申請日2016.05.06

　　公開(公告)日2016.07.27

　　IPC分類號C02F9/14; B09B3/00; B09B5/00; C12M1/38; C12M1/36; C12M1/34; C12M1/107; C12M1/06

　　摘要

　　本發明涉及城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，包括依次連接設置的有機垃圾收集池、粉碎裝置、集水池、預處理池、調節加熱池、IC厭氧反應器、厭氧池、I級好氧反應池、II級好氧反應池、沉淀池及膜處理設備，所述IC厭氧反應器包括罐體，所述罐體內由從下到上依次連接的第一反應室和第二反應室組成，所述第一反應室和第二反應室之間設置有射流曝氣攪拌器，所述IC厭氧反應器底部設置有底部排泥管，所述第一反應室內底部設置有進料管和攪拌渦輪，所述攪拌渦輪設置在進料管的上方，所述第二反應室內并排設置內循環回流管和內循環升流管，本發明適用于農村及小城鎮，經濟、高效、節能和簡便易行。

　　權利要求書

　　1.城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：包括依次連接設置的有機垃圾收集池、粉碎裝置、集水池、預處理池、調節加熱池、IC厭氧反應器、厭氧池、I級好氧反應池、II級好氧反應池、沉淀池及膜處理設備，所述調節加熱池還與一儲熱水箱連通設置，所述儲熱水箱還分別連接有熱水器及換熱器，所述熱水器采用太陽能集熱器進行供熱，所述換熱器還連通設置有沼氣垃圾焚燒鍋爐，該沼氣垃圾焚燒鍋爐通過換熱器對儲熱水箱進行供熱，所述IC厭氧反應器還連通設置有污泥池，該污泥池連接有板式過濾裝置，該板式過濾裝置與沼氣垃圾焚燒鍋爐連通設置，所述板式過濾裝置還連接有堆肥反應裝置，所述I級好氧反應池及II級好氧反應池均與曝氣裝置連通，所述沉淀池及膜處理裝置均與厭氧池連通設置，所述IC厭氧反應器的沼氣出口連接有機械脫水裝置，所述機械脫水裝置連接有沼氣低壓儲柜，所述沼氣低壓儲柜連接有壓力儲柜，所述壓力儲柜連接有I級膜組，所述I級膜組連接有II級膜組，所述II級膜組連接有CH4儲柜，所述I級膜組和II級膜組均連接有CO2儲柜。

　　2.根據權利要求1所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：所述IC厭氧反應器包括罐體，所述罐體內由從下到上依次連接的第一反應室和第二反應室組成，所述第一反應室和第二反應室之間設置有射流曝氣攪拌器，所述IC厭氧反應器底部設置有底部排泥管，所述第一反應室內底部設置有進料管和攪拌渦輪，所述攪拌渦輪設置在進料管的上方，所述第二反應室內并排設置內循環回流管和內循環升流管，所述內循環回流管和內循環升流管的上端均連通設置有一氣液分離器，所述內循環回流管和內循環升流管上還分別設置有三相分離器，所述內循環回流管和內循環升流管上還均設置有沼氣吸孔，所述氣液分離器上端還連通設置有罐體頂部沼氣輸出管，所述第二反應室內還設置有中部排泥管和上部排泥管，所述中部排泥管設置于射流曝氣攪拌器的上方，所述上部排泥管與底部排泥管連通，所述上部排泥管上方還設置有罐體回流管，所述三相分離器的上方設置有出水堰，所述出水堰連接設置有混合液出口，所述混合液出口上方還設置有罐體側壁沼氣輸出管，所述罐體回流管和罐體側壁沼氣輸出管均與射流曝氣攪拌器連通設置，所述罐體的頂蓋上,側壁上都設置有保溫層。

　　3.根據權利要求2所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：所述進料管與攪拌渦輪連通設置，所述進料管還連接設置有一高壓反沖洗水口，從高壓反沖洗水口進入的水經渦輪攪拌及射流曝氣攪拌器的作用下進入內循環升流管對IC厭氧反應器進行反沖洗。

　　4.根據權利要求3所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：所述第二反應室內在出水堰上方設置有壓力傳感器，所述出水堰和三相分離器之間還分別設置有PH值傳感器、溫度傳感器及流量傳感器，所述壓力傳感器、PH值傳感器、溫度傳感器及流量傳感器均與一PLC控制器電連接。

