申请日2016.05.06
公开(公告)日2016.07.27
IPC分类号C02F9/14; B09B3/00; B09B5/00; C12M1/38; C12M1/36; C12M1/34; C12M1/107; C12M1/06
摘要
本发明涉及城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，包括依次连接设置的有机垃圾收集池、粉碎装置、集水池、预处理池、调节加热池、IC厌氧反应器、厌氧池、I级好氧反应池、II级好氧反应池、沉淀池及膜处理设备，所述IC厌氧反应器包括罐体，所述罐体内由从下到上依次连接的第一反应室和第二反应室组成，所述第一反应室和第二反应室之间设置有射流曝气搅拌器，所述IC厌氧反应器底部设置有底部排泥管，所述第一反应室内底部设置有进料管和搅拌涡轮，所述搅拌涡轮设置在进料管的上方，所述第二反应室内并排设置内循环回流管和内循环升流管，本发明适用于农村及小城镇，经济、高效、节能和简便易行。
权利要求书
1.城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：包括依次连接设置的有机垃圾收集池、粉碎装置、集水池、预处理池、调节加热池、IC厌氧反应器、厌氧池、I级好氧反应池、II级好氧反应池、沉淀池及膜处理设备，所述调节加热池还与一储热水箱连通设置，所述储热水箱还分别连接有热水器及换热器，所述热水器采用太阳能集热器进行供热，所述换热器还连通设置有沼气垃圾焚烧锅炉，该沼气垃圾焚烧锅炉通过换热器对储热水箱进行供热，所述IC厌氧反应器还连通设置有污泥池，该污泥池连接有板式过滤装置，该板式过滤装置与沼气垃圾焚烧锅炉连通设置，所述板式过滤装置还连接有堆肥反应装置，所述I级好氧反应池及II级好氧反应池均与曝气装置连通，所述沉淀池及膜处理装置均与厌氧池连通设置，所述IC厌氧反应器的沼气出口连接有机械脱水装置，所述机械脱水装置连接有沼气低压储柜，所述沼气低压储柜连接有压力储柜，所述压力储柜连接有I级膜组，所述I级膜组连接有II级膜组，所述II级膜组连接有CH4储柜，所述I级膜组和II级膜组均连接有CO2储柜。
2.根据权利要求1所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述IC厌氧反应器包括罐体，所述罐体内由从下到上依次连接的第一反应室和第二反应室组成，所述第一反应室和第二反应室之间设置有射流曝气搅拌器，所述IC厌氧反应器底部设置有底部排泥管，所述第一反应室内底部设置有进料管和搅拌涡轮，所述搅拌涡轮设置在进料管的上方，所述第二反应室内并排设置内循环回流管和内循环升流管，所述内循环回流管和内循环升流管的上端均连通设置有一气液分离器，所述内循环回流管和内循环升流管上还分别设置有三相分离器，所述内循环回流管和内循环升流管上还均设置有沼气吸孔，所述气液分离器上端还连通设置有罐体顶部沼气输出管，所述第二反应室内还设置有中部排泥管和上部排泥管，所述中部排泥管设置于射流曝气搅拌器的上方，所述上部排泥管与底部排泥管连通，所述上部排泥管上方还设置有罐体回流管，所述三相分离器的上方设置有出水堰，所述出水堰连接设置有混合液出口，所述混合液出口上方还设置有罐体侧壁沼气输出管，所述罐体回流管和罐体侧壁沼气输出管均与射流曝气搅拌器连通设置，所述罐体的顶盖上,侧壁上都设置有保温层。
3.根据权利要求2所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述进料管与搅拌涡轮连通设置，所述进料管还连接设置有一高压反冲洗水口，从高压反冲洗水口进入的水经涡轮搅拌及射流曝气搅拌器的作用下进入内循环升流管对IC厌氧反应器进行反冲洗。
4.根据权利要求3所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述第二反应室内在出水堰上方设置有压力传感器，所述出水堰和三相分离器之间还分别设置有PH值传感器、温度传感器及流量传感器，所述压力传感器、PH值传感器、温度传感器及流量传感器均与一PLC控制器电连接。
