CN105800874A - 城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，包括依次连接设置的有机垃圾收集池、粉碎装置、集水池、预处理池、调节加热池、IC厌氧反应器、厌氧池、I级好氧反应池、II级好氧反应池、沉淀池及膜处理设备，所述IC厌氧反应器包括罐体，所述罐体内由从下到上依次连接的第一反应室和第二反应室组成，所述第一反应室和第二反应室之间设置有射流曝气搅拌器，所述IC厌氧反应器底部设置有底部排泥管，所述第一反应室内底部设置有进料管和搅拌涡轮，所述搅拌涡轮设置在进料管的上方，所述第二反应室内并排设置内循环回流管和内循环升流管，本发明适用于农村及小城镇，经济、高效、节能和简便易行。

Description

城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统
技术领域
本发明涉及污水垃圾处理技术领域，具体涉及城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统。
背景技术
目前我国各种规模和性质的小城镇已近50000个，我国的城镇化率2011年已过50％，有专家预测：未来10年将有1.5-2亿农村人口转移到城市，2020年我国的城市化率将达到63-65％，我国的城市化进程已经进入了经济发展规律上的高速增长期。
据统计：目前全国年排污量约为350亿立方米，但城市污水集中处理率已达80％以上，全国超过95％的县域小城镇和村屯污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体，使得原本具有泄洪和美化景观作用的河渠变成了天然污水渠并直接污染了归流的江川湖海。特别是在全国2200座县城与19200个建制镇中，污水排放量约占全国污水排放总量的一半以上。
我国的小城镇基本上没有污水和生活垃圾集中处理设施，在新开发的居民小区、旅游风景点、度假村、疗养院、机场、铁路车站、经济开发小区等分散的人群聚居地，排放的污水也基本上没有处理。我国人口今后有两大发展趋势：一方面，为缓解大中城市人口压力，大中城市人口正逐渐向小城镇、小区迁移，这必将促进卫星城镇的发展；另一方面，农村大量剩余劳动力要找出路，这也促进了农村人口城镇化、小区化。随着这一趋势的发展，今后我国80％以上的生活污水、垃圾将来自小城镇、小区。所以，因地制宜的建设一大批各种类型的小城镇、小区的生活污水、垃圾的集中处理工程势在必行。然而这将给经济实力不强、资源有限、受各种自然条件约束的小城镇政府和人民增加一定的负担。总之，小城镇、小区的生活污水、垃圾能否处理好，能否找到高效、低投入、有利于修复生态系统和资源循环利用并可节能减排的污水、垃圾处理的环保新技术，将直接关系到当地的经济和人民的生活水平的提高，关系到我国环境状况和可持续发展战略。
针对目前的实际情况，国家提出了至2015年要求设市城市污水处理率不低于60％，建制镇污水处理率不低于50％的目标，因此，未来一段时间内我国污水处理事业将是大城市和广大中小城市(镇)并举。
农村的垃圾污染问题也对生态环境造成了严重的破坏。现时全国95％以上的村屯和城镇垃圾得不到有效处理，田野，河滩，街头垃圾成堆，土法焚烧垃圾造成黑烟、雾霾笼罩，二次污染触目惊心。农村缺少日处理规模50吨以下，能满足国家标准的垃圾处理工艺和成套设备，使垃圾处理达到资源化、减量化、无害化的环保目标。为此，国家在“十三.五”提出了2020年农村垃圾处理率要达到90％的环保目标。
以上这些因素就决定了应用于中小城市(镇)的污水、垃圾处理技术首先必须经济、高效、节省能耗和简便易行。因此，研究和开发对传统工艺的改造和替代的新工艺，发展具有独立自主知识产权的、能使污染物处理后达到资源化、减量化、无害化的污水、垃圾处理技术，是我国当前治理环境污染领域的一项重要任务。结合小城镇的实际情况，确定走简易、高效率、低能耗的技术路线符合我国的国情。目前在高效率低能耗污水、垃圾处理技术方面的研究已取得了不少进展，也开发出了一些经济实用的污水、垃圾处理技术。
发明内容
本发明为了解决上述现有的技术缺点，提供适用于农村及小城镇，经济、高效、节能和简便易行的城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统。
为实现上述目的，本发明提供城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，包括依次连接设置的有机垃圾收集池、粉碎装置、集水池、预处理池、调节加热池、IC厌氧反应器、厌氧池、I级好氧反应池、II级好氧反应池、沉淀池及膜处理设备，所述调节加热池还与一储热水箱连通设置，所述储热水箱还分别连接有热水器及换热器，所述热水器采用太阳能集热器进行供热，所述换热器还连通设置有沼气垃圾焚烧锅炉，该沼气垃圾焚烧锅炉通过换热器对储热水箱进行供热，所述IC厌氧反应器还连通设置有污泥池，该污泥池连接有板式过滤装置，该板式过滤装置与沼气垃圾焚烧锅炉连通设置，所述板式过滤装置还连接有堆肥反应装置，所述I级好氧反应池及II级好氧反应池均与曝气装置连通，所述沉淀池及膜处理装置均与厌氧池连通设置，所述IC厌氧反应器的沼气出口连接有机械脱水装置，所述机械脱水装置连接有沼气低压储柜，所述沼气低压储柜连接有压力储柜，所述压力储柜连接有I级膜组，所述I级膜组连接有II级膜组，所述II级膜组连接有CH4储柜，所述I级膜组和II级膜组均连接有CO2储柜。
本发明具有以下有益效果：
1、经济效益方面：采用本发明专利技术可日产沼气1540m3，提纯后日产高热量CH41002m3，按每立方米3.5元计，日产值3507元；本专利可产污泥29170kg，浓缩后(含水率90％)可得15110kg，按每吨260元计，日产值3926元；中水回用项目日产中水500吨，按每吨0.8元，则每日中水产值400元。
2、环境效益方面：餐厨垃圾的资源化处理不仅节约了能源，还减少了废气排放，当沼气全部用作燃料燃烧时，使用本工艺技术设备所产沼气而节约的标煤量可通过下式计算
年节约标准煤量＝(沼气量X沼气热值X沼气灶热效率)/(标准煤的热值X燃煤锅炉热效应)，每天处理餐厨垃圾的干物质(COD)日产量为3000kgd-1，通过计算，每年可节约782t标准煤。按每kg标准煤排放二氧化碳2.66kg，二氧化硫0.03kg计算，由于使用沼气每年的CO2减排量为2080t、SO2减排量为23t。
3、社会效益：生活垃圾(餐厨垃圾)的能源化处理旨在保护环境，提高人们的生活质量，同时实现生物质能的综合利用，建设资源节约型社会，推动循环经济的发展。它从源头杜绝困扰城市多年的“垃圾猪”和“地沟油”问题，提高食品的安全水平，有效地保护人们身体健康。我国的农田种植面积约为20多亿亩，每年需要数亿吨化肥，长期使用化肥，使土壤板结、环境退化、作物品质日趋低下。利用沼渣、沼液加工生产高效有机复合肥可以改良土壤、提高作物品质。每年把国内产生的几千万吨的餐厨垃圾转化为再生资源，就相当于节约了一笔可观的煤炭及石化资源，节能效益明显，造福于子孙后代。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构框图；
