一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置及方法与流程

1.本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置及方法。


背景技术：

2.对于我国北方及高海拔农村等冬季气候寒冷的区域，采用常规的生活污水处理工艺时，例如，活性污泥法、ao、a2o、mbr或是接触氧化法及其他变形工艺，核心是通过微生物的生长和繁育达到净化水质的作用。然而，采用以上污水处理工艺时，主要具有以下问题：由于污水进水温度低，因此，明显阻碍生物菌生长和繁育，从而严重影响了污水处理效果，甚至出现整个污水处理工艺瘫痪的问题。
3.为解决寒冷区域污水进水温度低的问题，现有技术尝试采用以下方法：1.普通电加热方式，但具有能耗高，不实用的问题；2.采用太阳能或真空管加热方式，但存在占地面积大、成本高、冬季维护困难、加热不稳定等问题；3.采用建房保温措施或深埋在冻土层以下的保温方式，但无法解决进水低温的升温问题；4.采用后端人工湿地做弥补，但冬季植物无法生长，人工湿地在北方不实用；5.采用培育低温菌种，但存在费用高、也有温度底限，不能适用大部地区。6.其它方式成本更高，不适合分散地区使用。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置及方法，可有效解决上述问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明提供一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置，包括：空气能热泵(1)、换热液保温罐(2)和温度换热器(3)；
7.所述空气能热泵(1)通过热泵回液管(rg2)连接到所述换热液保温罐(2)内的加热换热器的进液端；所述换热液保温罐(2)内的加热换热器的出液端通过热泵供液管(rh2)连接到所述空气能热泵(1)的回液端，其中，所述热泵供液管(rh2)安装一次循环泵(4)，由此形成一次循环系统，一次循环系统中换热介质为制冷剂；
8.所述换热液保温罐(2)内贮存防冻液，通过一次循环系统对防冻液进行加热保温；
9.所述换热液保温罐(2)的防冻液出液端通过升温供液管(rg1)连接到所述温度换热器(3)的进液端；所述升温供液管(rg1)中安装二次循环泵(5)；所述温度换热器(3)的出液端通过升温回液管(rh1)连接到所述换热液保温罐(2)的防冻液回液端，由此形成二次循环系统，二次循环系统中换热介质为防冻液；
10.所述换热液保温罐(2)中安装液位传感器(14)，用于检测防冻液液面高度变化，当检测到液位变化速度异常快时，发出报警，表示防冻液泄漏；当检测到液位低于设定液位限值时，提示补液；
11.其中，所述温度换热器(3)安装于污水预处理池内；
12.所述热泵供液管(rh2)中安装第一控制阀门；所述热泵回液管(rg2)安装第二控制阀门；所述升温供液管(rg1)安装第三控制阀门，所述升温回液管(rh1)安装第四控制阀门。
13.优选的，所述一次循环泵(4)采用并联设置的两个循环泵；所述二次循环泵(5)采用并联设置的两个循环泵；
14.或者，所述一次循环泵(4)和所述二次循环泵(5)均为单循环泵。
15.优选的，还包括：主控制器、第1测温仪器(6)和第2测温仪器(7)；
16.所述第1测温仪器(6)安装于所述换热液保温罐(2)内；所述第2测温仪器(7)安装于所述污水预处理池内；
17.所述第1测温仪器(6)和所述第2测温仪器(7)的输出端，连接到所述主控制器的输入端；所述主控制器的输出端，分别与所述一次循环泵(4)和所述二次循环泵(5)的控制端连接。
18.优选的，所述升温回液管(rh1)中，安装热计量表(8)和除污过滤器(9)；
19.所述热泵供液管(rh2)安装第一压力表(10)；所述升温供液管(rg1)安装第二压力表(11)；
20.所述热泵回液管(rg2)在靠近空气能热泵(1)的位置，安装第一温度计(12)；
21.所述升温回液管(rh1)在靠近所述温度换热器(3)的位置，安装第二温度计(13)。
22.优选的，所述热泵供液管(rh2)、所述热泵回液管(rg2)、所述升温供液管(rg1)和所述升温回液管(rh1)均采用不锈钢管道，外部包覆保温棉。
23.优选的，所述温度换热器(3)包括多个并联设置的盘管(3
‑
