CN101239771A - 一种水源热泵与污泥厌氧消化集成方法及系统 - Google Patents

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昝成
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Abstract

一种水源热泵和污泥厌氧消化集成方法及系统，属于污水处理厂节能降耗技术领域。该方法是利用水源热泵实现污水厂出水中低品位热能的回收与热源供应。城市污水处理厂产生的污泥进入厌氧反应器，被从出水中提取热量的热泵提供的热水加热，反应生成沼气，沼气经收集后用于烘干污泥或驱动曝气鼓风机。消化后的污泥通过机械脱水、干化等一系列过程后获得干化污泥，可用作优质肥料或固体燃料。该方法及系统可以实现污泥的稳定化，为污泥后续的减量化和资源化处置提供基础，污水厂内部水、热、能的优化配置，污水厂整体能耗降低20％以上。

Description

一种水源热泵与污泥厌氧消化集成方法及系统
技术领域
本发明属于污水处理厂节能降耗技术领域，涉及一种污水厂出水余热回收利用与污泥中温或高温厌氧消化组合的低耗高效污泥稳定化方法及系统。该方法是利用热泵回收城市污水处理厂二级出水的热能，作为污泥中温或高温厌氧消化的热源，厌氧消化产生的沼气用于烘干污泥或驱动曝气鼓风机，实现污水厂内的节能降耗。
背景技术
随着城市化进程的加快和环境保护要求的逐步提高，城市污水处理厂数量日趋增加。我国“十一五”发展规划纲要明确要求，我国加强城市污水处理设施建设，到2010年城市污水处理率不低于70％。届时，我国城市污水处理设计规模将超过5000万m3/d。目前，世界上超过90％的城市污水处理都采用活性污泥法，由于剩余污泥产生量一般是污水处理量的0.3％～0.5％(以含水率97％计)，污泥含水率高，有机质含量高，性质不稳定，易腐化发臭，且含有病原菌、寄生虫卵、重金属等有毒有害物质，使得污泥的处理处置成为污水处理中的重要问题。污泥处理投资占污水处理厂总投资的20％～50％。城市污泥处理处置运行费用居高不下已成为限制其发展的一个重要因素，大力发展廉价低耗的污泥处理处置技术已成当务之急。
污泥中丰富的有机成分使得污泥的厌氧消化成为污泥处理处置的重要途径之一。污泥厌氧消化是在无氧的条件下由兼性菌和专性厌氧菌分解有机物产生二氧化碳和甲烷的过程。厌氧消化因其具有能耗低、污泥稳定效果好及产甲烷等优点而成为污泥减量化和稳定化普遍采用的技术，特别是高温厌氧消化可部分杀灭病原体、寄生虫卵，使污泥卫生风险大大降低。污泥厌氧消化在世界各地均有大规模应用，常温污泥厌氧消化效率低，鲜为人用，而高温厌氧消化，由于需要大量热能，成本过高也限制了应用。目前污泥厌氧消化主要采用中温消化。中温消化的能源主要来自厌氧产生的沼气或者利用商业能源，成本也相当可观。
城市污水中赋存着大量低品位热能，例如将10万m3污水处理厂二级出水降低3℃，可获得约2.8亿kcal的热量。同时污水水量稳定，与环境温度相比，表现为冬暖夏凉，水温变化幅度小，是稳定的热源。新型热泵工质能够稳定产生80℃左右的热水，并且能够保证相当高的性能系数。污泥中高温厌氧消化技术与水源热泵技术的发展，为实现污水处理厂基于能量优化配置的污泥稳定化提供了技术可能，同时可以挖掘出污水处理厂的节能潜力。
发明内容
本发明的目的是针对城市污水处理厂的污泥处置问题，提出一种水源热泵与污泥厌氧消化集成方法及系统，旨在将污水厂出水余热回用于污泥厌氧消化的水热能综合利用，构建一套以水源热泵机组和污泥中、高温厌氧消化设备为主体的基于能量优化配置的污泥稳定化处置系统。从而实现系统能量平衡，达到使污泥稳定化、降低成本、能源配置优化的目的，并为污泥的后续减量化和资源化利用提供有利条件。
本发明的技术方案如下：
一种水源热泵和污泥厌氧消化集成方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将污水经深度处理得到的二级出水送入水源热泵，利用水源热泵回收二级出水的热能，产生热水，作为厌氧反应器的热源；
2)经污水处理产生的污泥进入厌氧反应器，厌氧消化过程中产生的沼气经收集后用于烘干污泥或驱动曝气鼓风机；
3)从厌氧反应器出来的污泥经机械脱水进入烘干机，经干化后的污泥作为肥料或固体燃料。
本发明所述的水源热泵的进口温度在10～35℃变化。
本发明提供的一种实施上述方法的水源热泵和污泥厌氧消化集成系统，其特征在于：该系统含厌氧反应器，沼气收集器，曝气鼓风机、烘干机、有污水深度处理设备，水源热泵以及机械脱水设备；所述的厌氧反应器的顶部沼气出口管与沼气收集器连接，沼气收集器通过管道分别与曝气鼓风机和烘干机连接；厌氧反应器的污泥出口管依次与机械脱水设备和烘干机连接；水源热泵蒸发器换热介质侧与污水深度处理设备的出水管连接，水源热泵冷凝器的换热介质侧与厌氧反应器连接，向预热槽提供热水。
本发明具有以下优点及突出性效果：①将污泥厌氧消化技术和水源热泵技术相结合，利用水源热泵回收城市生活污水厂二级出水中的大量废热，提升能量品位，作为污泥厌氧消化的热源，能量得到充分而合理的利用，形成了污水厂内部水、热、能综合利用的新集成技术。②节约能源。污泥厌氧消化的热能来自污水厂出水余热，而所采用的热回收和转化装置热泵的效率高。热泵的性能系数(COP)达到3.0～4.0，即热泵提供的热量是同功率下电加热产生的热量的3～4倍。故与电锅炉相比，可节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2的能源。结余的沼气可以用于污泥干燥或驱动曝气机，从而降低整个污水厂的能耗。③不污染环境。使用热泵作为污泥厌氧消化的热源，避免了使用传统锅炉造成的大气污染。
附图说明
图1为水源热泵和污泥厌氧消化集成系统的结构及工艺流程图。
图2为水源热泵系统工作原理图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：
图1为水源热泵和污泥厌氧消化集成系统的结构及工艺流程图。该系统包括厌氧反应器，沼气收集器，曝气鼓风机、烘干机、污水深度处理设备，水源热泵以及机械脱水设备；厌氧反应器的顶部沼气出口管与沼气收集器连接，沼气收集器通过管道分别与曝气鼓风机和烘干机连接；厌氧反应器的污泥出口管依次与机械脱水设备和烘干机连接；水源热泵蒸发器换热介质侧与污水深度处理设备的出水管连接，水源热泵冷凝器的换热介质侧与厌氧反应器连接，向预热槽提供热水。
该系统的工作原理和工作流程如下：
污水经深度处理成为二级出水排出，利用水源热泵回收二级出水的热能，产生热水，作为厌氧反应器的热源。图2为水源热泵系统工作原理图。热泵系统中运行的工质，在蒸发器中吸取二级出水的热量，从低压液态工质蒸发成低压蒸汽，经压缩机增压成为高温高压的蒸汽；在冷凝器中，高温高压的工质蒸汽放出热量加热进入烘干机干燥室的空气，而工质本身则从气体冷凝成高压液体；通过节流装置，液体工质产生阻塞效应，降低了压力和温度，成为低压低温液体，再度进入蒸发器中吸收二级出水的热量，形成热泵循环。经热泵回收热量后的出水排放至水体或回用。
污水处理过程中产生的污泥进入厌氧反应器，污泥消化反应生成沼气，经沼气收集器收集后用于烘干污泥或驱动曝气鼓风机。消化后的污泥通过机械脱水、烘干等一系列过程后获得干化污泥，可用作优质肥料用于绿化和农田代替化肥，也可用作固体燃料。
二级出水的水质和水温是影响水源热泵机组经济运行的主要因素，涉及到热泵内换热器的形式和材质的确定，解决好换热器表面结垢、阻塞、腐蚀等问题，以取得最佳换热效率；污泥含水率、厌氧反应器操作温度及消化时间则影响污泥稳定化效果。本发明中，根据污泥产品的要求以及后续处理处置方法的不同，各参数选取范围如下：厌氧反应器加热温度为中温消化35℃，高温消化55℃，消化时间15天。热泵的冷凝温度75℃左右，蒸发温度10℃左右，性能系数3.0～4.0。
系统中各参数可根据污水处理厂实际运行情况和能量衡算结果进行调节，在具体实施过程中，可以对本发明中参数的选择做出一些适当的改变。
本发明可用于城市污水处理厂生成污泥的稳定化，为污泥后续的减量化和资源化处置提供基础，同时实现水、热、能的优化配置。还可以用于除城市污水厂外的其它污水处理厂。
实施例：
一个规模为10,000t/d的污水处理厂，产生含水率96％的污泥约36m3，二级出水水温为18℃，污泥中温(约35℃)厌氧消化所需热量为3.024×106kJ，热泵能从二级出水中提取的热量为140×106kJ(假设水温降低5℃)，假设热泵为污泥消化提供能量的转换效率是80％，由上述数据可看出，热泵吸收污水废热产生的热量能够远远满足污泥厌氧消化所需要的热量。同时，结余下来的污泥厌氧消化产生的沼气可用于烘干污泥和/或驱动曝气鼓风机。
已有资料表明，城市污水处理厂电耗约占总能耗的60％～90％，污水生物处理电能消耗(主要用于曝气供氧)占总电耗的50％～70％，污泥处理电耗占总电耗的10％～25％，可见将热泵技术与污泥厌氧消化技术集成，不但能实现污水处理厂内部水、热、能的优化配置，更可实现污水处理厂大幅度的节能降耗。

