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CN106007285A - 一种市政污泥处理方法以及实施该方法的热泵-太阳能耦合系统 - Google Patents

一种市政污泥处理方法以及实施该方法的热泵-太阳能耦合系统 Download PDF

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CN106007285A
CN106007285A CN201610547946.9A CN201610547946A CN106007285A CN 106007285 A CN106007285 A CN 106007285A CN 201610547946 A CN201610547946 A CN 201610547946A CN 106007285 A CN106007285 A CN 106007285A
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汪辉
黄凡
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朱莹
徐晨翱
周航
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Abstract

本发明涉及市政污泥干化领域，特别涉及一种市政污泥处理方法以及实施该方法的热泵‑太阳能耦合系统。一种市政污泥处理方法，将市政污泥干化，干化所使用的热量来源于污水采用污水源热泵收集的热量、污水处理过程中产生的废气经太阳能加热后用气源热泵收集的热量以及太阳能真空管收集的热量；污泥干化至含水量为68％‑72％，密闭发酵得到肥料。本发明还提供了实施上述方法的热泵‑太阳能耦合系统。本发明利用污水厂自有资源以及太阳能进行产能，干化的污泥进行堆肥，变废为宝，得到的肥料为无机化肥，可以广泛应用，具有显著的经济价值。

Description

一种市政污泥处理方法以及实施该方法的热泵-太阳能耦合系统
技术领域
本发明涉及市政污泥干化领域，具体而言，涉及一种市政污泥处理方法以及实施该方法的热泵-太阳能耦合系统。
背景技术
截至2014年底，全国设市城市、县(简称城镇)累计建成污水处理厂3717座，污水处理能力1.57亿立方米/日，较2013年新增约800万立方米/天。作为污水处理副产物的污泥量也在急剧增加，据统计，目前我国年产量高达4000万吨(以含水量一般为98％以上)，其中约80％的污泥未经妥善处理。未经恰当处理的污泥进入环境后会给环境造成二次污染，其中污泥含水率较高会造成运输成本增加、堆放面积大、挤压垃圾填埋场库容等一系列问题。
为进一步降低污泥含水率，目前污水厂主要采用污泥干化的方法。污泥干化技术是使用人工热源，其操作温度(对污泥颗粒而言)通常大于100℃，通过渗滤或蒸发等作用，从污泥中去除大部分含水量从而达到深度脱水(其含水率可控制在20％以下)。污泥干化是一个能量净支出的过程，能量支出高，因此，如何环保节能的进行污泥干化是有待解决的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种市政污泥处理方法，该工艺收集污水、废气以及太阳能的热量，收集的该热量用于污泥的干化，节约能源；并且干化后的污泥进行堆肥，得到的肥料为无机化肥，实现了市政污泥的资源化处理。
本发明的第二目的在于提供一种实施所述的市政污泥处理方法的热泵-太阳能耦合系统，该装置设置简单，收集能量效果好，易于工业化应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种市政污泥处理方法，将市政污泥干化，所述干化所使用的热量来源于污水采用污水源热泵收集的热量、污水处理过程中产生的废气经太阳能加热后用气源热泵收集的热量以及太阳能真空管收集的热量；
