CN102276105B - 一种兼具能源和有价值物质回收的低碳低污染物排放的污水处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种兼具能源和有价值物质回收的低碳、低污染物排放的污水处理系统，由污水一级处理系统、污水分离高倍浓缩系统、集水池、厌氧消化系统、液体复合肥料制作系统、大气污染控制系统、能源回收利用系统和深度处理系统组成；本发明专利具有污水的净化、能源和有价值物质的高效回收、低大气污染物排放的功效，可用于市政污水、小区乡镇污水、养殖污水和部分工业污水的高效率处理。
Description
技术领域：
本发明涉及一种污水处理系统，特别涉及一种兼具能源和有价值物质回收的低碳低污染物排放的污水处理系统。
背景技术：
水资源短缺、水和水环境污染、二氧化碳等温室气体排放造成的危害性气候以及能源短缺是人类面临的几个十分重要的问题，一方面随着人口的增加人均水资源、能源越来越缺少，另一方面随着人类活动范围越来越广、深度越来越深，水环境和大气环境的污染越来越严重。为了解决上述问题，人类经过上百年探索努力，在污水处理和大气治理方面已取得了巨大的成就，但是随着人类对自然认识的加深，人们认识到现有的污水处理技术在很多方面并不符合节能环保、循环经济和可持续发展的要求，以城镇污水处理为例具体表现在以下几个方面：
1、存在较为严重的二次污染物排放。
现有的污水处理系统除存在污泥产生二次污染物排放外，还普遍存在二氧化碳等温室气体排放，据有关专家报告指出城镇污水处理，每处理一顿污水向大气排放0.29Kg二氧化碳。
2、污水中所含的可利用能源利用率低。污水中所含的可利用能源主要存在于以下两个方面：(1)污水中有机物质所含的能源。(2)污水温度与环境温度差所形成的可利用能源。
在现有污水处理过程中污水中有机物所含能量很大一部分被生物氧化所消耗，虽然污泥厌氧处理和污泥焚烧可回收一部分能量，但这只是污水中有机物所含能量的一小部分而。仅就污泥燃烧热值看，经生物氧化的消化污泥其燃烧热值仅为未经生物氧化的生污泥的1/2。在城镇污水处理中，由于污水的浓度很低，水体很大，所以，不能直接用厌氧消化处理产生沼气，一般只对污泥进行厌氧处理，但是对污泥进行厌氧处理也存在着以下问题：(1)、污泥的浓度也较低，污泥体量大，要求沼气池的体积大，导致建设成本高，另外，中温、高温沼气发酵效率最好，但对低浓度污泥加温时，大体量的污泥加温能耗很大，很不经济。(2)、污水经生物处理后产生的活性污泥很多有机质已被消耗，因此活性污泥厌氧处理的沼气产量比未经生物氧化处理的生污泥的沼气产量低很多。
由于(1)、冬季采暖时和夏季制冷时，污水温度与室外环境温度的差值较大且较为稳定。(2)、污水水体很大，所以污水具有很高的能源利用价值，这也为热泵技术的应用提供了良好的空间，目前用污水提供热源或冷源，利用热泵供暖或供冷的技术已应用于生活场所和办公场所。然而，在污水非常集中的污水处理厂，在现有的污水处理工艺面前，热泵技术的应用却遇到了障碍：在冬季，热泵热交换装置于曝气前会使污水温度降低不利于后面的有机物生物氧化，置于曝气后，污水温度经过曝气水温降低能量回收价值降低。
3、污水中可回收利用的物质利用率低。污水中含有大量的含氮、磷和有机质，这些物质本来可以作为很好的有机肥料加以利用的，而在现有的污水处理过程中，氮被还原成氮气、碳被转化成二氧化碳排入大气。在现有的污水处理工艺中，虽然，厌氧工艺可回收一部氮、磷、有机质并以沼渣、沼液的形式生产肥料，但是，由于城镇污水浓度低且不稳定，所以，厌氧工艺仅在极少数污水处理厂用于污泥的消化处理，且经济效益并不好。
