专利名称：一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种城市污泥太阳能辅助高温好氧发酵的工艺系统，特别是涉及一种利用温室和太阳能集热辅助加热对污泥进行生物干化处理的系统。
背景技术：
随着我国污水处理率和污水处理程度的不断提高，城市污泥产量也逐年增加。城市污泥经浓缩脱水处理后含水率仍有80%左右，体积庞大，且污水中去除的污染物大部分集聚在污泥之中，大量的城市污泥若不加以妥善处置，将会造成严重的二次污染。目前，污泥处置的方法主要有填埋、土地利用和焚烧等。直接填埋将会占用大量土地，同时会产生渗滤液污染地下水；土地利用则因运输量大、分散困难、容易污染地下水而受到很大限制；直接焚烧也会因为含固率低而导致热值太低，需耗费大量辅助燃料，显著增加处理成本。因此，对城市污泥进行干化处理、降低污泥含水率，是解决目前在污泥处置过程中所遇到的许多问题的关键。
传统的污泥干化法采用污泥干化场的形式，将污泥平铺在室外的干化场，通过自然通风和太阳能辐射对污泥进行干化。这种干化方式占地面积大，易受气候影响。现代化的干化工艺主要为热干化和生物干化。其中热干化主要包括直接加热式、间接加热式和辐射加热式，即通过外加热源将污泥中水分蒸发。直接加热式和间接加热式污泥干化工艺，具有占地面积小、减量化明显、产品用途灵活等优点，但投资和运行费用高、设备运行能耗高， 并且具有粉尘爆炸安全隐患。辐射加热式有红外干化、微波干化和太阳能干化 等工艺，其中以太阳能干化工艺不消耗化石能源受到人们特别的关注，但该方法占地面积大，处理效果受天气和季节性条件约束，改进型储热式和热泵式太阳能干化工艺的使用在一定程度上克服了天气和季节性条件的约束，但仍没有解决占地面积大的不足，增加污泥堆放厚度可减少占地面积，但干化过程中频繁的翻堆操作又增加了干化运行的能量消耗，而且热泵装置的使用还导致投资和运行能耗的增加，限制了污泥太阳能干化系统在我国的大面积推广应用。因此，发展一种更经济、更节能的污泥干化技术已成为我国城市污泥处理的迫切需要。
生物干化(biodrying)最早是由美国康奈尔大学Jewell等人于1984年研究牛粪生物干燥的操作参数时提出。利用微生物高温好氧发酵过程中有机物降解所产生的生物热能，通过过程调控手段促进水分蒸发，从而实现快速去除水分的一种干化处理工艺。生物干化的特点在于不需外加热源，干化所需能量来源于微生物的好氧发酵活动，属于物料本身的生物能，因此是一种非常经济、节能、环保的干化技术。生物干化的另一个特点是加入了人为的过程控制策略，辅料的加入使污泥物料堆体的孔隙率大大增加，污泥物料可堆积较大厚度，减少了占地面积，同时通过对物料进行强制鼓风，从而提高干化效率，缩短干化周期。然而，生物干化也受季节性条件的约束，且在干化后期污泥堆体温度偏低，对进一步降低污泥含水率效果不理想，干化周期较长。发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能量回收式太阳能辅助的污泥生物干化系统。生物干化的使用克服了原有污泥热干化技术能耗大、效率低和运行费用高的不足，能量回收式的太阳能辅助作用不仅避免了生物干化受季节性的影响，又促进了污泥生物干化过程中期和后期的污泥脱水、进一步提高了干化效果、缩短了干化周期，干燥装置的设置在除湿的同时可回收湿热水气的显热和潜热，提高了能源利用效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现
—种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，包括太阳能集热器及相邻设置的 I号太阳能温室和II号太阳能温室，所述的I号太阳能温室内设有循环泵、储热装置、干燥装置、发酵床及通风装置，所述的II号太阳能温室设有干燥装置、干化床及通风装置，I号太阳能温室和II号太阳能温室之间设有出料孔，I号太阳能温室内发酵床下方的物料经输送带通过该出料孔将发酵完成的混合污泥输送到II号太阳能温室内的干化床中。