图2为本发明IC厌氧反应器结构示意图；
图3为本发明IC厌氧反应器工作原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，本发明提供城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，包括依次连接设置的有机垃圾收集池1、粉碎装置2、集水池3、预处理池4、调节加热池6、IC厌氧反应器12、厌氧池17、I级好氧反应池21、II级好氧反应池22、沉淀池24及膜处理设备28，所述调节加热池6还与一储热水箱8连通设置，所述储热水箱8还分别连接有热水器5及换热器9，所述热水器5采用太阳能集热器7进行供热，所述换热器9还连通设置有沼气垃圾焚烧锅炉16，该沼气垃圾焚烧锅炉16通过换热器9对储热水箱8进行供热，所述IC厌氧反应器12还连通设置有污泥池15，该污泥池15连接有板式过滤装置18，该板式过滤装置18与沼气垃圾焚烧锅炉16连通设置，所述板式过滤装置18还连接有堆肥反应装置19，所述I级好氧反应池21及II级好氧反应池22均与曝气装置11连通，所述沉淀池24及膜处理装置28均与厌氧池17连通设置，所述IC厌氧反应器12的沼气出口(即罐体顶部沼气输出管)连接有机械脱水装置13，所述机械脱水装置13连接有沼气低压储柜14，所述沼气低压储柜14连接有压力储柜20，所述压力储柜20连接有I级膜组23，所述I级膜组23连接有II级膜组25，所述II级膜组25连接有CH4储柜27，所述I级膜组23和II级膜组25均连接有CO2储柜26。
参见图2及图3，所述IC厌氧反应器包括罐体100，所述罐体内由从下到上依次连接的第一反应室101和第二反应室102组成，所述第一反应室101和第二反应室102之间设置有射流曝气搅拌器103，所述IC厌氧反应器底部设置有底部排泥管104，所述第一反应室101内底部设置有进料管105和搅拌涡轮106，所述搅拌涡轮106设置在进料管105的上方，所述第二反应室102内并排设置内循环回流管107和内循环升流管108，所述内循环回流管107和内循环升流管108的上端均连通设置有一气液分离器109，所述内循环回流管107和内循环升流管108上还分别设置有三相分离器110，所述内循环回流管107和内循环升流管108上还均设置有沼气吸孔111，所述气液分离器109上端还连通设置有罐体顶部沼气输出管112，所述第二反应室102内还设置有中部排泥管113和上部排泥管114，所述中部排泥管113设置于射流曝气搅拌器103的上方，所述上部排泥管114与底部排泥管104连通，所述上部排泥管114上方还设置有罐体回流管115，所述三相分离器110的上方设置有出水堰116，所述出水堰116连接设置有混合液出口117，所述混合液出口117上方还设置有罐体侧壁沼气输出管118，所述罐体回流管115和罐体侧壁沼气输出管118均与射流曝气搅拌器103连通设置，所述罐体100的顶盖119上设置有保温层120。所述进料管105与搅拌涡轮106连通设置，所述进料管105还连接设置有一高压反冲洗水口121，从高压反冲洗水口121进入的水经涡轮搅拌及射流曝气搅拌器的作用下进入内循环升流管对IC厌氧反应器进行反冲洗。所述第二反应室内在出水堰上方设置有压力传感器125，所述出水堰和三相分离器之间还分别设置有PH值传感器122、温度传感器123及流量传感器124，所述压力传感器125、PH值传感器、温度传感器及流量传感器均与一PLC控制器电连接，由PLC控制器126将数据上传到物联网数据中心127。
IC厌氧反应器的工作原理是，垃圾污水经过传感器、闸阀128、传输泵129及电动阀130的作用下由进料管进入涡轮搅拌完成进料过程，流量传感器计量、传输进水量数据，同时如传输泵工作时，流量传感器检测进水约为零，系统判断进料管堵塞；此时高压反冲装置开始工作，冲洗水经过高压反冲洗水口由电动阀进入进料管，用高压水流冲击出料口并带动涡轮搅拌，直至疏通，反冲洗结束；进入的垃圾、污水混合液，在适宜的搅拌作用下与反应器底部区颗粒污泥充分接触、传质，发生生化作用，产生大量沼气，形成气水，气水利用密度差进入内循环升流管，直达反应器顶部气液分离器，第二反应室上端的回流液经过罐体回流管重流回第一反应室并通过射流曝气搅拌器再次与底部高浓度颗粒污泥混合进行生化反应；第二反应室上端的沼气主要从罐体顶部沼气输出管排出回收，其它未能回收的沼气通过罐体侧壁沼气输出管重新回到射流曝气搅拌器内进行气水内循环；射流曝气搅拌器兼具回流、气水搅拌、提高内循环升流速度和系统传质速度、生化反应速度等多重作用，是一个创新点。IC厌氧反应器内产生的污泥均由上部排泥管、中部排泥管及底部排泥管排出，其中上部、中部排泥管与底部排泥管为连通设置，通过自控PLC分段操作。本案IC反应器是全自动运行，设有流量，PH值，温度、压力传感器，可通过物联网远程控制。
本发明专利的工作原理是：小城镇的污水(不含重金属污染物)汇集到本系统中带格栅井的集水池，有机垃圾先汇集到有机垃圾收集池，然后经过粉碎装置粉粹后与集水池中的污水混合并进入预处理池(即水解酸化池)进行水解、酸化预处理，化学需氧量COD为6700mg/L的混合液进入IC厌氧反应器处理，IC反应器出水，除一部分沼液用于制造液肥，其余排入下一道好氧处理工艺设施；经有机物去除率达90％的I级好氧反应池处理后的出水，再经过“AO”二级好氧膜反应器深度处理，最终出水达标排放；这一过程中，通过系统的资源化利用技术产生的沼气，利用膜技术提纯工艺纯化为CH4，用沼气焚烧垃圾辅之太阳能热水器的加热方式为系统的中温厌氧反应供热、保温，从而实现垃圾处理的资源化循环利用并有效地降低了系统的运行成本；系统的副产品--污泥在污泥池经板式过滤装置压滤脱水后再通过堆肥反应装置转化成沼肥；经过这一循环过程，系统将污水和垃圾转化成CH4和中水、沼肥，从而实现了废弃物的资源化利用，一方面实现了当地自然界的能量再平衡，另一方面又修复了小城镇脆弱的生态系统，初步实现节能减排、保护环境、绿色发展的战略目标。
小城镇污水一般由生活污水、城镇综合(包含一般工业)污水、餐饮服务业污水及食品工业污水组成。
1、生活污水：主要是居民日常生活污水，人均排放量100-350L/d,污水水质特性见表1.人均COD发生量30-50g/人.d,COD200-700mg/L
部分中小城镇的污水水质特性(mg/L)如表1
(2)综合污水(包含一般工业)人均排水量200-500L/人·d,COD发生量30-150g/人·d，COD浓度75-600mg/L。根据50个运行中城市污水处理厂的资料统计：污水处理厂进水的COD、BOD分别为128-1313mg/L和53-509mg/L.