1)，或者，采用多个串联设置的盘管(3
‑
1)；
24.每个所述盘管(3
‑
1)的两端，分别与所述升温供液管(rg1)和所述升温回液管(rh1)的对应位置连通；
25.所述盘管(3
‑
1)的材质为不锈钢材质。
26.本发明还提供一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置的方法，包括以下步骤：
27.步骤1，根据当日污水进水流量，选择容积相匹配的预处理池；将温度换热器(3)放置于预处理池内；
28.根据当日污水进水流量，选择容积相匹配的换热液保温罐(2)；在换热液保温罐(2)中存储防冻液；
29.步骤2，组装完成空气能热泵(1)、换热液保温罐(2)和温度换热器(3)之间的相关连接；
30.步骤3，污水进入预处理池，在预处理池对污水进行预处理的过程中，通过温度换热器(3)加热换热作用，将预处理池内污水加热到设定温度；加热后的污水，再流入污水处理设备，进行污水处理；
31.其中，采用以下方法，对预处理池内污水加热：
32.步骤3.1，换热液保温罐(2)内防冻液保温控制过程：
33.换热液保温罐(2)内存储防冻液，并通过第1测温仪器(6)实时监测换热液保温罐(2)内防冻液温度；如果防冻液温度达到第一设定温度t1，则关闭一次循环泵(4)；如果防冻液温度低于第一设定温度t1，则启动一次循环泵(4)；
34.空气能热泵(1)采用制冷剂作为工质；空气能热泵(1)通过使制冷剂不断完成蒸发吸取环境中的热量、压缩、冷凝放出热量、节流、再蒸发的热力循环过程，通过热泵回液管(rg2)输入到换热液保温罐(2)内的加热换热器，与换热液保温罐(2)内存储的防冻液进行加热换热；
35.换热液保温罐(2)内的防冻液，在一次循环系统的作用下，不断使换热液保温罐(2)内的防冻液温度升高，直到达到第一设定温度t1，关闭一次循环泵(4)；
36.步骤3.2，温度换热器(3)对预处理池内污水加热换热过程：
37.通过第2测温仪器(7)实时监测预处理池内污水温度；如果污水温度达到第二设定温度t2，则关闭二次循环泵(5)；如果污水温度低于第二设定温度t2，则启动二次循环泵(5)；
38.换热液保温罐(2)内的防冻液，在二次循环泵(5)的作用下，通过升温供液管(rg1)输入到温度换热器(3)内，通过温度换热器(3)与预处理池内污水的换热作用，实现对预处理池内污水的加热；
39.经换热后的防冻液，通过升温回液管(rh1)回流到换热液保温罐(2)，由此实现换热液保温罐(2)和温度换热器(3)之间的防冻液换热外循环过程；在此过程中，通过换热作用，不断使预处理池内污水温度升高，直到达到第二设定温度t2，关闭二次循环泵(5)；
40.通过以上过程，以换热液保温罐(2)作为缓冲，通过空气能热泵(1)与换热液保温罐(2)之间的循环，实现对换热液保温罐(2)内防冻液的加热；通过换热液保温罐(2)和温度换热器(3)之间的循环，实现对预处理池内污水的加热，进而实现了空气能的利用。
41.优选的，防冻液采用99.9％涤纶级乙二醇及其他添加剂配制而成，冰点为
‑
35℃，沸点为108℃，ph值为8.5
‑
9之间。
42.优选的，还包括：
43.通过热泵供液管(rh2)安装第一压力表(10)，升温供液管(rg1)安装第二压力表(11)，测定管道压力，进而通过管道压力判断是否发生管道泄漏或堵塞情况。
44.本发明提供的一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置及方法具有以下优点：
45.本发明提供一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置及方法，应用于高寒地区的污水处理，使污水进水加热到预定温度，保证污水处理效果，还具有加热换热效率高，能耗低，热损失小等优点。
附图说明
46.图1为本发明提供的采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置的结构示意图；
47.图2为本发明提供的采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置的详细结构示意图；
48.图3为本发明提供的温度换热器的结构示意图。
具体实施方式
49.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以
