CN102910782B - 一种高效节能的降解污水的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效节能的降解污水的系统，厌氧消化生物反应单元降解污水生成沼液和沼气，沼液和污水进行热交换以加热污水，沼气用以发电以产生电能和热量，该热量进一步加热污水，使污水的温度满足高温反应要求，该电能用于电催化氧化降解沼液，系统无需另外消耗外部能量加热污水和为电催化氧化降解提供电能，能实现以污水产生的能量治理污水，污水降解高效节能，系统能持续运转；而且，该系统集成化、自动化程度高，可大量节省土地资源。

Description

一种高效节能的降解污水的系统

技术领域

本发明涉及一种高效节能的降解污水的系统。

背景技术

污水的降解系统，一般包括厌氧消化生物反应器和降解机构。

该厌氧消化生物反应器分为高温厌氧消化生物反应器和普通（中温、常温）厌氧消化生物反应器两类。高温厌氧消化生物反应器，由于污水温度需达至53-55度，因此它虽具有有机负荷高，水力停留时间短，占地面积少，处理污水量大的优点，但是需外加能耗来提升待处理污水的温度至53-55度，能耗成本高。该普通厌氧消化生物反应器，污水温度高于15度以上即可厌氧消化反应，它消化反应效率低，且受各种气候影响，在15度以下的4-6个月时间里几乎不起作用。

该降解机需外加能耗来实现降解。

综上所述，现有的污水降解系统，要么需要外加补充能耗，要么不能在各种气候条件下持续运转。因此寻找一种以污水降解产生的能量维持系统持续运行的方法成了目前最紧迫需要解决的难题。

发明内容

本发明提供了一种高效节能的降解污水的系统，其克服了背景技术中的高温厌氧消化生物反应系统所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：

一种高效节能的降解污水的系统，包括：

高温厌氧消化生物反应单元（B），用于在高温环境中降解污水以产生沼气和沼液，且设一沼气出口、一沼液出口和一原液进口；

高效热能回收装置（A），包括多个热交换单元和一个保温单元，该保温单元连接多个热交换单元以使多个热交换单元相隔开且独立保温；该热交换单元设排放流体流道和加热流体流道，每相邻两热交换单元间设第一连通道和第二连通道，该第一连通道连通相邻两热交换单元的排放流体流道，该第二连通道连通相邻两热交换单元的加热流体流道，以将该多个热交换单元串联接通，使该些排放流体流道和第一连通道组成沼液通道，使该些加热流体流道和第二连通道组成原液通道；该沼液通道一端接沼液出口，该原液通道一端接污水源，该排放流体流道的沼液和加热流体流道的污水进行热交换，以加热污水；

发电装置（D），包括沼气发电机和加热管，该沼气发电机连接沼气出口以通过沼气发电，该加热管连接原液通道另一端和原液进口，利用沼气发电机发电过程中产生的热量加热加热管内的污水；及

电催化氧化反应单元（C）,连接沼液通道另一端和沼气发电机，电催化氧化反应单元（C）接收沼气发电机发出的电能以降解沼液。

一较佳实施例之中：该电催化氧化反应单元（C）包括一容器和一连接容器的电催化氧化反应机构，该容器设进口和出口，该进口连接沼液通道另一端，该电催化氧化反应机构连接沼气发电机以获得电能。

一较佳实施例之中：该高效热能回收装置（A）的原液通道和污水源间设一过滤器。

一较佳实施例之中：该高温厌氧消化生物反应单元（B）包括一壳体单元和一悬浮生物滤料层，该壳体单元内具有反应腔，该沼气出口设在壳体单元顶部，该沼液出口设在壳体单元上部，该原液进口设在壳体单元底部，该悬浮生物滤料层设在反应腔中部且位于原液进口和沼液出口之间。

一较佳实施例之中：该壳体单元包括一基体，该基体外包保温壳，该基体内壁加衬防腐层。

一较佳实施例之中：该高温厌氧消化生物反应单元（B）还包括一生物滤膜层和一固液气三相分离器；该生物滤膜层位于悬浮生物滤料层和沼液出口之间，该沼液出口设在生物滤膜层和液面之间；该固液气三相分离器包括一椎体壳，该锥体壳顶部贯穿且贯穿处的周缘向上延伸成管道，该管道至下而上穿过生物滤膜层且顶端不低于液面。