4、存在大气污染。现有的污水处理工艺(包括目前最先进的MBR工艺)大都采用曝气技术，在曝气过程中污水中的臭气会排放到大气中污染大气。
发明内容：
本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种兼具能源和有价值物质回收的低碳低污染物排放的污水处理系统，该系统具有污水的净化、能源和有价值物质的高效回收、低大气污染物排放的功效，可用于市政污水、小区乡镇污水、养殖污水和部分工业污水的高效率处理。
本发明的优点是：
1、污水中的有机物在生物氧化、厌氧消化前通过污水分离高倍浓缩系统进行了高效截留和高倍浓缩，因此避免了曝气产生的污水与环境的温度差的降低，可以有效地保持污水因与环境的温度差而具有的热能和冷能。另外，由于换热器置于污水分离高倍浓缩系统之后，经污水分离高倍浓缩系统的污水水质好，可降低因结垢导致的换热器换热效率的下降。
2、由于是将经过污水一级处理系统和污水分离高倍浓缩系统处理后产生的高浓度污水或污泥进行了两级厌氧消化，可大大降低建设成本和中高温厌氧消化时污水或污泥加热的能源消耗成本。
3、污水中的氮、磷在污水高倍浓缩时被高效截留，在两级厌氧消化过程中大多数被保留在沼渣和沼液中并制成固体肥料、液体肥料进行再利用。
4、无曝气产生的臭气污染，保护了环境。
本发明采用超重力膜分离技术作为污水分离高倍浓缩系统的核心技术时的工作原理是：经污水一级处理的污水经保安过滤一进入超重力膜分离机进行膜分离浓缩其透过液进入集水池、其截留液与经粉碎的污水一级处理产生的污泥、保安过滤一产生的截留物、深度处理产生的污泥一同进入一级厌氧消化装置、二级厌氧消化装置，一级厌氧消化装置、二级厌氧消化装置产生的沼液经保安过滤二进入膜过滤器、膜过滤器、保安过滤二的截留液返回到一级厌氧消化装置，膜过滤器的透过液可进入到配料混合池一，也可经膜浓缩器浓缩后进入到配料混合池二，一级厌氧消化装置、二级厌氧消化装置产生的沼气经脱硫脱水装置进入燃气锅炉、沼气发电机，燃气锅炉、沼气发电机产生的烟气经热交换器进入到尾气吸收装置，尾气吸收装置产生的吸收液和脱硫脱水产生的残液进入到配料混合池一、配料混合池二，尾气吸收装置产生的尾气进入到超重力膜分离机后排空，集水池内装有的换热器通过给水管、回水管与水源热泵相连，水源热泵产生的热水和燃气锅炉产生的热水、热交换器产生的热水一同进入热水池，水源热泵产生的冷水进入冷水池，一级厌氧消化内装有泥浆热交换器，热水池的热水经泥浆热交换器换热后进入到燃气锅炉。
本发明采用磁分离技术作为污水分离高倍浓缩系统的核心技术时的工作原理是：经污水一级处理的污水经反应池、沉淀池进入磁过滤器，经磁过滤器分离的污水可达到二级以上的排放要求，磁过滤器产生的截留物经磁鼓分离器分离出的磁加载物进入反应池重复利用，经磁鼓分离器产生的高浓度污泥和经粉碎的污水一级处理产生的污泥、深度处理产生的污泥一同进入一级厌氧消化装置、二级厌氧消化装置，一级厌氧消化装置、二级厌氧消化装置产生的沼液经保安过滤二进入膜过滤器、膜过滤器、保安过滤二的截留液返回到一级厌氧消化装置，膜过滤器的透过液可进入到配料混合池一，也可经膜浓缩器浓缩后进入到配料混合池二，一级厌氧消化装置、二级厌氧消化装置产生的沼气经脱硫脱水装置进入燃气锅炉、沼气发电机，燃气锅炉、沼气发电机产生的烟气经热交换器进入到尾气吸收装置，尾气吸收装置产生的吸收液和脱硫脱水产生的残液进入到配料混合池一、配料混合池二，尾气吸收装置产生的尾气排空，集水池内装有的换热器通过给水管、回水管与水源热泵相连，水源热泵产生的热水和燃气锅炉产生的热水、热交换器产生的热水一同进入热水池，水源热泵产生的冷水进入冷水池，一级厌氧消化内装有泥浆热交换器，热水池的热水经泥浆热交换器换热后进入到燃气锅炉。