解释本发明，并不用于限定本发明。
50.本发明提供一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置及方法，应用于高寒地区的污水处理，通过对污水进水加热到预定温度，使生物菌活性充分发挥，解决高寒地区污水处理进水温度低不满足微生物生存条件的问题，本发明方法可使处理后出水稳定达标的作用。
51.参考图1
‑
图3，本发明提供一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置，包括：空气能热泵1、换热液保温罐2和温度换热器3；
52.空气能热泵1通过热泵回液管rg2连接到换热液保温罐2内的加热换热器的进液端；换热液保温罐2内的加热换热器的出液端通过热泵供液管rh2连接到空气能热泵1的回液端，其中，热泵供液管rh2安装一次循环泵4，由此形成一次循环系统，一次循环系统中换热介质为制冷剂；
53.换热液保温罐2内贮存防冻液，通过一次循环系统对防冻液进行加热保温；
54.换热液保温罐2的防冻液出液端通过升温供液管rg1连接到温度换热器3的进液端；升温供液管rg1中安装二次循环泵5；温度换热器3的出液端通过升温回液管rh1连接到换热液保温罐2的防冻液回液端，由此形成二次循环系统，二次循环系统中换热介质为防冻液；
55.换热液保温罐2中安装液位传感器14，用于检测防冻液液面高度变化，当检测到液位变化速度异常(过快)时，发出报警，表示防冻液泄漏，需要尽快处理；当检测到液位低于设定液位限值时，提示补液。
56.其中，温度换热器3安装于污水预处理池内；
57.热泵供液管rh2中安装第一控制阀门；热泵回液管rg2安装第二控制阀门；升温供液管rg1安装第三控制阀门，升温回液管rh1安装第四控制阀门。
58.其原理为：
59.空气能热泵1通过一次循环系统封闭管道(内流制冷剂)，将换热液保温罐2中换热液加温，换热液保温罐2中的换热液达到设定温度时，一次循环泵4停止运行，由此实现换热液保温罐2内存储的换热液的保温控温作用。
60.换热液保温罐2内存储的换热液，经二次循环系统(封闭管道，内流换热液)经二次循环泵5打至温度换热器3中，浸没在污水预处理池中的低温水通过温度换热器3的换热作用加热到污水处理所需的设定温度，二次循环泵5停止运行。
61.通过第1测温仪器6安装于换热液保温罐2内；第2测温仪器7安装于污水预处理池内；第1测温仪器6和第2测温仪器7的输出端，连接到主控制器的输入端；主控制器的输出端，分别与一次循环泵4和二次循环泵5的控制端连接。
62.因此，通过第1测温仪器6和第2测温仪器7，对对一二次循环系统中的循环泵进行启停操作，实现加热、保温和循环的自动控制。
63.具体的：一次循环系统：换热液保温罐2中的温度低于设定温度时，一次循环泵4启动，通过加热换热器将换热液加温，直到换热液保温罐2中的换热液温度与设定温度一致。
64.二次循环系统：当温度换热器3所在池内水温低于设定温度时，二次循环泵5启动，将换热液保温罐2中的换热液打至温度换热器3中，直到温度换热器3所在池内水温与设定温度一致。
65.实际应用中，还可进一步采用以下改进创新：
66.(1)一次循环泵4采用并联设置的两个循环泵；二次循环泵5采用并联设置的两个循环泵。
67.当然，实际应用中，根据运行对系统可靠性的要求程度高低，也可采用单循环泵。
68.(2)升温回液管rh1中，安装热计量表8和除污过滤器9；
69.具体的，除污过滤器9位于温度换热器出口处，通过对换热液过滤，防止回流的换热液中杂质进入换热液保温罐中，从而最终进入到空气能热泵中，导致空气能热泵堵塞损坏。同时作为初次安装或检修时管道内杂质堵塞时的排出口。
70.(3)热泵供液管rh2安装第一压力表10；升温供液管rg1安装第二压力表11；
71.通过热泵供液管rh2安装第一压力表10，升温供液管rg1安装第二压力表11，压力表靠近对应位置的循环泵，用于测定管道压力，进而通过管道压力判断是否发生管道泄漏情况。
72.(4)热泵回液管rg2在靠近空气能热泵1的位置，安装第一温度计12；
73.通过在空气能热泵1的供液端安装第一温度计12，通过第一温度计12检测防冻液回液温度，比较防冻液回液温度是否与换热液保温罐2内防冻液温度一致，如果一致，表明换热出现故障；另外，通过第一温度计12，也可以检测温度是否超过换热液沸点温度，保证使用安全。