一较佳实施例之中：该壳体单元内壁设环凸，该环凸位于椎体壳和悬浮生物滤料层之间。

一较佳实施例之中：该高温厌氧消化生物反应单元（B）还包括一流化循环机构，它包括一循环管道和一连接循环管道的循环泵，该循环管道一端接通反应腔之位于悬浮生物滤料层之上的位置，另一端接通反应腔之位于悬浮生物滤料层之下的位置。

一较佳实施例之中：该高温厌氧消化生物反应单元（B）还包括一均流板，该均流板设在壳体单元的反应腔底部且高于原液进口，该均流板开设有多个均匀间隔的通孔。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

厌氧消化生物反应单元降解污水生成沼液和沼气，沼液和污水进行热交换以加热污水，沼气用以发电以产生电能和热量，该热量进一步加热污水，使污水的温度满足高温反应要求，该电能用于电催化氧化降解沼液，系统无需另外消耗外部能量加热污水和为电催化氧化降解提供电能，能实现以污水产生的能量治理污水，污水降解高效节能，系统能持续运转；而且，该系统集成化、自动化程度高，可大量节省土地资源。

多个热交换单元相隔开且独立保温，通过多个热交换单元实现分步骤的独立的、隔温的热交换，降低热交换单元中的沼液和污水间的温度差，以提高热能回收效率，且使污水加热温度高，实现节能减排的最佳效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1绘示了一较佳实施例的系统的示意图。

图2绘示了一较佳实施例的高效热能回收装置的原理图。

图3绘示了一较佳实施例的高效热能回收装置的结构示意图。

图4绘示了另一较佳实施例的高效热能回收装置的结构示意图。

图5绘示了另一较佳实施例的热交换单元的结构示意图。

具体实施方式

请查阅图1，一种高效节能的降解污水的系统，包括高温厌氧消化生物反应单元B、发电装置D、电催化氧化反应单元C和高效热能回收装置A。

该高温厌氧消化生物反应单元B，用于在高温环境中降解污水以产生沼气和沼液，且设一沼气出口101、一沼液出口102和一原液进口103。本实施例之中，该反应器100包括一壳体单元、一悬浮生物滤料层104、一生物滤膜层105、一固液气三相分离器106、一流化循环机构和一均流板107。

该壳体单元包括一基体108，该基体108外包保温壳109，该基体108内壁加衬防腐层。该壳体单元内具有反应腔，该沼气出口101设在壳体单元顶部，该沼液出口102设在壳体单元上部，该原液进口103设在壳体单元底部。本实施例之中，该基体108可由钢板卷制焊制而成（亦可用钢混玻璃钢等制成，材料不限）；该内衬的防腐层可采用玻璃钢；该保温壳的材料可选发泡树脂、保温岩棉、硅酸铝棉等。最好，保温壳外再用彩钢板作为外壳。

该悬浮生物滤料层104、生物滤膜层105和均流板107上下间隔设置。

该悬浮生物滤料层104设在反应腔中部；本实施例之中，该悬浮生物滤料层104包括塑料滤球和上、下耐腐蚀隔离网，该上、下耐腐蚀隔离网周缘连接在反应腔内壁，该塑料滤球填充在上、下耐腐蚀隔离网间，且，该滤料层厚度在500mm-2000mm之间，塑料滤球粒径在50-100mm之间，隔离网网眼小于塑料滤球粒径。

该生物滤膜层105位于悬浮生物滤料层104和沼液出口102之间，悬浮生物滤料层104略低于液面，该沼液出口102设在生物滤膜层104和液面之间；本实施例之中，该生物滤膜层105包括塑料滤球和上、下耐腐蚀隔离网，该上、下耐腐蚀隔离网周缘连接在反应腔内壁，该塑料滤球填充在上、下耐腐蚀隔离网间，且，该滤料层厚度在100mm-1000mm之间，塑料滤球粒径在15-50mm之间，隔离网网眼小于塑料滤球粒径。

该均流板107设在壳体单元的反应腔底部且高于原液进口103，该均流板107的平面面积和反应腔的截面面积相适配，该均流板107开设有多个均匀间隔的通孔，以起到污水均匀自下而上进入反应腔的作用。本实施例之中，该均流板107材料例如塑料，玻璃钢或钛材制作。