(3)餐饮和食品工业污水餐厨污水人均排放80-150L/d，COD1426-7000mg/L。
取自某食堂的餐饮废水(中午13.00时取水)如表2
COD/mg L-1 SS/mg L-1 NH3-N/mg L-1 TP/mg L-1 PH 温度/℃ 油/mg L-1
1426.45～6241.24 48.0～285.0 12.5～54.2 4.6～35.0 6.4～7.5 12.2～28.8 126.3～308.4
食品制造污水如：表3
(4)有机垃圾有机垃圾是指村镇生活垃圾中可生化降解的部分，其主要成分是：餐厨垃圾(占总量的50％以上)；村镇居民的食品垃圾；食品加工企业的生产废弃物；农作物秸秆、根茎、蔓叶；公共场所、旅游景点的植物凋零物；养殖业排泄物；污水厂污泥等。
餐厨垃圾是居民在生活消费过程中形成的有机固、液废物，包括城镇菜场垃圾、餐馆饮食业垃圾、家庭厨房和餐桌垃圾、各种瓜果皮等。餐厨垃圾主要包括主食残余、蔬菜、动植物油、肉骨等；化学组成有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐；还有氮、磷、钾、钙以及各种微量元素。随着人们生活水平的提高，餐厨垃圾的产生量猛增。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，我国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万t。餐厨垃圾的主要特点是水分含量高、有机物含量丰富、易腐烂，渗滤水会污染水体、大气，影响城市市容和人居环境。随着餐厨垃圾数量的不断增长，它对环境的影响还在积累，各种潜在的风险对人类正在形成威胁。但若对其采用适当的处理方法，餐厨垃圾也可变废为宝，化害为利。
有关研究表明：餐厨垃圾含水率在72.30％～78.87％之间，平均值为74.94％，相应的固形物含量平均值为25.06％；挥发性固体含量在19.46％～26.12％之间，平均值为22.93％。
2、村镇污水、垃圾一体化循环处理方案的工艺技术和设备的设计能力指标
(1)处理有机固、液垃圾折合COD为3000kg/d；垃圾日处理量30t；
(2)处理污水500吨/d，污水水质：进水浓度COD:6700mg/L(其中综合污水COD:700mg/L；有机垃圾COD:6000mg/L)
(3)产生沼气1500m3/d
(4)系统出水水质
COD<80mg/L；BOD<20mg/L；SS<20mg/L；TP<0.5mg/L；TN<15mg/L；处理水质达到国家一级标准B标准。
标准的分级和处理工艺与受纳水体功能的对应关系如下表4
本发明中集水池根据现场勘探数据确定结构尺寸。池容200m3，应根据当地污水收集渠道管网情况，考虑雨水和季节性变化因素，给予抗冲击负荷的修正量，修正系数为k＝1.5-3。池体材料可选混凝土，玻璃钢或钢材。进口处装格栅井，过滤入池污水，清除不利预处理池的过粗污物。出水口在池体下部，通过重力作用或泵输送污水，但要考虑防堵塞措施。除臭和集水池对周围环境的影响也应考虑，应设计消解措施。集水池输水泵的功率为3kw。
生活垃圾包括有机垃圾和无机垃圾，有机垃圾收集池对进入的垃圾进行初步分拣。可焚烧固体垃圾转往沼气垃圾焚烧炉进行裂解气化焚烧，固液有机垃圾进行粉碎处理。粉碎装置由专业厂商提供选型资料再结合现场情况选择。本专利要求，经过粉碎装置的垃圾要达到粒径1mm以下，以使垃圾颗粒比表积较大，以利于后续厌氧接触水解消化。粉碎的有机垃圾通过粉碎输送泵送入集水池与污水充分混合形成高浓度污水混合液，进行水解酸化反应，再进入厌氧水解酸化池预处理，通过微生物的水解酸化反应，将大分子、难溶解有机物转化成小分子、易生化反应的均匀混合液和微细颗粒固形物。粉碎装置的功率是3kw。
水解酸化池作为预处理工艺的关键设备，对后续工艺具有重要的原料准备和配置作用，是影响后续沼气产率的因素之一。通过水解、酸化反应，污水的可生化性有了改善和提高，有机物得到了一定的降解，混合液的pH值可按设计值调整，冲击负荷的波幅得到削减，混合液浓度趋于均匀。水解酸化池的材质为玻璃钢，池容为80m3，池中设3个搅拌器并设取样点，以监测料液的pH、VFS浓度、温度等理化指标。输送泵和搅拌器的功率设计为5kw。
调节加热池一是用于调节IC厌氧反应器进水浓度、流量、PH值，再就是调节进水的温度。池内设有热交换水管对进水进行热交换使供水达到规定的温度。池内还设有过滤装置已保证出水没有超规格的固体进入IC厌氧反应器引起管路堵塞。调节加热池进水泵的设计功率为5.5kw。
IC厌氧反应器的构造特点是具有很大的高径比，高径比一般可达4～8，反应器的高度可达16～25m。所以在外形上看，IC厌氧反应器实际上是个厌氧生化反应塔。进水通过泵由反应器底部进入第一反应室，与该室内的厌氧颗粒污泥均匀混合。废水中所含的大部分有机物在这里被转化成沼气，所产生的沼气被第一反应室的集气罩收集，沼气将沿着提升管上升。沼气上升的同时，把第一反应室的混合液提升至设在反应器顶部的气液分离器，被分离出的沼气由气液分离器顶部的沼气排出管排走。分离出的泥水混合液将沿着回流管回到第一反应室的底部，并与底部的颗粒污泥和进水充分混合，实现第一反应室混合液的内部循环。内循环的结果是，第一反应室不仅有很高的生物量、很长的污泥龄，并具有很大的升流速度，使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，有很高的传质速率，使生化反应速率提高，从而大大提高第一反应室的去除有机物能力。经过第一反应室处理过的废水，会自动地进入第二反应室继续处理。废水中的剩余有机物可被第二反应室内的厌氧颗粒污泥进一步降解，使废水得到更好的净化，提高出水水质。第二反应室产生的沼气由第二反应室的集气罩收集，通过集气管进入气液分离器。第二反应室的泥水混合液进入沉淀区进行固液分离，处理过的上清液由出水管排走，沉淀下来的污泥可自动返回第二反应室。这样，废水就完成了在IC反应器内处理的全过程。
综上所述可以看出，IC反应器实际上是由两个上下重叠的UASB反应器(UASB是Up-flowAnaerobicSludgeBed/Blanket)的英文缩写。名叫上流式厌氧污泥床反应器)串联组成的。由下面第一个UASB反应器产生的沼气作为提升的内动力，使升流管与回流管的混合液产生密度差，实现下部混合液的内循环，使废水获得强化预处理。上面的第二个UASB反应器对废水继续进行后处理(或称精处理)，使出水达到预期的处理要求。
IC厌氧反应器的进料量Q为500m3/d，反应温度T为35℃，混合液PH值为7，进水化学需氧量COD为6500mg/L，进水悬浮物SS为2000mg/L，出水化学需氧量COD为900mg/L，出水悬浮物SS为400mg/L，所述第一反应室去除总COD的q1为80％，第二反应室去除总COD的q2为20％；所述第一反应室容积负荷率NV1为15-25kg/m3·d，所述第二反应室容积负荷率NV2为5-10kg/m3·d；当NV1为22kg/m3·d，NV2为8kg/m3·d，第一反应室的有效容积为V1＝Q×(CODO-CODe)·q1/(NV1×1000)＝102m3，所述第二反应室的有效容积为V2＝Q×(CODO-CODe)·q2/(NV2×1000)＝70.1m3，V2取70m3；所述IC厌氧反应器的总容积V为：V1+V2＝172m3；所述IC厌氧反应器的高度H为13m，所述IC厌氧反应器的面积为A＝V/H＝13.2m2，所述IC厌氧反应器的直径D＝2(A/π)1/2＝4.069m；所述IC厌氧反应器的裕量系数k＝1.2，则IC厌氧反应器的实际总容积V’＝Vx1.2＝206m3，所述IC厌氧反应器的总容积负荷NV＝Q×(CODO-CODe)/V＝13.6kg/m3·d。
IC厌氧反应器的面积A’＝V'/H＝206/13＝15.8m2，所述第一反应室有效高度所述第二反应室有效高度所述第一反应室内水力停留时间所述第二反应室内液体上升流速V2’＝(Q/24)/A’＝(500/24)/16＝1.3m/h，所述第一反应室内液体推荐流速V1’＝10-20m/h，所述第一反应室所产生的沼气量为Q沼气＝Q(CODO-CODe)×去除率×0.44＝985.6m3，所述COD去除率为80％，所述第一反应室回流废水量为986m3/d-1971m3/d，即41m3/h-82m3/h，所述IC厌氧反应器的进水量为20.8m3/h，因此第一反应室中总的上升水量为62m3/h-103m3/h，第一反应室中总的上升污水流速达到了3.9m3/h-6.4m3/h；设沼气、混合液回流系数R＝1，则(沼气、)混合液回流量Q回＝Q×R＝500×1＝500m3/d；通过回流，所述第一反应室内液体上升流速V1’＝7.8m-15m/h，所述第二反应室内液体上升流速V2’＝2.6m/h；所述第一反应室的气液水流速度为2m/s时，则管径D1＝[(103x2)/(3.14x3600)]1/2＝0.135m，所述第一反应室内的液体回流管中当水流速度为1.2m/s时，则液体回流管的管径D1回＝[(103x4)/(1.2x3.14x3600)]1/2＝0.174m。
每立方米沼气上升时携带1-2m3左右的废水上升至IC厌氧反应器的顶部，在顶部经过气液分离器气液分离后，废水从内循环回流管回流至反应器底部，与进水充分混合。由于产气量为986m3/h，则回流废水量为986m3/d-1971m3/d，即41m3/h-82m3/h，加上IC反应器的进水量20.8m3/h，则在第一反应室中总的上升水量达到了62m3/h-103m3/h，上升污水流速达到了3.9m3/h-6.4m3/h。
由于IC厌氧反应器第一反应室升流速度的推荐值范围为10-20m3/h，所以可在第二反应室出口段设回流管向第一反应室进水口返回浓度为CODe处理液。
取R＝1，则回流量为Q回＝Q×R＝500×1＝500m3/d，增加回流液返回工艺后，使回流液中含有一定量的未处理干净的有用的生物质以及未沉淀的絮状污泥和微生物胶体，从而既提高系统内混合液升流速度，保证底物充分地进行接触反应，又使系统保持高污泥浓度并使系统的处理能力进一步提高，通过这一反馈作用还改善了系统的运行条件使RST与HRT分离，使系统结构更加紧凑。通过回流，第二反应器的液体上升速度V2’＝2.6m/h，第一反应器的内循环装置液体升速V1’为5.2-7.7m/h。通过射流曝气搅拌器回流反应器顶部沼气，可使升流管流速进一步提高，本案R值通过回流装置可调，R＝1-3，可根据实际效果反馈调整。
IC厌氧反应器进水输出泵的功率参数
进水流量Q进＝500m3/d＝20.8m3/h
回流水流量Q回＝500--100m3/h＝20.8--41.6m3/h，取最大值Q回＝41.6m3/h
Q总＝(Q进+Q回)KK＝1.3(安全系数)
＝81m3/h取Q总＝80m3/h
厌氧反应器的进水压力为PH(m·H2O)，H＝13m、则P＝1.3ba＝0.13MPa
选单级离心泵CIS80-65-125，泵流量80m3/h，转速2900r/min，扬程20m，电机功率8.5kw.