污泥干化至含水量为68％-72％，密闭发酵得到肥料。
本发明利用污水厂自有资源进行产能，具体地，提取废气、废水中的低位能，转换成高位热能，应用到污泥干化中，大大降低污泥干化过程的耗能，达到节能的目的。
具体地，污水是一种蕴含丰富低位热能的可再生热能资源，采用热泵将这种低位热能转换成高位热能，并利用这一热能对厂内污泥进行干化，将热能就近利用。不仅污水的热能可以利用，污水厂所散发废气中的热能也能进行利用。污水厂在运行过程中，各处理单元都会产生臭气，废气的处理也越来越受到技术人员的重视，现在较为普遍的做法是加盖，由引风机引至废气处理系统。而本发明在废气处理之前将收集的废气经太阳能升温，再通过热泵技术将此热能运用于污泥干化，此技术的运用也能降低后续臭气处理装置的负荷，并且，太阳能作为辅助能源为污水厂提供能量，安全清洁。另外还设置太阳能真空管，收集的热量也同时用于污泥的干化。本发明利用热泵-太阳能技术耦合所产热能对污泥进行干化处理，污泥含水率大大降低，整个过程最大限度的利用了污水厂自身流失的能量以及太阳能的热量，实现了污泥干化过程的清洁节能生产。
进一步地，本发明将干化到一定含水量的污泥进行堆肥，变废为宝，得到的肥料为无机化肥，可以广泛应用，具有显著的经济价值。
就目前而言，主要的技术攻关点在于提高太阳能利用，菲涅尔透镜作为一种太阳能聚光镜可大大提高太阳光的聚焦，以此提高太阳能利用率。优选地，加热所述废气的热源主要来源于菲涅尔透镜聚集太阳光收集的热量。
由于污水成分复杂且不稳定，采用的污水一般是经过预处理后的，尽管如此，由于热泵的内部结构也很复杂，不易清洗，因此，本发明将污水先经过离心污水换热器处理，它良好地解决了含有较大悬浮物、颗粒或物体的介质造成换热器堵塞的情况，同时避免了耗时耗力的清洗工作，并且使废水中低品位的热量充分应用。优选地，所述污水先经过离心污水换热器处理，再采用污水源热泵收集热量。
堆肥实际就是废弃物稳定化的一种形式，需要特定的湿度、温度以及通气条件以使有益菌产生，使有机物不断被降解和稳定，并生产出一种适宜于土地利用的产品的过程。本发明将市政污泥经干化处理后，再进行堆肥，实现污泥的回收利用，该技术不仅能有效处理污泥，还能将其制成具有高附加值的肥料，真正实现了废弃物的资源化处置。
经试验验证，进一步地，发酵的温度为15-25℃，发酵的时间为25-35天。经过该温度条件下的一定时间的发酵后，得到的肥料与无机化肥效果一致。
进一步地，发酵后得到的肥料作为添加剂加入干化后的污泥中，混匀后进行发酵。
发酵得到的肥料中含有有益菌，添加到污泥中，能加快污泥的发酵速度，缩短肥料的发酵时间。
进一步地，发酵过程中对污泥进行一次上下翻动并捣碎的步骤。该过程即为“倒粪”的过程，通过该过程，能使发酵更充分且均匀，并通过短暂的有氧处理，增加有益菌的扩增，提升发酵得到的肥料的品质。
本发明还提供了实施所述的市政污泥处理方法的热泵-太阳能耦合系统，包括：包括：污水源热泵、废气源热泵、太阳能真空管、污泥干化装置、发酵装置；
所述污水源热泵、废气源热泵、太阳能真空管分别与所述污泥干化装置连接；
所述污泥干化装置与所述发酵装置连接。
本发明提供的实施所述的市政污泥处理方法的热泵-太阳能耦合系统，将各装置依次设置，简单易行，利于污泥处理过程的高效进行。
其中，污泥干化装置一般采用干燥箱。
进一步地，所述热泵-太阳能耦合系统还包括集气装置和菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜收集的能量用于所述集气装置中气体的加热，所述集气装置与所述废气源热泵连接。
进一步地，所述热泵-太阳能耦合系统还包括离心污水换热器，所述离心污水换热器与所述污水源热泵连接。即污水先通过离心污水换热器处理，再进入污水源热泵，这样良好地解决了含有较大悬浮物、颗粒或物体的介质造成污水源热泵堵塞的情况，同时避免了耗时耗力的清洗工作，并且使废水中低品位的热量充分应用。
进一步地，所述发酵装置包括第一发酵仓和第二发酵仓。