5.根据权利要求4所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述IC厌氧反应器的生活有机垃圾和城镇综合污水处理量Q为500m3/d，反应温度T为35℃，混合液PH值为7，进水化学需氧量COD为6500mg/L，进水悬浮物SS为2000mg/L，出水化学需氧量COD为900mg/L，出水悬浮物SS为400mg/L，所述第一反应室去除总COD的q1为80%，第二反应室去除总COD的q2为20%;所述第一反应室容积负荷率NV1为15-25kg/m3·d，所述第二反应室容积负荷率NV2为5-10kg/m3·d;当NV1为22kg/m3·d，NV2为8kg/m3·d，第一反应室的有效容积为V1=Q×(CODO-CODe)·q1/(NV1×1000)=102m3，所述第二反应室的有效容积为V2=Q×(CODO-CODe)·q2/(NV2×1000)=70.1m3，V2取70m3;所述IC厌氧反应器的总容积V为：V1+V2=172m3;所述IC厌氧反应器的高度H为13m，所述IC厌氧反应器的截面积为A=V/H=13.2m2，所述IC厌氧反应器的直径D=2(A/π)1/2=4.069m;所述IC厌氧反应器的裕量系数k=1.2，则IC厌氧反应器的实际总容积V’=V×1.2=206m3，所述IC厌氧反应器的总容积负荷NV=Q×(CODO-CODe)/V=13.6kg/m3。
6.根据权利要求5所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述IC厌氧反应器的面积A’=V'/H=206/13=15.8m2，所述第一反应室有效高度所述第二反应室有效高度所述第一反应室内水力停留时间所述第二反应室内液体上升流速V2’=(Q/24)/A’=(500/24)/16=1.3m/h，所述第一反应室内液体升流推荐流速V1’=10-20m/h，所述第一反应室所产生的沼气量为Q沼气=Q(CODO-CODe)×去除率×0.44=985.6m3，所述COD去除率为80%，所述第一反应室回流废水量为986m3/d-1971m3/d，即41m3/h-82m3/h，所述IC厌氧反应器的进水量为20.8m3/h，因此第一反应室中总的上升水量为62m3/h-103m3/h，第一反应室中总的上升污水流速达到了3.9m3/h-6.4m3/h;设沼气、混合液回流系数R=1，则混合液(沼气)回流量Q回=Q×R=500×1=500m3/d;通过回流，所述第一反应室内升流管液体上升流速V1’=7.8-12.8m/h，所述第二反应室内液体上升流速V2’=2.6m/h;所述第一反应室的气液进水管中当水流速度为2m/s时，则管径D1=[(103×2)/(3.14×3600)]1/2=0.135m，所述第一反应室内的液体回流速度为1.2m/s时，则液体回流管的管径D1回=[(103×4)/(1.2×3.143×600)]1/2=0.174m。
7.根据权利要求6所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：当需将污水进行加热时，则将500吨污水加热温度15℃所需热量为Q热=500×103×15×C=500000×15×4.187=31，402，500MJ，其中C为水的比热，C=4.187KJ/kg·℃;所述太阳能集热器中的集热板面积计算值A为Q热/13.7×0.52=4234m2，若太阳能集热板为30°倾角布置，则功率系数k30=0.84，因此实际太阳能集热板面积A30=A×0.84=3557m2，所述太阳能集热板每块的采光面积为2m2，则太阳能集热板所需数量为A30/2=3557/2=1779块;所述储热水箱的容积VW=太阳板集热量/(85-35)℃=150m3，其中储热水箱低温为35℃，高温为85℃，则储热水箱的总容积不小于150m3。
8.根据权利要求7所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述沼气垃圾焚烧锅炉中垃圾产生的热量通过换热器补充给储热水箱，可燃烧垃圾中所含热值为2100-3200大卡/kg，若每公斤垃圾含热量2600大卡/kg=2600×4.187KJ，换热器热交换效率为60%，则需燃烧的垃圾量为若燃烧沼气所产生的热值为19344KJ/kg，取燃气热交换器效率为0.80，则完全用沼气补热所需的沼气量为：
