本發(fā)明屬于污水經(jīng)厭氧反應(yīng)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的設(shè)備領(lǐng)域，尤其是對(duì)于UASB類(lèi)厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)

背景技術(shù)：

自20世紀(jì)70年代，荷蘭Wangeningen農(nóng)業(yè)大學(xué)的Lettinga等成功研制了上流式厭氧污泥床(UASB)，到現(xiàn)在經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的高效厭氧反應(yīng)器之一。在UASB反應(yīng)器中厭氧菌(甲烷菌和水解菌)以厭氧污泥中的有機(jī)物作為底物，通過(guò)降解作用凈化污水([1]UASB工藝處理養(yǎng)殖廢水的厭氧氨化及產(chǎn)氣率實(shí)驗(yàn)研究—房景燕)。由于多數(shù)厭氧菌(主要是甲烷菌和水解菌)的最佳生長(zhǎng)溫度在30-35℃，所以適宜的環(huán)境溫度和較小的溫度波動(dòng)是UASB反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定的重要條件([2]低溫下UASB反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水的運(yùn)行特性研究—李璐)，鑒于這個(gè)因素我國(guó)的很多城市在冬季的時(shí)候使用UASB反應(yīng)器的時(shí)候效率都會(huì)大大降低，處理后的污水常常難以滿(mǎn)足要求。

為了保證反應(yīng)器內(nèi)的溫度維持在一個(gè)較為恒定的范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的方法多采用沼氣鍋爐的方式([3]太陽(yáng)能_沼氣鍋爐與沼氣池聯(lián)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)—趙金輝)，即利用反應(yīng)器中產(chǎn)生的沼氣在沼氣鍋爐中燃燒生成蒸汽或者熱水，然后再用水泵將蒸汽或熱水送至反應(yīng)器中，但是由于鍋爐的利用效率低，沼氣鍋爐的熱效率為80％，其余熱量會(huì)隨著煙氣等排出，另外沼氣中含有甲烷和硫化氫，燃燒后會(huì)產(chǎn)生二氧化硫和二氧化碳，這兩種化合物會(huì)造成酸雨以及溫室效應(yīng)，污染空氣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮式熱泵系統(tǒng)的UASB反應(yīng)器系統(tǒng)，使UASB反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣得到利用，并解決反應(yīng)器污染環(huán)境以及在較低環(huán)境溫度下處理污水效率低的問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于壓縮式熱泵的UASB反應(yīng)器系統(tǒng)，包括UASB反應(yīng)器和加熱系統(tǒng)，UASB反應(yīng)器包括污泥反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)，所述污泥反應(yīng)區(qū)的底部含有大量的厭氧污泥，厭氧污泥一側(cè)的UASB反應(yīng)器上設(shè)置加熱熱水進(jìn)水管，另一側(cè)的UASB反應(yīng)器上分別設(shè)置污水進(jìn)水管、排泥管以及溫度傳感器；在污泥反應(yīng)區(qū)頂部一側(cè)的UASB反應(yīng)器上設(shè)置污水出水管；在UASB反應(yīng)器的頂部還設(shè)有三相分離器、集氣室；所述的加熱系統(tǒng)包括沼氣發(fā)電裝置和熱泵系統(tǒng)，該沼氣發(fā)電裝置包括沼氣發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)排氣換熱器和發(fā)電機(jī)冷卻水換熱器，所述熱泵系統(tǒng)包括膨脹閥、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器，蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥通過(guò)管路依次連接構(gòu)成制熱循環(huán)，管道中有制冷劑，在所述冷凝器的一側(cè)有冷凝器冷卻水進(jìn)水管，另一側(cè)有蒸發(fā)器冷凍水進(jìn)水管；冷凝器、發(fā)電機(jī)排氣換熱器、發(fā)電機(jī)冷卻水換熱器和水泵通過(guò)管道依次連接，該水泵通過(guò)加熱熱水進(jìn)水管與UASB反應(yīng)器連接；沼氣發(fā)電機(jī)為壓縮機(jī)提供電力，沼氣發(fā)電機(jī)的排煙設(shè)置有發(fā)電機(jī)排氣換熱器，沼氣發(fā)電機(jī)通過(guò)管道與發(fā)電機(jī)冷卻水換熱器連接，集氣室通過(guò)管道與沼氣發(fā)電機(jī)相通。