附图说明：
图1是以超重力膜分离机作为污水分离和高倍浓缩的一种兼具能源和有价值物质回收的低碳低污染物排放的污水处理系统的系统图。
图2是以磁分离技术作为污水分离和高倍浓缩的一种兼具能源和有价值物质回收的低碳低污染物排放的污水处理系统的系统图。
具体实施方式：
如图1所示：一种兼具能源和有价值物质回收的低碳、低污染物排放的污水处理系统，其特征在于：由污水一级处理系统、污水分离高倍浓缩系统、集水池、厌氧消化系统、液体复合肥料制作系统、大气污染控制系统、能源回收利用系统和深度处理系统组成；其中：污水分离高倍浓缩系统的进口与污水一级处理系统的一个出口连接，污水分离高倍浓缩系统的一个出口与集水池的进口相连，另一个出口与厌氧消化系统的进口连接，污水一级处理系统的另一个出口还与厌氧消化系统的进口连接；厌氧消化系统由一级厌氧消化池、二级厌氧消化池和沼渣脱水池依次连接组成；液体复合肥料制作系统由保安过滤器二、膜过滤器、膜浓缩器、配料混合池一和配料混合池二组成，保安过滤器二的一个出口与一级厌氧消化池的另一个进口连接，保安过滤器二的另一个出口与膜过滤器的进口相连，膜过滤器的一个出口与配料混合池一的进口连接，另一个出口与膜浓缩器的进口相连，膜浓缩器的出口与配料混合池二的进口连接；大气污染控制系统由脱硫脱水装置和尾气吸收装置组成，脱硫脱水装置的进口与一级厌氧消化装置和二级厌氧消化装置的出口连接，脱硫脱水装置的一个出口与配料混合池一、配料混合池二连接；能源回收利用系统由燃气锅炉、沼气发电机、热交换器、热水池、水源热泵和冷水池组成，燃气锅炉和沼气发电机的进口各自与脱硫脱水装置的另一出口连接，燃气锅炉和沼气发电机的各自的一个出口均与热交换器的进口连接，热交换器的一个出口与尾气吸收装置的进口连接，尾气吸收装置的一个出口与超重力膜分离机连接，另一个出口与配料混合池一、配料混合池二连接；热交换器的另一出口与热水池的进口相通，热水池的一组进口和出口与水源热泵的出口和进口答应连接，水源热泵进口和出口与冷水池出口和进口对应连接。
上述污水分离高倍浓缩系统由保安过滤器一、超重力膜分离机和消泡池依次连接组成，保安过滤器一的进口与污水一级处理系统的输出端连接，超重力膜分离机的一个输出端与集水池连接，另一个输出端与消泡池连接，消泡池的输出端与一级厌氧消化池连接。
上述上述污水分离高倍浓缩系统由反应池、沉淀池、磁过滤器和磁鼓分离器依次组成，其中：磁过滤器的一个输出端与集水池连接；磁鼓分离器的一个出口与一级厌氧消化池连接。
上述集水池内装有换热器。
上述集水池内安换热器进口和出口与水源热泵的出口和进口对应连接。
本发明的工作过程是：经市政污水管网收集的城镇污水进入污水一级处理后经保安过滤一后进入超重力膜分离机进行膜分离，膜分离的透过液进入集水池，进入集水池的经膜分离处理的污水已经达到二级排放和农田灌溉水的质量要求，可作为中低级别用水，对于高级别用水需经深度处理，根据高级别用水的质量要求可选用不同的处理工艺；膜分离的截留液和深度处理产生的污泥、保安过滤一产生的截留物以及经粉碎的污水一级处理产生的污泥、经消泡池消泡的消泡液一同进入一级厌氧消化装置。