CN109734206A - 一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其包括：第一罐体、第二罐体、太阳能采集装置、散热装置、第一涡轮、转动轴、鼓风装置以及污水生物处理池，太阳能采集装置与散热装置连接，散热装置设置在第二罐体中，第二罐体设置在第一罐体中，第二罐体的顶端设置有第二罐体出气孔，第二罐体的底端设置有第二罐体进气孔，第二罐体出气孔与第二罐体进气孔通过第一气流通道连通，转动轴沿第一罐体的轴向可转动地设置在第一罐体上，第一涡轮套设在转动轴上，第一涡轮设置在第二罐体出气孔位置处；鼓风装置设置在第一罐体的顶端，鼓风装置的输入端与转动轴连接，鼓风装置的输出端通过管路与污水生物处理池连接。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统及方法。
背景技术
铁路中小车站、高速公路服务区及收费站、输变电站、输油(气)加压站、农村、海岛、边防哨所、一些景区等污水排放场合往往分散设置在沿线偏僻或城郊地域。这些地点产生的办公生活污水无法接入当地城镇市政污水处理厂或收集输送污水至污水厂经济上不合理，通常采用自行处理的方式。
铁路中小车站曾采用厌氧生物污水处理技术，虽然节能，但存在着污水停留时间长，产生大量臭气、出水指标低、不能达到排放标准等问题。为更好的保护环境，应采用出水水质指标较优的好氧生物污水处理技术(活性污泥法或生物膜法)。好氧生物处理技术为保证好氧微生物的活性，其曝气供氧系统必须全天持续运转，因此产生较高的电费，长期的运转费用造成较大的经济负担。由于经济压力，很多污水处理设备(设施)验收后，不能长期正常运转，成为局部的环境污染源。采用可再生能源--太阳能作为好氧污水处理的动力，可以达到节能减排，减少各基层单位污水处理经济负担的作用。但目前绝大多数的太阳能污水处理装置都是利用光伏电池将太阳能转换为电能，然后利用电能驱动电机，再带动风机曝气供氧。
太阳能系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器和负载组成，太阳能光伏组件为单晶硅或多晶硅制成，目前国内提炼多晶硅耗电量基本在2万千瓦时/吨；而被定义为高耗能行业的电解铝，用电量约是1.45万千瓦时/吨，多晶硅耗电量比电解铝还要高，因此目前技术条件下太阳能光伏电池的生产成本较高。根据研究文献，在正常大气、光照强度、温度条件下，目前国内商业级太阳能电池板最高光电转换率为：15％-21％，电能再通过电机转化为曝气供氧设备的机械能，电机的输出功率一般在55％-85％之间，受功率因数限制能效将进一步降低，电能驱动的供氧装置需要配置较大面积的光伏电池板，而光伏电池的单价又较高，蓄电池寿命较短，造成设备投资很大，如光伏补贴政策取消，经济性更低。
另一种利用太阳能热能(涡轮机等)做功的装置，采用软(纯)水或者其他液体作为工质的系统，需要加热气化及冷凝、加压液化等设备，系统构成相对复杂，系统管理要求高，考虑经济性，投资回收期等因素，比较适合于大规模、大型的发电等场合采用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其包括：第一罐体、第二罐体、太阳能采集装置、散热装置、第一涡轮、转动轴、鼓风装置以及污水生物处理池，所述太阳能采集装置与所述散热装置通过管路连接，所述散热装置设置在所述第二罐体中，所述第二罐体设置在第一罐体中，所述第二罐体的顶端设置有第二罐体出气孔，所述第二罐体的底端设置有第二罐体进气孔，所述第二罐体出气孔与所述第二罐体进气孔通过第一气流通道连通，所述转动轴沿所述第一罐体的轴向可转动地设置在所述第一罐体上，所述第一涡轮套设在所述转动轴上，所述第一涡轮设置在所述第二罐体出气孔位置处；所述鼓风装置设置在所述第一罐体的顶端，所述鼓风装置的第一输入端与所述转动轴连接，所述鼓风装置的输出端通过管路与所述污水生物处理池连接。
本发明的有益效果是：通过采用热能直接驱动第一涡轮转动，第一涡轮带动曝气装置转动，从而为污水生物处理池进行曝气充氧工作，提高了曝气充氧效率，降低能源消耗，减少安装以及维护成本，为有氧微生物提供代谢所需的氧气。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，还包括：吸气装置，所述吸气装置设置在所述第二罐体进气孔位置处，所述吸气装置的输入端与所述第一气流通道连通，所述吸气装置的输出端与所述第二罐体进气孔连通，所述第二罐体进气孔通过第二气流通道与所述散热装置连通。
采用上述进一步方案的有益效果是：吸气装置的设置，用于将进入第二罐体的气体压力提高，为第二罐体提供高压工质，以提高第二罐体热力循环的效率。
进一步地，还包括：冷却装置，所述冷却装置设置在所述第一罐体中，所述冷却装置设置在所述第二罐体的下方，所述冷却装置的输入端与所述污水生物处理池连接，所述冷却装置的输出端与排水井连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：冷却装置的设置，用于将临近第二罐体进气孔的气体进行降温，便于第二罐体二次使用循环气体，提高气体的流动速率，提高工作效率；此外，冷却装置直接使用净化处理后的水进行冷却工作，实现资源的二次利用以及合理利用。