IC型UASB允许上升流速(平均流量)表5
从设计运行考虑：高度会影响上升流速，高流速增加系统搅动和污泥与进水之间的接触，但流速过高会引起污泥流失。为保持足够多的污泥，上升流速不能超过一定的限值，从而使反应器高度受到限制，高度与CO2溶解度有关，反应器越高，溶解的CO2浓度越高，因此PH值越低。如PH值低于最优值会危害系统的效率。
单元IC反应器的系列化和标准化
小城镇污水和垃圾的总量各有不同，有机垃圾的来源和成分也有地域特点、差异，自身的生态环境消纳能力也各有不同。从经济实力及所推行的环保政策、措施来看，各个小城镇的污水和垃圾处理工程既有差异化，又有一定程度的共同之处。针对不同小城镇治污工程中的共同点，可进行工程技术的规范化、工艺流程的模式化、工艺设备的标准化、系列化和模块化。因此，可以开发一种基本型工艺流程和工艺参数，使相关工艺设备标准化、模块化，进而针对不同小城镇推出规范化、系列化的工程技术和工艺装备。本IC厌氧反应器的设计方案也遵循了这一标准化工作的基本原则。
进水分配系统设计要点
进水系统的合理设计对IC厌氧反应器至关重要。进水系统兼有配水和水力搅拌功能，设计将遵循以下原则：1.确保单位面积的进水量基本相同，以防止短路等现象；2.尽可能满足水力搅拌需要，保证进水有机物与污泥迅速混合；3.容易观察到进水管堵塞；4.当堵塞发生后，很容易被清除。
采用连续进水方式(一管一孔)
取5个布水点，每个进水口负荷2.5m2
布水口带有受进水水头压力驱动的涡轮，内循环回水管出水口混合液也在涡轮盘与进水汇合，涡轮旋转搅拌进水与污泥混合，并在局部产生上升旋流并引起紊流和喘流
回流管也在第一反应器下部沿IC罐壁均匀布置4个射流曝气泵，利用泵抽取IC顶部气体及回流管射流喷口的射流、曝气作用，通过流体动能和气体的升力，共同搅拌第一反应器内的混合液，从而提高反应器的传质速度和生化效力。
每一布水分管路均设计配装流量计或流量传感元件，以及时获取布水口是否堵塞的信息
每个布水口装高压水反冲洗装置
布水分管路的垂直管路直径设计应使其过流速度小于0.2-0.3m·S-1
表6
注：表中DS是溶解性固体。
当需将污水进行加热时，则将500吨污水加热温度15℃所需热量为Q热＝500×103×15×C＝500000×15×4.187＝31，402，500MJ，其中C为水的比热，C＝4.187KJ/kg·℃；所述太阳能集热器中的集热板面积计算值A为Q热/13.7×0.52＝4234m2，若太阳能集热板为30°倾角布置，则功率系数k30＝0.84，因此实际太阳能集热板面积A30＝A×0.84＝3557m2，所述太阳能集热板每块的采光面积为2m2，则太阳能集热板所需数量为A30/2＝3557/2＝1779块；所述储热水箱的容积VW＝太阳板集热量/(85-35)℃＝150m3，其中储热水箱低温为35℃，高温为85℃，则储热水箱的总容积不小于150m3。
IC厌氧反应器的生化反应工作温度为30-35℃。以我国南方地区气象条件考虑，一般冬季污水平均温度在12-18℃，平均气温常年可达25°左右，每年除冬季外，污水温度均可在22℃以上。以武汉汉南为例，汉南地区夏季平均气温28-36℃，冬季平均气温为4-12℃。因此，要使厌氧反应器正常平稳地工作，必须设计厌氧反应系统的加热保温工艺，提供系统加热设备。
考虑生态影响、节能要求以及降低系统的运行费用，本案走资源循环利用的技术路径，践行绿色环保的理念，设计提出利用太阳能热水器作为加热热源的技术构想。
本专利以湖北地区为例
湖北省是我国太阳能资源量的第四类地区，年太阳能辐照总量4200-5000MJ/m2，相当于日辐射量3.2-3.8kwh/m2取日辐射量为3.5kwh/m2，太阳辐射吸收率≥93％，发射率≤6％，集热器效率≥53％本专利设计被加热介质的容量为Q＝500m3/d，设冬季需将污水加热的温度增量为15℃，则将Q＝500吨水加热提温15℃所需热量为：Q热＝500×103×15×C＝500000×15×4.187＝31，402，500(MJ)(C为水的比热，C＝4.187KJ/kg·℃)A＝Q热/13.7×0.52＝4234(m2)，即太阳能集热板面积计算值，将太阳能集热板按30°倾角布置，则功率系数k30＝0.84，实际太阳能板面积A30＝A×0.84＝3557(m2)，太阳能集热板(器)类型选平板集热器YASOL-PM-111114，采光面积2m2，则太阳能集热板数量为块，太阳能热水器选型可选集中集热—集中储热、辅热或太阳能热水系统
该系统是指太阳能集热器、储热箱、辅热设备全部集成化、统一安装的储热器。
太阳能集热器储热水箱的容积
设储热水箱低温35℃，高温85℃，则：VW＝150m3即储热水箱的总容积不小于150m3。
沼气垃圾焚烧锅炉中垃圾产生的热量通过换热器补充给储热水箱，可燃烧垃圾中所含热值为2100-3200大卡/kg，若每公斤垃圾含热量2600大卡/kg＝2600×4.187KJ，换热器热交换效率为60％，则需燃烧的垃圾量为若燃烧沼气所产生的热值为19344KJ/kg，取燃气热交换器效率为0.80，则完全用沼气补热所需的沼气量为：当遇到阴雨天气时，需要对太阳能热水器的储热箱补充热量。可用沼气焚烧炉焚烧垃圾产生的热量通过热交换供给储热水箱。可燃烧垃圾,所含热值为2100-3200大卡/kg，取每公斤垃圾含热量2600大卡/kg＝2600×4.187KJ，换热器热交换效率60％
需燃烧的垃圾量：燃烧沼气所产生的热值为19344KJ/kg，取燃气热交换器效率为0.80，则完全用沼气补热所需的沼气量为： 用沼气焚烧炉焚烧垃圾所产生的热量补热，只需沼气作助燃剂，则沼气需量700m3/d，垃圾需要量4808-1246＝3567kg。
我国各地小城镇的资源条件、经济实力、技术和管理水平以及自然条件差别很大，因此对可再生能源的开发利用能力也参差不齐，也要按自身的优势，因地制宜，按价值规律、市场机制配置资源，选择较经济的能源配置模式。
就本专利而言，如以太阳能作主要能源将大大增加系统的工程设备投资并占据较多的土地资源。因此，有必要优化能源结构，使太阳能热水器和沼气-垃圾焚烧所生热源各占一半，使这两种设备的组合达到较经济和高效的匹配，使各设备的投资组合得到优化。按照这一模式，则有：
⑴太阳能集热板总面积1800m2，需太阳能集热板需要量为900块；
⑵沼气-垃圾焚烧，每天需要沼气量350m3/d,可燃烧垃圾需要量1800kg/d；
⑶储热箱(罐)容积为70m3
如果当地可焚烧垃圾量较大，供应较稳定，还可以进一步提高焚烧垃圾供热在能源结构中的比例，对资金较困难的地方，太阳能热水器供热可做辅助性能源，这样可减少工程投资。
有机垃圾(有机固体废弃物)的主要部分是餐厨垃圾，成分是淀粉、蛋白质、脂肪、碳水化合物，还有氮、磷、钾、钙以及各种微量元素，游离态脂肪(干态：20-30％)等，比重大，含水率高(65-95％)。餐饮垃圾的近似分子式为C32H50O16，产气量(沼气)与其有机物含量和发酵过程直接相关。
在标准状态下，1kg的餐厨垃圾完全发酵后，甲烷的理论产率为0.41m3/kg，二氧化碳为0.31m3/kg，若按硫化氢、氮气和一氧化碳等气体的含量为5％计算，则餐厨垃圾的产沼气量为0.76m3/kg。
