一種水源熱泵與汙泥厭氧消化集成方法及系統的製作方法

2023-06-01 13:27:06 1

專利名稱：一種水源熱泵與汙泥厭氧消化集成方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於汙水處理廠節能降耗技術領域，涉及一種汙水廠出水餘熱回收利用與汙泥中 溫或高溫厭氧消化組合的低耗高效汙泥穩定化方法及系統。該方法是利用熱泵回收城市汙水 處理廠二級出水的熱能，作為汙泥中溫或高溫厭氧消化的熱源，厭氧消化產生的沼氣用於烘 幹汙泥或驅動曝氣鼓風機，實現汙水廠內的節能降耗。
技術背景隨著城市化進程的加快和環境保護要求的逐步提高，城市汙水處理廠數量日趨增加。我 國"十一五"發展規劃綱要明確要求，我國加強城市汙水處理設施建設，到2010年城市汙水 處理率不低於70%。屆時，我國城市汙水處理設計規模將超過5000萬m7d。目前，世界上超 過90%的城市汙水處理都採用活性汙泥法，由於剩餘汙泥產生量一般是汙水處理量的0. 3% 0.5% (以含水率97%計)，汙泥含水率高，有機質含量高，性質不穩定，易腐化發臭，且含 有病原菌、寄生蟲卵、重金屬等有毒有害物質，使得汙泥的處理處置成為汙水處理中的重要 問題。汙泥處理投資佔汙水處理廠總投資的20% 50%。城市汙泥處理處置運行費用居高不 下己成為限制其發展的一個重要因素，大力發展廉價低耗的汙泥處理處置技術己成當務之急。汙泥中豐富的有機成分使得汙泥的厭氧消化成為汙泥處理處置的重要途徑之一。汙泥厭 氧消化是在無氧的條件下由兼性菌和專性厭氧菌分解有機物產生二氧化碳和甲垸的過程。厭 氧消化因其具有能耗低、汙泥穩定效果好及產甲烷等優點而成為汙泥減量化和穩定化普遍採 用的技術，特別是高溫厭氧消化可部分殺滅病原體、寄生蟲卵，使汙泥衛生風險大大降低。 汙泥厭氧消化在世界各地均有大規模應用，常溫汙泥厭氧消化效率低，鮮為人用，而高溫厭 氧消化，由於需要大量熱能，成本過高也限制了應用。目前汙泥厭氧消化主要採用中溫消化。 中溫消化的能源主要來自厭氧產生的沼氣或者利用商業能源，成本也相當可觀。城市汙水中賦存著大量低品位熱能，例如將10萬m3汙水處理廠二級出水降低3'C，可獲 得約2.8億kcal的熱量。同時汙水水量穩定，與環境溫度相比，表現為冬暖夏涼，水溫變化 幅度小，是穩定的熱源。新型熱泵工質能夠穩定產生8(TC左右的熱水，並且能夠保證相當 高的性能係數。汙泥中高溫厭氧消化技術與水源熱泵技術的發展，為實現汙水處理廠基於能 量優化配置的汙泥穩定化提供了技術可能，同時可以挖掘出汙水處理廠的節能潛力。 發明內容本發明的目的是針對城市汙水處理廠的汙泥處置問題，提出 一 種水源熱泵與汙泥厭 氧消化集成方法及系統，旨在將汙水廠出水餘熱回用於汙泥厭氧消化的水熱能綜合利用， 構建一套以水源熱泵機組和汙泥中、高溫厭氧消化設備為主體的基於能量優化配置的汙泥穩定化處置系統。從而實現系統能量平衡，達到使汙泥穩定化、降低成本、能源配置優化的目的，並為汙泥的後續減量化和資源化利用提供有利條件。 本發明的技術方案如下一種水源熱泵和汙泥厭氧消化集成方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1) 將汙水經深度處理得到的二級出水送入水源熱泵，利用水源熱泵回收二級出 水的熱能，產生熱水，作為厭氧反應器的熱源；2) 經汙水處理產生的汙泥進入厭氧反應器，厭氧消化過程中產生的沼氣經收集後用 於烘乾汙泥或驅動曝氣鼓風機；3) 從厭氧反應器出來的汙泥經機械脫水進入烘乾機，經幹化後的汙泥作為肥料或固體燃料。