CN115611479B - 一种城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，包括：低碳污水处理系统、污泥处理系统、热能提取及利用系统、高效产甲烷系统、电解再生水制氢及副产物利用系统和热电联产系统，低碳污水处理系统出水口与热能提取及利用系统、电解再生水制氢及副产物利用系统连接；热能提取及利用系统与污泥处理系统、厂内/外冷热源用户端连接；高效产甲烷系统与污泥处理系统、热电联产系统连接；电解再生水制氢及副产物利用系统与高效产甲烷系统、热电联产系统连接；热电联产系统与厂内外用热单元连接。本发明构建了一种集热能、化学能、氢能深度融合与综合利用的低碳、绿色污水处理同步产能系统，有效降低碳足迹。

Description

一种城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统
技术领域
本发明属于污水资源能源回收利用技术领域，具体涉及一种城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统。
背景技术
近年来，世界各国对低碳社会的建设越来越重视，各行各业在高效、低碳、清洁发展方面做出重大战略调整。目前，各国污水处理行业纷纷寻求新的绿色低碳转型路径。在城市污水处理系统运行过程中，水资源和能源关系紧密，能源的使用渗透在污水处理的各个环节，如何在不同等级再生水利用前提下，耦合多源能量的提取及利用是实现节能降耗的关键点。2010年荷兰发布了面向2030年的污水处理发展路线图，提出“NEWs框架”，意在打造营养物回收、能源生产和再生水回用三位一体的可持续污水处理设施，从而实现构建可持续社会的长期愿景。美国水环境研究基金(WERF)制定了至2030年美国所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标。2013年美国希博伊根污水处理厂从开源和节流两方面入手，几乎逼近其运行“能源零消耗”的目标。新加坡开发了基于“双膜法”工艺的NEWater路线，将生活污水及工业废水转化为满足世界卫生组织标准的新生水，作为工业用水和间接饮用水源补给，可以满足新加坡未来55%的用水需求。我国在特定流域、干旱缺水地区建设污水资源化利用示范城市，规划建设配套基础设施，实现再生水规模化利用，建设资源能源标杆再生水厂。宜兴概念厂有机质协同处理中心，利用污水中的污泥与外部蓝藻、餐厨垃圾、秸秆等协同发酵产生沼气发电，基本实现概念厂能源自给。目前，国内外污水处理厂主要通过回收污水中有机质化学能和潜在热能、利用可再生能源（风能、太阳能等）以及升级改造污水再生工艺和系统等方式实现污水处理厂节能降耗、能量自平衡甚至能量输出。
公开号为CN111875152A的发明专利通过强化预处理、碳磷回收、高效复合脱氮、深度处理和热能回收单元，构建了一种能实现资源和能源回收转化的污水处理系统，在产出高品质回用水的同时能够回收污水中的热能。专利CN113800631A提出一种太阳能用于污水处理厂的综合能源利用系统及方法，通过光伏系统产生热量提供给污水厌氧处理装置和厂区供暖，产生的沼气用于发电以满足用户用电需求，余热或污水热泵补充供暖系统。公开号为CN109972161A的发明专利构建一种基于污水处理厂的分布式发电制氢系统，利用风光互补发电产生电能以实现电解水制氢和氧气。污水中存在着丰富的污水源热能、有机质化学能，此外协同利用可再生能源、富余电力等多动力能源电解再生水制氢，能够形成污水处理厂多能源途径互馈系统，实现面向中远期低碳运行的多能源协同利用的能量输出型工厂的构建。上述专利中能够将污水中部分能源进行提取利用，然而污水中大量的能源点仍需开发，能量利用途径有待进一步拓展，电解副产物综合利用途径仍需探索。