餐厨垃圾C、H、O元素百分比(％)如表7
参数 C H O
元素百分比(％) 46.78 6.12 31.10
物质的量比 3.89 6.12 1.94
归一化物质的量比 32 50 16
影响IC厌氧反应器沼气产量的因素很多：原材料的成分，工艺流程和工艺参数，IC反应器的结构、操作方法、反应温度和时间、混合液的各种理化指标等等，因此，1kgCOD有机质的沼气产量在0.20-0.76m3/kg。本专利的沼气设计产量为1kgCOD物质产沼气0.55m3/h，即以500m3/d污水，COD：6500mg/L，降解率85％计，系统沼气产量[Q·(SO-Se)]·0.55＝1540(m3/d)
沼气作为清洁能源，是小城镇居民喜爱的生活燃料。高效利用沼气提高沼气的使用价值和经济价值的途径是提纯沼气。沼气提纯净化的内容是：脱去沼气中的冷凝水，硫化氢和二氧化碳等杂质，使沼气的质量达到高燃烧值(8500大卡/kg)的使用要求。传统的沼气提纯方法有低温深冷分离法(利用各组分的冰点不同的分离技术)，变压吸附PSA法(利用组分在不同压力下对固体吸附材料的吸附特性差异的分离技术)等工艺方法，但都只适合大规模的工业化场合。显然对小城镇小规模、低成本的沼气提纯不合适。
沼气在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力的不同，以及在膜内溶解、扩散上的差异，即渗透速率差来进行分离。与传统分离方法相比，膜分离法是新一代低投入、低耗能、低成本的气体分离技术,有分离效率高、体积小、能耗低、操作维修便捷等优点。在分离CO2/CH4的领域中，主要有以下三方面的应用：①石油采集中CO2的分离和回收；②生物气体中甲烷的回收；③天然气中CO2和H2O等地去除。膜技术可将甲烷提纯到95％以上。
本专利中提出采用中国科技学院大连化学物理研究所研制的CO2/CH4高性能氟化聚酰亚胺中空纤维气体分离膜及工艺设备。
I级膜处理装置和II级膜组结构为中空纤维式膜，其制作方法为将几万至几十万根中空纤维膜装入圆筒形耐压容器内，纤维束的开口端用环氧树脂浇铸成管板；所述中空纤维式膜采用聚酰亚胺制作而成，所述中空纤维式膜的渗透率为J为渗透速度cm3/cm2·S·cmHg，其中Sm为膜表面积cm2，△P为压力差cmHg，q为气体通过量cm3，当沼气成分为35％CO2及60％CH4，压力差为0.6Mpa时；中空纤维式膜在工作时，进气1.5MPa，温度40℃，I级膜处理装置分离效率η＞50％，产生的甲烷气体的纯度为85％，单支膜渗余气流量不小于3L/S，则所需膜面积为：
Sm(m2)＝q(m3/h)/Jco2(cm3/cm2·S·cmHg)×△P(cmHg)
＝18.1m2
若CO2/CH4分离膜长度为1.2m，每根膜面积A＝894.9mm2，则需要膜束根数根。
所述I级膜处理装置进气压力1.5MPa，出气口压力1.2MPa，渗透膜压降△P＝0.3Mpa；所述II级膜组进气口压力1.2MPa，出气口压力0.8MPa，CH4储柜气体压力0.8MPa，CH4成分大于95％，
膜组件的选择：选取中空纤维式膜组件。中空纤维膜组件的结构特点是：将大量(几万-几十万根)中空纤维膜，装入圆筒形耐压容器内，纤维束的开口端用环氧树脂浇铸成管板，中空纤维膜是一种极细的空心膜管，其本身不需要支撑材料即可耐受很高的压力。纤维的外径很细，约0.2-0.4mm，内径为0.1-0.2mm，具有在高压下不产生变形的强度。本专利所用的中空纤维材料为聚酰亚胺，寿命可达6年。
CO2-CH4分离膜聚酰亚胺的工作参数如表8
膜组件的渗透率为：J—渗透速度cm3/cm2·S·cmHg
式中：Sm膜表面积cm2，△P压力差cmHg，q气体通过量cm3
本专利中沼气成分设为：35％CO2,60％CH4，压力差为0.6MPa。
膜组件工作条件下，进气1.5MPa，温度40℃，分离效率一级膜设计η＞50％，产生的甲烷气体85％的纯度。单支膜渗余气流量不小于3L/S，则所需膜面积为：
Sm(m2)＝q(m3/h)/Jco2(cm3/cm2·S·cmHg)×△P(cmHg)
＝18.1m2
则CO2/CH4分离膜长度1.2m，每根膜面积A＝894.9mm2
∴需要膜束根数(根)
考虑综合评估安全系数，取2.3万根中空纤维膜丝制成膜分离器芯件。每只膜组件的气体流量为15m3/h，本专利工艺流程为二级膜分离，如日处理沼气量1500m3，则每一级膜组件为并联5个膜组件，共10个膜组件。具体膜组件工作参数：I级膜处理装置进气压力1.5MPa，出气口压力1.2MPa，渗透膜压降△P＝0.3Mpa。II级膜组进气口压力1.2MPa，出气口压力0.8MPa，甲烷储气罐气体压力0.8MPa，CH4成分大于95％。
由于厌氧消化过程微生物的不断增长，或进水不可降解悬浮固体的积累，必须在污泥区定期排除剩余污泥。本案在IC厌氧反应器上设计上、中、下三处排污污点。设置在污泥床区池底的排泥设备，由于污泥的流动性差，必须考虑排泥均匀，在底部罐体周边均匀设置4处排泥点，排泥管直径200mm。中部，在反应器1/2高度处，设置1处排泥口，管径为100mm；上部，在三相分离器下0.5m处的罐体上，设置1处排泥口，管径为100mm。在罐体全高上设置6个取样管，可以方便的取得反应器内的污泥样，随时掌握污泥在高度方向的浓度分布情况，以计算反应器污泥总量，确定是否需要排泥。研究表明，餐厨垃圾含水率在72.3％-78.87％之间，平均值为75％，相应的固形物含量为25.06％，挥发性固体含量在19.43％-26.12％，平均值为22.93％。
本专利处理有机垃圾折算成COD的能力是3000kg，如以餐厨垃圾折算，即可处理3000/25％＝12000(kg)，
干物质减量比计算表如表9
沼渣沼液产量估算
一般情况下沼渣含水率为93％，沼液含水率为97％。厌氧阶段污泥理论产率＝沼渣/日+沼液/日
沼渣沼液产量计算表(kg/d如表10
则厌氧阶段污泥日产量为3734+25436＝29170(kg)
⑶、本专利设计污泥池(污泥收集池)一座。
利用板式过滤装置(板式污泥压滤机)对污泥进行脱水处理，经过脱水处理的污泥含水率为90％左右，可得污泥15110kg/d。经过压滤处理后的污泥再经过堆肥反应装置实现了垃圾资源化、减量化、无害化的循环转变，含有对农业非常有用的N、P、K和其他微量元素以及活性微生物基质，既可直接用作农业有机肥料，还可深化处理制作成特殊的生化肥料、饲料等。同时污泥还可焚烧，其所含的能源可利用为本专利IC厌氧反应器的加热保温系统的补充热能。这一环节用电功率为3kw。
好氧反应处理段：
厌氧反硝化与脱磷池：该池是A-O除氮脱磷联合工艺的前段组合设备，为厌氧池，经IC厌氧反应段处理后的污水进入后，有机物浓度经好氧段回流水和硝化液稀释后，浓度降为Sa，污水在厌氧肠菌作用下，主要进行反硝化降解；原污水中的有机物为碳源，回流液中硝酸盐的氧作为受电体，将硝态氮还原为气态氮具有明显的脱氮功能，同时回流水中的污泥所带聚磷菌，利用污水中的营养物质和碳源进行自养代谢活动、细胞质合成、释磷。该池在结构上与好氧反应器构成一个整体，池容为30m3.