进一步地，所述污水生物处理池采用无需污泥回流的水处理工艺。
进一步地，所述太阳能采集装置的输出端与所述散热装置的输入端通过管路连接，所述太阳能采集装置与所述散热装置之间的管路中灌装有导热油。
进一步地，还包括：空气过滤器、消声器以及微孔曝气部件，所述空气过滤器以及所述消声器均设置在所述鼓风装置的第二输入端；所述微孔曝气部件设置在所述污水生物处理池中，所述微孔曝气部件通过管路与所述鼓风装置的输出端连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：空气过滤器用于过滤进入鼓风装置的空气，防止灰尘影响鼓风装置的正常工作；消声器用于降低鼓风装置的工作噪音；微孔曝气部件用于向污水生物处理池中曝气充氧，提高污水中含氧量。
在所述第二罐体的底部以及所述第一罐体的上部内壁上设置有绝热层，在所述第二罐体的底部内壁上设置有蓄热槽，所述蓄热槽设置在第二罐体底部的绝热层的上方，所述蓄热槽中设置有相变蓄热材料。
采用上述进一步方案的有益效果是：绝热材料的设置，阻断第二罐体内热能向外传导，提高热能利用效率。回热通道用于收集流经第一罐体内涡轮做功后的乏气的余热，回热通道与乏气通道之间采用高效导热金属制作的换热结构(翼、翅等)形式，提高系统的能效。熔融盐类相变储热材料的设置，当在黑夜没有阳光时，相变材料开始释放收集的余热，维持鼓风装置的正常工作。
进一步地，所述相变蓄热材料为熔融盐类相变储热材料。
进一步地，所述吸气装置包括第二涡轮、多层转子叶片以及多个突起，多层所述转子叶片沿所述第二涡轮的轴向间隔套设在所述转动轴上，所述转子叶片与所述第二涡轮间隔设置；多个所述突起为片状结构，多个所述突起固定在所述第二涡轮的内壁上，且每相邻两层所述转子叶片之间的间隔中设有至少一个所述突起，所述转子叶片随所述转动轴相对于所述突起转动。
采用上述进一步方案的有益效果是：吸气装置的设置，用于将进入第二罐体的气体压力提高，为第二罐体提供高压工质，以提高第二罐体热力循环的效率。所述吸气装置转子叶片套设在所述转动轴上，转子叶片将透平机的机械功传给气体，是压缩气体的关键部件。突起固定在采用扩压型式的流道上，流道具有高的刚度，突起把气流在动叶中获得的动能转变为压力能，同时使气流转弯以适应下级动叶的气流进口方向，逐级提高气体压力。本装置起到两个作用：1.将第一罐体内气体吸入第二罐体，使第一罐体内压力保持在零或负压，使第一涡轮高效运转。2.用于将进入第二罐体的气体压力提高，为第二罐体提供高压工质，以提高第二罐体热力循环的效率。相当于理想布莱顿循环的绝热等熵加功压缩过程，第二涡轮所需的动力(机械能)由第一涡轮提供；第二涡轮对气流加功，压力增加，能量增加。
此外，本发明还提供了一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理方法，在上述任意一项所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构基础上，处理方法包括：
通过所述太阳能采集装置获取太阳能热量；
将所述太阳能热量输送至所述散热装置；
所述散热装置产生的热气流上升，热气流在第二罐体的出气孔处推动所述第一涡轮转动；
所述第一涡轮带动鼓风装置以及所述吸气装置转动；
所述鼓风装置对所述污水生物处理池进行曝气充氧工作；
热气流进入第一气流通道；
污水生物处理池中的液体进入冷却装置；
冷却装置对所述热气流进行降温处理；
经过降温处理的热气流在吸气装置的加压作用下进入第二气流通道；
所述第二气流通道中的气流通过所述散热装置中加热，使气体能量提高。
本发明的有益效果是：通过采用热能直接驱动第一涡轮转动，第一涡轮带动曝气装置转动，从而为污水生物处理池进行曝气充氧工作，提高了曝气充氧效率，降低资源消耗，降低安装以及维护成本，为有氧微生物提供氧气。第二气流通道中的热气流进入散热装置中加热，使气体能量提高。相当于理想布莱顿循环的等熵等压加热过程。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之一。
图2为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之二。
图3为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之三。
图4为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之四。
图5为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之五。
图6为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之六。
