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CN104710066A - 一种非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法 - Google Patents

一种非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，该方法包括：利用风能、光伏、潮汐、沼气等可再生能源发电的一种或多种组合，与网电互补，形成多能源协同供电系统为电解水和动力设备提供电能；电解水产生氢气和氧气，氢气进入氢气储运系统，作为污水处理厂的副产品，提高污水处理企业经济效益；氧气与经过初步沉淀的有机污水进入湿式氧化污水处理系统，经过氧化处理污水经过纳滤后进入循环水利用系统，可进入自来水管网，或者精加工成瓶(桶)装水；有机污水氧化放热通过余热回收装置进行回收,本方法可提高风能、光伏、潮汐、沼气等可再生能源发电利用效率，节约投资成本，提高污水处理企业经济效益，增加水循环利用效率。

Description

一种非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法
技术领域
本发明涉及一种非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，属于污水处理节能技术领域。
背景技术
中国水资源总量为2.8亿立方米，水资源总量居世界第六位，人均占有量则较低，低于世界人均水量的1/4。20世纪末，全国600多座城市中有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。随着经济发展，城市化的推进，水资源供应紧张问题会进一步凸显，并且我国污水排放量呈逐年上升趋势，全国废污水排放量由2004年的482.4亿吨增加到2013年的684.8亿吨，化学需氧量排放污水总量由2004年的1339.2万吨增加到2013年的2352.7万吨。污水排放进入江河湖泊，不仅会对水体造成损坏，破坏水体生态平衡，影响农产品和渔业产品的安全，还会降低饮用水质量，危害人累身体健康。
污水中的有害物质可分为有机污染物、无机污染物。其中有机污染物在分解过程中需要消耗氧气，造成水中溶解氧减少，影响鱼类和其他水生生物的生长，水中溶解氧耗尽后，有机物进行厌氧分解，产生硫化氢、氨、硫醇等难闻气味，使水质进一步恶化，造成水质发黑发臭；同时，化工、石油等企业污水中有机质往往具有很强毒性。开展污水治理，增加水循环利用率是解决我国水资源供应紧张矛盾的有效手段。
有机污水常规好氧处理方法，其曝气池为能耗大户，占据整个污水处理装置50％的能耗，且反应时间长约2小时，污水处理场地占地面积大。湿式空气氧化法是一种处理高浓度有毒有害有机废水的方法，已广泛应用于炼焦、化工、石油，制药等工业废水的治理，特别对于有毒物质，如有机农药、染料、合成纤维、还原性无机物(CN-、SCN-、S2-等)及难于生物降解的高浓度有机废水的治理上，显示了优异的效能。湿式氧化法与常规好氧处理方法相比，经济上更可行，具有处理效率高、处理范围广等优点。常规湿式氧化法运行是在高温高压密闭条件下进行的，安全条件苛刻，而且关键设备材料要求严格，造价高，并且由于高压环境会增加泵及风机的能耗。选择深井式反应器作为湿式氧化法有机污水处理系统的反应器，由污水自身重力实现加压，减小水泵功率，降低运行成本。
风能、太阳能、潮汐、沼气等可再生能源由于其自身的不稳定性，很难实现大规模并网，但从自身储量来说，这部分能源又具有很大的开发潜力。为了实现该部分能源的稳定供应，需要与网电进行互补，通过电能转换控制装置和储能装置就能实现该部分能量的高效利用。
本发明为有机污水处理提供一种新的节能高效运作方式，可充分提高污水处理厂的经济环境效益。本发明充分利用风能、太阳能、潮汐、沼气等可再生能源发电，通过与网电互补，电解水制得氢气和氧气，利用纯氧作为氧化剂可以减小压缩机规模和反应器规模，节约设备投资，产生的氢气可作为商品出售，提高企业的经济效益。充分利用有机污水反应放热来维持自身反应进行，通过能量回收装置来回收热量实现污水处理厂的节能减排。有机污水通过处理后进入自来水管网，或精加工成瓶(桶)装水，提高水的循环利用率。
发明内容
