專利名稱：一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種城市污泥太陽能輔助高溫好氧發酵的工藝系統，特別是涉及一種利用溫室和太陽能集熱輔助加熱對污泥進行生物干化處理的系統。
背景技術：
隨著我國污水處理率和污水處理程度的不斷提高，城市污泥產量也逐年增加。城市污泥經濃縮脫水處理后含水率仍有80%左右，體積龐大，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處置，將會造成嚴重的二次污染。目前，污泥處置的方法主要有填埋、土地利用和焚燒等。直接填埋將會占用大量土地，同時會產生滲濾液污染地下水；土地利用則因運輸量大、分散困難、容易污染地下水而受到很大限制；直接焚燒也會因為含固率低而導致熱值太低，需耗費大量輔助燃料，顯著增加處理成本。因此，對城市污泥進行干化處理、降低污泥含水率，是解決目前在污泥處置過程中所遇到的許多問題的關鍵。
傳統的污泥干化法采用污泥干化場的形式，將污泥平鋪在室外的干化場，通過自然通風和太陽能輻射對污泥進行干化。這種干化方式占地面積大，易受氣候影響。現代化的干化工藝主要為熱干化和生物干化。其中熱干化主要包括直接加熱式、間接加熱式和輻射加熱式，即通過外加熱源將污泥中水分蒸發。直接加熱式和間接加熱式污泥干化工藝，具有占地面積小、減量化明顯、產品用途靈活等優點，但投資和運行費用高、設備運行能耗高， 并且具有粉塵爆炸安全隱患。輻射加熱式有紅外干化、微波干化和太陽能干化 等工藝，其中以太陽能干化工藝不消耗化石能源受到人們特別的關注，但該方法占地面積大，處理效果受天氣和季節性條件約束，改進型儲熱式和熱泵式太陽能干化工藝的使用在一定程度上克服了天氣和季節性條件的約束，但仍沒有解決占地面積大的不足，增加污泥堆放厚度可減少占地面積，但干化過程中頻繁的翻堆操作又增加了干化運行的能量消耗，而且熱泵裝置的使用還導致投資和運行能耗的增加，限制了污泥太陽能干化系統在我國的大面積推廣應用。因此，發展一種更經濟、更節能的污泥干化技術已成為我國城市污泥處理的迫切需要。
生物干化(biodrying)最早是由美國康奈爾大學Jewell等人于1984年研究牛糞生物干燥的操作參數時提出。利用微生物高溫好氧發酵過程中有機物降解所產生的生物熱能，通過過程調控手段促進水分蒸發，從而實現快速去除水分的一種干化處理工藝。生物干化的特點在于不需外加熱源，干化所需能量來源于微生物的好氧發酵活動，屬于物料本身的生物能，因此是一種非常經濟、節能、環保的干化技術。生物干化的另一個特點是加入了人為的過程控制策略，輔料的加入使污泥物料堆體的孔隙率大大增加，污泥物料可堆積較大厚度，減少了占地面積，同時通過對物料進行強制鼓風，從而提高干化效率，縮短干化周期。然而，生物干化也受季節性條件的約束，且在干化后期污泥堆體溫度偏低，對進一步降低污泥含水率效果不理想，干化周期較長。發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能量回收式太陽能輔助的污泥生物干化系統。生物干化的使用克服了原有污泥熱干化技術能耗大、效率低和運行費用高的不足，能量回收式的太陽能輔助作用不僅避免了生物干化受季節性的影響，又促進了污泥生物干化過程中期和后期的污泥脫水、進一步提高了干化效果、縮短了干化周期，干燥裝置的設置在除濕的同時可回收濕熱水氣的顯熱和潛熱，提高了能源利用效率。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現
—種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，包括太陽能集熱器及相鄰設置的 I號太陽能溫室和II號太陽能溫室，所述的I號太陽能溫室內設有循環泵、儲熱裝置、干燥裝置、發酵床及通風裝置，所述的II號太陽能溫室設有干燥裝置、干化床及通風裝置，I號太陽能溫室和II號太陽能溫室之間設有出料孔，I號太陽能溫室內發酵床下方的物料經輸送帶通過該出料孔將發酵完成的混合污泥輸送到II號太陽能溫室內的干化床中。