9.根据权利要求8所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述I级膜组和II级膜组结构为中空纤维式膜，其制作方法为将几万至几十万根中空纤维膜装入圆筒形耐压容器内，纤维束的开口端用环氧树脂浇铸成管板;所述中空纤维式膜采用聚酰亚胺制作而成，所述中空纤维式膜的渗透率为J为渗透速度cm3/cm2·S·cmHg，其中Sm为膜表面积cm2，△P为压力差cmHg，q为气体通过量cm3，当沼气成分为35%CO2及60%CH4，压力差为0.6Mpa时;中空纤维式膜在工作时，进气1.5MPa，温度40℃，I级膜组分离效率η>50%，产生的甲烷气体的纯度为85%，单支膜渗余气流量不小于3L/S，则所需膜面积为：
Sm(m2)=q(m3/h)/Jco2(cm3/cm2·S·cmHg)×△P(cmHg)
=18.1m2
若CO2/CH4分离膜长度为1.2m，每根膜面积A=894.9mm2，则需要膜束根数根，所述I级膜组进气压力1.5MPa，出气口压力1.2MPa，渗透膜压降△P=0.3Mpa;所述II级膜组进气口压力1.2MPa，出气口压力0.8MPa，CH4储柜气体压力0.8MPa，CH4成分大于95%。
10.根据权利要求9所述城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，其特征在于：所述曝气装置输气管直径为150mm;氧利用率为15-20%;气孔密度：580-650个/只;曝气量：0-5m3/h;出孔气泡直径：1mm;出气阻力：150-350mm水柱;服务面积：0.4-0.8m2/只;动力效率：4.3-5.6kg·O2/KW·h;污水曝气生化降解过程的需氧量为：O2=Q(S0-Se)kg/d其中Q为污水设计流量m3/d，S0及Se分别是进水和出水的BOD5浓度.kg/m3;根据需氧量，得出压缩空气需要量Da，当空气需要量按标准状态时，即T=20℃，760mmHg大气压，空气容量ra=1.205kg/m3，其中氧占23.1%，则曝气空气理论需要量Da=O2/﹙1.205×0.231﹚=3.6m3·m3/d;当所述曝气装置的氧利用率E0为15%时，则曝气空气实际需要量Da’=Da/0.15=24m3/d，氧当量空气Qa=Q(1+30%)=650m3，Qa为考虑了波动系数、污水流量，原污水浓度BOD5，S0取900mg/L，处理后出水BOD5浓度Se，取20mg/L，则污水曝气生化降解过程的需氧量为：O2=Qa(S0-Se)=650(900-20)/1000=572kg/d，生化氧当量空气：Da'=24×572=13728m3/d=572m3/h，所述曝气装置中气泵容量Dk=1.2Da'，即Dk=1.2×572=687m3/h;可选取气泵容量为700m3/h的罗茨气泵，所述曝气装置输气干管气流流速v=Q/A，其中Q为气泵排量700m3/h，A为输气干管流通面积πR2=3.14×1602/4=0.020m2，v=700/﹙0.020×3600﹚=9.7m/s。
说明书
城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统
技术领域
本发明涉及污水垃圾处理技术领域，具体涉及城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统。
背景技术
目前我国各种规模和性质的小城镇已近50000个，我国的城镇化率2011年已过50%，有专家预测：未来10年将有1.5-2亿农村人口转移到城市，2020年我国的城市化率将达到63-65%，我国的城市化进程已经进入了经济发展规律上的高速增长期。
据统计：目前全国年排污量约为350亿立方米，但城市污水集中处理率已达80%以上，全国超过95%的县域小城镇和村屯污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体，使得原本具有泄洪和美化景观作用的河渠变成了天然污水渠并直接污染了归流的江川湖海。特别是在全国2200座县城与19200个建制镇中，污水排放量约占全国污水排放总量的一半以上。
我国的小城镇基本上没有污水和生活垃圾集中处理设施，在新开发的居民小区、旅游风景点、度假村、疗养院、机场、铁路车站、经济开发小区等分散的人群聚居地，排放的污水也基本上没有处理。我国人口今后有两大发展趋势：一方面，为缓解大中城市人口压力，大中城市人口正逐渐向小城镇、小区迁移，这必将促进卫星城镇的发展;另一方面，农村大量剩余劳动力要找出路，这也促进了农村人口城镇化、小区化。随着这一趋势的发展，今后我国80%以上的生活污水、垃圾将来自小城镇、小区。所以，因地制宜的建设一大批各种类型的小城镇、小区的生活污水、垃圾的集中处理工程势在必行。然而这将给经济实力不强、资源有限、受各种自然条件约束的小城镇政府和人民增加一定的负担。总之，小城镇、小区的生活污水、垃圾能否处理好，能否找到高效、低投入、有利于修复生态系统和资源循环利用并可节能减排的污水、垃圾处理的环保新技术，将直接关系到当地的经济和人民的生活水平的提高，关系到我国环境状况和可持续发展战略。
