多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置

1.本实用新型属于清洁能源技术领域，尤其涉及一种多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置。


背景技术：

2.工业发展食品轻工类产业大规模生产、城市生活厨余污水和乡村振兴创办养殖场排放粪便污水等环境污染物，都在以惊人速度在递增，目前解决方案采用沼气池或者其它类型厌氧生物技术发酵处理，具有可无害化环保转化，循环回收获得沼气、氢气等生物质能产品，同时各类污水可以经过生物处理后转为复合肥、饲料和沼液重新利用，以及无害化排放或回收利用。这些方式对于小型化、集中式和产量小的初始阶段效果明显，但是，随着规模化发展，现有厌氧生物发酵技术暴露出了诸多问题，例如：
3.1)现有很多污水厌氧生物设备都存在着原料反应效率低，因为主要有机物在清洗用水稀释下，浓度含量低，导致占有设备容积率高，单位设备反应原料占比低，反应周期长和原料转化率低；
4.2)工业类厌氧生物发酵设备占地面积大，沼气气柜占用工地空间，且沼气纯度不稳定，容易发生泄漏而导致安全事故，同时容易受气温等天气影响，夏天产气较多，反应较为彻底，而冬天则反之，降低生产效率；
5.3)厌氧生物发酵设备没有与风光、火力发电等储能系统结合，原料发酵产气转化效益不高，影响后期设备管理维护、原料清理等使用效果，无法满足原料生物发酵温度恒定控制和产生气体及时转化发电存储等现代生物技术需求。


技术实现要素：

6.本实用新型要解决问题是提供一种设计合理、结构简单、效果良好且适用范围广的多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置。
7.为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
8.多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置，包括厌氧生物发酵反应器主体，还包括夹套控温沉降槽、沼气小型储气罐、燃气发电机和锂电池储能工作站；厌氧生物发酵反应器主体顶部设进料口、放空阀、压力表、安全阀、电子温度计和沼气出口管，底部设卸料出口和电子温度传感器；夹套控温沉降槽紧贴设置在厌氧生物发酵反应器主体外壁，夹套控温沉降槽内有电加热管；厌氧生物发酵反应器主体内上部设有连通夹套控温沉降槽的溢流管，厌氧生物发酵反应器主体内中下部设有连通夹套控温沉降槽的列管式传热导管，厌氧生物发酵反应器主体内壁四周设有导流式液体喷射器，导流式液体喷射器通过喷液循环导管连接安装在厌氧生物发酵反应器主体外的回流泵的出口端，回流泵的入口端连接夹套控温沉降槽出口端；电子温度计、电子温度传感器连接并由温度控制仪控制，电加热管经温度控制仪连接锂电池储能工作站；沼气出口管与沼气小型储气罐进气导管相连，沼气小型储气罐出气导管连接并供气给燃气发电机，燃气发电机连接并供电给锂电池储能
工作站存储。
9.上述储能装置，还包括光伏发电系统，光伏发电系统连接并供电给锂电池储能工作站存储。
10.厌氧生物发酵反应器主体内安装有生物酶规整填料折板或沼气生物酶固定环。
11.电加热管蛇形分布在夹套控温沉降槽内。
12.厌氧生物发酵反应器主体由不锈钢制成。
13.针对各类不同来源污水和生物粪污处理所用的厌氧生物发酵反应器功能发展需求，现有各类沼气发酵池因存在诸多问题而使其应用局限性越来越大，为此，发明人设计了一种多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置，包括厌氧生物发酵反应器主体、夹套控温沉降槽、沼气小型储气罐、燃气发电机和锂电池储能工作站。此外，根据需要，还可包括光伏发电系统，构成沼气-锂电池-光伏联动的稳定电力储能装置。
14.与现有技术相比，本实用新型具有以下突出优点：
15.1.厌氧生物发酵反应器主体与夹套控温沉降槽之间创新设计，可以将主体内部稠厚状原料液沉降分离清液经溢流管流动到沉降槽内，利用清液容易受热均匀和便于高压输送优点，可以通过对反应器主体原料液进行均匀搅拌(经回流泵、流式液体喷射器)和换热控温(经列管式传热导管)等操作，从而使厌氧生物发酵反应更充分，沼气或者氢气等厌氧产物产量稳定，收率和质量更高；