该固液气三相分离器106包括一椎体壳，该锥体壳顶部贯穿且贯穿处的周缘向上延伸成管道110，该管道110至下而上穿过生物滤膜层105且顶端高出液面。最好，该壳体单元内壁设环凸111，该环凸111位于椎体壳和悬浮生物滤料层105之间。沼气沼液经反应从反应腔底部向上浮起，沼气被环凸111限制引入锥体壳内并从管道110排出沼液液面，随之而带起的微小污水颗粒进入滤料后再进一步生物消化，并经过滤后流出沼液出口。本实施例之中，在俯视投影中，该椎体壳和环凸部分重叠，以保证收集效果。

该流化循环机构，它包括一循环管道112和一连接循环管道的循环泵113，该循环管道112一端接通反应腔之位于悬浮生物滤料层104和环凸111之间的位置，另一端接通反应腔之位于悬浮生物滤料层104之下的位置，从高温厌氧消化生物反应单元B上部吸收液体经泵送入底部，使高温厌氧消化生物反应单元B内液体均衡消化，即起到流化床作用，又起到搅拌作用。最好，在反应腔内设一连通循环管道112下端口的分流器114，以将循环液体分流均匀。

根据需要，还可在壳体单元外设维护平台，在壳体单元底部设底部清渣口等。

请查阅图2、图3，高效热能回收装置A，包括多个热交换单元10和一个保温单元20，该多个热交换单元10的结构相同，可应用现有的热交换体。本实施例之中，图中以三个加热单元为例，但并不以此为限，根据需要，可选用5、50等等。该保温单元20连接多个热交换单元10以使多个热交换单元10相隔开且独立保温；该热交换单元10设排放流体流道11和加热流体流道12，每相邻两热交换单元10间设第一连通道31和第二连通道32，该第一连通道31连通相邻两热交换单元10的排放流体流道11，该第二连通道32连通相邻两热交换单元10的加热流体流道12，以将该多个热交换单元串联接通，使该些排放流体流道11和第一连通道31组成沼液通道，使该些加热流体流道12和第二连通道32组成原液通道；该沼液通道的进口端接沼液出口102，该原液通道进口端接污水源，该排放流体流道11的沼液和加热流体流道12的污水进行热交换，以加热污水。

本实施例之中，该装置连接沼液出口102和污水源，该多个热交换单元10连接在沼液出口102和污水源间且按首尾方式串联连接，该首尾方式串联的各个热交换单元10的温度逐渐降低，例如可将它们分为高温区、次高温区、中温区、次低温区、低温区等等。其中：1、位于最首位的热交换单元10，排放流体流道11的入口（沼液通道进口端）连接沼液出口102，此时沼液的温度为初始温度，加热流体流道12的出口（原液通道出口端）为污水排出处，此时污水的温度为终极温度；位于最尾位的热交换单元10，排放流体流道11的出口（沼液通道出口端）为沼液排出处，此时沼液的温度为终极温度，加热流体流道12的入口（原液通道进口端）接污水源，此时污水的温度为初始温度。

本实施例之中，该高效热能回收装置A的原液通道的进口端和污水源间设一过滤器A1,以使污水源通过过滤器A1后进入原液通道。

本实施例之中：该热交换单元10包括一壳体13；该多个热交换单元10的壳体13上下排列在一起，本例中以上下排列为例，但并不以此为限，根据需要也可选用水平排列，或，上下排列和水平排列相结合的排列。本实施例之中，该些壳体13上下摆列一个整体框架结构，但并不以此为限，根据需要，也可选用分体框架结构，当然了采用分体结构会加大管道连接的热能损耗，降低回收效率。该保温单元20包括外保温层21和相隔保温层22；该外保温层21包裹在该多个热交换单元10的壳体13排列在一起的框架的外围，该相隔保温层22设在上下相邻两个壳体13间，以隔开各热交换单元使热交换单元独立保温，使热交换单元间仅靠连通道相通，以防止温差干扰，影响回收效率。

该保温单元20能为第一连通道31和第二连通道32保温。本实施例之中，该第一连通道31和第二连通道32连接壳体且位于外保温层32内，通过外保温层32保温，但并不以此为限，根据需要，也可单独设置保温结构保温连通道31、32。

本实施例之中，每相邻的两热交换单元10中：该第二连通道32上端连接在上一热交换单元10的加热流体通道12的上部，下端连接在下一热交换单元10的加热流体通道12的下部；该第一连通道31上端连接在上一热交换单元10的排放流体通道11的下部，下端连接在下一热交换单元10的排放流体通道12的上部，以使得：每个热交换单元10中，排放流体通道11的沼液流向和加热流体通道12的污水流向同向。本实施例之中，该上下意思可指：按多个热交换单元首尾串联顺序。

