CN208757301U - 一种用于燃烧三废的生物处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于燃烧三废的生物处理装置，该装置由生物反应系统、废液废渣预处理系统、热交换系统、喷淋气液交换系统通过管道串联构成，通过水循环、元素循环及余热利用实现了微生物对燃烧三废的同步处理。通过本装置，能够高效去除和净化燃烧三废中的污染物，避免水质的二次污染，有效实现了营养元素的高效利用，富营养化生产方式极大地促进了生物产品的产出效率，经济效益巨大，且运营成本低廉，协调了环境和工业生产的矛盾，具有良好的社会效益。

Description

一种用于燃烧三废的生物处理装置

技术领域

本实用新型涉及生物净化领域，具体为一种燃烧三废的生物处理装置。

背景技术

煤、石油和天然气等化石燃料的燃烧会产生CO₂、SO₂、NO_x、颗粒物和灰分等，大量的燃烧产物短时间内集中排放就会造成严重的环境和生态问题。其中CO₂气体具有吸热和隔热的功能，在空气中形成覆盖后使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，形成温室效应，造成全球变暖。SO₂气体可直接作用于呼吸道黏膜，引发疾病，大量SO₂、颗粒物排放可以形成硫酸型烟雾。NO_x气体包括NO、NO₂、N₂O₅等，均为有毒气体，当NO_x含量积聚到某一浓度，会形成毒性和危害性更大的光化学烟雾。颗粒物和灰分排入大气会造成PM2.5和PM10污染。

现有技术中，常见脱硫方法有：石灰石-石膏法、间接的石灰石-石膏法、柠檬吸收法等，脱硝方法有：（1）选择性非催化还原脱硝（SNCR）;（2）选择性催化还原脱硝（SCR）。以上传统脱硫、脱硝、减排方法投资大，耗能高，需消耗大量的CaCO3、NH3、尿素、碱液催化剂等资源，生成的产物不能有效利用，抛弃运输耗能耗资、堆放占用大量土地、一些可溶于水中的物质又会造成二次污染。在这些三废中，除了有害物质外，仍具有大量N、P、K、Mg等营养元素，直接抛弃无疑是一种巨大的浪费。专利CN105483013A中，公开了一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法和装置，该申请使用微藻对废气进行处理，一定程度上弥补了传统化学方法的不足，但仍具有以下缺陷：1.该装置仅对废气进行了处理，对废水、废渣的净化处理没有涉及；2该装置需要额外添加培养基方能实现对微藻的培养和对废气的处理，成本高，且未对三废中的生命必需元素进行有效利用；3.该装置利用特定单一纯种的藻类的应用，缺乏相应的生态体系中其他生物的支持，代谢过程很容易受阻，不能够利用某些元素，甚至是有些元素的毒性会毒害藻类，其对富营养的吸收能力极为有限；4.该装置为开放装置，处理后的水体排出后仍有可能产生二次污染，且耗能高；5.该装置的终端产物仅为油脂，利用空间小。

发明内容

本实用新型的目的一是提供一种克服现有技术不足，提出一种用于燃烧三废的生物处理装置。

本实用新型提供的生物处理装置包括如下部分：生物反应系统、废液废渣预处理系统、热交换系统、喷淋气液交换系统，各系统间由管道串联。

各系统的具体设计方案如下：

生物反应系统包括好氧池、光合生物反应器和澄清池，三部分通过管道依次连接。其中，好氧池内为原核生物体系，包括伯克氏菌属、亚硝化单孢菌属、脱硫弧菌属、脱硫菌属、脱硫球菌属、脱硫线菌属和除硫单孢菌属；光合生物反应器内为真核生物体系，包括小球藻属和氢噬胞菌属；澄清池外设置有水泵和连接至喷淋塔顶部的水管，将净化后的水泵至喷淋塔内循环使用，水泵采用外接电路供电。

废渣废液预处理系统为一具有除渣装置的溶解池，溶解池内以水为溶剂，过滤除渣后的溶液通过管道进入光合生物反应器中，燃烧废液通过废液入口与除渣后的废液一同进入光合生物反应器。

热交换系统为一换热器，烟道废气入口管与换热器的吸热片进气管连接，完成热交换的烟道废气从吸热片的出口管排出，换热器的吸热片从烟道废气中吸收热量，通过介质循环将热量传递给散热片，散热片安装于生物反应器底部及四周，换热器内有连接外接电路的循环泵。