本發明所述的水源熱泵的進口溫度在10 35'C變化。本發明提供的一種實施上述方法的水源熱泵和汙泥厭氧消化集成系統，其特徵在於該系統含厭氧反應器，沼氣收集器，曝氣鼓風機、烘乾機、有汙水深度處理設備，水源熱泵以及機械脫水設備；所述的厭氧反應器的頂部沼氣出口管與沼氣收集器連接，沼氣收集器通過 管道分別與曝氣鼓風機和烘乾機連接；厭氧反應器的汙泥出口管依次與機械脫水設備和烘乾 機連接；水源熱泵蒸發器換熱介質側與汙水深度處理設備的出水管連接，水源熱泵冷凝器的 換熱介質側與厭氧反應器連接，向預熱槽提供熱水。本發明具有以下優點及突出性效果①將汙泥厭氧消化技術和水源熱泵技術相結合， 利用水源熱泵回收城市生活汙水廠二級出水中的大量廢熱，提升能量品位，作為汙泥厭氧消 化的熱源，能量得到充分而合理的利用，形成了汙水廠內部水、熱、能綜合利用的新集成技 術。②節約能源。汙泥厭氧消化的熱能來自汙水廠出水餘熱，而所採用的熱回收和轉化裝置 熱泵的效率高。熱泵的性能係數(COP)達到3.0 4.0，即熱泵提供的熱量是同功率下電加 熱產生的熱量的3 4倍。故與電鍋爐相比，可節省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節省l/2的 能源。結餘的沼氣可以用於汙泥乾燥或驅動曝氣機，從而降低整個汙水廠的能耗。③不汙染 環境。使用熱泵作為汙泥厭氧消化的熱源，避免了使用傳統鍋爐造成的大氣汙染。


圖1為水源熱泵和汙泥厭氧消化集成系統的結構及工藝流程圖。 圖2為水源熱泵系統工作原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步說明圖1為水源熱泵和汙泥厭氧消化集成系統的結構及工藝流程圖。該系統包括厭氧反應器， 沼氣收集器，曝氣鼓風機、烘乾機、汙水深度處理設備，水源熱泵以及機械脫水設備；厭氧 反應器的頂部沼氣出口管與沼氣收集器連接，沼氣收集器通過管道分別與曝氣鼓風機和烘乾 機連接；厭氧反應器的汙泥出口管依次與機械脫水設備和烘乾機連接；水源熱泵蒸發器換熱介質側與汙水深度處理設備的出水管連接，水源熱泵冷凝器的換熱介質側與厭氧反應器連接， 向預熱槽提供熱水。該系統的工作原理和工作流程如下汙水經深度處理成為二級出水排出，利用水源熱泵回收二級出水的熱能，產生熱水，作 為厭氧反應器的熱源。圖2為水源熱泵系統工作原理圖。熱泵系統中運行的工質，在蒸發器 中吸取二級出水的熱量，從低壓液態工質蒸發成低壓蒸汽，經壓縮機增壓成為高溫高壓的蒸 汽；在冷凝器中，高溫高壓的工質蒸汽放出熱量加熱進入烘乾機乾燥室的空氣，而工質本身 則從氣體冷凝成高壓液體；通過節流裝置，液體工質產生阻塞效應，降低了壓力和溫度，成 為低壓低溫液體，再度進入蒸發器中吸收二級出水的熱量，形成熱泵循環。經熱泵回收熱量 後的出水排放至水體或回用。汙水處理過程中產生的汙泥進入厭氧反應器，汙泥消化反應生成沼氣，經沼氣收集器收 集後用於烘乾汙泥或驅動曝氣鼓風機。消化後的汙泥通過機械脫水、烘乾等一系列過程後獲 得幹化汙泥，可用作優質肥料用於綠化和農田代替化肥，也可用作固體燃料。二級出水的水質和水溫是影響水源熱泵機組經濟運行的主要因素，涉及到熱泵內換熱器 的形式和材質的確定，解決好換熱器表面結垢、阻塞、腐蝕等問題，以取得最佳換熱效率； 汙泥含水率、厭氧反應器操作溫度及消化時間則影響汙泥穩定化效果。本發明中，根據汙泥 產品的要求以及後續處理處置方法的不同，各參數選取範圍如下厭氧反應器加熱溫度為中 溫消化35"C,高溫消化55'C，消化時間15天。