该壳体13内具有腔体，该腔体设多个间隔排列的细管，该些细管内孔组成排放流体流道11，该些细管外壁和腔体内壁间的部分组成加热流体流道12，也既是，采用细管将沼液和污水隔开，以使它们互不渗漏和流通。该细管的结构能加大热交换面积，该细管的材料及壳体的材料可使用耐酸碱，耐腐蚀且热传导好的材料（如，石英玻璃、钛材、搞耐腐蚀不锈钢等）。

根据需要，该装置的结构可为矩形立体结构，圆柱形立体结构等，不限外形和尺寸，根据所需回收的热能而定。本实施例之中，该壳体的材料根据环境情况选用，如混凝土、钢材、不锈钢、钛材、玻璃钢、炭纤维等材料。该保温材料可选用发泡树脂、保温岩棉、硅酸铝保温棉等材料。

本实施例之中，该排放流体流道11中的沼液流量和加热流体流道12中的污水流量相等，使污水的终极温度接近沼液的初始温度，热交换效率高。本实施例之中，该加热流体源的初始温度小于沼液从尾部的一个热交换单元排出的终极温度，该小于值为0.5℃-10℃，最佳可选2-5度。

为进一步说明本发明，下面具体说明本发明的应用原理：根据温度回收的程度设n个热交换单元（n个热交换步骤或n个阶段热交换），n=（a-d）/(a-b)（取整数值），其中：a排放流体（沼液）的初始温度，d加热流体（污水）的初始温度，b加热流体的终极温度。以图1为例，n=（60-4）/（60-59）即n=56，表示设56个热交换单元，每个单元回收1℃，则排放流体的初始温度60℃，经交换后排放流体的终极温度为5℃，热能回收55℃，回收率达（c-d）/（a-d）*100%=98.214%。

该发电装置D，包括沼气发电机D1和加热管D2，该沼气发电机D1连接沼气出口101以通过沼气发电，该加热管D2连接原液通道出口端和原液进口103，利用沼气发电机D1发电过程中产生的热量加热加热管D2内的污水。本实施例之中，a、该加热管为盘状螺旋管，材料应符合耐腐蚀、高导热、坚固耐用的要求；b、该发电装置设外壳，外壳外设保温壳，使其形成保温腔体，该外壳由钢或钢混构成外层；c、该沼气发电机D1由市场采购。

该电催化氧化反应单元C，包括一容器和一连接容器的电催化氧化反应机构，该容器设进口和出口，该进口连接沼液通道出口端，该电催化氧化反应机构连接沼气发电机D1以获得电能，该电催化氧化反应机构降解沼液以生成清水，清水通过出口排出。本实施例之中，该电催化氧化反应单元可参照中国专利数据库公开的《一种用于养猪场污水降解的电催化氧化设备》、《一种光电催化氧化处理有机废水的方法》、《用于降解污水的三维电极电催化氧化反应器》、《一种电催化氧化反应器》等。

下面具体介绍本发明工作原理：污水进入高效热能回收装置A，吸收热能使自身温度升高到48-50度，再流入发电装置D，吸收热能（发电余热）使污水液温提升至53-55，再流入高温厌氧消化生物反应单元B，经生物消化反应产生沼气，沼气引入发电装置D，沼气发电机D1发电并产生热能，热能用于进一步加温污水，电能输送至电催化氧化反应单元C供降解沼液用。污水经高温厌氧消化生物反应单元B消化降解后形成沼液，此时沼液温度为53-55度，流出引入高效热能回收装置A，并将热能释放，再从单元A流出引入电催化氧化反应单元C，经电催化氧化降解后污水在无需外加能源调节下被深度降解，真正实现以污水产生的能量治理污水的目的。

下面运行参数计算依据：1、高效热能回收单元A，可回收热能90%以上，损耗热能约为5度。该5度损耗热能需要用污水生物降解产生的沼气的一部分来提升（或补充该部分损失的热能），以平均污水化学需氧量（COD）6000mg/L计算，以70%的消化转化效率计，每吨污水可产生沼气约3立方米，3立方米沼气按现有市场动力机组效率计算可发电5-6kwh，同时产生40000-43000千焦耳，全部利用可使（1吨污水温度提升10度），即使有50%以上得到利用也可以使污水提升5度以上，完全可实现维持高温厌氧消化生物反应单元的持续运行。2、沼气产生电能约1-2KWH用于供给吸污水和后续曝气等泵使用，约5-4kwh用于电催化氧化降解沼液，可降解污水中COD1000mg/L以上，污水出水COD会小于1000mg/L。该方法降解后污水只须后续简单曝气处理即可达到排放标准。