附图标号说明：1-第一罐体；2-第二罐体；3-太阳能采集装置；4-散热装置；5-第一涡轮；6-转动轴；7-鼓风装置；8-污水生物处理池；9-第二罐体出气孔；10-第二罐体进气孔；11-第一气流通道；12-吸气装置；13-冷却装置；14-尾喷管；15-导热油循环泵；16-空气过滤器；17-微孔曝气部件；18-第二气流通道；19-第二涡轮；20-绝热层；21-蓄热槽；22-相变蓄热材料；23-突起；24-转子叶片；25-蓄热材料罐。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图6所示，图1为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之一。图2为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之二。图3为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之三。图4为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之四。图5为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之五。图6为本发明实施例提供的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构示意图之六。
图2和图3中的箭头线代表气体流通的方向以及轨迹。
本发明提供了一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其包括：第一罐体1、第二罐体2、太阳能采集装置3、散热装置4、第一涡轮5、转动轴6、鼓风装置7以及污水生物处理池8，所述太阳能采集装置3与所述散热装置4通过管路连接，所述散热装置4设置在所述第二罐体2中，所述第二罐体2设置在第一罐体1中，所述第二罐体2的顶端设置有第二罐体出气孔9，所述第二罐体2的底端设置有第二罐体进气孔10，所述第二罐体出气孔9与所述第二罐体进气孔10通过第一气流通道11连通，所述转动轴6沿所述第一罐体1的轴向可转动地设置在所述第一罐体1上，所述第一涡轮5套设在所述转动轴6上，所述第一涡轮5设置在所述第二罐体出气孔9位置处；所述鼓风装置7设置在所述第一罐体1的顶端，所述鼓风装置7的第一输入端与所述转动轴6连接，所述鼓风装置7通过管路与所述污水生物处理池8连接。
本发明的有益效果是：通过采用热能直接驱动第一涡轮转动，第一涡轮带动曝气装置转动，从而为污水生物处理池进行曝气充氧工作，提高了曝气充氧效率，降低能源消耗，减少制造、安装以及维护成本，为好氧微生物处理污水提供可靠的供氧条件。
本发明太阳能热能涡轮机曝气动力装置采用集成化、一体化构思，总体结构、部件结构和零件结构构造简单，工质在一个整体设备的各腔体中流动，工质不发生相变，避免了其他太阳能热能涡轮机多组件、多系统管道分散连接，工质需气化、加压冷凝等复杂的系统配置，简化了加工制造难度。满足分散污水处理场合所要求的简单可靠、安装方便的需求。
其中，如果系统使用于太阳能较匮乏、日照时间短的地区，可在太阳能采集装置与散热装置之间设置蓄热材料罐25，在蓄热材料罐25中内设蓄热相变材料和换热器。当在太阳能丰富、日照时间长的地区，可不配置蓄热材料罐25，只在第二罐体内部设置蓄热槽。
采用热管真空管集热器：适合做大面积工程；承压性能好。全金属密封，双层真空玻璃结构，有效防止蓄积热量向外散失。采用双回路介质换热；一支管破损，全系统正常运行，温度高，热效率好；热容小，启动快；冬季热性能佳；多云天性能佳；晚间热损失小。安装简单；维护方便；使用寿命长。
本发明涉及一种利用太阳能热能的好氧污水生物处理曝气充氧的方法，尤其是涉及一种闭式循环涡轮驱动鼓风曝气充氧的方法和装置。
本发明提供一种能够直接利用太阳能真空集热管热能闭式循环涡轮动力为生物反应池鼓风曝气的方法和充氧装置，以解决分散场所的污水处理经济及效率问题。本发明提供一种能够直接利用太阳能真空集热管热能驱动的闭式循环涡轮动力鼓风曝气的方法和充氧装置，以解决分散场所的污水处理经济及效率问题。
具体地，太阳能采集装置可以为真空集热管式集热器，真空集热管式集热器是将太阳辐射能转换为热能。一般设置在空闲地带，如果用地狭小可以设置在污水反应池之上或者附近建筑屋顶，以节约空间。
鼓风装置可以为鼓风机，鼓风机是利用热气流涡轮发动机(即第一涡轮和散热装置组成的动力系统)提供的机械能将气体工质的压力提高，输入生物反应池为微生物供氧。鼓风机立式安装，采用联轴器与太阳能涡轮发动机竖向直连。
鼓风机为一体化设备，可以采用市场成熟的设备。两组设备采用同一根转轴，安装在同一个支架上，固定牢固。
第二罐体内部采用400℃高温导热油将太阳能真空集热器蓄热传导到第二罐体内，经换散热装置加热工质(气体)。
夜间使用相变材料在白天吸收、储存的热量，为污水处理曝气充氧设备提供热动力。