保安过滤一是为了防止大颗粒物质进入超重力膜分离机损坏分离膜，超重力膜分离机通入空气(通气量很小对透过液水温影响很小)可脱出透过液中的残留气味、增加透过液的含氧量、使透过液产生气泡实现透过液的泡沫分离从而进一步分离出透过液中的洗涤剂成分、微小颗粒物和金属离子，超重力膜分离机中通入尾气吸收产生的尾气除了可产生通入空气产生的效果外，还可以让透过液进一步吸收尾气中的二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等温室气体。由于超重力膜分离可实现污水中有机物的高效截留和高倍浓缩，所以，污水经污水一级处理、保安过滤一、超重力膜分离污水中的有机物除了部分可溶解的有机物外大多数被保留在截留物(液)、污泥中，作为厌氧消化的进料其浓度很高，体积很小。
污泥经一级厌氧消化装置和二级厌氧消化装置处理后转化为沼气、沼渣和沼液。沼渣经沼渣脱水产生的脱水沼渣可作为固体肥料用于林木的施肥，沼渣的脱出水返回到一级厌氧消化。沼液进入到保安过滤二和膜过滤器，保安过滤二和膜过滤器的截留液返回到一级厌氧消化装置，这样可以保持厌氧消化的有益菌的浓度，有利于厌氧消化的效率提高，膜过滤器的透过液可进入配料混合池一与添加剂、尾气吸收装置的吸收液、脱硫脱水装置产生的残液混合制成复合液体肥料，也可以进入到膜浓缩，经膜浓缩器产生的浓缩液进入配料混合池二与添加剂、尾气吸收装置的吸收液、脱硫脱水装置产生的残液混合制成高浓度复合液体肥料。
集水池中装有换热器，冬季集水池里水温高于室外空气温度，集水池里的水具有热能，通过给水管和回水管集水池里的热能源源不断地传递给水源热泵，水源热泵提升热水池回水的温度，将热水池的水不断加热。夏季集水池里的水的温度低于室外空气温度，集水池里的水具有冷能，同样，水源热泵能将集水池里的水的冷能提升以冷水的形式储存在冷水池中。
在冬季当水温较低时生物氧化效率很低，所以，当深度处理采用生物氧化的工艺时其进水应取自超重力膜分离机的出水端。
一级厌氧消化装置和二级厌氧消化装置产生的沼气经脱硫脱水装置后进入燃气锅炉和沼气发电机，燃气锅炉产生的热水进入热水池，沼气发电产生的电能可供污水处理厂自用。燃气锅炉和沼气发电机产生的尾气经热交换器进行热交换，热交换器产生的热水进入热水池。
经热交换器换热后的尾气进入尾气吸收装置，尾气吸收装置内加入吸收剂，尾气吸收产生的吸收液加入到配料混合池一和配料混合二，尾气吸收装置产生的尾气经超重力膜分离机进一步吸收温室气体后排空。经此工艺过程本发明专利涉及的污水处理系统可最大限度地降低温室气体的排放。
冷水池的冷水可用于夏季的空调制冷，热水池的热水进入泥浆热交换器给一级厌氧消化装置中的污泥加热可实现中温、高温厌氧消化，其回水进入燃气锅炉加热后进入热水池。热水池中的热水也可用于冬季的室内采暖。
上述超重力膜分离机可采用专利1、一种在超重力条件下工作的膜组件ZL200820141700.2；2、依靠刚性可转动桶体作支撑在超重力条件下工作的膜组件ZL200810054213.7；3、超重力膜分离机ZL200920096834.1；4、旋转离心超重力膜分离机ZL 200910068949.4；5、一种在超重力条件下工作的膜分离机ZL200920098497.4；6、由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机ZL200910070253.5。