第一发酵仓和第二发酵仓，即将污泥在两个发酵仓中倒换一次，实现污泥的上下翻动并捣碎的步骤。
本发明中的干燥箱下侧配有热泵供热系统、膨胀阀、制冷剂、风机以及管路，热泵系统与干燥箱之间均有风管连接，风管上设有风量调节阀，热泵系统中设有风量传感器，风量传感器与风量调节阀均与控制器相连接；控制器上还设有对干燥箱的温湿度传感器，可以根据干燥箱内的温湿度来调节各个系统风管上的风量，使得干燥系统处于封闭循环的条件下，不与外界环境相连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)在污水处理厂现有基础上，将热泵-太阳能技术耦合应用于污水、废气的热能收集并对污水处理厂产生的市政污泥进行干化处理，实现了能源就近利用，是实现污水综合利用的有效途径；干化后污泥再进行堆肥，所得到的肥料类似于无机化肥，实现了废弃物的资源化处置。
(2)污水源热泵将污水厂处理后排放的废水即二沉池后的出水中提取其低温热能，通过污水源热泵机组，将其提升为高温热能用于污泥干化，由此实现污水的二次利用，变废为宝，提高资源的利用率。
(3)污水处理厂的每个阶段都会产生大量的废气，废气会散发恶臭，会对工作人员和周围的居民造成不良影响，本发明将整个污水处理产生的废气收集起来，并利用菲涅尔透镜更有效地将太阳光的直射光和散射光充分利用，提高能量利用率，将气体加热，再将气体作为热源利用空气源热泵收集其低位热源，将废气合理利用，并且减小了后续除臭装置的负荷，达到预处理的目的。
(4)一方面借助传统温室干燥技术，结合当代自动化技术的发展，采用太阳能这种清洁能源作为污泥干化的部分能量来源。
(5)污泥堆肥技术是将污泥的有机物被不断降解和稳定，制得的肥料类似于无机化肥，可以广泛应用，实现了污泥的资源化处理。
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，以下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。
图1为本发明提供的市政污泥处理方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
一种市政污泥处理方法，将市政污泥干化，所述干化所使用的热量来源于污水采用污水源热泵收集的热量、污水处理过程中产生的废气经太阳能加热后用气源热泵收集的热量以及太阳能真空管收集的热量；
污泥干化至含水量为68％-72％，密闭发酵得到肥料。
1、污水源热泵收集的热量
污水源热泵的主要工作原理如下：
借助污水源热泵压缩机系统，消耗少量电能，在冬季把存于水中的低位热能“提取”出来，为用户供热，夏季则把室内的热量“提取”出来，释放到水中，从而降低室温，达到制冷的效果。其能量流动是利用热泵机组所消耗能量(电能)吸取的全部热能(即电能+吸收的热能)一起排输至高温热源，而起所消耗能量作用的是使介质压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。
本发明中采用污水一般为经过二级处理后的工业污水。尽管如此，工业污水成分仍复杂且不稳定，而由于热泵的内部结构也很复杂，不易清洗，因此，污水先经过离心污水换热器处理，它良好地解决了含有较大悬浮物、颗粒或物体的介质造成污水源热泵堵塞的情况，同时避免了耗时耗力的清洗工作，并且使废水中低品位的热量充分应用。因此，本发明中的使用的经过预处理后的工业污水先经过离心污水换热器处理，再采用污水源热泵收集热量。
污水热泵产能计算：
供暖用能系数1.33，供暖节能系数0，制冷用能系数0.66，制冷节能系数0。若单位污水量以105m3计，利用显热温差为5℃，则可利用冷热量为2.1×109KJ。由上述数据和公式可计算得：供暖时，可节省一次能源(燃煤)，相当于71.3吨(22800元)燃煤。可节省一次能源(燃气)，相当于40.7吨(48800元)燃气。制冷时，可节省一次能源(燃煤)，相当于19吨(6100元)燃煤。可节省一次能源(燃气)，相当于10.5吨(12600元)燃气。