针对目前的实际情况，国家提出了至2015年要求设市城市污水处理率不低于60%，建制镇污水处理率不低于50%的目标，因此，未来一段时间内我国污水处理事业将是大城市和广大中小城市(镇)并举。
农村的垃圾污染问题也对生态环境造成了严重的破坏。现时全国95%以上的村屯和城镇垃圾得不到有效处理，田野，河滩，街头垃圾成堆，土法焚烧垃圾造成黑烟、雾霾笼罩，二次污染触目惊心。农村缺少日处理规模50吨以下，能满足国家标准的垃圾处理工艺和成套设备，使垃圾处理达到资源化、减量化、无害化的环保目标。为此，国家在“十三.五”提出了2020年农村垃圾处理率要达到90%的环保目标。
以上这些因素就决定了应用于中小城市(镇)的污水、垃圾处理技术首先必须经济、高效、节省能耗和简便易行。因此，研究和开发对传统工艺的改造和替代的新工艺，发展具有独立自主知识产权的、能使污染物处理后达到资源化、减量化、无害化的污水、垃圾处理技术，是我国当前治理环境污染领域的一项重要任务。结合小城镇的实际情况，确定走简易、高效率、低能耗的技术路线符合我国的国情。目前在高效率低能耗污水、垃圾处理技术方面的研究已取得了不少进展，也开发出了一些经济实用的污水、垃圾处理技术。
发明内容
本发明为了解决上述现有的技术缺点，提供适用于农村及小城镇，经济、高效、节能和简便易行的城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统。
为实现上述目的，本发明提供城镇生活污水及垃圾一体化、循环型集中处理系统，包括依次连接设置的有机垃圾收集池、粉碎装置、集水池、预处理池、调节加热池、IC厌氧反应器、厌氧池、I级好氧反应池、II级好氧反应池、沉淀池及膜处理设备，所述调节加热池还与一储热水箱连通设置，所述储热水箱还分别连接有热水器及换热器，所述热水器采用太阳能集热器进行供热，所述换热器还连通设置有沼气垃圾焚烧锅炉，该沼气垃圾焚烧锅炉通过换热器对储热水箱进行供热，所述IC厌氧反应器还连通设置有污泥池，该污泥池连接有板式过滤装置，该板式过滤装置与沼气垃圾焚烧锅炉连通设置，所述板式过滤装置还连接有堆肥反应装置，所述I级好氧反应池及II级好氧反应池均与曝气装置连通，所述沉淀池及膜处理装置均与厌氧池连通设置，所述IC厌氧反应器的沼气出口连接有机械脱水装置，所述机械脱水装置连接有沼气低压储柜，所述沼气低压储柜连接有压力储柜，所述压力储柜连接有I级膜组，所述I级膜组连接有II级膜组，所述II级膜组连接有CH4储柜，所述I级膜组和II级膜组均连接有CO2储柜。
本发明具有以下有益效果：
1、经济效益方面：采用本发明专利技术可日产沼气1540m3，提纯后日产高热量CH41002m3，按每立方米3.5元计，日产值3507元;本专利可产污泥29170kg，浓缩后(含水率90%)可得15110kg，按每吨260元计，日产值3926元;中水回用项目日产中水500吨，按每吨0.8元，则每日中水产值400元。
2、环境效益方面：餐厨垃圾的资源化处理不仅节约了能源，还减少了废气排放，当沼气全部用作燃料燃烧时，使用本工艺技术设备所产沼气而节约的标煤量可通过下式计算
年节约标准煤量=(沼气量X沼气热值X沼气灶热效率)/(标准煤的热值X燃煤锅炉热效应)，每天处理餐厨垃圾的干物质(COD)日产量为3000kgd-1，通过计算，每年可节约782t标准煤。按每kg标准煤排放二氧化碳2.66kg，二氧化硫0.03kg计算，由于使用沼气每年的CO2减排量为2080t、SO2减排量为23t。
3、社会效益：生活垃圾(餐厨垃圾)的能源化处理旨在保护环境，提高人们的生活质量，同时实现生物质能的综合利用，建设资源节约型社会，推动循环经济的发展。它从源头杜绝困扰城市多年的“垃圾猪”和“地沟油”问题，提高食品的安全水平，有效地保护人们身体健康。我国的农田种植面积约为20多亿亩，每年需要数亿吨化肥，长期使用化肥，使土壤板结、环境退化、作物品质日趋低下。利用沼渣、沼液加工生产高效有机复合肥可以改良土壤、提高作物品质。每年把国内产生的几千万吨的餐厨垃圾转化为再生资源，就相当于节约了一笔可观的煤炭及石化资源，节能效益明显，造福于子孙后代。