熱泵的冷凝溫度75匸左右，蒸發溫度l(TC左 右，性能係數3.0 4.0。系統中各參數可根據汙水處理廠實際運行情況和能量衡算結果進行調節，在具體實施過 程中，可以對本發明中參數的選擇做出一些適當的改變。本發明可用於城市汙水處理廠生成汙泥的穩定化，為汙泥後續的減量化和資源化處置提 供基礎，同時實現水、熱、能的優化配置。還可以用於除城市汙水廠外的其它汙水處理廠。實施例一個規模為10， 000t/d的汙水處理廠，產生含水率96%的汙泥約36m3， 二級出水水溫為 18°C，汙泥中溫(約35'C)厭氧消化所需熱量為3.024X 106 kj，熱泵能從二級出水中提取 的熱量為140X 106kJ (假設水溫降低5'C)，假設熱泵為汙泥消化提供能量的轉換效率是80 %，由上述數據可看出，熱泵吸收汙水廢熱產生的熱量能夠遠遠滿足汙泥厭氧消化所需要的 熱量。同時，結餘下來的汙泥厭氧消化產生的沼氣可用於烘乾汙泥和/或驅動曝氣鼓風機。已有資料表明，城市汙水處理廠電耗約佔總能耗的60% 90%，汙水生物處理電能消耗(主 要用於曝氣供氧)佔總電耗的50% 70%，汙泥處理電耗佔總電耗的10% 25%，可見將熱泵技 術與汙泥厭氧消化技術集成，不但能實現汙水處理廠內部水、熱、能的優化配置，更可實現 汙水處理廠大幅度的節能降耗。
權利要求
1.一種水源熱泵和汙泥厭氧消化集成方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1)將汙水經深度處理得到的二級出水送入水源熱泵，利用水源熱泵回收二級出水的熱能，產生熱水，作為厭氧反應器的熱源；2)經汙水處理產生的汙泥進入厭氧反應器，厭氧消化過程中產生的沼氣經收集後用於烘乾汙泥或驅動曝氣鼓風機；3)從厭氧反應器出來的汙泥經機械脫水進入烘乾機，經幹化後的汙泥作為肥料或固體燃料。
2. 如權利要求1所述的水源熱泵和汙泥厭氧消化集成方法，其特徵在於水源熱泵 的進口溫度在10 35'C變化。
3. —種實施如權利要求1所述方法的水源熱泵和汙泥厭氧消化集成系統，其特徵在於 該系統含有厭氧反應器，沼氣收集器，曝氣鼓風機、烘乾機、汙水深度處理設備，水源熱泵 以及機械脫水設備；所述的厭氧反應器的頂部沼氣出口管與沼氣收集器連接，沼氣收集器通 過管道分別與曝氣鼓風機和烘乾機連接；厭氧反應器的汙泥出口管依次與機械脫水設備和烘 幹機連接；水源熱泵蒸發器換熱介質側與汙水深度處理設備的出水管連接，水源熱泵冷凝器 的換熱介質側與厭氧反應器連接。
全文摘要
一種水源熱泵和汙泥厭氧消化集成方法及系統，屬於汙水處理廠節能降耗技術領域。該方法是利用水源熱泵實現汙水廠出水中低品位熱能的回收與熱源供應。城市汙水處理廠產生的汙泥進入厭氧反應器，被從出水中提取熱量的熱泵提供的熱水加熱，反應生成沼氣，沼氣經收集後用於烘乾汙泥或驅動曝氣鼓風機。消化後的汙泥通過機械脫水、幹化等一系列過程後獲得幹化汙泥，可用作優質肥料或固體燃料。該方法及系統可以實現汙泥的穩定化，為汙泥後續的減量化和資源化處置提供基礎，汙水廠內部水、熱、能的優化配置，汙水廠整體能耗降低20％以上。
文檔編號C02F11/12GK101239771SQ20081010191
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月14日 優先權日2008年3月14日
發明者琳 史, 靜 吳, 周紅明, 施漢昌, 成 昝, 磊 田, 麗 韓 申請人:清華大學