所述的I号太阳能温室和II号太阳能温室接受太阳辐射立面及屋顶由透明玻璃或塑料薄膜构成。
所述的发酵床上设置有翻堆机，发酵床底部设置通气穿孔板，表面铺设一层无纺布，发酵床下部设置通风换热室，通风装置鼓入的新鲜空气依次通过通风换热室和穿孔板进入发酵区，对发酵堆体进行强制通风。
所述的通风装置包括联通两个太阳能温室内下部的鼓风机和上部排气孔的引风机，引风机通过管道与一生物过滤器的进气口相联。
所述的干燥装置设置于太阳能温室上部排气口的下方，干燥装置带有冷凝水收集器。
该系统产生的二次污染臭气和冷凝水通过生物滤池处理。
该系统还包括带有计算机控制系统的控制室，所述的太阳能集热器内的温度感应器，各段管路上的电磁阀、温度感应器分别连接到计算机控制系统；检测发酵床温度、氧气浓度的传感器与该计算机系统联通；所述鼓风机、引风机和输送带的电机控制信息均由该计算机系统控制。
太阳能集热循环系统中的工质通过太阳能温室顶上的集热器被加热后，由循环泵输送到发酵床和干化床下部的换热器，交换的热量分别用于发酵床上生物发酵的启动和干化床上污泥后期的进一步干化，经热量交换的工质温度下降，分别流经两个太阳能温室内的干燥装置后回到太阳能集热器重新被加热，或者直接回流到循环泵。在晴朗的天气条件 下，发酵床和干化床上的待干化污泥也可以直接接收太阳辐射，加速干化。
发酵床上的混合污泥，在太阳能温室中通过接收太阳直接辐射和底部换热器交换的热量促进发酵启动，当发酵本身产生的热量足以维持发酵的进行时，定时对发酵堆体进行鼓风、翻堆作业，就可完成污泥发酵过程。完成发酵后的混合污泥，经物料输送带送到II 号太阳能温室中的干化床上，在太阳的直接辐射和太阳能集热循环系统中工质携带热量的共同作用下，完成后续的干化过程。
在污泥发酵干化过程中，由鼓风机向发酵床下部通风换热室鼓入新鲜空气，新鲜空气通过发酵床上的通气孔向堆体内部扩散，补充氧气、调节温度，并促进水分蒸发。发酵堆体产生的热湿水气经干燥装置干燥冷却后，由引风机排出太阳能温室，经生物过滤器除臭后排空。干燥装置上冷凝下来的水排出太阳能温室外，经生物除臭、降解处理后排放。
与现有技术相比，本发明改进了污泥生物干化的模式，采用能量回收式太阳能辅助污泥生物干化工艺，提高了系统在不同季节运行的稳定性，干化时间显著减少，干化效果明显提高。本发明的干燥系统运行稳定，自动化程度高，技术简单，成本低廉，经济高效。
图1为本发明系统的流程示意图。
图中，I为太阳能集热器、2为循环泵、3为储热装置、4为I号流向控制阀、5为II 号流向控制阀、6为发酵床、7为II号干燥装置、8为物料输送带、9为I号干燥装置、10为干化床、11为I号通风控制阀、12为II号通风控制阀、13为鼓风机、14为引风机、15为III 号流向控制阀、16为生物滤池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，所述的能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其包括置于I号太阳能温室内的发酵床6和II号太阳能温室内的干化床10。所述的发酵底部设置通气穿孔板，表面铺设一层无纺布；床底部为通风换热室，该室与鼓风机13的通气管道联通，室内设置有换热器。在I和I号太阳能温室之间设置有物料输送带8，连接发酵床6和干化床 10，将经生物发酵完成的物料从发酵床6输送到干化床10。在太阳能温室屋顶设置太阳能集热器1，该集热器与循环泵2连接，循环泵2与储热装置3相连，然后通过I号流向控制阀4和II号流向控制阀5分别连到发酵床6和干化床10下部通风换热室内的换热器，两换热器共同依次连接II号干燥装置9和I号干燥装置7，I号干燥装置7通过III号流向控制阀连接到太阳能集热器I。该系统还包括一联通I号太阳能温室和II号太阳能温室上部的引风机14，该引风机通过管道与一设于太阳能温室旁的生物滤池16的进气口相连。 太阳能受天气和季节性条件的约束，具有很大的波动性。因此，在太阳能集热循环系统中， 设置了储热装置，可以在太阳辐射的高峰期储存热量，在无太阳辐射的时候释放去热量，提高整个系统的运行稳定性。