与现有光伏发电鼓风曝气充氧技术相比，本发明应用的优点在于：真空管集热器的太阳能转化热效率在85-93.5％之间；采用热能直接驱动涡轮发动机，发动机带动离心鼓风机对生物反应池曝气供氧，减少了曝气供氧的能量转换层级，极大地提高了效率，设备制造成本低，解决了分散场所污水处理的经济性问题。解决了一些发明直接采用太阳能热空气流作为生物反应池曝气供氧气源，由于污水生物处理的水温宜为10-37℃，太阳能热空气温度远高于该温度，微生物无法生存，实际无法采用的问题，而且该种方式热空气的曝气压力不足，无法应用在水深较大的生物反应池，即使能使用，也会导致池体占地非常大。本发明技术方案的设备投资小，加工制造难度低，可用于缺电或者无电地区，系统总体构思简化可靠，运行无电费，维护费用低，属生态环保节能污水处理方法，有利于新时代新形势下促进生态文明建设和发展。
在散热装置迅速加热工质(可以为气体)使其内能增加膨胀。涡轮转动机由圆形渐扩的流道组成，高温高压的工质(气体)通过流道推动涡轮旋转做功，工质(气体)释放至尾喷管泄压及消音后，有效降低噪音，减少对周边环境的影响。为了提高循环的效率，闭式循环采用了回热通道，可由导热效率高的黄铜(紫铜)等材料制造，通道板的结构采用高效换热结构(翼、翅等结构)对第二涡轮引入的部分低温工质进行预热，高效回收部分能量，虽然增加了一个体积较大的回热器，但由于散热装置的加热量减少，减小了散热装置的尺寸，可使回热后加热区的整体结构尺寸增加不太多。为减少工质(气体)流经散热装置的阻力，加热区通道尺寸经阻力计算、形状经流线型设计优化。为减少上部回热区热损失，回热区外壳(即第一罐体的内壁)喷涂绝热材料。
第一涡轮和第二涡轮用一根轴连起来，自成一个能量平衡系统，耗功等于第一涡轮部分做的功。第一涡轮采用联轴器与上部的鼓风装置联接，转动鼓风装置做功。
这里的第二涡轮是指，吸气机或者压气机。
太阳能热能涡轮机采用水蒸汽作为工质的系统：蒸汽发生器是采用锅炉加热(或封闭的容器加热)，工质发生相变，依靠过热蒸汽推动涡轮转动做功，商业的蒸汽涡轮发电机过热蒸汽压力能达到3.5MPa，温度在540-555℃，不适合于小型分散的场合使用，因为如此高温高压蒸汽设备的运行需要严格考虑安全问题，即使采用自动化控制和安全监控措施，考虑到安全防爆仍然需要专业技术人值班和经常的维护检修。
本发明采用双层罐体结构，高温高压气体位于内腔(即第二罐体)，外腔(即第一罐体)为做功后的乏气，并采用冷却水冷却，温度可降低至20℃左右。运行时由于吸气作用，使第一罐体内压力保持在零或负压，整体结构十分安全。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，还包括：吸气装置12，所述吸气装置12设置在所述第二罐体进气孔10位置处，所述吸气装置12的输入端与所述第一气流通道11连通，所述吸气装置12的输出端与所述第二罐体进气孔10连通，所述第二罐体进气孔10通过第二气流通道18与所述散热装置4连通。
所述第二气流通道沿着所述第二罐体的底端以及侧壁的曲线设置，所述第二气流通道临近所述第二罐体的侧壁与所述第二罐体的外侧壁连接，所述第二气流通道临近所述第一罐体内壁的侧壁设置在所述第一气流通道中。
第二气流通道主要是利用第一气流通道中的乏气预热气体工质，也就是回热利用通道。
所述第二气流通道在径向方向上的截面呈“L”形，所述第二气流通道在所述第二罐体侧壁外部的部分结构的截面形状呈“U”形，所述第二气流通道在所述第二罐体侧壁外部的部分结构的内部设置有挡板，所述挡板的底端与第二罐体的侧壁连接，所述挡板的顶端与第二气流通道的顶端内壁之间具有间隙，所述第二气流通道的第一出气孔与设置在所述第二罐体底部的第一进气孔连接，第一进气孔位于第二罐体的底部两侧。
此外，在第二罐体的底部还设置有第二进气孔，第二进气孔设置在第二罐体的底部中间位置，第二气流通道位于第二罐体的底部中间位置处设置有第二出气孔，第二气流通道的第二出气孔与所述第二罐体的第二出气孔连接。
上述结构的设置，使得气体通过第二涡轮增压之后，在第二罐体下部分为两部分，一部分到回热通道，一部分直接上升，进入第二罐体。
需要说明的是，这里的第二气流通道也可以是管状结构，只要能够满足第二罐体进气孔与散热装置连通，并且第二气流通道的一部分侧壁设置在第一气流通道中即可。
采用上述进一步方案的有益效果是：吸气装置的设置，用于将进入第二罐体的气体压力提高，为第二罐体提供高压工质，以提高第二罐体热力循环的效率。
本发明气体工质在集成化、一体化的装置中循环流动的阻力主要有两种：(1)一种是由于气体本身的粘滞性及其与流道壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力；(2)另一种是气体流经通道中的腔室及换热装置时，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失，称为局部阻力。综合考虑材料费用和气体流动空间尺寸，保证最优的尺寸以控制气体流速，将气体通道剖光加工做得光滑且平整；将气体通道喷涂仿鲨鱼皮减阻功能高分子膜材处理，必要时设置螺旋流槽；有效降低摩擦阻力。流经流速大小和方向变化的腔室采用流线化、消除死角区等设计，有效降低局部阻力。装置一体化、集成化构成，为上述目标的实现，提供了优良的条件。装置竖向构造符合热力学和物理规律，涡轮做工布置在上部，排出的乏汽温度高，气体密度小，粘滞性低，有效降低阻力。下部冷却后的气体工质气体密度大，能够利用密度差、重力效应，下降阻力小，同时流程设计短。以上布置措施有效降低系统能耗并提高装置的效率。