如图2所示：经市政污水管网收集的城镇污水进入污水一级处理后经反应池、沉淀池、磁过滤器进入集水池；磁过滤器产生的截留物和沉淀池产生的沉淀进入磁鼓分离器，磁鼓分离器分离出的磁加载物返回到反应池，反应池内加入混凝剂和助凝剂，磁鼓分离器产生的高浓度污泥和经粉碎的污水一级处理产生的污泥、深度处理产生的污泥一同进入一级厌氧消化池。磁分离器处理过的污水进入集水池，进入集水池的经磁过滤器处理的污水已经达到二级排放和农田灌溉水的质量要求，可作为中低级别用水，对于高级别用水需经深度处理，根据高级别用水的质量要求可选用不同的处理工艺。
污泥经一级厌氧消化池和二级厌氧消化池处理后转化为沼气、沼渣、沼液。沼渣经沼渣脱水产生的脱水沼渣可作为固体肥料用于林木的施肥，沼渣的脱出水返回到一级厌氧消化池。沼液进入到保安过滤器2和膜过滤，保安过滤器2和膜过滤的截留液返回到一级厌氧消化池(这样可以保持厌氧消化的有益菌的浓度，有利于厌氧消化的效率提高)，膜过滤的透过液可进入配料混合池1与添加剂、尾气吸收的吸收液、脱硫脱水产的残液混合制成复合液体肥料，也可以进入到膜浓缩，经膜浓缩产生的浓缩液进入配料混合池2与添加剂、尾气吸收的吸收液、脱硫脱水产生的残液混合制成高浓度复合液体肥料。
集水池中装有换热器，冬季集水池里的水的水温高于室外空气温度，集水池里的水具有热能，通过给水管、回水管，集水池里的热能源源不断地传递给水源热泵，水源热泵提升热水池回水的温度将热水池的水不断加热。夏季集水池里的水的温度低于室外空气温度，集水池里的水具有冷能，同样，水源热泵能将集水池里的水的冷能提升以冷水的形式储存在冷水池中。
在冬季当水温较低时生物氧化效率很低，所以，当深度处理采用生物氧化工艺时，其进水应取自磁过滤器的出水端。
一级厌氧消化池和二级厌氧消化池产生的沼气经脱硫脱水后进入燃气锅炉和沼气发电机，燃气锅炉产生的热水进入热水池，沼气发电产生的电能可供污水处理厂自用。燃气锅炉和沼气发电机产生的尾气进入热交换器进行热交换，热交换器产生的热水进入热水池。
经热交换器换热后的尾气进入尾气吸收，尾气吸收装置内加入吸收剂，尾气吸收产生的吸收液加入到配料混合池1和配料混合池2，尾气吸收装置产生的尾气排空。经此工艺过程本发明专利涉及的污水处理系统可最大限度地降低温室气体的排放。
冷水池的冷水可用于夏季的空调制冷，热水池的热水进入泥浆热交换器给一级厌氧消化池中的污泥加热，可实现中温、高温厌氧消化，其回水进入燃气锅炉加热后进入热水池。热水池中的热水也可用于冬季的室内采暖。
由于以上两个应用实例均未采用曝气工艺，所以不会产生因曝气而产生大气污染。
Claims (4)
1.一种兼具能源和有价值物质回收的低碳、低污染物排放的污水处理系统，其特征在于：由污水一级处理系统、污水分离高倍浓缩系统、集水池、厌氧消化系统、液体复合肥料制作系统、大气污染控制系统、能源回收利用系统和深度处理系统组成；其中：污水分离高倍浓缩系统的进口与污水一级处理系统的一个出口连接，污水分离高倍浓缩系统的一个出口与集水池的进口相连，另一个出口与厌氧消化系统的进口连接，污水一级处理系统的另一个出口还与厌氧消化系统的进口连接；厌氧消化系统由一级厌氧消化池、二级厌氧消化池和沼渣脱水池依次连接组成；液体复合肥料制作系统由保安过滤器二、膜过滤器、膜浓缩器、配料混合池一和配料混合池二组成，保安过滤器二的一个出口与一级厌氧消化池的另一个进口连接，保安过滤器二的另一个出口与膜过滤器的进口相连，膜过滤器的一个出口与配料混合池一的进口连接，另一个出口与膜浓缩器的进口相连，膜浓缩器的出口与配料混合池二的进口连接；大气污染控制系统由脱硫脱水装置和尾气吸收装置组成