Claims (3)

1.一种水源热泵和污泥厌氧消化集成方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将污水经深度处理得到的二级出水送入水源热泵，利用水源热泵回收二级出水的热能，产生热水，作为厌氧反应器的热源；
2)经污水处理产生的污泥进入厌氧反应器，厌氧消化过程中产生的沼气经收集后用于烘干污泥或驱动曝气鼓风机；
3)从厌氧反应器出来的污泥经机械脱水进入烘干机，经干化后的污泥作为肥料或固体燃料。
2.如权利要求1所述的水源热泵和污泥厌氧消化集成方法，其特征在于：水源热泵的进口温度在10～35℃变化。
3.一种实施如权利要求1所述方法的水源热泵和污泥厌氧消化集成系统，其特征在于：该系统含有厌氧反应器，沼气收集器，曝气鼓风机、烘干机、污水深度处理设备，水源热泵以及机械脱水设备；所述的厌氧反应器的顶部沼气出口管与沼气收集器连接，沼气收集器通过管道分别与曝气鼓风机和烘干机连接；厌氧反应器的污泥出口管依次与机械脱水设备和烘干机连接；水源热泵蒸发器换热介质侧与污水深度处理设备的出水管连接，水源热泵冷凝器的换热介质侧与厌氧反应器连接。
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