综上，我国正处于能源绿色低碳转型发展的关键时期，实现污水处理厂向能源化、清洁化、低碳化转型将是新一轮重大变革。污水作为资源、能源的重要载体，构建与现有污水再生工艺融合升级的同步产能系统，实现污水处理厂热能、有机质化学能、氢能多能源深度融合与综合利用具有极为显著的应用前景，能够为我国污水处理行业面向中远期的低碳发展提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，能够实现污水处理由污染物单一削减向减污降碳产能耦合转变的重大需求，在污水净化的同时，通过开展污水热能高效提取与多元利用、有机质强化提取与电化学高效产甲烷、多动力源互补电解再生水制氢及副产物利用技术研究，构建能源型污水再生全流程反应系统，能够将能量由无序耗散转化为有序汇集的状态，最终实现污水、污泥向资源能源生产高效转化。
为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：一种城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，包括低碳污水处理系统、污泥处理系统、热能提取及利用系统、高效产甲烷系统、电解再生水制氢及副产物利用系统和热电联产系统；
所述低碳污水处理系统包括依次设置的格栅、沉砂池、碳源收集单元、初沉池、生物膜法脱氮装置、深度除磷装置以及消毒装置；所述碳源收集单元与所述污泥处理系统连接；
所述低碳污水处理系统的出水口与所述热能提取及利用系统连接，所述热能提取及利用系统提取的热能供所述污泥处理系统的加热单元使用；所述低碳污水处理系统出水口还与所述电解再生水制氢及副产物利用系统的进口连接，所述电解再生水制氢及副产物利用系统的出口分别与所述热电联产系统及低碳污水处理系统连接；
所述污泥处理系统与高效产甲烷系统连接，所述高效产甲烷系统与所述电解再生水制氢及副产物利用系统连接，所述高效产甲烷系统和电解再生水制氢及副产物利用系统的气体出口端与热电联产系统连接；
所述热能提取及利用系统和热电联产系统与冷热源利用端连接，所述冷热源利用端包括厂内和/或厂外供热及制冷，所述热电联产系统的余电接入电网。
进一步地，所述污泥处理系统包括依次设置的水解产酸单元、厌氧消化单元、污泥干化单元以及污泥焚烧单元；所述水解产酸单元、厌氧消化单元及污泥干化单元分别设置有热源接入口，所述热源接入口与所述热能提取及利用系统连接。
进一步地，所述热能提取及利用系统包括热能提取单元与热能利用单元；
所述热能提取单元包括依次设置的水源热泵机组和厂内/外冷热源用户端，所述水源热泵机组的冷/热源输出口分别与厂内/外冷热源用户端的入口连接；
所述热能利用单元用于对来自所述低碳污水处理系统的达标水进行热能二级提取，其中一级提取的热能用于所述污泥处理系统中水解产酸单元、厌氧消化单元的加热，二级提取的热能用于所述污泥处理系统中污泥干化单元的加热；此外，通过水源热泵机组提取的热端供厂内/外供暖使用，冷端用于厂内/外通风、制冷、除湿除臭。
进一步地，所述高效产甲烷系统包括沼气收集单元与沼气提纯单元，所述沼气收集单元包括与所述污泥处理系统共用的水解产酸单元和厌氧消化单元，还包括沼气储存装置；
所述沼气收集单元的出口与所述热电联产系统连接；
所述水解产酸单元中的有机质来源于所述低碳污水处理系统中碳源收集单元中富集的有机质；
所述沼气提纯单元通过电解再生水制氢及副产物利用系统电解再生水产生的氢气补充到所述厌氧消化单元中。
进一步地，所述水解产酸单元通过耦合生物载体、外加电场、膜浓缩在内的一种或几种方法强化水解产酸。
进一步地，所述电解再生水制氢及副产物利用系统包括依次设置的双膜制纯水单元、多动力源供电单元、电解再生水制氢单元、气体储存单元及副产物利用单元；
所述双膜制纯水单元由超滤和反渗透工艺组成，双膜制纯水单元设置有进水口、出水口和浓液收集装置；所述双膜制纯水单元的进水口与所述低碳污水处理系统的出水口连接，所述双膜制纯水单元的出水口与所述电解再生水制氢单元连接；