　　5.根據權利要求4所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：所述IC厭氧反應器的生活有機垃圾和城鎮綜合污水處理量Q為500m3/d，反應溫度T為35℃，混合液PH值為7，進水化學需氧量COD為6500mg/L，進水懸浮物SS為2000mg/L，出水化學需氧量COD為900mg/L，出水懸浮物SS為400mg/L，所述第一反應室去除總COD的q1為80%，第二反應室去除總COD的q2為20%;所述第一反應室容積負荷率NV1為15-25kg/m3·d，所述第二反應室容積負荷率NV2為5-10kg/m3·d;當NV1為22kg/m3·d，NV2為8kg/m3·d，第一反應室的有效容積為V1=Q×(CODO-CODe)·q1/(NV1×1000)=102m3，所述第二反應室的有效容積為V2=Q×(CODO-CODe)·q2/(NV2×1000)=70.1m3，V2取70m3;所述IC厭氧反應器的總容積V為：V1+V2=172m3;所述IC厭氧反應器的高度H為13m，所述IC厭氧反應器的截面積為A=V/H=13.2m2，所述IC厭氧反應器的直徑D=2(A/π)1/2=4.069m;所述IC厭氧反應器的裕量系數k=1.2，則IC厭氧反應器的實際總容積V’=V×1.2=206m3，所述IC厭氧反應器的總容積負荷NV=Q×(CODO-CODe)/V=13.6kg/m3。

　　6.根據權利要求5所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：所述IC厭氧反應器的面積A’=V'/H=206/13=15.8m2，所述第一反應室有效高度所述第二反應室有效高度所述第一反應室內水力停留時間所述第二反應室內液體上升流速V2’=(Q/24)/A’=(500/24)/16=1.3m/h，所述第一反應室內液體升流推薦流速V1’=10-20m/h，所述第一反應室所產生的沼氣量為Q沼氣=Q(CODO-CODe)×去除率×0.44=985.6m3，所述COD去除率為80%，所述第一反應室回流廢水量為986m3/d-1971m3/d，即41m3/h-82m3/h，所述IC厭氧反應器的進水量為20.8m3/h，因此第一反應室中總的上升水量為62m3/h-103m3/h，第一反應室中總的上升污水流速達到了3.9m3/h-6.4m3/h;設沼氣、混合液回流系數R=1，則混合液(沼氣)回流量Q回=Q×R=500×1=500m3/d;通過回流，所述第一反應室內升流管液體上升流速V1’=7.8-12.8m/h，所述第二反應室內液體上升流速V2’=2.6m/h;所述第一反應室的氣液進水管中當水流速度為2m/s時，則管徑D1=[(103×2)/(3.14×3600)]1/2=0.135m，所述第一反應室內的液體回流速度為1.2m/s時，則液體回流管的管徑D1回=[(103×4)/(1.2×3.143×600)]1/2=0.174m。

　　7.根據權利要求6所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：當需將污水進行加熱時，則將500噸污水加熱溫度15℃所需熱量為Q熱=500×103×15×C=500000×15×4.187=31，402，500MJ，其中C為水的比熱，C=4.187KJ/kg·℃;所述太陽能集熱器中的集熱板面積計算值A為Q熱/13.7×0.52=4234m2，若太陽能集熱板為30°傾角布置，則功率系數k30=0.84，因此實際太陽能集熱板面積A30=A×0.84=3557m2，所述太陽能集熱板每塊的采光面積為2m2，則太陽能集熱板所需數量為A30/2=3557/2=1779塊;所述儲熱水箱的容積VW=太陽板集熱量/(85-35)℃=150m3，其中儲熱水箱低溫為35℃，高溫為85℃，則儲熱水箱的總容積不小于150m3。

　　8.根據權利要求7所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：所述沼氣垃圾焚燒鍋爐中垃圾產生的熱量通過換熱器補充給儲熱水箱，可燃燒垃圾中所含熱值為2100-3200大卡/kg，若每公斤垃圾含熱量2600大卡/kg=2600×4.187KJ，換熱器熱交換效率為60%，則需燃燒的垃圾量為若燃燒沼氣所產生的熱值為19344KJ/kg，取燃氣熱交換器效率為0.80，則完全用沼氣補熱所需的沼氣量為：

　　9.根據權利要求8所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：所述I級膜組和II級膜組結構為中空纖維式膜，其制作方法為將幾萬至幾十萬根中空纖維膜裝入圓筒形耐壓容器內，纖維束的開口端用環氧樹脂澆鑄成管板;所述中空纖維式膜采用聚酰亞胺制作而成，所述中空纖維式膜的滲透率為J為滲透速度cm3/cm2·S·cmHg，其中Sm為膜表面積cm2，△P為壓力差cmHg，q為氣體通過量cm3，當沼氣成分為35%CO2及60%CH4，壓力差為0.6Mpa時;中空纖維式膜在工作時，進氣1.5MPa，溫度40℃，I級膜組分離效率η>50%，產生的甲烷氣體的純度為85%，單支膜滲余氣流量不小于3L/S，則所需膜面積為：