喷淋气液交换系统顶端具有入水口，靠近底部的侧壁具有进气口，将水从喷淋塔顶部以雾状液体对进气口进入的烟道废气进行淋洗，将烟道气中的可溶物质溶于水中，喷淋提底部具有出水口，出水口以管道形式连接至生物反应系统。喷淋系统采用循环水设计，入水口与生物反应系统的澄清池连接，借助水泵抽取由生物反应系统净化后的水进入喷淋塔。喷淋塔顶部侧壁具有出气口，将初步净化的烟道气体通过管道排入生物反应系统的光合生物反应器中。

作为优选，本发明所述的生物反应系统中光和反应池内具有固液分离装置，所述固液分离装置为机械式固液分离装置，例如带式格栅。

作为优选，本发明所述的生物处理装置还包括重金属吸附塔，该重金属吸附塔于热交换系统出口管与喷淋塔进气口的管路之间，吸附塔内装填碳基吸附剂、飞灰、矿物类吸附剂、金属类吸附剂、金属化合物类吸附剂和络合吸附剂。

作为优选，本发明所述的热交换系统中带有由PLC或单片机系统集成控制的自动温控系统，温度设定为28-39℃之间，如果温度低于设定值，则控制体系打开热交换系统的循环泵，使加热管内的热水流动起来，如果反应器温度高于设定温度，则停止循环泵。

作为优选，本发明所述的生物反应系统中设置有由PLC或单片机系统集成控制的pH自动调节系统，主要包括pH探头，动力循环单元和试剂添加单元。pH值设定在6.6~8.5之间，如果低于设定值，则有控制系统控制试剂添加泵运行，添加石灰乳（Ca(OH)₂），如果高于设定值则加柠檬酸或乙酸等有机酸。

作为优选，本发明所述的生物反应系统中的光和反应池内设置有由PLC或单片机系统集成控制的光照系统，主要包括光照探头和数据处理单元和人工光源，连续72h内，自然光的光照强度不足6万lx情况下，则控制系统打开人工光源，以维持生物体系的高反应活性。

所述光照系统、自动温控系统和pH自动调节系统均由外界电路供电。

作为优选，本发明所述的生物处理装置中热交换系统出气口与重金属吸附塔之间的烟气管道上装有鼓风机、气阀和气体流量计。

本实用新型所述的用于处理燃烧三废的生物处理装置以循环水的方式，将水从喷淋塔顶部以雾状液体对烟道气进行淋洗，烟道气通过内循环水的淋洗作用得到初步净化，净化后的气体通过喷淋塔的出气口被排入光合生物反应器中。循环水可将部分易溶于水的氧化态金属（CaO、TiO₂、MgO、K₂O、Na₂O等）、氧化态非金属（P₂O₅、SO₃等）、及部分可溶性气体（SO₂、NO₂等）、部分溶解度较低气体（CO₂、NO等）溶解入水体，水体形成富营养水体，富营养水体先流入好氧池，使部分好氧菌和化能异养微生物，如亚硝化菌，对水体中的一些有害成分进行好氧转化，尽量使化合物价态接近最高氧化价态，降低毒性。废渣中的可溶解于水的部分通过废渣废液预处理系统进入光合生物反应器，废渣的溶解液和废液中的营养元素（主要为：MgO、K₂O、Na₂O、SO₃、P₂O₅）被添加在光合生物反应器中，喷淋塔排出的初步净化的烟气，主要成分为为未溶解CO₂及N₂，以高浓度气体形式充斥光合生物反应器水体上方的空间，以高浓度的CO₂促进水生物体系的光合固碳效率。光合生物反应器中富集了燃烧产生的所有污染，包括废气、灰渣、废液，形成高浓度的富营养培养体系。由于废气中主要为非金属氧化物而具有酸性，灰渣中主要水溶解成分为金属氧化物，具有碱性，这两种物质在生物反应器中对pH值调节作用，使pH值接近中性，可以直接进行生物转化。此时光合生物反应器利用光合自养生物的快速对营养元素（N、P、K等）的同化作用吸收进入体内，形成大量生物量，同时使污染水体得到净化重新变为寡营养水体，在光合生物反应器完成固液分离后的水体进入澄清池，在澄清池通过水泵重新进入喷淋塔、好氧池、光合生物反应器不断循环。澄清池中分离得到的生物质可以进入生物饲料、生物能源、生物肥料等做为产品产出使用。烟道废气中的热量通过热交换系统将能量供给对温度有要求的生物反应系统，通过自动温控系统调节温度，保证生物反应系统中微生物的生长条件。重金属吸附塔的设置可以将烟道气中的重金属物质进行预处理，以降低烟道废气的毒性，保证本装置中微生物的活性，提高本装置的净化效率。本装置中添加的pH自动调节系统和光照系统可以提高本装置中微生物对三废水溶液中营养物质的代谢率，提高净化效率，促进本装置中微生态系统的稳定性，从而进一步降低成本。