一種利用上述基于壓縮式熱泵的UASB反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)的方法，首先收集UASB反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣于集氣室中，將其引入沼氣發(fā)電機(jī)中進(jìn)行發(fā)電，然后驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)進(jìn)行工作產(chǎn)生高溫?zé)崴?，?jīng)水泵及管道送至UASB反應(yīng)器中，使UASB反應(yīng)器維持較為恒定的溫度，確保UASB反應(yīng)器在較高的效率下運(yùn)行。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行加熱使厭氧菌保持在較高的活性，提高了反應(yīng)器的沼氣產(chǎn)量。(2)對(duì)產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行了有效的利用，用沼氣發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電量驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)進(jìn)行工作，產(chǎn)生高溫?zé)崴?，并?duì)沼氣發(fā)電機(jī)的罐套和排氣進(jìn)行了余熱回收提高了能量的利用效率。(3)加熱水管道在污泥反應(yīng)區(qū)中用螺紋狀排布，可以增加加熱熱水與污水的換熱，使厭氧菌在較高的活性范圍內(nèi)，這樣形成一種良性的循環(huán)，使該系統(tǒng)能夠可持續(xù)的使用。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明UASB反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。

圖2是加熱熱水支管的“Z”字形結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明基于壓縮式熱泵的UASB反應(yīng)器系統(tǒng)，包括UASB反應(yīng)器和加熱系統(tǒng)，UASB反應(yīng)器包括污泥反應(yīng)區(qū)1和沉淀區(qū)2，所述污泥反應(yīng)區(qū)1的底部含有大量的厭氧污泥，形成污泥層，并且污水進(jìn)水管要伸入污泥層內(nèi)；厭氧污泥一側(cè)的UASB反應(yīng)器上設(shè)置加熱熱水進(jìn)水管9，另一側(cè)的UASB反應(yīng)器上分別設(shè)置污水進(jìn)水管5、排泥管6以及溫度傳感器4，溫度傳感器4可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污泥反應(yīng)區(qū)的溫度，以便調(diào)整加熱熱水的流量；在污泥反應(yīng)區(qū)1頂部一側(cè)的UASB反應(yīng)器上設(shè)置污水出水管3；在UASB反應(yīng)器的頂部還設(shè)有三相分離器8、集氣室7，三相分離器8用于將沼氣從污水中分離出來(lái)，集氣室7用于沼氣的收集。；所述的加熱系統(tǒng)包括沼氣發(fā)電裝置和熱泵系統(tǒng)，該沼氣發(fā)電裝置包括沼氣發(fā)電機(jī)16、發(fā)電機(jī)排氣換熱器17和發(fā)電機(jī)冷卻水換熱器18，所述熱泵系統(tǒng)包括膨脹閥14、壓縮機(jī)15、蒸發(fā)器19和冷凝器20，蒸發(fā)器19、壓縮機(jī)15、冷凝器20和膨脹閥14通過(guò)管路依次連接構(gòu)成制熱循環(huán)，管道中有制冷劑，在所述冷凝器20的一側(cè)有冷凝器冷卻水進(jìn)水管12，另一側(cè)有蒸發(fā)器冷凍水進(jìn)水管13；冷凝器20、發(fā)電機(jī)排氣換熱器17、發(fā)電機(jī)冷卻水換熱器18和水泵11通過(guò)管道依次連接，該水泵11通過(guò)加熱熱水進(jìn)水管9與UASB反應(yīng)器連接；沼氣發(fā)電機(jī)16為壓縮機(jī)15提供電力，沼氣發(fā)電機(jī)16的排煙設(shè)置有發(fā)電機(jī)排氣換熱器17，沼氣發(fā)電機(jī)16通過(guò)管道與發(fā)電機(jī)冷卻水換熱器18連接(管道內(nèi)是發(fā)電機(jī)冷卻水)，集氣室7通過(guò)管道與沼氣發(fā)電機(jī)16相通。

如圖2所示，所述的加熱熱水進(jìn)水管9通過(guò)軸承連接加熱熱水支管10，形成“Z”字形兩條管路，該加熱熱水支管10上設(shè)置噴水孔。兩支分管的中部設(shè)置有與加熱熱水管連通的連接管，并配有軸承，連接管能夠隨著軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，可以攪拌污水與熱水，使兩者混合更加充分。