该系统内的高温厌氧消化生物反应器，高效热能回收装置、发电装置和电催化氧化反应单元由污水管道、沼液管道、沼气管道连接一起，液体管道应注意保温防止热能损耗。

另一较佳实施例，它与上一较佳实施例不同之处在于：请查阅图4和图5，该保温单元20内设多个腔体，该热交换单元10设在腔体内，而且，该保温单元20之位于每相邻两腔体间的部分设该第一连通道31和第二连通道31。

该热交换单元10的排放流体流道11和加热流体流道12设置成相隔的蛇形结构，且，腔体内和流道11、12外填充有热交换介质，通过热交换介质使排放流体流道11中的排放流体和加热流体流道12中的加热流体热交换。

本实施例之中，该热交换单元10中，排放流体流道11中的排放流体流向和加热流体流道12中的加热流体流向相反。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于：包括：

高温厌氧消化生物反应单元（B），用于在高温环境中降解污水以产生沼气和沼液，且设一沼气出口、一沼液出口和一原液进口；

高效热能回收装置（A），包括多个热交换单元和一个保温单元，该保温单元连接多个热交换单元以使多个热交换单元相隔开且独立保温；该热交换单元设排放流体流道和加热流体流道，每相邻两热交换单元间设第一连通道和第二连通道，该第一连通道连通相邻两热交换单元的排放流体流道，该第二连通道连通相邻两热交换单元的加热流体流道，以将该多个热交换单元串联接通，使该些排放流体流道和第一连通道组成沼液通道，使该些加热流体流道和第二连通道组成原液通道；该沼液通道一端接沼液出口，该原液通道一端接污水源，该排放流体流道的沼液和加热流体流道的污水进行热交换，以加热污水；

发电装置（D），包括沼气发电机和加热管，该沼气发电机连接沼气出口以通过沼气发电，该加热管连接原液通道另一端和原液进口，利用沼气发电机发电过程中产生的热量加热加热管内的污水；及

电催化氧化反应单元（C）,连接沼液通道另一端和沼气发电机，电催化氧化反应单元（C）接收沼气发电机发出的电能以降解沼液。

2.根据权利要求1所述的一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于：该电催化氧化反应单元（C）包括一容器和一连接容器的电催化氧化反应机构，该容器设进口和出口，该进口连接沼液通道另一端，该电催化氧化反应机构连接沼气发电机以获得电能。

3.根据权利要求1所述的一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于：该高效热能回收装置（A）的原液通道和污水源间设一过滤器。

4.根据权利要求1所述的一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于： 该高温厌氧消化生物反应单元（B）包括一壳体单元和一悬浮生物滤料层，该壳体单元内具有反应腔，该沼气出口设在壳体单元顶部，该沼液出口设在壳体单元上部，该原液进口设在壳体单元底部，该悬浮生物滤料层设在反应腔中部且位于原液进口和沼液出口之间。

5.根据权利要求4所述的一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于：该壳体单元包括一基体，该基体外包保温壳，该基体内壁加衬防腐层。

6.根据权利要求4所述的一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于：该高温厌氧消化生物反应单元（B）还包括一生物滤膜层和一固液气三相分离器；该生物滤膜层位于悬浮生物滤料层和沼液出口之间，该沼液出口设在生物滤膜层和液面之间；该固液气三相分离器包括一锥体壳，该锥体壳顶部贯穿且贯穿处的周缘向上延伸成管道，该管道至下而上穿过生物滤膜层且顶端不低于液面。

7.根据权利要求6所述的一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于：该壳体单元内壁设环凸，该环凸位于锥体壳和悬浮生物滤料层之间。

8.根据权利要求4所述的一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于：该高温厌氧消化生物反应单元（B）还包括一流化循环机构，它包括一循环管道和一连接循环管道的循环泵，该循环管道一端接通反应腔之位于悬浮生物滤料层之上的位置，另一端接通反应腔之位于悬浮生物滤料层之下的位置。

9.根据权利要求4所述的一种高效节能的降解污水的系统，其特征在于：该高温厌氧消化生物反应单元（B）还包括一均流板，该均流板设在壳体单元的反应腔底部且高于原液进口，该均流板开设有多个均匀间隔的通孔。 

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