所述多动力源供电单元由太阳能发电装置与电网供电系统联动，或者所述多动力源供电单元采用风力发电；
所述电解再生水制氢单元设置有第一氢气输出口和第一氧气输出口，所述第一氢气输出口和第一氧气输出口分别与所述气体储存单元连接；
所述气体储存单元设置有第二氢气输出口和第二氧气输出口，所述第二氢气输出口与所述高效产甲烷系统中的沼气提纯单元和热电联产系统连接，所述第二氧气输出口与臭氧制备装置连接；
所述浓液收集装置与氯消毒剂制备单元连接，所述浓液收集装置收集的浓液用于氯消毒剂的制备；
所述氯消毒剂制备单元与所述低碳污水再生系统中的消毒装置连接。
进一步地，所述热电联产系统包括依次设置的沼气发电机组、余热锅炉、烟气净化装置，所述沼气发电机组的前端入口与所述沼气收集单元及气体储存单元的氢气输出口连接；
所述热电联产系统利用所述厌氧消化单元产生的沼气和电解再生水制氢单元产生的氢气进行燃烧发电。
进一步地，所述热电联产系统产生的一部分热能用于厂内或周边居民暖通系统供热使用，另一部分热能接入吸附式制冷机进行制冷，并随制冷管输送至厂内或周边居民区的制冷设备中。其中接入吸附式制冷机的热能是中等温度（100-180℃）的热量。
进一步地，所述热电联产系统产生的电力一部分提供给厂内/外暖通系统的用电设备，另一部分余电并入电网。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1. 本发明的城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，通过构建集碳源富集提取、热能、化学能、氢能多源能量高效回收、副产物综合利用的能源型污水再生系统，充分挖掘污水、污泥中可提取利用能源，在保障出水品质的同时，建立全处理过程产能、用能技术体系，形成可复制、可推广、可模块化的污水能源利用新模式，实现污水处理厂能量利用效益最大化，有效降低碳足迹。
2. 本发明提供的热能及化学能产用布局，能够针对不同地域、季节、处理工艺以及能源条件，合理提出耦合热能、化学能提取与布局的污水再生利用技术路线，实现污水热能和有机质化学能的高效提取及多元利用。
3. 本发明提供的再生水产能途径，结合可再生能源、富余电力等多动力能源电解再生水制氢技术，实现了太阳能、生物质能、传统电能的耦合，促进了再生水的高效利用及能源的转化，拓展了再生水产能的新途径。
附图说明
图1是本发明实施例中城市污水再生利用耦合多源能量提取系统的构成示意图。
图2是图1中城市污水再生利用耦合多源能量提取系统的工作流程示意图。
附图标记说明：11-格栅；12-沉砂池；13-碳源收集单元；14-初沉池；15-生物膜法脱氮装置；16-深度除磷装置；17-消毒装置；18-双膜制纯水单元；21-水源热泵机组；22-厂内/外冷热源用户端；31-水解产酸单元；32-厌氧消化单元；33-污泥干化单元；34-污泥焚烧单元；35-沼气罐；41-电解再生水制氢单元；42-氢气；43-氢气存储单元；44-氧气存储单元；45-臭氧制备装置；46-阴离子树脂；47-RO浓水电解；51-沼气发电机组；52-余热锅炉；53-烟气净化装置；54-厂内/外供热及制冷系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，包括低碳污水处理系统、污泥处理系统、热能提取及利用系统、高效产甲烷系统、电解再生水制氢及副产物利用系统和热电联产系统；
如图2所示，低碳污水处理系统包括依次设置的格栅11、沉砂池12、碳源收集单元13、初沉池14、生物膜法脱氮装置15、深度除磷装置16以及消毒装置17；碳源收集单元13与污泥处理系统连接，促进碳源回收利用；