16.2.由高压喷液循环搅拌系统(回流泵+喷液循环导管+流式液体喷射器)产生高压清液喷射导流代替电机驱动，适用于厌氧发酵酸性环境场合；当清液经回流泵高速导出，高压状态下四周喷出的液体形成旋转液流，驱动反应器主体内稠厚状原料液搅拌分散均匀，促进料液中微生物接触均匀，提高原料反应速率，增加沼气生产稳定性；
17.3.电加热温控系统(电加热管+列管式传热导管+电子温度计+电子温度传感器+温度控制仪控制+锂电池储能工作站)可根据工艺条件精确控制温度，经过列管式传热导管与反应器主体原料液进行换热以确保原料液厌氧生物发酵过程保持温度稳定，生物发酵反应条件控制符合指标范围，出气量满足燃烧发电的电能供应；由以往仅限于夏天产沼气而变为全年均可盛产沼气，应用范围更广；
18.4.厌氧生物发酵反应器在处理各类工业有机物污水、农用养殖场粪污、城乡居民生活污水等领域广泛应用，而传统设备存在施工建设繁琐、酸化处理不易、气柜占地面积大且容易漏气发生安全隐患等缺点，如沼气池无法在农村全面长年推广，而本实用新型采用沼气-锂电池-光伏联动设计，具备自清洁、气柜小和储能便捷等优势，易于长期推广应用；
19.5.本实用新型适用于糖厂、食品厂和牛奶加工企业排放各类工业污水处理，它充分利用建筑物光伏发电、沼气燃烧发电与锂电池储电联合设计集流式储能装置，克服了气候光照影响太阳能、不同原料沼气产量不稳定等现有清洁能源使用的缺点，巧妙地把产生沼气及时燃烧转化为电能及时存储到锂电池工作站中，确保供电输出稳定，仅用沼气小型储气罐即可，如此能有效解决气柜占地面积大、制造成本高的问题，而且安装方便、密封安全性更高。
20.综上所述，本实用新型的多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置具有厌氧生物发酵反应连续稳定，设备紧凑、沼气收率高、安装施工方便和产气管理安全性高等优点，它有效满足了生物反应过程温度稳定，搅拌均匀和气体密封性好的工艺要求，广泛
适用于工业、农业和民用等领域。此外，该装置实现了有机污水绿色环保处理同时，还与光伏、锂电结合实现联合储能，满足环保、建筑和储能各个不同行业的跨界运营，可提高综合经济效益。而且，该装置还可根据不同工艺条件不同领域需要，满足不同类型的污水处理，环保无害化排放处理后污水并且还做到发电产生经济收益，设备维护保养成本低。因此，本实用新型使用恒温发酵、产气发电和电能储存等绿色生物技术，可以广泛应用于处理各类制糖业、食品加工和酒业的含有机物污水，农业种植养殖厂房动物排泄粪污、植物加工边角料等生物废弃物，以及城乡建筑居民小区排放的生活污水等，实现污水无害化环保处理兼具增收增益的绿色清洁能源发电应用，满足清洁能源发电、储能和供电等国家双碳战略目标的时代要求。
附图说明
21.图1是本实用新型多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置的结构示意图。
22.图2是本实用新型用于制糖轻工食品等工业生产领域污水厌氧生物处理的使用状态及结构示意图。
23.图3是本实用新型用于种植养殖场地等农业领域秸秆粪污厌氧生物处理的使用状态及结构示意图。
24.图4是本实用新型用于城乡建筑生活污水或市政垃圾等领域厌氧生物处理的使用状态及结构示意图。
25.图5是图1多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置中列管式传热导管装置的结构示意图(沿夹套控温沉降槽与厌氧生物发酵反应器主体交界面的纵切面)。
26.图6是图1多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置中高压喷液循环搅拌装置的结构示意图(厌氧生物发酵反应器主体的横切面)。