好氧一体化瞙反应器
(1)生化接触氧化滤床反应池接触氧化池采用二级串联使用，即I级好氧反应池和II级好氧反应池，分别为I级好氧反应池接触、II级好氧反应池接触氧化。池内采用推流式和完全混合相结合的流态，各池内均设置有专用填料和高效曝气装置，滤料在气流、水流作用下形成流化滤床。第一段为高负荷段，污水中的大部分有机物[被降解和转化，具有较强的抗冲击负荷能力；第二段为低负荷段，进一步对水中有机物进行降解，一方面继续对有机物深度降解，但主要作用是好氧硝化脱氮和降磷。
(2)沉淀池好氧池的出水含有一定浓度的溶解氧，直接回流厌氧除氮脱磷池，会影响该处的反应条件，故在此略做停留以释放余氧。出水口设在池体上部，回流口设在池体下部。
(3)CFM膜微滤对前级已达到国家二级排放标准的处理水进行深度超微膜滤处理。使难降解有机物、大分子有机物、微生物、细菌、病毒得到有效滤除并截留出水中的污泥、絮凝物、胶体等使之返回到前段使系统保持较高的污泥浓度和容积负荷率，从而使处理水水质达到国家一级排放标准，实现水资源的再利用，达致一定的经济效益。
一体化瞙法反应器(包括一级膜处理装置和二级膜处理装置)的设计计算
所述I级膜处理装置和II级膜组中污泥返回系数R＝So-Sa/Sa-Se，其中R＝3，Sa＝﹙So+RSe﹚/﹙1+3﹚＝240mg/L；滤床滤料总容积V＝QR·Sa/Nw式中Nw为容积负荷，V为滤料容积，Nw取值＝5kg/m3，V＝2000×0.240/5＝96m3，实际取V＝100m3、滤料高度H＝2.6m、滤床宽度B＝2.2m；污水接触氧化生化处理时间t＝0.33×P/75×Sa0.46×Ln·Sa/Se，取滤料容积率P为75％，其中I级膜处理装置反应时间t1，取Sa1＝(So+RSe)/(1+R)＝240mg/L，Se1＝64mg/L，t1＝0.33×2400.46×Ln240/64＝5.2h，二级反应时间t2＝0.33×640.46×Ln64/20＝2.6h，生化反应时间SRT＝5.2+2.6＝7.8h，水力负荷时间HRT＝24V/[Q(1+R)]＝1.2h，校核系统容积负荷Nv＝Q(1+R)Sa/V，Nv＝4800(g/m3·d)＜5000(g/m3·d)；所述滤床总面积A＝V/H＝100/2.6＝38m2，其中H为滤床高度，则实际水力负荷Nq＝Q(1+R)/A＝2000/38＝53m3/m2·d，所述实际水力负荷选取值为10-30m3/m2·d时，所述滤床总面积A为2000/10至2000/30，即滤床总面积为67-200m2。
一、设计参数
⑴.计算污泥返回系数R
R＝So-Sa/Sa-SeR＝3
Sa＝﹙So+RSe﹚/﹙1+3﹚＝240mg/L
⑵.滤床滤料总容积V
V＝QR·Sa/Nw式中Nw为容积负荷，V为滤料容积
Nw取值＝5kg/m3
V＝2000×0.240/5＝96m3实际取V＝100m3、滤料高度H＝2.6m、滤床宽度B＝2.2m
二、性能计算与校核
⑴.污水接触氧化生化处理时间t
t＝0.33×P/75×Sa0.46×Ln·Sa/Se取滤料容积率P为75％
一级反应时间t1取Sa1＝(So+RSe)/(1+R)＝240mg/L
Se1＝64mg/L
t1＝0.33×2400.46×Ln240/64＝5.2(h)
二级反应时间t2t2＝0.33×640.46×Ln64/20＝2.6(h)
生化反应时间SRT＝5.2+2.6＝7.8(h)
水力负荷时间HRT＝24V/[Q(1+R)]＝1.2(h)
⑵.校核系统容积负荷
Nv＝Q(1+R)Sa/V，Nv＝4800(g/m3·d)＜5000(g/m3·d)
本装置理论容积负荷为1.2—6kg/m3·d∴系统设计满足处理能力要求。
⑶.校核水力负荷
设计滤床总面积A＝V/H＝100/2.6＝38m2式中H为滤床高度
实际水力负荷Nq＝Q(1+R)/A＝2000/38＝53m3/m2·d
53m3/m2·d超出本工艺推荐的取值范围：10--30m3/m2·d
调整实际滤床面积为2000/30＝67m2
⑷.滤床滤料性能
采用多面球滤料，其直径￠50mm，比表面积260m2/m3，空隙率93.5％，
堆积分数12000个/m3，负荷率可达6kg(BOD5)/m3(滤床)·d。
所述曝气装置直径为150mm；氧利用率为15-20％；气孔密度：580-650个/只；曝气量：0-5m3/h；出孔气泡直径：1mm；出气阻力：150-350mm水柱；服务面积：0.4-0.8m2/只；动力效率：4.3-5.6kg·O2/KW·h；污水曝气生化降解过程的需氧量为：O2＝Q(S0-Se)kg/d其中Q为污水设计流量m3/d，S0及Se分别是进水和出水的BOD5浓度.kg/m3；根据需氧量，得出压缩空气需要量Da，当空气需要量按标准状态时，即T＝20℃，760mmHg大气压，空气容量ra＝1.205kg/m3，其中氧占23.1％，则曝气空气理论需要量Da＝O2/﹙1.205×0.231﹚＝3.6m3·m3/d；当所述曝气装置的氧利用率E0为15％时，则曝气空气实际需要量Da’＝Da/0.15＝24m3/d，氧当量空气Qa＝Q(1+30％)＝650m3，Qa为考虑了波动系数污水流量，原污水浓度BOD5，S0取900mg/L，处理后出水BOD5浓度Se，取20mg/L，则污水曝气生化降解过程的需氧量为：O2＝Qa(S0-Se)＝650(900-20)/1000＝572kg/d，生化氧当量空气：Da＇＝24×572＝13728m3/d＝572m3/h。
所述曝气装置中气泵容量Dk＝1.2Da＇，即Dk＝1.2×572＝687m3/h；可选取选取气泵容量为700m3/h的罗茨气泵，所述曝气装置输气干管气流流速v＝Q/A，其中Q为气泵排量700m3/h，A为输气干管流通面积πR2＝3.14×1602/4＝0.020m2，v＝700/﹙0.020×3600﹚＝9.7m/s。
曝气设备的选定
选不宜堵塞，氧利用率高的多孔性扩散曝气设备WB-150，WB-150型橡胶可变孔微孔曝气器技术参数：
直径：￠150mm氧利用率：15-20％
气孔密度：580-650个/只曝气量：0-5m3/h
出孔气泡直径：1mm出气阻力：150-350mm水柱
服务面积：0.4-0.8m2/只动力效率：4.3-5.6kg·O2/KW·h
⑹.供氧量计算及曝气量计算
理论上，氧化1公斤BOD5物质的需氧量为1公斤，污水曝气生化降解过程的需氧量为：O2＝Q(S0-Se)kg/d式中Q为污水设计流量m3/d,S0、Se---进水，出水的BOD5浓度.kg/m3
①根据需氧量(O2)，推导出压缩空气需要量Da
设空气需要量按标准状态，即T＝20℃，760mmHg大气压，空气容量ra＝1.205kg/m3，其中氧占23.1％，则曝气空气理论需要量Da＝O2/﹙1.205×0.231﹚＝3.6m3·m3/d
②考虑到曝气器的氧利用率E0
则：Da＇＝Da/E0，对橡胶可变孔微孔曝气E0取15％，Da＇＝3.6O2/0.15＝24m3/d
③氧当量空气
Qa＝Q(1+30％)＝650m3Qa为考虑了波动系数污水流量
原污水浓度(BOD5)，S0取900mg/L，处理后出水BOD5浓度Se，取20mg/L，
则：O2＝Qa(S0-Se)＝650(900-20)/1000＝572kg/d