，脱硫脱水装置的进口与一级厌氧消化装置和二级厌氧消化装置的出口连接，脱硫脱水装置的一个出口与配料混合池一、配料混合池二连接；能源回收利用系统由燃气锅炉、沼气发电机、热交换器、热水池、水源热泵和冷水池组成，燃气锅炉和沼气发电机的进口各自与脱硫脱水装置的另一出口连接，燃气锅炉和沼气发电机的各自的一个出口均与热交换器的进口连接，热交换器的一个出口与尾气吸收装置的进口连接，尾气吸收装置的一个出口与超重力膜分离机连接，另一个出口与配料混合池一、配料混合池二连接；热交换器的另一出口与热水池的进口相通，热水池的一组进口和出口与水源热泵的出口和进口对应连接，水源热泵进口和出口与冷水池出口和进口对应连接；
上述污水分离高倍浓缩系统由保安过滤器一、超重力膜分离机和消泡池依次连接组成，保安过滤器一的进口与污水一级处理系统的输出端连接，超重力膜分离机的一个输出端与集水池连接，另一个输出端与消泡池连接，消泡池的输出端与一级厌氧消化池连接；
上述深度处理系统的进口与集水池的出口和超重力膜分离机的出口连接。
2.一种兼具能源和有价值物质回收的低碳、低污染物排放的污水处理系统，其特征在于：由污水一级处理系统、污水分离高倍浓缩系统、集水池、厌氧消化系统、液体复合肥料制作系统、大气污染控制系统、能源回收利用系统和深度处理系统组成；其中：污水分离高倍浓缩系统的进口与污水一级处理系统的一个出口连接，污水分离高倍浓缩系统的一个出口与集水池的进口相连，另一个出口与厌氧消化系统的进口连接，污水一级处理系统的另一个出口还与厌氧消化系统的进口连接；厌氧消化系统由一级厌氧消化池、二级厌氧消化池和沼渣脱水池依次连接组成；液体复合肥料制作系统由保安过滤器二、膜过滤器、膜浓缩器、配料混合池一和配料混合池二组成，保安过滤器二的一个出口与一级厌氧消化池的另一个进口连接，保安过滤器二的另一个出口与膜过滤器的进口相连，膜过滤器的一个出口与配料混合池一的进口连接，另一个出口与膜浓缩器的进口相连，膜浓缩器的出口与配料混合池二的进口连接；大气污染控制系统由脱硫脱水装置和尾气吸收装置组成，脱硫脱水装置的进口与一级厌氧消化装置和二级厌氧消化装置的出口连接，脱硫脱水装置的一个出口与配料混合池一、配料混合池二连接；能源回收利用系统由燃气锅炉、沼气发电机、热交换器、热水池、水源热泵和冷水池组成，燃气锅炉和沼气发电机的进口各自与脱硫脱水装置的另一出口连接，燃气锅炉和沼气发电机的各自的一个出口均与热交换器的进口连接，热交换器的一个出口与尾气吸收装置的进口连接，尾气吸收装置的一个出口与超重力膜分离机连接，另一个出口与配料混合池一、配料混合池二连接；热交换器的另一出口与热水池的进口相通，热水池的一组进口和出口与水源热泵的出口和进口对应连接，水源热泵进口和出口与冷水池出口和进口对应连接；
上述污水分离高倍浓缩系统由进行混凝反应的反应池、沉淀池、磁过滤器和磁鼓分离器依次组成，其中：磁过滤器的一个输出端与集水池连接；磁鼓分离器的一个出口与一级厌氧消化池连接；
上述深度处理系统的进口与集水池的出口和超重力膜分离机的出口连接。
3.根据权利要求1或2所述的兼具能源和有价值物质回收的低碳、低污染物排放的污水处理系统，其特征在于：上述集水池内装有换热器。
4.根据权利要求1或2所述的兼具能源和有价值物质回收的低碳、低污染物排放的污水处理系统，其特征在于：上述集水池内安换热器进口和出口与水源热泵的出口和进口对应连接。
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