　　Sm(m2)=q(m3/h)/Jco2(cm3/cm2·S·cmHg)×△P(cmHg)

　　=18.1m2

　　若CO2/CH4分離膜長度為1.2m，每根膜面積A=894.9mm2，則需要膜束根數根，所述I級膜組進氣壓力1.5MPa，出氣口壓力1.2MPa，滲透膜壓降△P=0.3Mpa;所述II級膜組進氣口壓力1.2MPa，出氣口壓力0.8MPa，CH4儲柜氣體壓力0.8MPa，CH4成分大于95%。

　　10.根據權利要求9所述城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，其特征在于：所述曝氣裝置輸氣管直徑為150mm;氧利用率為15-20%;氣孔密度：580-650個/只;曝氣量：0-5m3/h;出孔氣泡直徑：1mm;出氣阻力：150-350mm水柱;服務面積：0.4-0.8m2/只;動力效率：4.3-5.6kg·O2/KW·h;污水曝氣生化降解過程的需氧量為：O2=Q(S0-Se)kg/d其中Q為污水設計流量m3/d，S0及Se分別是進水和出水的BOD5濃度.kg/m3;根據需氧量，得出壓縮空氣需要量Da，當空氣需要量按標準狀態時，即T=20℃，760mmHg大氣壓，空氣容量ra=1.205kg/m3，其中氧占23.1%，則曝氣空氣理論需要量Da=O2/﹙1.205×0.231﹚=3.6m3·m3/d;當所述曝氣裝置的氧利用率E0為15%時，則曝氣空氣實際需要量Da’=Da/0.15=24m3/d，氧當量空氣Qa=Q(1+30%)=650m3，Qa為考慮了波動系數、污水流量，原污水濃度BOD5，S0取900mg/L，處理后出水BOD5濃度Se，取20mg/L，則污水曝氣生化降解過程的需氧量為：O2=Qa(S0-Se)=650(900-20)/1000=572kg/d，生化氧當量空氣：Da'=24×572=13728m3/d=572m3/h，所述曝氣裝置中氣泵容量Dk=1.2Da'，即Dk=1.2×572=687m3/h;可選取氣泵容量為700m3/h的羅茨氣泵，所述曝氣裝置輸氣干管氣流流速v=Q/A，其中Q為氣泵排量700m3/h，A為輸氣干管流通面積πR2=3.14×1602/4=0.020m2，v=700/﹙0.020×3600﹚=9.7m/s。

　　說明書

　　城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統

　　技術領域

　　本發明涉及污水垃圾處理技術領域，具體涉及城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統。

　　背景技術

　　目前我國各種規模和性質的小城鎮已近50000個，我國的城鎮化率2011年已過50%，有專家預測：未來10年將有1.5-2億農村人口轉移到城市，2020年我國的城市化率將達到63-65%，我國的城市化進程已經進入了經濟發展規律上的高速增長期。

　　據統計：目前全國年排污量約為350億立方米，但城市污水集中處理率已達80%以上，全國超過95%的縣域小城鎮和村屯污水未經任何有效的收集處理就直接排放到附近的水體，使得原本具有泄洪和美化景觀作用的河渠變成了天然污水渠并直接污染了歸流的江川湖海。特別是在全國2200座縣城與19200個建制鎮中，污水排放量約占全國污水排放總量的一半以上。

　　我國的小城鎮基本上沒有污水和生活垃圾集中處理設施，在新開發的居民小區、旅游風景點、度假村、療養院、機場、鐵路車站、經濟開發小區等分散的人群聚居地，排放的污水也基本上沒有處理。我國人口今后有兩大發展趨勢：一方面，為緩解大中城市人口壓力，大中城市人口正逐漸向小城鎮、小區遷移，這必將促進衛星城鎮的發展;另一方面，農村大量剩余勞動力要找出路，這也促進了農村人口城鎮化、小區化。隨著這一趨勢的發展，今后我國80%以上的生活污水、垃圾將來自小城鎮、小區。所以，因地制宜的建設一大批各種類型的小城鎮、小區的生活污水、垃圾的集中處理工程勢在必行。然而這將給經濟實力不強、資源有限、受各種自然條件約束的小城鎮政府和人民增加一定的負擔。總之，小城鎮、小區的生活污水、垃圾能否處理好，能否找到高效、低投入、有利于修復生態系統和資源循環利用并可節能減排的污水、垃圾處理的環保新技術，將直接關系到當地的經濟和人民的生活水平的提高，關系到我國環境狀況和可持續發展戰略。

　　針對目前的實際情況，國家提出了至2015年要求設市城市污水處理率不低于60%，建制鎮污水處理率不低于50%的目標，因此，未來一段時間內我國污水處理事業將是大城市和廣大中小城市(鎮)并舉。

