù)荷為2.93m3?m-3?d-1，HRT為0.041d時，ABR對CODcr的去除效率最高，達到了92%以上。李清雪等采用ABR-好氧組合工藝來處理COD濃度為688mg?L-1的生活污水，試驗證明，這個組合工藝對COD的去除率能穩(wěn)定在84.2%附近，但對氨氮的去除效果

不佳。

1.6 人工濕地處理工藝

由于結(jié)構(gòu)簡單，建造成本低，操作及管理維護容易，運行起來費用低廉，有較強的抗沖擊負(fù)荷能力，能夠處理低負(fù)荷污水并能達到一定效果，人工濕地在許多地方及各種性質(zhì)的污水處理方面均有應(yīng)用。用粉煤灰和細煤渣配合使用作為基質(zhì)，再按適當(dāng)?shù)谋壤涑商盍咸幚碇鶃硖幚淼蜐舛壬钗鬯?，去除COD的效果非常好，約70%；而用粉煤灰和空心磚磚塊配合使用作為基質(zhì)的處理柱在處理污水時，去除NH3-N和TP的綜合效率分別達到了89%和81%。深圳白泥坑人工濕地采用了蘆葦/大米草濕地、茫荼/蘆葦濕地和蘆葦/茫荼濕地串聯(lián)運行的方式，使得BOD和NH4-N去除效果很好，分別達到了90%和50%以上。近年來，將人工濕地與其他工藝聯(lián)合起來處理城市污水也得到了長足的發(fā)展，這樣可以有效彌補人工濕地處理工藝在某些方面的不足。利用 “接觸氧化+生物滴濾池+潛流人工濕地+氧化塘”的組合工藝來處理進水COD濃度為62.36mg?L-1，TP為1.04mg?L-1，TN為18.29mg?L-1的低濃度污水，在溫度為6.0℃～11.4℃在低溫條件下取得了比較好的凈化效果。經(jīng)測試，這個組合工藝對對COD、TP和TN的去除率分別為83.6%、66.8%和55.2%。

2 結(jié)語

目前，我國的城市污水處理廠進水濃度普遍偏低，碳源不足，脫氮效率難以保證。而怎樣解決好這個問題，有學(xué)者已為我們指明了方向：清華大學(xué)的一些學(xué)者提出了以垃圾滲濾液作為碳源投加到低碳源城市污水中，該技術(shù)以廢治廢，能節(jié)約垃圾滲濾液處理費和污水廠投加甲醇等碳源成本；另一方面，合理地選擇排水系統(tǒng)的體制，加強雨污聯(lián)合調(diào)控的要求，從而達到提高城市污水中的碳源濃度的目的。

在城市低濃度污水處理工藝方面，各類好氧工藝與厭氧工藝都有自己的優(yōu)缺點。以好氧活性污泥法為主的城市污水處理技術(shù)雖然對污染物的去除率高且穩(wěn)定，但占地面積大，管理運行費用高。而厭氧處理工藝正不斷發(fā)展和完善，其低能耗、占地少、管理簡便等優(yōu)越性已逐漸為人們所認(rèn)識。厭氧生物處理具有節(jié)約能源并產(chǎn)生能源的的優(yōu)點，其剩余污泥量低，容積負(fù)荷大，開發(fā)和利用厭氧生物技術(shù)進行污水處理必然能夠同時起到減輕污染和緩解能源短缺的功效。但厭氧工藝對氮、磷等的去除不夠穩(wěn)定，對病菌等的去除能力也不夠，所以厭氧處理工藝的發(fā)展應(yīng)跟好氧處理工藝相結(jié)合，取長補短。

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