具体地，第二涡轮入口位于热气流涡轮发动机的最下端，工质(可以为气体)从第二涡轮入口引入，第二涡轮可以由突起和转子叶片组成，经突起的整流，转子的压缩，提升工质(气体)的内压。
第二涡轮是向气体传输机械能、完成装置热力循环中气体工质的压缩过程，以提高气体压力的机械装置，是涡轮喷气装置的一个重要部件。第二涡轮的主要作用是：将进入装置的气体压力提高，为第二罐体提供高压工质，以提高装置热力循环的效率。工质轴向地流入又轴向地流出第二涡轮的对称轴流式涡轮；轴流式涡轮不但有转子叶片，还有突起，这是因为仅仅一级转子的总压增压比不会超过2，突起的作用是改变气流方向以实现多级增压。
需要说明的是，突起也可以称作静子叶片。
进一步地，还包括：冷却装置13，所述冷却装置13设置在所述第一罐体1中，所述冷却装置13设置在所述第二罐体2的下方，所述冷却装置13的输入端与所述污水生物处理池8连接，所述冷却装置13的输出端与排水井连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：冷却装置的设置，用于将临近第二罐体进气孔的气体进行降温，便于第二罐体二次使用循环气体，降低涡轮机出口的温度，有效利用温差，提高工作效率；此外，冷却装置直接使用净化处理后的污水进行冷却工作，实现资源的二次利用以及合理利用。
冷却装置为水冷系统，污水经生物处理后的较清洁的出水作为冷却水系统冷源，冷却水系统的功能是向换热器设备提供冷却水，水流经冷却热交换器来冷却第二涡轮压缩前的工质(气体)，相当于理想布莱顿循环的等熵等压放热过程。
进一步地，所述污水生物处理池采用无需污泥回流的水处理工艺。
本装置优选配合的那些污水处理工艺，即无需生物污泥回流的水处理工艺，不需要配置污泥回流装置设备(泵)等，可不接外部电源。
污泥回流的水处理工艺的原理是，由二次沉淀(或沉淀区)分离出来，回流到生物段的活性污泥。
1、将污泥回流继续充当微生物载体。活性污泥法是废水生化处理中的一大方法，以活性污泥胶团作为微生物的载体，使微生物在载体中生长、繁殖，并起到污水净化作用，这种载体相较于生物膜法在水流、曝气等作用下更容易流失。
2、补充碳源及活性污泥菌落，通过将污泥进行回流将部分流失的夹带微生物的污泥及碳源重新回流到活性氧化池中。
3、保证生物菌着床条件，并可因此根据污泥量在充足的条件下所形成絮团的形状，进而判断装置的运行状态。
4、保持污泥活性，提高系统的抗冲击能力，减少水流变化的影响。
除此之外，对于非活性污泥回流还具有促进反硝化作用及去除氨氮的作用，在缺氧条件下，使反硝化细菌利用硝酸盐里的氧进行呼吸产生反硝化脱氮效果。还可控制各反应池的MLSS。另外，一般污泥回流量为50％～100％生化法是利用微生物的代谢作用来降解废水中的有害物质，并将其转变成稳定且无害的成分从而使废水得到净化的方法。
还可以包括：尾喷管14以及消音器，所述尾喷管14为喇叭形结构，所述消音器设置在所述尾喷管14上，所述尾喷管14与所述第二罐体出气孔9连通，所述尾喷管14套设在所述第一涡轮5的外侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：尾喷管的设置，用于降低的强度，从而降低气流产生的噪音；气流释放至尾喷管泄压及消音后，有效降低噪音，减少噪音对周边环境的影响。
还可以包括：导热油循环泵15，所述太阳能采集装置3的输出端与所述散热装置4的输入端通过管路连接，所述散热装置4的输出端通过管路与所述导热油循环泵15的一端连接，所述导热油循环泵15的另一端通过管路与所述太阳能采集装置3的输入端连接，所述太阳能采集装置3与所述散热装置4之间的管路中灌装有导热油。
需要说明的是，太阳能收集装置上的导热油循环泵不是必须的。如场地条件合适还可以取消导热油循环泵，导热油加热系统直接采用重力自然循环模式。
采用上述进一步方案的有益效果是：导热油循环泵的设置，用于加速太阳能采集装置与所述散热装置之间的导热油流通效率，实现导热油的循环流通。
本发明实施例采用双层罐体结构，高温高压气体位于内腔，外腔内的气体工质为做功后的温度已大幅降低的乏气，并采用污水处理后的较清洁尾水作为冷却水持续充分地冷却，温度可降低至20℃左右。装置运行时由于吸气作用，使外部第一罐体内压力保持在零或负压，因此整体结构十分安全。
太阳能热能涡轮机采用其他液体化合物(甲醇、丙醇、乙醇、异丙醇、液氨、氟利昂)等作为循环工质的涡轮机，需要气化装置(压力控制监控系统实时监控压力)和工质加热前需冷凝并采用液化加压泵加压液化，系统需要的机械、电子设备很多，这些设备也需要动力，因此系统的构成、控制都十分复杂。不能很好地满足分散污水处理场合所要求的简单可靠、维护安装方便等需求。
进一步地，还包括：空气过滤器16、消声器以及微孔曝气部件17，所述空气过滤器16以及所述消声器均设置在所述鼓风装置7的第二输入端；所述微孔曝气部件17设置在所述污水生物处理池8中，所述微孔曝气部件17通过管路与所述鼓风装置7的输出端连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：空气过滤器用于过滤进入鼓风装置的空气，防止灰尘影响鼓风装置的正常工作；消声器用于降低鼓风装置的工作噪音；微孔曝气部件用于向污水生物处理池中曝气充氧，保证污水中微生物处理所需的含氧量。