　　農村的垃圾污染問題也對生態環境造成了嚴重的破壞。現時全國95%以上的村屯和城鎮垃圾得不到有效處理，田野，河灘，街頭垃圾成堆，土法焚燒垃圾造成黑煙、霧霾籠罩，二次污染觸目驚心。農村缺少日處理規模50噸以下，能滿足國家標準的垃圾處理工藝和成套設備，使垃圾處理達到資源化、減量化、無害化的環保目標。為此，國家在“十三.五”提出了2020年農村垃圾處理率要達到90%的環保目標。

　　以上這些因素就決定了應用于中小城市(鎮)的污水、垃圾處理技術首先必須經濟、高效、節省能耗和簡便易行。因此，研究和開發對傳統工藝的改造和替代的新工藝，發展具有獨立自主知識產權的、能使污染物處理后達到資源化、減量化、無害化的污水、垃圾處理技術，是我國當前治理環境污染領域的一項重要任務。結合小城鎮的實際情況，確定走簡易、高效率、低能耗的技術路線符合我國的國情。目前在高效率低能耗污水、垃圾處理技術方面的研究已取得了不少進展，也開發出了一些經濟實用的污水、垃圾處理技術。

　　發明內容

　　本發明為了解決上述現有的技術缺點，提供適用于農村及小城鎮，經濟、高效、節能和簡便易行的城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統。

　　為實現上述目的，本發明提供城鎮生活污水及垃圾一體化、循環型集中處理系統，包括依次連接設置的有機垃圾收集池、粉碎裝置、集水池、預處理池、調節加熱池、IC厭氧反應器、厭氧池、I級好氧反應池、II級好氧反應池、沉淀池及膜處理設備，所述調節加熱池還與一儲熱水箱連通設置，所述儲熱水箱還分別連接有熱水器及換熱器，所述熱水器采用太陽能集熱器進行供熱，所述換熱器還連通設置有沼氣垃圾焚燒鍋爐，該沼氣垃圾焚燒鍋爐通過換熱器對儲熱水箱進行供熱，所述IC厭氧反應器還連通設置有污泥池，該污泥池連接有板式過濾裝置，該板式過濾裝置與沼氣垃圾焚燒鍋爐連通設置，所述板式過濾裝置還連接有堆肥反應裝置，所述I級好氧反應池及II級好氧反應池均與曝氣裝置連通，所述沉淀池及膜處理裝置均與厭氧池連通設置，所述IC厭氧反應器的沼氣出口連接有機械脫水裝置，所述機械脫水裝置連接有沼氣低壓儲柜，所述沼氣低壓儲柜連接有壓力儲柜，所述壓力儲柜連接有I級膜組，所述I級膜組連接有II級膜組，所述II級膜組連接有CH4儲柜，所述I級膜組和II級膜組均連接有CO2儲柜。

　　本發明具有以下有益效果：

　　1、經濟效益方面：采用本發明專利技術可日產沼氣1540m3，提純后日產高熱量CH41002m3，按每立方米3.5元計，日產值3507元;本專利可產污泥29170kg，濃縮后(含水率90%)可得15110kg，按每噸260元計，日產值3926元;中水回用項目日產中水500噸，按每噸0.8元，則每日中水產值400元。

　　2、環境效益方面：餐廚垃圾的資源化處理不僅節約了能源，還減少了廢氣排放，當沼氣全部用作燃料燃燒時，使用本工藝技術設備所產沼氣而節約的標煤量可通過下式計算

　　年節約標準煤量=(沼氣量X沼氣熱值X沼氣灶熱效率)/(標準煤的熱值X燃煤鍋爐熱效應)，每天處理餐廚垃圾的干物質(COD)日產量為3000kgd-1，通過計算，每年可節約782t標準煤。按每kg標準煤排放二氧化碳2.66kg，二氧化硫0.03kg計算，由于使用沼氣每年的CO2減排量為2080t、SO2減排量為23t。

　　3、社會效益：生活垃圾(餐廚垃圾)的能源化處理旨在保護環境，提高人們的生活質量，同時實現生物質能的綜合利用，建設資源節約型社會，推動循環經濟的發展。它從源頭杜絕困擾城市多年的“垃圾豬”和“地溝油”問題，提高食品的安全水平，有效地保護人們身體健康。我國的農田種植面積約為20多億畝，每年需要數億噸化肥，長期使用化肥，使土壤板結、環境退化、作物品質日趨低下。利用沼渣、沼液加工生產高效有機復合肥可以改良土壤、提高作物品質。每年把國內產生的幾千萬噸的餐廚垃圾轉化為再生資源，就相當于節約了一筆可觀的煤炭及石化資源，節能效益明顯，造福于子孫后代。