其中沉砂池的水力停留时间不宜低于9 min，生物膜法包括但不仅限于厌氧氨氧化与A/O的耦合、亚硝化与厌氧氨氧化的耦合；
低碳污水处理系统的出水口与热能提取及利用系统连接，热能提取及利用系统提取的热能供污泥处理系统的加热单元使用；低碳污水处理系统出水口还与电解再生水制氢及副产物利用系统的进口连接，电解再生水制氢及副产物利用系统的出口分别与热电联产系统及低碳污水处理系统连接；
污泥处理系统与高效产甲烷系统连接，促进碳源回收利用，高效产甲烷系统与电解再生水制氢及副产物利用系统连接，高效产甲烷系统和电解再生水制氢及副产物利用系统的气体出口端与热电联产系统连接，高效产甲烷系统产生的甲烷与电解再生水制氢及副产物利用系统产生的氢气42进入热电联产系统产生热能与电能；
热能提取及利用系统和热电联产系统与冷热源利用端连接，冷热源利用端包括厂内和/或厂外供热及制冷，热电联产系统的余电接入电网。
污泥处理系统包括依次设置的水解产酸单元31、厌氧消化单元32、污泥干化单元33以及污泥焚烧单元34；水解产酸单元31、厌氧消化单元32及污泥干化单元33分别设置有热源接入口，热源接入口与热能提取及利用系统连接。
其中水解产酸温度为10-40℃，厌氧消化温度为30-60℃，污泥干化温度为70-90℃；
热能提取及利用系统包括热能提取单元与热能利用单元；
其中热能提取单元包括依次设置的水源热泵机组21和厂内/外冷热源用户端22，水源热泵机组21的冷/热源输出口分别与厂内/外冷热源用户端22的入口连接；
热能利用单元用于对来自低碳污水处理系统的达标水进行热能二级提取，其中一级提取的热能（40-70℃）用于污泥处理系统中水解产酸单元31、厌氧消化单元32的加热，二级提取的热能（80-90℃）用于污泥处理系统中污泥干化单元33的加热；此外，通过水源热泵机组21提取的热端供厂内/外供暖使用，冷端用于厂内/外通风、制冷、除湿除臭等，实现了污水中热能的回收，被提取热量后的达标水出水温度降低，排放到环境中有利于水体抑藻。
高效产甲烷系统包括沼气收集单元与沼气提纯单元，其中，沼气收集单元包括与污泥处理系统共用的水解产酸单元31和厌氧消化单元32，还包括沼气储存装置35，沼气储存装置35在实施例中具体为沼气罐；
沼气收集单元的出口与热电联产系统连接；
水解产酸单元31中的有机质来源于低碳污水处理系统中碳源收集单元中富集的有机质，水解产酸单元31通过耦合生物载体、外加电场、膜浓缩在内的一种或几种方法强化水解产酸；
沼气提纯单元通过电解再生水制氢及副产物利用系统电解再生水产生的氢气补充到厌氧消化单元32中；
厌氧消化单元32通过电化学反应强化厌氧发酵，通过促进电子转移诱导氢型甲烷菌产生，提高甲烷产率（80%-100%）；
沼气提纯单元是指通过电解再生水产生的氢气补充到厌氧消化工艺中，氢气提供的电子有利于氢营养型甲烷菌产生，从而强化厌氧发酵过程中的二氧化碳还原生成甲烷，以提高甲烷的产率。
电解再生水制氢及副产物利用系统包括依次设置的双膜制纯水单元18、多动力源供电单元、电解再生水制氢单元41、气体储存单元（包括氢气存储单元43及氧气存储单元44）及副产物利用单元，副产物利用单元包括臭氧制备装置45和氯消毒剂制备装置，所述氯消毒剂制备装置包括阴离子树脂46和RO浓水电解47；
双膜制纯水单元18由超滤（UF）和反渗透（RO）工艺组成，双膜制纯水单元18设置有进水口、出水口和浓液收集装置；双膜制纯水单元18的进水口与低碳污水处理系统的出水口连接，双膜制纯水单元18的出水口与电解再生水制氢单元41连接；进行电解制氢时采用双膜法；电解水时，低碳污水处理系统的消毒装置17的出水进入双膜制纯水单元18，双膜制纯水单元18的出水一部分进入电解再生水制氢单元41，另一部分为再生水；浓水进入氯消毒剂制备单元，经过阴离子交换树脂及电解形成氯消毒剂，氯消毒剂进入低碳污水处理系统的消毒装置17；