具体地，鼓风机压缩大气中的空气通过输气、配气管道、微孔曝气装置，向生物反应池持续曝气供氧。鼓风机进气端设置空气过滤器+消声器。
在所述第二罐体2的底部以及所述第一罐体1的上部内壁上设置有绝热层20，在所述第二罐体2的底部内壁上设置有蓄热槽21，所述蓄热槽21设置在第二罐体2底部的绝热层20的上方，所述蓄热槽21中设置有相变蓄热材料。
蓄热槽底部设置了绝热层，绝热层的下部是压缩后的冷却气体，温度较低，冷却气体通过第二气流通道冷却做功后的乏气，并使气体获得热量，最后从尽端进入散热装置。
具体地，在所述第一罐体的内壁上半部分以及二罐体的四周及上盖外壁上涂覆有绝热材料。第二罐体内是工质气体加热的地方，需要设置绝热层，防止热量散失。蓄热储能材料设置在第二罐体底部。相变蓄热材料受热后变成液体，所以需要设置一个仓、槽。
绝热材料的设置，阻断第二罐体内热能向外传导，提高热能利用效率。回热通道用于收集流经第一罐体内涡轮做功后的乏气的余热，回热通道与乏气通道之间采用高效导热金属制作的换热结构(翼、翅等)形式，提高系统的能效。熔融盐类相变储热材料的设置，当在黑夜没有阳光时，相变材料开始释放收集的余热，维持鼓风装置的正常工作。
具体地，夜间使用相变材料在白天吸收、储存的热量，为污水处理曝气充氧设备(即鼓风装置)提供热动力。在所述第一罐体的底部上方设有相变蓄热材料存储仓。当在黑夜没有阳光时，相变材料开始释放收集的余热，维持污水处理设备鼓风装置夜间的正常工作。
采用上述进一步方案的有益效果是：绝热材料的设置，阻断第二罐体内热能向外传导，提高热能利用效率。回热通道用于收集流经第一罐体内涡轮做功后的乏气的余热，回热通道与乏气通道之间采用高效导热金属制作的换热结构(翼、翅等)形式，提高系统的能效。
进一步地，所述相变蓄热材料为熔融盐类相变储热材料。
采用上述进一步方案的有益效果是：熔融盐类相变储热材料的设置，用于收集流经第一罐体的内壁上以及第二气流通道的热气流的余热，当在黑夜没有阳光时，相变材料开始释放收集的余热，维持鼓风装置的正常工作。
夜间鼓风曝气的工作原理是：采用相变材料在白天吸收、储存的热量为污水处理曝气充氧设备提供热动力。相变材料可采用熔融盐类相变储热材料，熔融盐类相变材料一般由碱金属的氟化物、氯化物、硝酸盐、碳酸盐等组成，可以是单组分、双组分或多组分的混合物。一般应用于中高温领域，120～1000℃及以上。
进一步地，所述吸气装置12包括第二涡轮19、多层转子叶片24以及多个突起23，多层所述转子叶片24沿所述第二涡轮19的轴向间隔套设在所述转动轴6上，所述转子叶片24与所述第二涡轮19间隔设置；多个所述突起23为片状结构，多个所述突起23固定在所述第二涡轮19的内壁上，且每相邻两层所述转子叶片24之间的间隔中设有至少一个所述突起23，所述转子叶片24随所述转动轴6相对于所述突起23转动。
转子叶片套设在所述转动轴上，转子叶片将涡轮的机械功传给气体，是压缩气体的关键部件。突起固定在采用扩压型式的流道上，流道具有高的刚度，突起把气流在动叶中获得的动能转变为压力能，同时使气流转弯以适应下级动叶的气流进口方向。
采用上述进一步方案的有益效果是：吸气装置的设置，用于将进入第二罐体的气体压力提高，为第二罐体提供高压工质，以提高第二罐体热力循环的效率。所述吸气装置转子叶片套设在所述转动轴上，转子叶片将透平机的机械功传给气体，是压缩气体的关键部件。突起固定在采用扩压型式的流道上，流道具有高的刚度，突起把气流在动叶中获得的动能转变为压力能，同时使气流转弯以适应下级动叶的气流进口方向，逐级提高气体压力。本装置起到两个作用：1.将第一罐体内气体吸入第二罐体，使第一罐体内压力保持在零或负压，使第一涡轮高效运转。2.用于将进入第二罐体的气体压力提高，为第二罐体提供高压工质，以提高第二罐体热力循环的效率。相当于理想布莱顿循环的绝热等熵加功压缩过程，第二涡轮所需的动力(机械能)由第一涡轮提供；第二涡轮对气流加功，压力增加，能量增加。
此外，本发明还提供了一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理方法，在上述任意一项所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构基础上，处理方法包括：
通过所述太阳能采集装置获取太阳能热量；
将所述太阳能热量输送至所述散热装置；
所述散热装置产生的热气流上升，热气流在第二罐体的出气孔处推动所述第一涡轮转动；
所述第一涡轮带动鼓风装置以及所述吸气装置转动；
所述鼓风装置对所述污水生物处理池进行曝气充氧工作；
热气流进入第一气流通道；
污水生物处理池中的液体进入冷却装置；
冷却装置对所述热气流进行降温处理；
经过降温处理的热气流在吸气装置的加压作用下进入第二气流通道；
所述第二气流通道中的热气流进入所述散热装置中加热，使气体能量提高。
