一种基于压缩式热泵的UASB反应器系统及其方法与流程

本发明属于污水经厌氧反应发酵产生沼气的设备领域，尤其是对于UASB类厌氧反应器系统

背景技术：

自20世纪70年代，荷兰Wangeningen农业大学的Lettinga等成功研制了上流式厌氧污泥床(UASB)，到现在经过40年的发展，已经成为应用最为广泛的高效厌氧反应器之一。在UASB反应器中厌氧菌(甲烷菌和水解菌)以厌氧污泥中的有机物作为底物，通过降解作用净化污水([1]UASB工艺处理养殖废水的厌氧氨化及产气率实验研究—房景燕)。由于多数厌氧菌(主要是甲烷菌和水解菌)的最佳生长温度在30-35℃，所以适宜的环境温度和较小的温度波动是UASB反应器运行稳定的重要条件([2]低温下UASB反应器处理高浓度有机废水的运行特性研究—李璐)，鉴于这个因素我国的很多城市在冬季的时候使用UASB反应器的时候效率都会大大降低，处理后的污水常常难以满足要求。

为了保证反应器内的温度维持在一个较为恒定的范围内，传统的方法多采用沼气锅炉的方式([3]太阳能_沼气锅炉与沼气池联合系统的设计—赵金辉)，即利用反应器中产生的沼气在沼气锅炉中燃烧生成蒸汽或者热水，然后再用水泵将蒸汽或热水送至反应器中，但是由于锅炉的利用效率低，沼气锅炉的热效率为80％，其余热量会随着烟气等排出，另外沼气中含有甲烷和硫化氢，燃烧后会产生二氧化硫和二氧化碳，这两种化合物会造成酸雨以及温室效应，污染空气。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于压缩式热泵系统的UASB反应器系统，使UASB反应器产生的沼气得到利用，并解决反应器污染环境以及在较低环境温度下处理污水效率低的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于压缩式热泵的UASB反应器系统，包括UASB反应器和加热系统，UASB反应器包括污泥反应区和沉淀区，所述污泥反应区的底部含有大量的厌氧污泥，厌氧污泥一侧的UASB反应器上设置加热热水进水管，另一侧的UASB反应器上分别设置污水进水管、排泥管以及温度传感器；在污泥反应区顶部一侧的UASB反应器上设置污水出水管；在UASB反应器的顶部还设有三相分离器、集气室；所述的加热系统包括沼气发电装置和热泵系统，该沼气发电装置包括沼气发电机、发电机排气换热器和发电机冷却水换热器，所述热泵系统包括膨胀阀、压缩机、蒸发器和冷凝器，蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀通过管路依次连接构成制热循环，管道中有制冷剂，在所述冷凝器的一侧有冷凝器冷却水进水管，另一侧有蒸发器冷冻水进水管；冷凝器、发电机排气换热器、发电机冷却水换热器和水泵通过管道依次连接，该水泵通过加热热水进水管与UASB反应器连接；沼气发电机为压缩机提供电力，沼气发电机的排烟设置有发电机排气换热器，沼气发电机通过管道与发电机冷却水换热器连接，集气室通过管道与沼气发电机相通。

一种利用上述基于压缩式热泵的UASB反应器系统进行反应的方法，首先收集UASB反应器产生的沼气于集气室中，将其引入沼气发电机中进行发电，然后驱动热泵系统的压缩机进行工作产生高温热水，经水泵及管道送至UASB反应器中，使UASB反应器维持较为恒定的温度，确保UASB反应器在较高的效率下运行。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)对反应器进行加热使厌氧菌保持在较高的活性，提高了反应器的沼气产量。(2)对产生的沼气进行了有效的利用，用沼气发电机进行发电，产生的电量驱动热泵系统的压缩机进行工作，产生高温热水，并对沼气发电机的罐套和排气进行了余热回收提高了能量的利用效率。(3)加热水管道在污泥反应区中用螺纹状排布，可以增加加热热水与污水的换热，使厌氧菌在较高的活性范围内，这样形成一种良性的循环，使该系统能够可持续的使用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明UASB反应器系统的示意图。