本发明解决的技术问题：风能、光伏、潮汐、沼气等不稳定性可再生能源发电的高效利用、有机废水的高效处理、污水处理装置的节能减排。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，该方法包括：利用风能、光伏、潮汐、沼气等可再生能源发电(非并网电)的一种或多种组合，与网电互补，形成多能源协同供电系统为电解水提供电能；电解水产生氢气和氧气，氢气进入氢气储运系统，作为污水处理厂的副产品，提高污水处理企业经济效益；氧气与经过初步沉淀的有机污水进入湿式氧化污水处理系统，经过氧化处理污水(净化水)经过纳滤后进入循环水利用系统，可进入自来水管网，或者精加工成瓶(桶)装水；有机污水氧化放热通过余热回收装置进行回收，根据不同余热温度，中温余热用于发电提供给污水处理厂动力设备，低温余热冬季用于供暖、夏季用于溴化锂制冷。网电主要用于给污水处理厂动力设备供电，少量用于与非并网电互补电解水。
为了进一步提高可再生能源发电利用率，多能源协同供电系统通过电能转换控制和电能存储装置来实现，当非并网电实时发电量大于用于电解水所需电量(电解水所需电量为满足污水处理装置额定负荷生产所需氧量所耗电解水电量)，即实时电解水所产生氧量大于污水处理装置耗氧量，此时实时电解水产生的多余氧气进入氧气储罐，该储罐可满足污水处理系统生产1天所需氧量；当氧气储罐储气量达到满负荷时，电能转换控制装置工作，将剩余电量转移到电能存储装置进行存储；当氧气存储装置氧量耗尽，非并网电实时发电量小于用于电解水所需电量，电能转换控制装置工作，利用网电进行电解水，补充污水处理装置所耗氧量差额。
为了保证污水处理装置的连续性稳定运行，在深井反应器内设置温控系统，当污水中有机含量较低，反应放热不足维持自身反应时，加热系统开始工作。
进一步地为了提高装置能源利用效率，对深井式湿式氧化法污水处理系统进行余热回收，污水中有机物氧化放热，该热量通过热交换一部分用于加热进口污水，一部分用于外部换热制取蒸汽用于发电，汽轮机出口乏气用于污泥干燥；经过处理的污水(初步净化水)在污水处理系统出口仍然具有一定温度(60℃-100℃)，这部分余热用于直接供暖、溴化锂制冷。
本发明实现了风能、太阳能、潮汐、沼气等不稳定性可再生能源的高效利用，采用湿式氧化法对污水处理，去除水中99％以上的有机污染物，并过高温消毒，使得污水能够重新变为饮用水，提高了水的循环利用率，并通过余热利用系统，充分利用污水中有机物反应放热量，使得系统尽量满足自身能量供用，实现污水处理厂的节能减排，并通过电解水制得副产品氢气，可作为燃料、化工原料以及食品原料，提高污水处理厂的经济效益。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为污水处理能量回收利用系统示意图。
具体实施方式
参照图1和图2对本发明的一个实施方式进行说明。
图1为本实施方式的非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收系统示意图。
图2为污水处理及热能回收系统示意图。
参见图1，根据污水厂所在地的资源分布，建立风能、太阳能、潮汐、沼气等可再生能源发电与网电互补的多能源供电系统，风能、太阳能、潮汐、沼气等可再生能源发电装置为一种或多种组合方式，通过电能转换控制和电能存储装置实现风能、太阳能、潮汐、沼气等可再生能源发电的高效利用。多能源供电系统为电解水提供电能，风能、光伏、潮汐、沼气等可再生能源实时发电量大于用于电解水所需电量(电解水所需电量为满足污水处理装置额定负荷生产所需氧量所耗电解水电量)，即实时电解水所产生氧量大于污水处理装置耗氧量，此时实时电解水产生的多余氧气进入氧气存储装置，该装置可满足污水处理装置生产1天所需氧量；当氧气存储装置储气量达到100％负荷时，电能转换控制装置工作，将剩余电量转移到电能存储装置进行存储；当氧气存储装置氧量耗尽，风能、光伏、潮汐、沼气等可再生能源实时发电量小于用于电解水所需电量，电能转换控制装置工作，利用网电进行电解水，补充污水处理装置所耗氧量差额。
电解水制得氧气为湿式氧化法污水处理装置的氧化剂，电解制得氢气进入氢气储运系统，根据需要氢气可作为航天燃料、食品原料、氢能汽车能量来源或者其他化工原料。
图2为深井式湿式氧化法污水处理及能量回收装置系统图，有机污水经过初步沉淀后进入深井式湿式氧化处理装置，井深900米-1500米，反应温度280℃-330℃，氧气在距离井口600米左右注入，反应器下部设置温控装置，当反应段温度低于预设反应温度，电加热装置工作，保证反应顺利进行，有机污水中有机质质量含量大于2％时，氧化反应放热就可以维持自身反应进行，反应器出口污水已经基本净化消毒，进一步通过纳滤，供入自来水管网，或者进一步精加工，生产瓶(桶)装水。
余热利用装置对湿式氧化法氧化放热进行收集，反应放热量一部分用于加热向下流动的污水，一部分通过外部换热系统加热循环冷却水，可将循环冷却水加热到250℃-300℃，通过减压制得蒸汽用于汽轮机发电(或推动压缩机)，汽轮机排出乏气用于干燥污泥。净化污水出口仍然具有60℃-100℃，这部分热量可以直接用于供暖(冬季)，溴化锂制冷(夏季)或低温余热发电。