生化氧当量空气：Da＇＝24×572＝13728m3/d＝572m3/h
⑺.气泵容量计算及选型
①气泵选型时，应考虑可能发生冲击负荷、气温和气压的变化，漏气等因素，因此要留有余量。
气泵容量Dk＝1.2Da∴Dk＝1.2×572＝687m3/h
选取罗茨气泵，气泵容量700m3/h,98kPa可满足要求，
②管径的选择
Ⅰ、输气干管管径的确定
初选干管管径￠200校核干管气流流速v＝Q/A
Q—气泵排量700m3/h
A—输气干管流通面积πR2＝3.14×1602/4＝0.020m2
v＝700/﹙0.020×3600﹚＝9.7m/s
满足干道管气流速度10-16m/s的控制范围
Ⅱ、通向曝气器的布气支管管径确定
本装置从气泵经干管出来的压缩空气分40路支管向2级接触氧化滤床供气支管选￠40直径，校核支管气流速度：
V2＝q/AZ＝(Da/40)/(3.14×0.042/4×3600)＝3.9(m/s)
满足布气支管气流速度3-5m/s的控制范围，选择支管￠40通径可行
③气泵风压的确定
气泵风压按下式计算：
P＝H+hd+hf
式中：H—曝气器的淹没水深m，本案取2.0
Hd—曝气器的风压损失m(水柱)取40×150mm＝6m
Hf—管道中总风压损失，m(水柱)取1.5m(水柱)
∴水柱风压P为：
P＝2.0+6+1.5＝9.5m(水柱)＝95KPa
⑻.返送泵选型参数
选排污泵用于污泥和处理水返送
流量600m3/h、压力0.05MPa、电机2.2KW、进、排口径100mm能满污水回返的要求。
⑼.输送泵选型参数
选输送泵用于处理水向下一级膜滤输送或直接向外排放。
流量22m3/h、压力0.3MPa、电机3KW、转速2880r/min、进、排口径65mm
能满足额定排放标准。
⑽.膜处理装置的膜元件选取
OK-CMF-8040W系列膜产品，该中空纤维滤膜由高抗污染的聚偏氟乙烯PVDF材料制成，耐强酸强碱，通量大，易清洗，使用寿命长，可实现在线气水正洗、反洗，正向反洗并结合化学清洗方法，操作压力仅为0.1MPa左右，能耗低，其技术指标为如下表：
表11
表12
标准水通量为25℃，0.1MPa时纯水通量。
根据OK-CMF-8040W膜产品性能指标，选择该产品能满足本装置达到中水回用的目的。
选4套微滤OK-CMF-8040W产品。
水通量6.50×4＝624m3/d＞日污水负荷500m3/d
本专利采取错流外压进水逆流出水。每工作50分钟后进行10分钟的反冲洗循环。膜分离技术的应用，使SRT时间与HRT时间分离，好氧系统内保持较高的污泥浓度，系统的容积负荷可达1.2-6kg/m3d，可处理有机物浓度较高的废水,一方面使反应器体积成倍减小，节约土地，降低设备和工程投资；另一方面提高了出水水质并能满足国家一级排放标准。因此，膜法生化水处理工艺技术在小城镇污水处理设备和工程市场有广阔的应用前景。
本专利系统用电总功率
表13
实施本专利所需主要设备投资清单
表14
主要工程投资清单
表15
本装置设备和工程建设投资
项目投资:294.6+73＝367.6(万元)
折旧、维修基金，财务费用及营运费用
①项目总投资按15年折旧，年折旧24.50万元
②维修基金按每年4万元提留
③财务费用(投资资金成本)
按15年等额“还本”(折旧)付息计算，年利率按5﹪
15年平均资金年利息：
15年利息总额/15＝[15×367.6-(15×7×24.5)]0.05/15＝9.815(万元/年)
项目每日营运费用
如表16
污染物处理成本
⑴考虑收回投资，投资财务费用
本项目日处理污水500吨，日处理垃圾30吨，按人均日排放污水100-150L计，可为3500-5000人的小城镇服务。项目每日营运费用2117.7元。则每吨水和垃圾的综合处理费用：
2117.7/530＝3.99(元)
⑵不考虑收回投资，投资财务费用，则每吨水和垃圾的综合处理费用：
(2117.7-671-269)/530＝2.22(元)
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：包括依次连接设置的有机垃圾收集池、粉碎装置、集水池、预处理池、调节加热池、IC厌氧反应器、厌氧池、I级好氧反应池、II级好氧反应池、沉淀池及膜处理设备，所述调节加热池还与一储热水箱连通设置，所述储热水箱还分别连接有热水器及换热器，所述热水器采用太阳能集热器进行供热，所述换热器还连通设置有沼气垃圾焚烧锅炉，该沼气垃圾焚烧锅炉通过换热器对储热水箱进行供热，所述IC厌氧反应器还连通设置有污泥池，该污泥池连接有板式过滤装置，该板式过滤装置与沼气垃圾焚烧锅炉连通设置，所述板式过滤装置还连接有堆肥反应装置，所述I级好氧反应池及II级好氧反应池均与曝气装置连通，所述沉淀池及膜处理装置均与厌氧池连通设置，所述IC厌氧反应器的沼气出口连接有机械脱水装置，所述机械脱水装置连接有沼气低压储柜，所述沼气低压储柜连接有压力储柜，所述压力储柜连接有I级膜组，所述I级膜组连接有II级膜组，所述II级膜组连接有CH4储柜，所述I级膜组和II级膜组均连接有CO2储柜。
2.根据权利要求1所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述IC厌氧反应器包括罐体，所述罐体内由从下到上依次连接的第一反应室和第二反应室组成，所述第一反应室和第二反应室之间设置有射流曝气搅拌器，所述IC厌氧反应器底部设置有底部排泥管，所述第一反应室内底部设置有进料管和搅拌涡轮，所述搅拌涡轮设置在进料管的上方，所述第二反应室内并排设置内循环回流管和内循环升流管，所述内循环回流管和内循环升流管的上端均连通设置有一气液分离器，所述内循环回流管和内循环升流管上还分别设置有三相分离器，所述内循环回流管和内循环升流管上还均设置有沼气吸孔，所述气液分离器上端还连通设置有罐体顶部沼气输出管，所述第二反应室内还设置有中部排泥管和上部排泥管，所述中部排泥管设置于射流曝气搅拌器的上方，所述上部排泥管与底部排泥管连通，所述上部排泥管上方还设置有罐体回流管，所述三相分离器的上方设置有出水堰，所述出水堰连接设置有混合液出口，所述混合液出口上方还设置有罐体侧壁沼气输出管，所述罐体回流管和罐体侧壁沼气输出管均与射流曝气搅拌器连通设置，所述罐体的顶盖上,侧壁上都设置有保温层。
3.根据权利要求2所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述进料管与搅拌涡轮连通设置，所述进料管还连接设置有一高压反冲洗水口，从高压反冲洗水口进入的水经涡轮搅拌及射流曝气搅拌器的作用下进入内循环升流管对IC厌氧反应器进行反冲洗。
4.根据权利要求3所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述第二反应室内在出水堰上方设置有压力传感器，所述出水堰和三相分离器之间还分别设置有PH值传感器、温度传感器及流量传感器，所述压力传感器、PH值传感器、温度传感器及流量传感器均与一PLC控制器电连接。