27.图中：1厌氧生物发酵反应器主体；2导流式液体喷射器；3夹套控温沉降槽；4沼气小型储气罐；5燃气发电机；6锂电池储能工作站；7温度控制仪；8.放空阀；9进料口； 10电子温度计；11压力表；12溢流管；13列管式传热导管；14电加热管；15回流泵； 16卸料口；17溢流管的管口；18光伏发电系统；19工业厂房；20生物酶规整填料折板； 21沼气生物酶固定环；22絮凝剂；23市政污水系统。
具体实施方式
28.一、基本结构
29.如图1所示，本实用新型的多功能污水厌氧生物应用沼气光伏电池联动储能装置，主要包括厌氧生物发酵反应器主体1、夹套控温沉降槽3、沼气小型储气罐4、燃气发电机5 和锂电池储能工作站6。其中，
30.厌氧生物发酵反应器主体顶部设进料口9、放空阀9、压力表11、安全阀、电子温度计10和沼气出口管，底部设卸料出口16和电子温度传感器；夹套控温沉降槽紧贴设置在厌氧生物发酵反应器主体外壁，夹套控温沉降槽内有蛇形分布的电加热管14；厌氧生物发酵反应器主体内上部设有连通夹套控温沉降槽的溢流管12，厌氧生物发酵反应器主体内中下部设有连通夹套控温沉降槽的列管式传热导管13，厌氧生物发酵反应器主体内壁四周设有
导流式液体喷射器2，导流式液体喷射器通过喷液循环导管(埋置，故未示出)连接安装在厌氧生物发酵反应器主体外的回流泵15的出口端，回流泵的入口端连接夹套控温沉降槽出口端；电子温度计、电子温度传感器连接并由温度控制仪7控制，电加热管经温度控制仪连接锂电池储能工作站；沼气出口管与沼气小型储气罐进气导管相连，沼气小型储气罐出气导管连接并供气给燃气发电机，燃气发电机连接并供电给锂电池储能工作站存储。
31.该储能装置还可包括光伏发电系统18，光伏发电系统连接并供电给锂电池储能工作站存储。
32.二、工作原理
33.厌氧生物发酵反应器主体内经反应沉降后清液经夹套控温沉降槽加热后与原料换热，并经回流泵通过导流式液体喷射器高压喷液循环搅拌，使原料液保持恒温状态与生物制剂搅拌接触混合均匀后发生厌氧生物反应；各类原料经生物厌氧反应后获得沼气/氢气，进入沼气小型储气罐，经燃气发电机燃烧发电后转化为电能输入锂电池储能工作站。如外接光伏发电系统，还可实现光电转化储能，实现集流式不间断电能转化化学能储备。
34.如图5和图6所示，列管式传热导管将经夹套控温沉降槽控温后的清液与原料液热交换，确保原料液温度保持恒定，发挥生物反应催化作用最大效益；同时，借助高压回流泵将清液通过四周布置的导流式液体喷射器形成定向旋液喷射而出，沿着特定角度形成内部原料液的循环搅拌，确保原料液与生物酶催化剂相互间混合分散均匀，接触面积大，有效提高生物化学发酵反应的原料转化率。据此，可有效满足厌氧生物发酵反应器的全年使用率、产品收率和使用周期寿命。
35.三、部件功能
36.(1)厌氧生物发酵反应器主体：使用不锈钢材质或者高强度塑钢制作，安装便捷，占地面积小，通过导流式液体喷射器进行旋液搅拌稠厚状原料液，以及采用列管式传热导管与夹套控温沉降槽内一定温度的清液进行传热维持原料液的发酵反应温度，有效确保厌氧生物发酵反应的温度工艺条件和生物发酵接触面积；通过外接不同污水源可以用于工业食品类领域厂房污水、工业种植养殖类领域场地粪污、城乡居民建筑小区市政生活污水的绿色环保无害化处理，以及沼气燃烧发电、光伏太阳能发电等清洁能源储能供电领域操作；反应器主体有卸料出口，溢流管，放空阀、压力表和安全阀等装置，便于物料排泄、沉降清液分离、安全监测等操作。
37.(2)夹套控温沉降槽：使用不锈钢材质，内部安装有电热管，与反应器主体之间由溢流管连接；原料首先排入反应器主体，经沉降后由溢流管的管口17排入夹套控温沉降槽，由锂电池储能工作站供电对电热管进行加热，通过热交换传热给原料液维持反应温度，确保全年沼气产量稳定；同时，槽内清液还可由回流泵输送返回反应器主体，经喷液循环导管沿着导流式液体喷射器高压喷出，对稠厚状原料液与生物菌种进行搅拌混合均匀，确保反应面积充分接触，故此不需另外安装电机驱动搅拌桨，克服了因此引起料液清洗不彻底、反应器残留和成本高等不足。
38.(3)仪表及温控系统：温度控制仪、安全阀、电子温度传感器、压力表等配合，满足原料根据不同工艺指标温度参数控制，根据不同温度和节能需求，由锂电池储能工作站提供电能给夹套控温沉降槽内电热管加热，通过电子温度计和压力表确保原料生物发酵反应最佳工艺条件；同时，反应原料如产气量多，导致压力过大时可由安全阀及时泄压处理，确