所述的I號太陽能溫室和II號太陽能溫室接受太陽輻射立面及屋頂由透明玻璃或塑料薄膜構成。
所述的發酵床上設置有翻堆機，發酵床底部設置通氣穿孔板，表面鋪設一層無紡布，發酵床下部設置通風換熱室，通風裝置鼓入的新鮮空氣依次通過通風換熱室和穿孔板進入發酵區，對發酵堆體進行強制通風。
所述的通風裝置包括聯通兩個太陽能溫室內下部的鼓風機和上部排氣孔的引風機，引風機通過管道與一生物過濾器的進氣口相聯。
所述的干燥裝置設置于太陽能溫室上部排氣口的下方，干燥裝置帶有冷凝水收集器。
該系統產生的二次污染臭氣和冷凝水通過生物濾池處理。
該系統還包括帶有計算機控制系統的控制室，所述的太陽能集熱器內的溫度感應器，各段管路上的電磁閥、溫度感應器分別連接到計算機控制系統；檢測發酵床溫度、氧氣濃度的傳感器與該計算機系統聯通；所述鼓風機、引風機和輸送帶的電機控制信息均由該計算機系統控制。
太陽能集熱循環系統中的工質通過太陽能溫室頂上的集熱器被加熱后，由循環泵輸送到發酵床和干化床下部的換熱器，交換的熱量分別用于發酵床上生物發酵的啟動和干化床上污泥后期的進一步干化，經熱量交換的工質溫度下降，分別流經兩個太陽能溫室內的干燥裝置后回到太陽能集熱器重新被加熱，或者直接回流到循環泵。在晴朗的天氣條件 下，發酵床和干化床上的待干化污泥也可以直接接收太陽輻射，加速干化。
發酵床上的混合污泥，在太陽能溫室中通過接收太陽直接輻射和底部換熱器交換的熱量促進發酵啟動，當發酵本身產生的熱量足以維持發酵的進行時，定時對發酵堆體進行鼓風、翻堆作業，就可完成污泥發酵過程。完成發酵后的混合污泥，經物料輸送帶送到II 號太陽能溫室中的干化床上，在太陽的直接輻射和太陽能集熱循環系統中工質攜帶熱量的共同作用下，完成后續的干化過程。
在污泥發酵干化過程中，由鼓風機向發酵床下部通風換熱室鼓入新鮮空氣，新鮮空氣通過發酵床上的通氣孔向堆體內部擴散，補充氧氣、調節溫度，并促進水分蒸發。發酵堆體產生的熱濕水氣經干燥裝置干燥冷卻后，由引風機排出太陽能溫室，經生物過濾器除臭后排空。干燥裝置上冷凝下來的水排出太陽能溫室外，經生物除臭、降解處理后排放。
與現有技術相比，本發明改進了污泥生物干化的模式，采用能量回收式太陽能輔助污泥生物干化工藝，提高了系統在不同季節運行的穩定性，干化時間顯著減少，干化效果明顯提高。本發明的干燥系統運行穩定，自動化程度高，技術簡單，成本低廉，經濟高效。
圖1為本發明系統的流程示意圖。
圖中，I為太陽能集熱器、2為循環泵、3為儲熱裝置、4為I號流向控制閥、5為II 號流向控制閥、6為發酵床、7為II號干燥裝置、8為物料輸送帶、9為I號干燥裝置、10為干化床、11為I號通風控制閥、12為II號通風控制閥、13為鼓風機、14為引風機、15為III 號流向控制閥、16為生物濾池。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例
如圖1所示，所述的能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其包括置于I號太陽能溫室內的發酵床6和II號太陽能溫室內的干化床10。所述的發酵底部設置通氣穿孔板，表面鋪設一層無紡布；床底部為通風換熱室，該室與鼓風機13的通氣管道聯通，室內設置有換熱器。在I和I號太陽能溫室之間設置有物料輸送帶8，連接發酵床6和干化床 10，將經生物發酵完成的物料從發酵床6輸送到干化床10。在太陽能溫室屋頂設置太陽能集熱器1，該集熱器與循環泵2連接，循環泵2與儲熱裝置3相連，然后通過I號流向控制閥4和II號流向控制閥5分別連到發酵床6和干化床10下部通風換熱室內的換熱器，兩換熱器共同依次連接II號干燥裝置9和I號干燥裝置7，I號干燥裝置7通過III號流向控制閥連接到太陽能集熱器I。該系統還包括一聯通I號太陽能溫室和II號太陽能溫室上部的引風機14，該引風機通過管道與一設于太陽能溫室旁的生物濾池16的進氣口相連。 太陽能受天氣和季節性條件的約束，具有很大的波動性。因此，在太陽能集熱循環系統中， 設置了儲熱裝置，可以在太陽輻射的高峰期儲存熱量，在無太陽輻射的時候釋放去熱量，提高整個系統的運行穩定性。