5.根据权利要求4所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述IC厌氧反应器的生活有机垃圾和城镇综合污水处理量Q为500m3/d，反应温度T为35℃，混合液PH值为7，进水化学需氧量COD为6500mg/L，进水悬浮物SS为2000mg/L，出水化学需氧量COD为900mg/L，出水悬浮物SS为400mg/L，所述第一反应室去除总COD的q1为80％，第二反应室去除总COD的q2为20％；所述第一反应室容积负荷率NV1为15-25kg/m3·d，所述第二反应室容积负荷率NV2为5-10kg/m3·d；当NV1为22kg/m3·d，NV2为8kg/m3·d，第一反应室的有效容积为V1＝Q×(CODO-CODe)·q1/(NV1×1000)＝102m3，所述第二反应室的有效容积为V2＝Q×(CODO-CODe)·q2/(NV2×1000)＝70.1m3，V2取70m3；所述IC厌氧反应器的总容积V为：V1+V2＝172m3；所述IC厌氧反应器的高度H为13m，所述IC厌氧反应器的截面积为A＝V/H＝13.2m2，所述IC厌氧反应器的直径D＝2(A/π)1/2＝4.069m；所述IC厌氧反应器的裕量系数k＝1.2，则IC厌氧反应器的实际总容积V’＝V×1.2＝206m3，所述IC厌氧反应器的总容积负荷NV＝Q×(CODO-CODe)/V＝13.6kg/m3。
6.根据权利要求5所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述IC厌氧反应器的面积A’＝V'/H＝206/13＝15.8m2，所述第一反应室有效高度所述第二反应室有效高度所述第一反应室内水力停留时间所述第二反应室内液体上升流速V2’＝(Q/24)/A’＝(500/24)/16＝1.3m/h，所述第一反应室内液体升流推荐流速V1’＝10-20m/h，所述第一反应室所产生的沼气量为Q沼气＝Q(CODO-CODe)×去除率×0.44＝985.6m3，所述COD去除率为80％，所述第一反应室回流废水量为986m3/d-1971m3/d，即41m3/h-82m3/h，所述IC厌氧反应器的进水量为20.8m3/h，因此第一反应室中总的上升水量为62m3/h-103m3/h，第一反应室中总的上升污水流速达到了3.9m3/h-6.4m3/h；设沼气、混合液回流系数R＝1，则混合液(沼气)回流量Q回＝Q×R＝500×1＝500m3/d；通过回流，所述第一反应室内升流管液体上升流速V1’＝7.8-12.8m/h，所述第二反应室内液体上升流速V2’＝2.6m/h；所述第一反应室的气液进水管中当水流速度为2m/s时，则管径D1＝[(103×2)/(3.14×3600)]1/2＝0.135m，所述第一反应室内的液体回流速度为1.2m/s时，则液体回流管的管径D1回＝[(103×4)/(1.2×3.143×600)]1/2＝0.174m。
7.根据权利要求6所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：当需将污水进行加热时，则将500吨污水加热温度15℃所需热量为Q热＝500×103×15×C＝500000×15×4.187＝31，402，500MJ，其中C为水的比热，C＝4.187KJ/kg·℃；所述太阳能集热器中的集热板面积计算值A为Q热/13.7×0.52＝4234m2，若太阳能集热板为30°倾角布置，则功率系数k30＝0.84，因此实际太阳能集热板面积A30＝A×0.84＝3557m2，所述太阳能集热板每块的采光面积为2m2，则太阳能集热板所需数量为A30/2＝3557/2＝1779块；所述储热水箱的容积VW＝太阳板集热量/(85-35)℃＝150m3，其中储热水箱低温为35℃，高温为85℃，则储热水箱的总容积不小于150m3。
8.根据权利要求7所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述沼气垃圾焚烧锅炉中垃圾产生的热量通过换热器补充给储热水箱，可燃烧垃圾中所含热值为2100-3200大卡/kg，若每公斤垃圾含热量2600大卡/kg＝2600×4.187KJ，换热器热交换效率为60％，则需燃烧的垃圾量为 若燃烧沼气所产生的热值为19344KJ/kg，取燃气热交换器效率为0.80，则完全用沼气补热所需的沼气量为：
9.根据权利要求8所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述I级膜组和II级膜组结构为中空纤维式膜，其制作方法为将几万至几十万根中空纤维膜装入圆筒形耐压容器内，纤维束的开口端用环氧树脂浇铸成管板；所述中空纤维式膜采用聚酰亚胺制作而成，所述中空纤维式膜的渗透率为J为渗透速度cm3/cm2·S·cmHg，其中Sm为膜表面积cm2，△P为压力差cmHg，q为气体通过量cm3，当沼气成分为35％CO2及60％CH4，压力差为0.6Mpa时；中空纤维式膜在工作时，进气1.5MPa，温度40℃，I级膜组分离效率η＞50％，产生的甲烷气体的纯度为85％，单支膜渗余气流量不小于3L/S，则所需膜面积为：
Sm(m2)＝q(m3/h)/Jco2(cm3/cm2·S·cmHg)×△P(cmHg)
＝18.1m2
若CO2/CH4分离膜长度为1.2m，每根膜面积A＝894.9mm2，则需要膜束根数根，所述I级膜组进气压力1.5MPa，出气口压力1.2MPa，渗透膜压降△P＝0.3Mpa；所述II级膜组进气口压力1.2MPa，出气口压力0.8MPa，CH4储柜气体压力0.8MPa，CH4成分大于95％。
10.根据权利要求9所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述曝气装置输气管直径为150mm；氧利用率为15-20％；气孔密度：580-650个/只；曝气量：0-5m3/h；出孔气泡直径：1mm；出气阻力：150-350mm水柱；服务面积：0.4-0.8m2/只；动力效率：4.3-5.6kg·O2/KW·h；污水曝气生化降解过程的需氧量为：O2＝Q(S0-Se)kg/d其中Q为污水设计流量m3/d，S0及Se分别是进水和出水的BOD5浓度.kg/m3；根据需氧量，得出压缩空气需要量Da，当空气需要量按标准状态时，即T＝20℃，760mmHg大气压，空气容量ra＝1.205kg/m3，其中氧占23.1％，则曝气空气理论需要量Da＝O2/﹙1.205×0.231﹚＝3.6m3·m3/d；当所述曝气装置的氧利用率E0为15％时，则曝气空气实际需要量Da’＝Da/0.15＝24m3/d，氧当量空气Qa＝Q(1+30％)＝650m3，Qa为考虑了波动系数、污水流量，原污水浓度BOD5，S0取900mg/L，处理后出水BOD5浓度Se，取20mg/L，则污水曝气生化降解过程的需氧量为：O2＝Qa(S0-Se)＝650(900-20)/1000＝572kg/d，生化氧当量空气：Da＇＝24×572＝13728m3/d＝572m3/h，所述曝气装置中气泵容量Dk＝1.2Da＇，即Dk＝1.2×572＝687m3/h；可选取气泵容量为700m3/h的罗茨气泵，所述曝气装置输气干管气流流速v＝Q/A，其中Q为气泵排量700m3/h，A为输气干管流通面积πR2＝3.14×1602/4＝0.020m2，v＝700/﹙0.020×3600﹚＝9.7m/s。
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