本发明的有益效果是：通过采用热能直接驱动第一涡轮转动，第一涡轮带动曝气装置转动，从而为污水生物处理池进行曝气充氧工作，提高了曝气充氧效率，降低能源消耗，降低安装以及维护成本，为有氧微生物提供氧气。第二气流通道中的热气流进入散热装置中加热，使气体能量提高，相当于理想布莱顿循环的等熵等压加热过程。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
工作流程可以为：第二涡轮(即吸气机)将工质(这里可以为气体)吸入并增压→散热装置→工质膨胀推动第一涡轮做功(带动第二涡轮、鼓风机转动)→尾喷管膨胀加速→高速排气→尾气通过第一气流通道使第二涡轮(即吸气机)吸入的部分气体加热→尾气经水冷系统(即冷却装置)降温→第二涡轮进气道将降温气体吸入，完成一个热动力循环。
污水处理采用不需要污泥回流的好氧生物处理工艺。不需要污泥回流的污水处理工艺主要是：移动床生物膜反应器MBBR、膜生物反应器MBR、序批式活性污泥法SBR、曝气生物滤池BAF、人工湿地等。工艺能达到性能稳定，无需操作维护，设备主体采用无动力运行，没有动力消耗等特点。系统简单，无需供电，节能减排，设备配置少，发生故障的概率低。
SBR工艺的核心，是一种按间歇曝气办法来运转的活性污泥污水处理方法。在较短的时间内把污水加入到反应器中，并在反应器充满水后开始曝气，污水里的有机物通过生物降解达到排故要求后停止曝气，沉淀一定时间将上清液排出。上述处理过程可概括为：短时间进水-曝气反应-沉淀-短时间排水-进入下一个工作周期，也可称为进水阶段-加入底物、反应阶段-底物降解、沉淀阶段-固液分离、排水阶段-排上清液和待机阶段-活性恢复五个阶段。该反应器集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流体系。
MBBR工艺兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优点，是一种新型高效的污水处理方法，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，这就使得移动床生物膜使用了整个反应器空间，充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性，使之扬长避短，相互补充。与以往的填料不同的是，悬浮填料能与污水频繁多次接触因而被称为“移动的生物膜”。可无污泥回流体系。
MBR膜-生物反应器为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥(MLSS)浓度可提升至8000～10000mg/L，甚至更高；污泥龄(SRT)可延长至30天以上。膜生物反应器因其有效的截留作用，可保留世代周期较长的微生物，可实现对污水深度净化，同时硝化菌在系统内能充分繁殖，其硝化效果明显，对深度除磷脱氮提供可能。系统无需污泥回流体系。
BAF该工艺具有去除SS(suspended solids，悬浮物)、COD(Chemical OxygenDemand，化学耗氧量)、BOD(Biochemical Oxygen Demand，生化需氧量)、硝化、脱氮、除磷、去除AOX(有害物质)的作用。曝气生物滤池作为集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续沉淀池(二沉池)，具有容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，出水水质好：运行能耗低，运行费用少的特点。系统无需污泥回流体系。
人工湿地是通过模拟和强化自然湿地功能，将污水有控制地投配到土壤(填料)经常处于饱和状态且生长有芦苇、菖蒲、香蒲等水生植物的土地上，污水沿一定方向流动的过程中，在耐水植物和土壤(填料)的物理、化学和生物的三重协同作用下，污水中有机物通过过滤、根系截留、吸附、吸收和植物光合、输氧作用，促进兼性微生物分解来实现对污水的高效净化。人工湿地等土地处理工艺，虽然可以做到无动力，但是依靠水体自然复氧效果差，负荷很低，占地很大，污水进水浓度要求很低，否则很容易堵塞。一旦发生堵塞，不整体翻修基本处于报废状态。增加曝气装置能很好解决以上缺点。该系统无需污泥回流体系。
上述污水处理工艺是本发明配合太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧装置的最佳的污水处理方法，其共同特征是：系统无需活性污泥回流体系，不需要配置污泥回流泵，可以不要配置电源，极大简化系统。