多动力源供电单元由太阳能发电装置与电网供电系统联动，光照充足时采用太阳能发电提供电源动力，夜晚采用电网提供峰谷电；或者多动力源供电单元采用风力发电，特别是在我国东南沿海地区、沿海岛屿以及西北、华北、东北等具有丰富风力资源的地区，可采用风力发电；
电解再生水制氢单元41设置有第一氢气输出口和第一氧气输出口，第一氢气输出口和第一氧气输出口分别与气体储存单元连接；
气体储存单元设置有第二氢气输出口和第二氧气输出口，第二氢气输出口与高效产甲烷系统中的沼气提纯单元和热电联产系统连接，第二氧气输出口与臭氧制备装置45连接，副产物利用单元利用电解再生水制氢单元41产生的氧气制备臭氧；
浓液收集装置与氯消毒剂制备单元连接，浓液收集装置收集的浓液用于氯消毒剂的制备；
氯消毒剂制备单元与低碳污水再生系统中的消毒装置连接。
进一步地，热电联产系统包括依次设置的沼气发电机组51、余热锅炉52、烟气净化装置53，沼气发电机组51的前端入口与沼气收集单元及气体储存单元的氢气输出口连接；
热电联产系统利用厌氧消化单元32产生的沼气和电解再生水制氢单元41产生的氢气进行燃烧发电。
热电联产系统产生的一部分热能用于厂内或周边居民暖通系统供热使用，另一部分中等温度（100-180℃）的热能接入吸附式制冷机进行制冷，并随制冷管输送至厂内或周边居民区的制冷设备中。
热电联产系统产生的电力一部分提供给厂内/外暖通系统的用电设备，另一部分余电并入电网。
本发明通过将污水处理厂内在能源的提取利用与外部可再生能源转化利用耦合，构建集热能、化学能、氢能深度融合与综合利用的低碳、绿色污水处理同步产能系统，有效降低碳足迹。
以上所述具体实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或替换，这些改进或替换应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，其特征在于，包括低碳污水处理系统、污泥处理系统、热能提取及利用系统、高效产甲烷系统、电解再生水制氢及副产物利用系统和热电联产系统；
所述低碳污水处理系统包括依次设置的格栅（11）、沉砂池（12）、碳源收集单元（13）、初沉池（14）、生物膜法脱氮装置（15）、深度除磷装置（16）以及消毒装置（17）；所述碳源收集单元（13）与所述污泥处理系统连接；
所述低碳污水处理系统的出水口与所述热能提取及利用系统连接；所述低碳污水处理系统出水口还与所述电解再生水制氢及副产物利用系统的进口连接，所述电解再生水制氢及副产物利用系统的出口分别与所述热电联产系统及低碳污水处理系统连接；
所述污泥处理系统与高效产甲烷系统连接，所述高效产甲烷系统与所述电解再生水制氢及副产物利用系统连接，所述高效产甲烷系统和电解再生水制氢及副产物利用系统的气体出口端与热电联产系统连接；
所述热能提取及利用系统包括热能提取单元与热能利用单元，所述热能提取单元用于对来自所述低碳污水处理系统的达标水进行热能二级提取；
所述热能提取及利用系统提取的热能供所述污泥处理系统的加热单元使用：所述热能利用单元一级提取的热能用于所述污泥处理系统中水解产酸单元（31）、厌氧消化单元（32）的加热，二级提取的热能用于所述污泥处理系统中污泥干化单元（33）的加热；
所述热能提取及利用系统和热电联产系统与冷热源利用端连接，所述冷热源利用端包括厂内和/或厂外供热及制冷，所述热电联产系统的余电接入电网；
所述高效产甲烷系统包括沼气收集单元与沼气提纯单元，所述沼气收集单元包括与所述污泥处理系统共用的水解产酸单元（31）和厌氧消化单元（32），还包括沼气储存装置（35）；所述沼气提纯单元通过电解再生水制氢及副产物利用系统电解再生水产生的氢气补充到所述厌氧消化单元（32）中；所述沼气收集单元的出口与所述热电联产系统连接；
所述水解产酸单元（31）中的有机质来源于所述低碳污水处理系统中碳源收集单元（13）中富集的有机质；