以1000m3/h污水计算，当污水温差为5℃时，可提取的热量为5800kw，若通过燃烧标准煤来产热大约需消耗5000kg。按此计算处理10万吨的污水日产能可达580000000kw。
2、废气采用气源热泵收集热量
污水厂在运行过程中，各处理单元都会产生臭气，废气的处理也越来越受到技术人员的重视，现在较为普遍的做法是加盖，由引风机引至废气处理系统。而本发明在废气处理之前将收集的废气经太阳能升温，具体地，采用菲涅尔透镜进行收集太阳能量，用菲涅尔透镜作为一种太阳能聚光镜可大大提高太阳光的聚焦，以此提高太阳能利用率，加热后的废气的温度大概为40℃。菲涅尔透镜没有将收集的能量直接用于污泥的干化而是先加热废气，再通过热泵技术将此热能运用于污泥干化，这样做的目的是提高污泥干化能源的稳定供应。另外，此技术的运用也能降低后续臭气处理装置的负荷，并且，太阳能作为辅助能源为污水厂提供能量，安全清洁。
经计算，10m×10m的菲涅尔透镜加热的废气经过气源热泵可以收集的热量为3870kwh。
3、太阳能真空管收集的热量
还设置太阳能真空管，收集的热量也同时用于污泥的干化，尽可能多的利用太阳能的清洁能源。
太阳能采用真空管吸热，空气作为载热介质与真空管发生热接触，带走真空管吸收的太阳热浪。按照我国太阳能资源中等地区区域计算，年太阳辐射总量为5850～6680MJ/m2，想到与日辐射量4.5～5.1kW·h/m2，真空管面积按照144m2来计算，每天可产生大约740kwh的热量。按照标准燃煤的能量计算，标准煤燃烧产生的热量为7000大卡/千克转化为焦耳即29260J/kg，740kwh转化为焦耳740×103×3600J得煤的吨数为：740×103×3600/(29260×1000)＝91.0458吨。
另外，菲涅尔透镜以及太阳能真空管可根据需求选择合适的大小。
综上可知，污水是一种蕴含丰富低位热能的可再生热能资源，采用热泵将这种低位热能转换成高位热能，并利用这一热能对厂内污泥进行干化，将热能就近利用。不仅污水的热能可以利用，污水厂所散发废气中的热能也能进行利用。污水厂在运行过程中，各处理单元都会产生臭气，废气的处理也越来越受到技术人员的重视，现在较为普遍的做法是加盖，由引风机引至废气处理系统。而本发明在废气处理之前将收集的废气经太阳能特别是菲涅尔透镜收集的能量进行升温，再通过热泵技术将此热能运用于污泥干化，此技术的运用也能降低后续废气处理装置的负荷，并且，太阳能作为辅助能源为污水厂提供能量，安全清洁。另外还设置太阳能真空管，收集的热量也同时用于污泥的干化。
由此可见，本发明利用热泵-太阳能技术耦合所产热能对污泥进行干化处理，就近取材，综合提取废气、废水中的低位能，转换成高位热能，并使用太阳能，应用到污泥干化中，整个过程最大限度的利用了污水厂自身流失的能量以及太阳能的热量，大大降低污泥干化过程的耗能，达到节能的目的，实现了污泥干化过程的清洁节能生产；并且还降低了后续废气处理装置的负荷。
进一步地，本发明将干化后的污泥进行堆肥，堆肥实际就是废弃物稳定化的一种形式，需要特定的湿度、温度以及通气条件以使有益菌产生，使有机物不断被降解和稳定，并生产出一种适宜于土地利用的产品的过程。本发明将市政污泥经干化处理后，再进行堆肥，实现污泥的回收利用，该技术不仅能有效处理污泥，还能将其制成具有高附加值的肥料，真正实现了废弃物的资源化处置。所以污泥堆肥是一种既不会损坏环境又能资源回用的经济型处理技术。
实施例1
一种市政污泥处理方法，包括以下步骤：
取市政污泥，放于干燥箱中；
污水采用污水源热泵收集的热量、污水处理过程中产生的废气经菲涅尔透镜聚集太阳光收集的热量加热后用气源热泵收集的热量以及太阳能真空管收集的热量导入干燥箱，用于污泥脱水干化；
污泥干化至含水量为68％，密闭常温发酵35天得到肥料。
实施例2
一种市政污泥处理方法，包括以下步骤：