该系统还包括带有计算机控制系统的控制室。太阳能集热器内的温度感应器，各段管路上的电磁阀、温度感应器分别连接到计算机控制系统；检测发酵床温度、氧气浓度的传感器与该计算机系统联通；鼓风机、引风机、通风管路上的电磁阀和物料输送带的电机控制信息均由该计算机系统控制。
参照附图1，本发明提出的能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其基本操作原理和方式如下
太阳能集热器I内工质吸收太阳辐射被加热后，在循环泵2的作用下开始流动循环，从循环泵2出来的工质首先经过储热装置3，储存过多的热量，然后经I号流向控制阀4 和II号流向控制阀5分别进入位于发酵床6和干化床10下部通风换热室内的换热器换热， 加热发酵床。发酵床上污泥物料开始升温后，发酵自身产生的热量足以维持发酵的进行，此时通过控制I号流向控制阀4和II号流向控制阀5使热工质全部流向干化床。另外，太阳能温室利用太阳直接辐射升温，辅助发酵，加速污泥物料水分蒸发。
生物干化过程中发酵床物料堆体温度过高时，反馈系统控制鼓风机13开启、I通风控制阀全部开启向堆体通风降温，同时也促进了水分的散失；堆体内氧浓度过低时，反馈控制鼓风机13开启、控制I号通风控制阀11，II号通风控制阀12部分开启向堆体通风供氧，以避免过多的热量散失。发酵床上的翻堆机定时翻堆，保证发酵的均匀和促进水分的散失。通风、供氧产生的热湿水气经I号干燥装置7后，通过太阳能温室顶部的管道被引风机 14吸出，经过生物滤池16除臭后排空。发酵的周期一般5 7天，I 2天堆体温度控制在最高65 70°C，随后下降到50 60°C，持续4 6天。发酵完成后，污泥物料的含水率降至45 50%，通过物料输送带8将混合污泥物料送至干化床10继续干化。在太阳能辅助干化条件下，干化周期6 8天，通过控制温度保持在40 50°C之间，同时始终保持较高的通风速度，加速污泥的干化，干化结束时，污泥物料的含水率可降至30 40%。混合污泥干化产生的热湿水气经II号干燥装置9后，通过太阳能温室顶部的管道被引风机14吸出， 经过生物滤池16除臭后排空。
流经发酵床6和/或干化床10进行换热的工质，进入I和II号干燥装置7和9 时，其温度下降，可能低于I和/或II号太阳能温室中热湿水气的温度，此时，热湿水气在干燥装置上冷凝，释放出显热和潜热，凝结成水。被加热的工质循环回太阳能集热器或直接返回到循环泵。但在夏天太阳辐射强烈时，经太阳能集热器加热的工质温度较高，在流经发酵床6和/或干化床10，进入干燥装置盘管时，其温度可能高于I和/或II号太阳能温室中热湿水气的温度，此时，虽然干化污泥物料产生热湿水气的显热和潜热不能进行回收利用，但充足的太阳能仍能保证太阳能辅助污泥生物干化过程的顺利进行。在寒冷的冬季、晚上或阴雨天，当从干燥装置流经的工质吸收发酵床6和/或干化床10上产生热湿水气冷凝的显热和潜热后，温度高于太阳能集热器中工质温度时，自动控制III号流向控制阀15使热工质直接回流到循环泵，避免反向加热集热器，损失太阳能温室内的热量。此时利用储热装置中储存的热量和干燥装置回收污泥生物干化产生的热量，即可维持系统的正常运行。