本发明采用污水处理后的清洁水作为太阳能热能涡轮机冷却系统。热能机冷却系统一般有水冷和风冷两种形式。两种冷却系统制冷效果不同：风冷系统不如水冷降温快，水冷系统降温效率高、效果明显。水冷优点：散热性能更好，散热更快。风冷缺点：没有水冷散热性能好，受环境的影响大，夏季气温高散热性能较差。根据文献统计城镇污水来自于每家每户排出的生活用水，全年温度通常在10到20摄氏度之间，受外界气候的变化影响非常小，水温比较恒定。分散场所排放的污水温度，由于水量少，温度还会低于城镇生活污水。污水这些条件都非常有利于作为冷却水，但污水水质差，BOD5、CODcr、SS、浊度、NH3-N、TP等指标均不符合冷却水标准，污水处理后的尾水，出水水质较好时基本能达到再生水用作冷却用水的水质控制标准(GB/T19923-2005)。太阳能热气流涡轮机巧妙利用污水处理后清洁水作为冷却水资源，利用污水反应池中池水的水位势能，冷却换热系统设置在系统低处，常年恒温的生物处理后的污水重力流进入换热器，无需一般冷却水系统配置的循环水泵，有利于节约能源。另外由于使用生活污水是不付费的，一般水冷系统受安装地点是否有地下水、地表水资源条件限制，并且取用水资源需要缴纳水资源费用，分散地点一般位于偏僻地带，无法利用自来水作为冷却水资源，即使有条件，市政自来水接管及用水也需要缴费。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，包括：第一罐体、第二罐体、太阳能采集装置、散热装置、第一涡轮、转动轴、鼓风装置以及污水生物处理池；
所述太阳能采集装置与所述散热装置通过管路连接，所述散热装置设置在所述第二罐体中，所述第二罐体设置在第一罐体中，所述第二罐体的顶端设置有第二罐体出气孔，所述第二罐体的底端设置有第二罐体进气孔，所述第二罐体出气孔与所述第二罐体进气孔通过第一气流通道连通，所述转动轴沿所述第一罐体的轴向可转动地设置在所述第一罐体上，所述第一涡轮套设在所述转动轴上，所述第一涡轮设置在所述第二罐体出气孔位置处；
所述鼓风装置设置在所述第一罐体的顶端，所述鼓风装置的第一输入端与所述转动轴连接，所述鼓风装置的输出端通过管路与所述污水生物处理池连接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，还包括：吸气装置，
所述吸气装置设置在所述第二罐体进气孔位置处，所述吸气装置的输入端与所述第一气流通道连通，所述吸气装置的输出端与所述第二罐体进气孔连通，所述第二罐体进气孔通过第二气流通道与所述散热装置连通。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，还包括：冷却装置，所述冷却装置设置在所述第一罐体中，所述冷却装置设置在所述第二罐体的下方，所述冷却装置的输入端与所述污水生物处理池连接，所述冷却装置的输出端与排水井连接。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，所述污水生物处理池采用无需污泥回流的水处理工艺。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，所述太阳能采集装置的输出端与所述散热装置的输入端通过管路连接，所述太阳能采集装置与所述散热装置之间的管路中灌装有导热油。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，还包括：空气过滤器、消声器以及微孔曝气部件，所述空气过滤器以及所述消声器均设置在所述鼓风装置的第二输入端；所述微孔曝气部件设置在所述污水生物处理池中，所述微孔曝气部件通过管路与所述鼓风装置的输出端连接。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，在所述第二罐体的底部以及所述第一罐体的上部内壁上设置有绝热层，在所述第二罐体的底部内壁上设置有蓄热槽，所述蓄热槽设置在第二罐体底部的绝热层的上方，所述蓄热槽中设置有相变蓄热材料。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，所述相变蓄热材料为熔融盐类相变储热材料。
9.根据权利要求2所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统，其特征在于，所述吸气装置包括第二涡轮、多层转子叶片以及多个突起，多层所述转子叶片沿所述第二涡轮的轴向间隔套设在所述转动轴上，所述转子叶片与所述第二涡轮间隔设置；多个所述突起为片状结构，多个所述突起固定在所述第二涡轮的内壁上，且每相邻两层所述转子叶片之间的间隔中设有至少一个所述突起，所述转子叶片随所述转动轴相对于所述突起转动。
10.一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理方法，其特征在于，在权利要求1-9任意一项所述的一种太阳能热能涡轮鼓风曝气充氧污水处理系统的结构基础上，处理方法包括：
通过所述太阳能采集装置获取太阳能热量；
将所述太阳能热量输送至所述散热装置；
所述散热装置产生的热气流上升，热气流在第二罐体的出气孔处推动所述第一涡轮转动；
所述第一涡轮带动鼓风装置以及所述吸气装置转动；
所述鼓风装置对所述污水生物处理池进行曝气充氧工作；
热气流进入第一气流通道；
污水生物处理池中的液体进入冷却装置；
冷却装置对所述热气流进行降温处理；
经过降温处理的热气流在吸气装置的加压作用下进入第二气流通道；
所述第二气流通道中的气流通过所述散热装置中加热，使气体能量提高。
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