保反应过程安全；
39.(4)列管式传热导管：由合金钢材焊接形成，采用多列管式组合形式，将厌氧生物发酵反应器主体与夹套控温沉降槽之间连接起来，清液沿着传热导管流动与外面的原料稠状液进行换热加温，导管分布均匀，列管增设较多提高接触面积，使得清液与原料液传热效率高；同时，夹套式沉降槽设计可以降低清液用量，节约用电加热，传热效率高，沉降槽内采用电热管加热，控温精确。
40.(5)高压喷液循环搅拌系统：主要由回流泵和导流式液体喷射器构成；厌氧生物发酵反应后的原料稠状液经沉降分为上层清液和下层沼渣稠状液，清液经溢流管排入夹套控温沉降槽，由槽底回流泵沿着喷液循环导管从导流式液体喷射器高压喷出，形成高压喷液沿着池壁高速循环搅拌，喷嘴调整不同角度可形成不同循环导流液体，起到搅拌反应器内部原料的作用；当有新原料进入反应器主体或者原先有机污水厌氧发酵处理指标不达标，仍然需要进一步厌氧生物处理的时候，通过高压喷液循环搅拌系统提高原料液与投放生物酶混合分散均匀性，提高反应过程原料接触面积，满足多次厌氧生物发酵反应，提高原料转化率，高压喷液循环搅拌无需另设搅拌电机，避免因厌氧过程中有机酸生成而腐蚀缩短反应器主体使用寿命；此外，循环搅拌系统还能扩大应用处理领域，包括居民城镇污水的生活污水和厨余食品，工业食品轻工类的糖厂、酒厂等有机废水，以及农业种植养殖场房的动物粪污、植物残渣等农用排泄物等。
41.(6)锂电池储能工作站：通过温控系统对电热管恒温控制确保清液温度，通过列管式传热导管维持稠状原料液的发酵反应温度，保障厌氧生物发酵反应沼气产量供应稳定，持续燃烧发电，并将电能储存到锂电池储能工作站；同时，锂电池储能工作站一方面可以继续供电反馈回夹套控温沉降槽内电热管确保清液受热，另一方面多余电力经逆变器调节为220v可输送到各个用户供电使用，满足清洁能源使用需求。
42.四、应用场景
43.本实用新型可以根据工艺条件灵活组合应用在不同领域的污水排放处理，具体如下： 1.工业类制糖、酒厂等有机污水厌氧生物处理
44.如图2所示，各类工业厂房19污水经过栅格过滤清除较大垃圾，与沉降初级分离原料稠状液后进入厌氧生物发酵反应器主体，与预先放置好的生物酶规整填料折板20混合，在高压喷液循环搅拌系统作用下，原料液与折板上的生物酶接触充分、分散均匀，在反应器主体内呈循环流动状态，生物酶规整填料折板起到返混涡流状态，确保液流产生不规则湍流，同时原料液可以通过列管式传热导管进行换热，促进原料厌氧生物发酵反应有效进行。
45.2.农业种植养殖场粪污厌氧生物处理
46.如图所示，将农业种植养殖场产生的掺杂有较多固状物的粪污原料液输入厌氧生物发酵反应器主体，同时加入适量清水稀释调整为可流动稠状液，经与预先放置好的沼气生物酶固定环21相互接触，采用间歇生物反应技术，在静止状态下粪污滞留在固定环上，充分进行厌氧生物发酵反应产生沼气，期间注意保持厌氧状态和气体密封处理；产生的气体达到一定压力后排放至沼气小型储气罐中，待产气量开始下降后，开始启动清液高压喷液循环搅拌系统，对新的粪污原料和原有粪污原料层进行重新分散均匀，如此能有效解决传统沼气池中清水配比过多缺点，反应器中原料液稠度高，处理沼液中清水少，治污工程量小，同时通过换热确保全年均可进行厌氧生物发酵反应确保产气量。
47.3.城乡建筑与市政工程的生活、厨余污水等生物处理
48.如图4所示，由于来自市政污水系统23的城市污水中清水含量高，污染物浓度不高且较为分散，事先在反应器主体底部放入絮凝剂22，经过高压喷液循环搅拌系统后逐渐形成絮凝团聚现象，污水中小颗粒逐渐团聚呈絮凝状，不断扩大成为胶团状后沉降下来。产生清液在厌氧状态下消毒杀菌处理后即可通过溢流管流到夹套控温沉降槽内，再次经过二级沉降处理形成清液后排放出去，过程中经过二级絮凝沉降，水中杂质清理干净，根据污水进料情况和处理结果，可以反复循环进行沉降絮凝操作，产生氢气可以经过收集，高压喷液循环搅拌系统在原料液总颗粒杂质絮凝沉降过程中有效避免传统搅拌电机设备中黏附难以清洗的弊端，解决城建生活污水原料液变稠所造成各类问题，避免污水中生物发酵反应不完全、沉淀胶团物粘附在反应器内清洗和泄料困难等问题。