本实用新型提供的用于处理燃烧三废的生物处理装置是对废水、废气、废渣的同步处理，三种废弃物中所含的营养元素对于维持人工构件的微生态系统的稳定性而言相辅相成，缺一不可。

本实用新型所述的用于处理燃烧三废的生物处理装置具有三个循环特征：1.循环水特征。生命源于水，本发明的循环水既作为溶剂，把燃烧产生的废气、灰渣、废水中的营养物质溶解进入水中。又可以作为生物培养液，为生命物质创造适宜的生存环境。2.元素循环特征。本发明把原来自然界本身就存在的元素循环搬到有限空间的厂房设备里，使生物净化过程、生物产能过程与火电厂燃烧产能过程相结合，利用微生态化技术重建大自然的自身净化功能和生态循环。3.烟道余热利用。本实用新型把燃烧排放的余热与生物培养的温度需求结合起来，形成低能耗，能量循环生产体系。

本实用新型所述的一种用于处理燃烧三废的生物处理装置从元素循环上来讲，首先实现了污染物的去除和净化，减少了碳排放生态效益巨大，本装置对烟道气净化后，排出的净化气体中SO₂的脱除率达到77.1%，NOx（以NO₂计）的脱除率达到78%，SO₂和NOx指标经本发明所述装置处理后的气体可以达到《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》排放要求；烟道气溶入水中的CO₂去除率达到93%左右，对溶解入水中的SO₂去除率达到94%左右，避免了水质的二次污染，有效实现了营养元素的高效利用；通过溶解和生物处理，废渣中的营养元素也得到了极大的利用，N的溶解利用率为74.6%， P为69.6%，K为95.1%；本装置利用了大量的C、N、S、P、K等生命元素和一些微量元素，使用本装置处理三废，即烟道气、废水和废渣，对溶于水中的营养元素的利用率较高， Fe的利用率为99.9%，Mg的利用率为99.7%，K的利用率为99%，Ca的利用率为95.5%，P的利用率为96.7%，S为84.1%，富营养化生产方式极大地促进了生物产品的产出效率，可以广泛结合种植业、饲料、化肥、养殖、保健品、生物产业、农业等产业，经济效益巨大；实现了生物的自养或者雨养，整个产业链不需要材料的购买，运行成本低廉； 本发明属于生物产业，本身无污染，属于零污染行业；对污染物的处理不产生二次污染；余热利用的设计，也使得能源的利用效率增加，增进了生物生产力； 协调了环境和工业生产的矛盾；创造了一个新兴的生物转化产业，增加了就业，具有良好的社会效益。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图中，1为好氧池，2为光合生物反应器，3为澄清池，4为管道，5为固液分离装置，6为喷淋塔，7为溶解池，8为换热器，9为烟气入口管，10为出口管，11为散热片，12为鼓风机，13为气阀，14为气体流量计，15为入水口，16为进气口，17为出水口，18为出气口，19为重金属吸附塔，20为废液入口，21为水泵，22为液体流量计。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明进行详细说明。以下实施实例有助于此领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

以下实施例所选用菌株为伯克氏菌属Burkholderia，亚硝化单孢菌属Nitrosomonas，脱硫弧菌属Desulfovibrio，脱硫菌属Desulfobacter，脱硫球菌属Desulfococcus，脱硫线菌属Desulfonema，除硫单孢菌属Desulfuromonas，小球藻属Chlorella，氢噬胞菌属Hydrogenophaga，上述菌株均由本实验室保存。