利用上述的基于壓縮式熱泵的UASB反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)的方法，首先收集UASB反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣于集氣室中，將其引入沼氣發(fā)電機(jī)中進(jìn)行發(fā)電，然后驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)進(jìn)行工作產(chǎn)生高溫?zé)崴?，?jīng)水泵及管道送至UASB反應(yīng)器中，使UASB反應(yīng)器維持較為恒定的溫度，確保UASB反應(yīng)器在較高的效率下運(yùn)行，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：待處理的污水從污水進(jìn)水管5進(jìn)入U(xiǎn)ASB反應(yīng)器的污水反應(yīng)池，被厭氧污泥中的厭氧菌發(fā)酵處理并產(chǎn)生沼氣；而經(jīng)熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)崴畡t經(jīng)加熱熱水進(jìn)水管9進(jìn)入U(xiǎn)ASB反應(yīng)器，加熱熱水進(jìn)水管9在厭氧污泥區(qū)1中通過(guò)加熱熱水支管10分為兩條管路，形成“Z”字形，熱水流出水管后會(huì)產(chǎn)生扭矩，使兩只分管旋轉(zhuǎn)，增加熱水與污水的換熱，保證厭氧污泥中的厭氧菌在較高的活性下處理污水，增加沼氣的產(chǎn)量；在厭氧污泥中產(chǎn)生的沼氣先在厭氧污泥中形成微小的氣泡不斷冒出，微小的氣泡在污泥反應(yīng)區(qū)中不斷上升的過(guò)程中進(jìn)行合并形成較大的氣泡，混合在污水混合物中的較大的沼氣氣泡在三相分離器8中被分離出來(lái)，分離出的沼氣先被收集在集氣室7中，泥水混合物則通過(guò)集氣罩和阻氣板之間的縫隙進(jìn)入沉淀區(qū)2，進(jìn)行泥水分離，達(dá)標(biāo)的污水從頂部的出水管3排出，而沉淀污泥則在重力的作用下返回污泥反應(yīng)區(qū)1；集氣室7儲(chǔ)存的沼氣經(jīng)管道輸送到沼氣發(fā)電機(jī)16中，在沼氣發(fā)電機(jī)16中進(jìn)行發(fā)電，沼氣發(fā)電機(jī)16通過(guò)發(fā)電機(jī)排氣換熱器17和發(fā)電機(jī)冷卻水換熱器18將沼氣發(fā)電機(jī)的余熱進(jìn)行回收。

沼氣發(fā)電機(jī)16產(chǎn)生的電量輸送至熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)15驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行工作，在熱泵的冷凝器側(cè)產(chǎn)生高溫?zé)崴?，并由水泵通過(guò)管道將其送至反應(yīng)器的污泥反應(yīng)區(qū)，加熱反應(yīng)區(qū)的水體溫度，提高微生物的活性進(jìn)而提高反應(yīng)器的有機(jī)載荷能力和凈化效率；產(chǎn)生的高溫?zé)崴盟猛ㄟ^(guò)加熱水管道送至UASB反應(yīng)器的污泥反應(yīng)區(qū)中，提高反應(yīng)區(qū)中的厭氧菌的活性進(jìn)而提高反應(yīng)器的有機(jī)載荷能力和凈化效率。換熱過(guò)程中加熱熱水與污水只進(jìn)行傳熱過(guò)程而不進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程，以免污染加熱熱水以及影響反應(yīng)器的處理效果。在壓縮機(jī)15工作后，蒸發(fā)器19中的制冷劑先從蒸發(fā)器19凍水中吸收熱量，變成飽和蒸汽；然后壓縮機(jī)15將飽和蒸汽進(jìn)行等熵壓縮，此過(guò)程后制冷劑變?yōu)楦邷馗邏旱倪^(guò)熱氣體；然后制冷劑再進(jìn)入冷凝器20中，對(duì)冷凝器20的冷卻水釋放熱量，制備出高溫?zé)崴?，此過(guò)程中制冷劑由過(guò)熱氣體變?yōu)轱柡鸵后w然后用水泵11經(jīng)輸水管道送向UASB反應(yīng)器中，加熱熱水經(jīng)加熱熱水進(jìn)水管9進(jìn)入污水反應(yīng)區(qū)1，與待處理的污水進(jìn)行換熱，輸送到反應(yīng)器內(nèi)部提高了反應(yīng)器的溫度，增強(qiáng)了厭氧菌的活性；接下來(lái)制冷劑經(jīng)膨脹閥14節(jié)流后變?yōu)闅庖旱臓顟B(tài)，然后繼續(xù)在蒸發(fā)器19中從蒸發(fā)器冷凍水中吸收熱量，進(jìn)行循環(huán)。

本發(fā)明基于壓縮式熱泵的UASB反應(yīng)器系統(tǒng)中，可以在UASB反應(yīng)器旁邊建立一個(gè)發(fā)電機(jī)機(jī)房和一個(gè)熱泵機(jī)房，發(fā)電機(jī)機(jī)房用于放置沼氣發(fā)電機(jī)，并配置沼氣發(fā)電機(jī)的缸套及排氣余熱回收裝置，增加能量利用效率；熱泵機(jī)房用于放置沼氣發(fā)電機(jī)和壓縮式熱泵以及送熱水的水泵。所述熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)一般可以達(dá)到3.0以上，可以得到更多的熱量。