本发明利用太阳能辅助生物干化，并将生物发酵产生的热量进行回收利用，整个干化过程不消耗其他的热源，节约能源。使用本发明提出的能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统可以实现污泥的工业化规模处置，该系统具有处理速度快、周期短，投资和运行成本低等显著优点。
本发明系统的技术方案可实现污泥生物干化的稳定、高效和低能耗的运行，依据本发明的创新性原理可以对这些实施方式做出多种变更或变化，这些变更和变化应落入本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其特征在于，该系统包括太阳能集热器及相邻设置的I号太阳能温室和II号太阳能温室，所述的I号太阳能温室内设有循环泵、储热装置、干燥装置、发酵床及通风装置，所述的II号太阳能温室设有干燥装置、干化床及通风装置，I号太阳能温室和II号太阳能温室之间设有出料孔，I号太阳能温室内发酵床下方的物料经输送带通过该出料孔将发酵完成的混合污泥输送到II号太阳能温室内的干化床中。
2.根据权利要求1所述的一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其特征在于，所述的I号太阳能温室和II号太阳能温室的立面及屋顶由透明玻璃或塑料薄膜构成，用于接受太阳辐射。
3.根据权利要求1所述的一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其特征在于，所述的发酵床上设置有翻堆机，发酵床底部设置通气穿孔板，表面铺设一层无纺布，发酵床下部设置通风换热室，通风装置鼓入的新鲜空气依次通过通风换热室和穿孔板进入发酵区，对发酵堆体进行强制通风。
4.根据权利要求1所述的一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其特征在于，所述的通风装置包括联通两个太阳能温室内下部的鼓风机和联通两个太阳能温室内上部排气孔的引风机，引风机通过管道与一生物过滤器的进气口相联。
5.根据权利要求1所述的一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其特征在于，所述的干燥装置设置于太阳能温室上部排气口的下方，干燥装置带有冷凝水收集器。
6.根据权利要求1所述的一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其特征在于，该系统产生的二次污染臭气和冷凝水通过生物滤池处理。
7.根据权利要求1所述的一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，其特征在于，该系统还包括带有计算机控制系统的控制室，太阳能集热器内的温度感应器，各段管路上的电磁阀、温度感应器分别连接到计算机控制系统，检测发酵床温度、氧气浓度的传感器与该计算机系统联通，系统内的鼓风机、引风机和输送带的电机均由该计算机控制系统控制。
全文摘要
本发明涉及一种能量回收式太阳能辅助污泥生物干化系统，包括太阳能集热器及相邻设置的I号太阳能温室和II号太阳能温室，I号太阳能温室内设有循环泵、储热装置、干燥装置、发酵床及通风装置，II号太阳能温室设有干燥装置、干化床及通风装置，I号太阳能温室和II号太阳能温室之间设有出料孔，I号太阳能温室内发酵床下方的物料经输送带通过该出料孔将发酵完成的混合污泥输送到II号太阳能温室内的干化床中。与现有技术相比，本发明利用太阳能辅助干化作用，能够连续稳定地对污泥进行工业化的生物干化处理，技术简单、环保，成本低廉，处理效果好，干化产物可用于燃料、肥料、土壤改良剂或直接填埋。
文档编号C02F11/02GK102992570SQ20111026812
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者何品晶, 曹江林, 邵立明, 徐华成, 吕凡, 章骅 申请人:同济大学