該系統還包括帶有計算機控制系統的控制室。太陽能集熱器內的溫度感應器，各段管路上的電磁閥、溫度感應器分別連接到計算機控制系統；檢測發酵床溫度、氧氣濃度的傳感器與該計算機系統聯通；鼓風機、引風機、通風管路上的電磁閥和物料輸送帶的電機控制信息均由該計算機系統控制。
參照附圖1，本發明提出的能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其基本操作原理和方式如下
太陽能集熱器I內工質吸收太陽輻射被加熱后，在循環泵2的作用下開始流動循環，從循環泵2出來的工質首先經過儲熱裝置3，儲存過多的熱量，然后經I號流向控制閥4 和II號流向控制閥5分別進入位于發酵床6和干化床10下部通風換熱室內的換熱器換熱， 加熱發酵床。發酵床上污泥物料開始升溫后，發酵自身產生的熱量足以維持發酵的進行，此時通過控制I號流向控制閥4和II號流向控制閥5使熱工質全部流向干化床。另外，太陽能溫室利用太陽直接輻射升溫，輔助發酵，加速污泥物料水分蒸發。
生物干化過程中發酵床物料堆體溫度過高時，反饋系統控制鼓風機13開啟、I通風控制閥全部開啟向堆體通風降溫，同時也促進了水分的散失；堆體內氧濃度過低時，反饋控制鼓風機13開啟、控制I號通風控制閥11，II號通風控制閥12部分開啟向堆體通風供氧，以避免過多的熱量散失。發酵床上的翻堆機定時翻堆，保證發酵的均勻和促進水分的散失。通風、供氧產生的熱濕水氣經I號干燥裝置7后，通過太陽能溫室頂部的管道被引風機 14吸出，經過生物濾池16除臭后排空。發酵的周期一般5 7天，I 2天堆體溫度控制在最高65 70°C，隨后下降到50 60°C，持續4 6天。發酵完成后，污泥物料的含水率降至45 50%，通過物料輸送帶8將混合污泥物料送至干化床10繼續干化。在太陽能輔助干化條件下，干化周期6 8天，通過控制溫度保持在40 50°C之間，同時始終保持較高的通風速度，加速污泥的干化，干化結束時，污泥物料的含水率可降至30 40%。混合污泥干化產生的熱濕水氣經II號干燥裝置9后，通過太陽能溫室頂部的管道被引風機14吸出， 經過生物濾池16除臭后排空。
流經發酵床6和/或干化床10進行換熱的工質，進入I和II號干燥裝置7和9 時，其溫度下降，可能低于I和/或II號太陽能溫室中熱濕水氣的溫度，此時，熱濕水氣在干燥裝置上冷凝，釋放出顯熱和潛熱，凝結成水。被加熱的工質循環回太陽能集熱器或直接返回到循環泵。但在夏天太陽輻射強烈時，經太陽能集熱器加熱的工質溫度較高，在流經發酵床6和/或干化床10，進入干燥裝置盤管時，其溫度可能高于I和/或II號太陽能溫室中熱濕水氣的溫度，此時，雖然干化污泥物料產生熱濕水氣的顯熱和潛熱不能進行回收利用，但充足的太陽能仍能保證太陽能輔助污泥生物干化過程的順利進行。在寒冷的冬季、晚上或陰雨天，當從干燥裝置流經的工質吸收發酵床6和/或干化床10上產生熱濕水氣冷凝的顯熱和潛熱后，溫度高于太陽能集熱器中工質溫度時，自動控制III號流向控制閥15使熱工質直接回流到循環泵，避免反向加熱集熱器，損失太陽能溫室內的熱量。此時利用儲熱裝置中儲存的熱量和干燥裝置回收污泥生物干化產生的熱量，即可維持系統的正常運行。
本發明利用太陽能輔助生物干化，并將生物發酵產生的熱量進行回收利用，整個干化過程不消耗其他的熱源，節約能源。使用本發明提出的能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統可以實現污泥的工業化規模處置，該系統具有處理速度快、周期短，投資和運行成本低等顯著優點。