Claims (6)

1.一种非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，其特征在于，包括以下步骤，
利用风能发电、光伏发电、潮汐发电、沼气发电(非并网电)的一种或多种组合，与网电互补，形成多能源协同供电系统为电解水提供电能；
电解水产生氧气和氢气分别进入氧气储罐和氢气储运系统；
氧气与经过初步沉淀的有机污水进入湿式氧化法污水处理系统进行反应，经过氧化处理的污水(净化水)进入纳滤系统，进一步净化水可进入自来水管网，或者进一步精加工成瓶(桶)装水，实现水的循环利用。
通过余热利用系统对污水有机物氧化放热量进行收集利用，通过热交换获得中温余热用于发电，供给污水处理厂动力设备，低温余热冬季用于供暖，夏季用于制冷，或通过有机工质换热发电。
2.根据权利要求1所述非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，其特征在于：所述非并网电与网电互补的实现需要电能转换控制和电能存储装置，当非并网电实时发电量大于用于电解水所需电量(电解水所需电量为满足污水处理装置额定负荷生产所需氧量所耗电解水电量)，即实时电解水所产生氧量大于污水处理装置耗氧量，此时实时电解水产生的多余氧气进入氧气储罐，当氧气储罐存满时，电能转换控制装置工作，将剩余电量转移到电能存储装置进行存储；当氧气存储装置氧量耗尽，非并网电实时发电量小于用于电解水所需电量，电能转换控制装置工作，利用网电进行电解水，补充污水处理装置所耗氧量差额。
3.根据权利要求1所述非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，其特征在于：所述湿式氧化污水处理系统反应器为深井式结构，氧化剂为纯氧，井深900米-1500米，反应温度280℃-330℃，反应段深度在800米以下。深井分为3层，污水从内层进，初步净化水从中间层出，外层为换热层，换热层又分为上部保温层和下部换热层。纯氧通过压气机注入深井600m以下，在反应段与水中有机物反应生成水和CO2。井下部设有温控装置，根据井深，保证反应温度控制在280℃-330℃范围内。
4.根据权利要求1所述非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，其特征在于：所述的余热利用系统包括余热发电、余热供暖、余热制冷3部分。通过深井下部换热层将循环水(或有机工质)加热到250℃-300℃，经过减压制得蒸汽用于余热发电，供给污水处理厂的动力设备使用，减少网电用量，使得装置尽量满足自给电量供应；经汽轮机排出乏汽用于污泥干燥；经过部分冷却的初步净化水仍具有60℃-100℃温度，这部分余热冬季用于供暖供用户，夏季用于制冷供用户，减少空调用电量。
5.根据权利要求1所述非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，其特征在于：所述氢气储运系统的氢气可用于航天、食品、汽车多种用途。
6.根据权利要求2所述非并网多能源协同供电的污水处理及能量回收方法，其特征在于：所述氧气储罐体积为满足污水处理厂满负荷运行1天所需氧量存储体积。
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