以下实施例中液体中各元素及成分测定方法如下：

以下实施例中气体中各成分测定方法如下：

实施例一 构建生物处理装置

如图1所示，构建一种用于燃烧三废的生物处理装置。本生物处理装置包括如下部分：生物反应系统、废液废渣预处理系统、热交换系统、喷淋气液交换系统，各系统间由管道串联。

如图1中，生物反应系统包括好氧池1、光合生物反应器2和澄清池3，三部分通过管道4依次连接。其中，好氧池1内为原核生物体系，包括伯克氏菌属、亚硝化单孢菌属、脱硫弧菌属、脱硫菌属、脱硫球菌属、脱硫线菌属和除硫单孢菌属；光合生物反应器2内为真核生物体系，包括小球藻属和氢噬胞菌属；光合生物反应器2中安装有带状格栅的固液分离装置5；澄清池3外设置有水泵21和液体流量计22连接至喷淋塔6顶部的管道4，将净化后的水泵至喷淋塔6内循环使用，水泵21采用外接电路供电。好氧池1中设置有由PLC或单片机系统集成控制的pH自动调节系统，主要包括pH探头，动力循环单元和试剂添加单元构成。pH值设定在6.6~8.5之间，如果低于设定值，则有控制系统控制试剂添加泵运行，添加石灰乳（Ca(OH)₂），如果高于设定值则加柠檬酸或乙酸等有机酸。光和反应池2内设置有由PLC或单片机系统集成控制的光照系统，主要包括光照探头和数据处理单元和人工光源，连续72h内，自然光的光照强度不足6万lx情况下，则控制系统打开人工光源，以维持生物体系的高反应活性。光照系统、自动温控系统和pH自动调节系统均由外界电路供电。

废渣废液预处理系统为一具有除渣装置的溶解池7，溶解池7内以水为溶剂，过滤除渣后的溶液通过管道4进入光合生物反应器2中，燃烧废液通过废液入口20直接进入管道4，与除渣后的废液一同进入光合生物反应器2。

热交换系统为一换热器8，烟气入口管9与换热器8的吸热片进气管连接，完成热交换的烟道废气从吸热片的出口管10排出，再次进入本生物处理装置。换热器8的吸热片从烟道废气中吸收热量，通过介质循环将热量传递给散热片11，散热片11安装于生物反应器各部分底部及四周，换热器内有连接外接电路的循环泵。热交换系统中带有由PLC或单片机系统集成控制的自动温控系统，温度设定为28-39℃之间，如果温度低于设定值，则控制体系打开热交换系统的循环泵，使加热管内的热水流动起来，如果反应器温度高于设定温度，则停止循环泵。出气管道上设置有鼓风机13、气阀13和气体流量计14，用来控制整个生物处理装置的进气量，以确保高效净化。

喷淋气液交换系统顶端具有入水口15，靠近底部的侧壁具有进气口16，将水从喷淋塔6顶部以雾状液体对进气口16进入的烟道废气进行淋洗，将烟道气中的可溶物质溶于水中，喷淋提底部具有出水口15，出水口17以管道连接至生物反应系统。喷淋系统采用循环水设计，入水口15与生物反应系统的澄清池3连接，借助水泵抽取由生物反应系统净化后的水进入喷淋塔6。喷淋塔6顶部侧壁具有出气口18，将初步净化的烟道气体通过管道4排入生物反应系统的光合生物反应器2中。

如图1中，在热交换系统出口管10与喷淋塔6进气口16的管路之间设置有重金属吸附塔19，吸附塔19内装填碳基吸附剂、飞灰、矿物类吸附剂、金属类吸附剂、金属化合物类吸附剂和络合吸附剂。

实施例3 生物质能源燃烧三废的净化处理

以实施例2构件的人工微生态体系为核心，即将有氧发酵体系投入预先消毒的好氧池，光合反应体系投入预先消毒的光合生物反应池，将燃煤废气从实施例1所述生物处理装置的烟道气进气管道通入从烟道气入口通入装置，将燃煤废渣加入实施例1所述的废渣灰分溶解池，开启生物处理装置电路，处理完成后，采集净化后的气体、液体和溶解池中的废渣进行成分测定，具体内容如下：

1. 净化后气体成分检测

以进气管内的烟道气为净化前样本，从光合反应器的溢出口采集净化后的气体为净化后样本，测定净化前与出气口气体样本中各成分的含量，结果如下表所示：

实验结果显示，本发明提供的生物处理装置可以较为高效地去除烟道气体中的CO₂、SO₂、NOx，对烟气进行脱硫脱硝。其中SO₂和NOx指标经本专利方法处理后的气体可以达到《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》排放要求。