本發明系統的技術方案可實現污泥生物干化的穩定、高效和低能耗的運行，依據本發明的創新性原理可以對這些實施方式做出多種變更或變化，這些變更和變化應落入本發明保護的范圍之內。
權利要求
1.一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其特征在于，該系統包括太陽能集熱器及相鄰設置的I號太陽能溫室和II號太陽能溫室，所述的I號太陽能溫室內設有循環泵、儲熱裝置、干燥裝置、發酵床及通風裝置，所述的II號太陽能溫室設有干燥裝置、干化床及通風裝置，I號太陽能溫室和II號太陽能溫室之間設有出料孔，I號太陽能溫室內發酵床下方的物料經輸送帶通過該出料孔將發酵完成的混合污泥輸送到II號太陽能溫室內的干化床中。
2.根據權利要求1所述的一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其特征在于，所述的I號太陽能溫室和II號太陽能溫室的立面及屋頂由透明玻璃或塑料薄膜構成，用于接受太陽輻射。
3.根據權利要求1所述的一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其特征在于，所述的發酵床上設置有翻堆機，發酵床底部設置通氣穿孔板，表面鋪設一層無紡布，發酵床下部設置通風換熱室，通風裝置鼓入的新鮮空氣依次通過通風換熱室和穿孔板進入發酵區，對發酵堆體進行強制通風。
4.根據權利要求1所述的一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其特征在于，所述的通風裝置包括聯通兩個太陽能溫室內下部的鼓風機和聯通兩個太陽能溫室內上部排氣孔的引風機，引風機通過管道與一生物過濾器的進氣口相聯。
5.根據權利要求1所述的一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其特征在于，所述的干燥裝置設置于太陽能溫室上部排氣口的下方，干燥裝置帶有冷凝水收集器。
6.根據權利要求1所述的一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其特征在于，該系統產生的二次污染臭氣和冷凝水通過生物濾池處理。
7.根據權利要求1所述的一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，其特征在于，該系統還包括帶有計算機控制系統的控制室，太陽能集熱器內的溫度感應器，各段管路上的電磁閥、溫度感應器分別連接到計算機控制系統，檢測發酵床溫度、氧氣濃度的傳感器與該計算機系統聯通，系統內的鼓風機、引風機和輸送帶的電機均由該計算機控制系統控制。
全文摘要
本發明涉及一種能量回收式太陽能輔助污泥生物干化系統，包括太陽能集熱器及相鄰設置的I號太陽能溫室和II號太陽能溫室，I號太陽能溫室內設有循環泵、儲熱裝置、干燥裝置、發酵床及通風裝置，II號太陽能溫室設有干燥裝置、干化床及通風裝置，I號太陽能溫室和II號太陽能溫室之間設有出料孔，I號太陽能溫室內發酵床下方的物料經輸送帶通過該出料孔將發酵完成的混合污泥輸送到II號太陽能溫室內的干化床中。與現有技術相比，本發明利用太陽能輔助干化作用，能夠連續穩定地對污泥進行工業化的生物干化處理，技術簡單、環保，成本低廉，處理效果好，干化產物可用于燃料、肥料、土壤改良劑或直接填埋。
文檔編號C02F11/02GK102992570SQ20111026812
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者何品晶, 曹江林, 邵立明, 徐華成, 呂凡, 章驊 申請人:同濟大學