图2是加热热水支管的“Z”字形结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于压缩式热泵的UASB反应器系统，包括UASB反应器和加热系统，UASB反应器包括污泥反应区1和沉淀区2，所述污泥反应区1的底部含有大量的厌氧污泥，形成污泥层，并且污水进水管要伸入污泥层内；厌氧污泥一侧的UASB反应器上设置加热热水进水管9，另一侧的UASB反应器上分别设置污水进水管5、排泥管6以及温度传感器4，温度传感器4可以实时监测污泥反应区的温度，以便调整加热热水的流量；在污泥反应区1顶部一侧的UASB反应器上设置污水出水管3；在UASB反应器的顶部还设有三相分离器8、集气室7，三相分离器8用于将沼气从污水中分离出来，集气室7用于沼气的收集。；所述的加热系统包括沼气发电装置和热泵系统，该沼气发电装置包括沼气发电机16、发电机排气换热器17和发电机冷却水换热器18，所述热泵系统包括膨胀阀14、压缩机15、蒸发器19和冷凝器20，蒸发器19、压缩机15、冷凝器20和膨胀阀14通过管路依次连接构成制热循环，管道中有制冷剂，在所述冷凝器20的一侧有冷凝器冷却水进水管12，另一侧有蒸发器冷冻水进水管13；冷凝器20、发电机排气换热器17、发电机冷却水换热器18和水泵11通过管道依次连接，该水泵11通过加热热水进水管9与UASB反应器连接；沼气发电机16为压缩机15提供电力，沼气发电机16的排烟设置有发电机排气换热器17，沼气发电机16通过管道与发电机冷却水换热器18连接(管道内是发电机冷却水)，集气室7通过管道与沼气发电机16相通。

如图2所示，所述的加热热水进水管9通过轴承连接加热热水支管10，形成“Z”字形两条管路，该加热热水支管10上设置喷水孔。两支分管的中部设置有与加热热水管连通的连接管，并配有轴承，连接管能够随着轴承转动，可以搅拌污水与热水，使两者混合更加充分。

利用上述的基于压缩式热泵的UASB反应器系统进行反应的方法，首先收集UASB反应器产生的沼气于集气室中，将其引入沼气发电机中进行发电，然后驱动热泵系统的压缩机进行工作产生高温热水，经水泵及管道送至UASB反应器中，使UASB反应器维持较为恒定的温度，确保UASB反应器在较高的效率下运行，具体实现过程如下：待处理的污水从污水进水管5进入UASB反应器的污水反应池，被厌氧污泥中的厌氧菌发酵处理并产生沼气；而经热泵系统产生的高温热水则经加热热水进水管9进入UASB反应器，加热热水进水管9在厌氧污泥区1中通过加热热水支管10分为两条管路，形成“Z”字形，热水流出水管后会产生扭矩，使两只分管旋转，增加热水与污水的换热，保证厌氧污泥中的厌氧菌在较高的活性下处理污水，增加沼气的产量；在厌氧污泥中产生的沼气先在厌氧污泥中形成微小的气泡不断冒出，微小的气泡在污泥反应区中不断上升的过程中进行合并形成较大的气泡，混合在污水混合物中的较大的沼气气泡在三相分离器8中被分离出来，分离出的沼气先被收集在集气室7中，泥水混合物则通过集气罩和阻气板之间的缝隙进入沉淀区2，进行泥水分离，达标的污水从顶部的出水管3排出，而沉淀污泥则在重力的作用下返回污泥反应区1；集气室7储存的沼气经管道输送到沼气发电机16中，在沼气发电机16中进行发电，沼气发电机16通过发电机排气换热器17和发电机冷却水换热器18将沼气发电机的余热进行回收。

沼气发电机16产生的电量输送至热泵系统的压缩机15驱动热泵系统进行工作，在热泵的冷凝器侧产生高温热水，并由水泵通过管道将其送至反应器的污泥反应区，加热反应区的水体温度，提高微生物的活性进而提高反应器的有机载荷能力和净化效率；产生的高温热水用水泵通过加热水管道送至UASB反应器的污泥反应区中，提高反应区中的厌氧菌的活性进而提高反应器的有机载荷能力和净化效率。换热过程中加热热水与污水只进行传热过程而不进行传质过程，以免污染加热热水以及影响反应器的处理效果。在压缩机15工作后，蒸发器19中的制冷剂先从蒸发器19冻水中吸收热量，变成饱和蒸汽；然后压缩机15将饱和蒸汽进行等熵压缩，此过程后制冷剂变为高温高压的过热气体；然后制冷剂再进入冷凝器20中，对冷凝器20的冷却水释放热量，制备出高温热水，此过程中制冷剂由过热气体变为饱和液体然后用水泵11经输水管道送向UASB反应器中，加热热水经加热热水进水管9进入污水反应区1，与待处理的污水进行换热，输送到反应器内部提高了反应器的温度，增强了厌氧菌的活性；接下来制冷剂经膨胀阀14节流后变为气液的状态，然后继续在蒸发器19中从蒸发器冷冻水中吸收热量，进行循环。

本发明基于压缩式热泵的UASB反应器系统中，可以在UASB反应器旁边建立一个发电机机房和一个热泵机房，发电机机房用于放置沼气发电机，并配置沼气发电机的缸套及排气余热回收装置，增加能量利用效率；热泵机房用于放置沼气发电机和压缩式热泵以及送热水的水泵。所述热泵系统的制热系数一般可以达到3.0以上，可以得到更多的热量。