2. 净化后水体中各成分含量检测

以废液入口管线中的液体为处理前样本，净化完成后从澄清池中采样，获得净化后的液体为处理后样本，测定净化前与处理后液体样本中各成分的含量，结果如下表所示：

实验结果显示，采用实施例1所述的生物处理装置对燃煤废液进行净化处理后，废液中的营养元素被光合反应系统中的微生物代谢吸收转化，利用率较高，且废液能够得到高效净化。

3. 净化后废渣中各成分含量检测

以投入废渣灰分溶解池前的废渣为净化前固体样本，净化完成后，将废渣灰分溶解池中残留的废渣捞出，并烘干处理的固体为净化后固体样本，检测净化前后固体样本中的各成分含量，结果如下表所示：

实验结果显示，本发明提供的生物处理装置可以较好地溶解煤燃烧后产生灰烬中的营养元素，其中：对N的溶解利用率可以达到74.6%，对P可以达到69.6%，对K可以达到95.1%。

实施例5净化燃烧烟气实验

与实施例3实验内容相似，不同之处在于仅向处理装置中通入烟气而不加入废渣，使实施例3中所述装置仅净化燃烧烟气，检测净化后的水质及人工构件的微生态体系的稳定性。

实验结果显示，废气通过喷淋得到的水溶液不能被人工构件的微生态系统处理，且微生态系统中的微生物几乎不存活，溶液中含有大量的N元素（261.5 mg/L），含有非常高的COD(2611 mg/L)。

该实施例证明，本发明所提供的燃烧三废生物处理装置必须同时处理废气、废水和废渣，三废中的元素集合才能满足人工构件微生物体系的稳定性和高效性。

Claims (7)

1.一种用于燃烧三废的生物处理装置，其特征在于所述装置包括生物反应系统、废液废渣预处理系统、热交换系统、喷淋气液交换系统，各系统间由管道串联，其中：

(1) 所述生物反应系统包括好氧池(1)、光合生物反应器(2)和澄清池(3)，三部分通过管道(4)依次连接，其中，好氧池(1)内为原核生物体系，包括伯克氏菌属、亚硝化单孢菌属、脱硫弧菌属、脱硫菌属、脱硫球菌属、脱硫线菌属和除硫单孢菌属；光合生物反应器(2)内为真核生物体系，包括小球藻属和氢噬胞菌属；澄清池(3)外设置有水泵(21)和连接至喷淋塔(6)顶部的管道(4)；

(2) 所述废液废渣预处理系统为一溶解池(7)，溶解池(7)内具有固液分离装置(5)，通过管道(4)与光合生物反应器(2)连接，管道(4)上设置一个具口支管，该支管的开口为废液入口(20)；

(3) 所述热交换系统为一换热器(8)，烟道废气入口管(9)与换热器(8)的吸热片进气管路连接，完成热交换的烟道废气从吸热片的出口管(10)排出，换热器(8)的散热片(11)安装于生物反应系统的底部及四周，换热器(8)内有连接外接电路的循环泵；

(4) 所述喷淋气液交换系统为一喷淋塔(6)，顶端具有入水口(15)，靠近底部的侧壁具有进气口(16)，底部具有出水口(17)，出水口(17)通过管道(4)连接至好氧池(1)，喷淋塔(6)顶部侧壁具有出气口(18)，通过管道4连接至光合生物反应器(2)中。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃烧三废的生物处理装置，其特征在于所述光和反应池(2)内具有固液分离装置(5)。

3.根据权利要求1所述的一种用于燃烧三废的生物处理装置，其特征在于所述热交换系统出口管(10)与喷淋塔进气口(16)的管路之间设置有重金属吸附塔(19)。

4.根据权利要求1所述的一种用于燃烧三废的生物处理装置，其特征在于所述热交换系统中还包括带有由PLC或单片机系统集成控制的自动温控系统。

5.根据权利要求1所述的一种用于燃烧三废的生物处理装置，其特征在于所述生物反应系统中设置有由PLC或单片机系统集成控制的pH自动调节系统，主要包括pH探头，动力循环单元和试剂添加单元。

6.根据权利要求1所述的一种用于燃烧三废的生物处理装置，其特征在于所述光和反应池(2)内设置有由PLC或单片机系统集成控制的光照系统，主要包括光照探头和数据处理单元和人工光源。

7.根据权利要求2所述的一种用于燃烧三废的生物处理装置，其特征在于所述的固液分离装置(5)为带状格栅。