取市政污泥，放于干燥箱中；
污水经离心污水换热器处理后采用污水源热泵收集热量，收集的热量通过导热管通入干燥箱；
菲涅尔透镜聚集太阳光收集的热量加热集气装置收集的废气，加热后的废气用气源热泵收集热量通过导热管通入干燥箱；
太阳能真空管收集的热量通过导热管导入干燥箱；
干燥箱通过控制不同来源的热量用于其内的污泥脱水干化；
污泥干化至含水量为70％，添加实施例1制得的肥料，添加量为污泥重量的1％，混匀后密闭常温发酵28天得到肥料。
实施例3
一种市政污泥处理方法，包括以下步骤：
取市政污泥，放于干燥箱中；
污水经离心污水换热器处理后采用污水源热泵收集热量，收集的热量通入干燥箱；
菲涅尔透镜聚集太阳光收集的热量加热集气装置收集的废气，加热后的废气用气源热泵收集热量通入干燥箱；
太阳能真空管收集的热量导入干燥箱；
控制不同来源的热量用于污泥脱水干化；
污泥干化至含水量为72％，添加实施例1制得的肥料，添加量为污泥重量的1％，混匀后放入第一发酵仓密闭常温发酵15天，然后将第一发酵仓中的污泥上下翻动并捣碎并转移至第二发酵仓，再发酵10天得到肥料。
将实施例1-3制得的肥料进行验证，得到的肥料性能同无机化肥，该肥料被用于农田，可以增加有机质，改善土壤结构，减少现有肥料的使用量，并且可以减轻土壤的潜在侵蚀，实现了污泥的资源化应用。
本发明直接利用污水厂二级处理后的污水和所产废气作为热泵的低温热源，这样靠近热用户，节省输送热量的能耗，从而提高其系统的经济性。作为辅助供能的太阳能收集装置采取用菲涅尔透镜和太阳能真空管，提升太阳的利用率。在当前这种能源危机，环境恶化的条件下，污泥堆肥因其没有二次污染，变废为宝，因其实现资源的再生化必将会成为新一代污泥处理技术的新辟，既能实现减排又可产生经济效益，一举两得。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种市政污泥处理方法，其特征在于，将市政污泥干化，所述干化所使用的热量来源于污水采用污水源热泵收集的热量、污水处理过程中产生的废气经太阳能加热后用气源热泵收集的热量以及太阳能真空管收集的热量；
污泥干化至含水量为68％-72％，密闭发酵得到肥料。
2.根据权利要求1所述的市政污泥处理方法，其特征在于，加热所述废气的热源主要来源于菲涅尔透镜聚集太阳光收集的热量。
3.根据权利要求1所述的市政污泥处理方法，其特征在于，所述污水先经过离心污水换热器处理，再采用污水源热泵收集热量。
4.根据权利要求1-3任一项所述的市政污泥处理方法，其特征在于，发酵的温度为15-25℃，发酵的时间为25-35天。
5.根据权利要求1-3任一项所述的市政污泥处理方法，其特征在于，发酵后得到的肥料作为添加剂加入干化后的污泥中，混匀后进行发酵。
6.根据权利要求1-3任一项所述的市政污泥处理方法，其特征在于，发酵过程中对污泥进行一次上下翻动并捣碎的步骤。
7.实施权利要求1-6任一项所述的市政污泥处理方法的热泵-太阳能耦合系统，其特征在于，包括：污水源热泵、废气源热泵、太阳能真空管、污泥干化装置、发酵装置；
所述污水源热泵、废气源热泵、太阳能真空管分别与所述污泥干化装置连接；
所述污泥干化装置与所述发酵装置连接。
8.根据权利要求7所述的热泵-太阳能耦合系统，其特征在于，所述热泵-太阳能耦合系统还包括集气装置和菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜收集的能量用于所述集气装置中气体的加热，所述集气装置与所述废气源热泵连接。
9.根据权利要求7所述的热泵-太阳能耦合系统，其特征在于，所述热泵-太阳能耦合系统还包括离心污水换热器，所述离心污水换热器与所述污水源热泵连接。
10.根据权利要求7-9任一项所述的热泵-太阳能耦合系统，其特征在于，所述发酵装置包括第一发酵仓和第二发酵仓。
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