所述电解再生水制氢及副产物利用系统包括依次设置的双膜制纯水单元（18）、多动力源供电单元、电解再生水制氢单元（41）、气体储存单元及副产物利用单元；
所述双膜制纯水单元（18）设置有进水口、出水口和浓液收集装置，所述浓液收集装置与氯消毒剂制备单元连接，所述浓液收集装置收集的浓液用于氯消毒剂的制备，所述氯消毒剂制备单元与所述低碳污水再生系统中的消毒装置连接，浓液进入所述氯消毒剂制备单元，经过阴离子交换树脂及电解形成氯消毒剂。
2.根据权利要求1所述的城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，其特征在于，所述污泥处理系统包括依次设置的水解产酸单元（31）、厌氧消化单元（32）、污泥干化单元（33）以及污泥焚烧单元（34）；所述水解产酸单元（31）、厌氧消化单元（32）及污泥干化单元（33）分别设置有热源接入口，所述热源接入口与所述热能提取及利用系统连接。
3.根据权利要求1所述的城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，其特征在于，所述热能提取单元包括依次设置的水源热泵机组（21）和厂内/外冷热源用户端（22），所述水源热泵机组（21）的冷/热源输出口分别与厂内/外冷热源用户端（22）的入口连接；
通过所述水源热泵机组（21）提取的热端供厂内/外供暖使用，冷端用于厂内/外通风、制冷、除湿除臭。
4.根据权利要求1或2所述的城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，其特征在于，所述水解产酸单元（31）通过耦合生物载体、外加电场、膜浓缩在内的一种或几种方法强化水解产酸。
5.根据权利要求1所述的城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，其特征在于，所述双膜制纯水单元（18）由超滤和反渗透工艺组成；所述双膜制纯水单元（18）的进水口与所述低碳污水处理系统的出水口连接，所述双膜制纯水单元（18）的出水口与所述电解再生水制氢单元（41）连接；
所述多动力源供电单元由太阳能发电装置与电网供电系统联动，或者所述多动力源供电单元采用风力发电；
所述电解再生水制氢单元（41）设置有第一氢气输出口和第一氧气输出口，所述第一氢气输出口和第一氧气输出口分别与所述气体储存单元连接；
所述气体储存单元设置有第二氢气输出口和第二氧气输出口，所述第二氢气输出口与所述高效产甲烷系统中的沼气提纯单元和热电联产系统连接，所述第二氧气输出口与臭氧制备装置（45）连接。
6.根据权利要求1所述的城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，其特征在于，所述热电联产系统包括依次设置的沼气发电机组（51）、余热锅炉（52）及烟气净化装置（53），所述沼气发电机组（51）的前端入口与所述沼气收集单元及气体储存单元的氢气输出口连接；
所述热电联产系统利用所述厌氧消化单元（32）产生的沼气和电解再生水制氢单元（41）产生的氢气进行燃烧发电。
7.根据权利要求1所述的城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，其特征在于，所述热电联产系统产生的一部分热能用于厂内或周边居民暖通系统供热使用，另一部分热能接入吸附式制冷机进行制冷，并随制冷管输送至厂内或周边居民区的制冷设备中。
8.根据权利要求1所述的城市污水再生利用耦合多源能量的提取系统，其特征在于，所述热电联产系统产生的电力一部分提供给厂内/外暖通系统的用电设备，另一部分余电并入电网。
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