74.升温回液管rh1在靠近温度换热器3的位置，安装第二温度计13。
75.通过温度换热器3的出液端安装第二温度计13，通过第二温度计13检测防冻液二次回流温度，比较防冻液二次回流温度是否与换热液保温罐2内防冻液温度一致，如果一致，表明换热出现故障，可能原因为：原因一，循环泵的流量过大，导致温度没有换热成功则换热液被打走，原因二，温度换热器出现故障，不能进行换热工作；
76.(5)热泵供液管rh2、热泵回液管rg2、升温供液管rg1和升温回液管rh1均采用不锈钢管道，外部包覆保温棉，增加管道防腐功能和减少温度损耗。
77.(6)如图3所示，温度换热器3包括多个并联设置的盘管3
‑
1；每个盘管3
‑
1的两端，分别与升温供液管rg1和升温回液管rh1的对应位置连通；
78.实际应用中，也可根据需要串联设置盘管。
79.盘管3
‑
1的材质为不锈钢材质。优点为：具有良好的导热性，耐腐性性，造价低；预制盘管结构，在工厂加工完成后，根据换热量和池体大小按模块化制作，便于现场池内的安装。
80.实际应用中，盘管3
‑
1的材质也可以采用其它散热效率高的材质。
81.(7)本发明中，换热液采用防冻液。
82.防冻液成分配比：采用99.9％涤纶级乙二醇及其他添加剂(缓释阻垢剂、消泡剂、防腐剂、缓释剂等)配制而成，冰点为
‑
35℃，沸点为108℃，ph值为8.5
‑
9之间。
83.防冻液的选择原则是：根据当地冬季最低气温及防冻液原料配方的纯度选配，保证耐低温、低腐蚀性及使用寿命高等性能。
84.采用以上防冻液作为换热液，具有以下优点：
85.1)防冻液的冰点适合在北方冬季的低温气候下使用；
86.2)防冻液的沸点满足空气能加温的条件；
87.3)防冻液具有良好的传热性能，能适用于温度换热器给污水加热；
88.4)对金属没有腐蚀性，化学稳定性好。
89.5)挥发性小而蒸气压低，减少了防冻液因挥发而补充的次数；
90.6)粘度适中且随温度变化小，热稳定性好，价格适中，满足热源泵现场需求且成本较低。
91.本发明中，空气能热泵通过压缩机系统运转工作，吸收空气中热量制造热水，较其它加热方式节能25％以上，适合北方地区使用。整套系统没有安装条件的限制，耐低温、防腐蚀、保温好，使用安全，由于没有电元件直接与水接触，因此不会有漏电危险，安全性高。
92.本发明还提供一种采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置的方法，包括以下步骤：
93.步骤1，根据当日污水进水流量，选择容积相匹配的预处理池；将温度换热器3放置于预处理池内；
94.根据当日污水进水流量，选择容积相匹配的换热液保温罐2；在换热液保温罐2中存储防冻液；
95.步骤2，组装完成空气能热泵1、换热液保温罐2和温度换热器3之间的相关连接；
96.步骤3，污水进入预处理池，在预处理池对污水进行预处理的过程中，通过温度换热器3加热换热作用，将预处理池内污水加热到设定温度；加热后的污水，再流入污水处理设备，进行污水处理；
97.其中，采用以下方法，对预处理池内污水加热：
98.步骤3.1，换热液保温罐2内防冻液保温控制过程：
99.换热液保温罐2内存储防冻液，并通过第1测温仪器6实时监测换热液保温罐2内防冻液温度；如果防冻液温度达到第一设定温度t1，则关闭一次循环泵4；如果防冻液温度低于第一设定温度t1，则启动一次循环泵4；
100.空气能热泵1采用制冷剂作为工质；空气能热泵1通过使制冷剂不断完成蒸发吸取环境中的热量、压缩、冷凝放出热量、节流、再蒸发的热力循环过程，通过热泵回液管rg2输入到换热液保温罐2内的加热换热器，与换热液保温罐2内存储的防冻液进行加热换热；
101.空气能热泵1吸收周围环境能量，一次循环系统对防冻液进行加热；在此过程中，不断使换热液保温罐2内的防冻液温度升高，直到达到第一设定温度t1，关闭一次循环泵4；
102.步骤3.2，温度换热器3对预处理池内污水加热换热过程：
103.通过第2测温仪器7实时监测预处理池内污水温度；如果污水温度达到第二设定温度t2，则关闭二次循环泵5；如果污水温度低于第二设定温度t2，则启动二次循环泵5；
104.换热液保温罐2内的防冻液，在二次循环泵5的作用下，通过升温供液管rg1输入到温度换热器3内，通过温度换热器3与预处理池内污水的换热作用，实现对预处理池内污水的加热；
105.经换热后的防冻液，通过升温回液管rh1回流到换热液保温罐2，由此实现换热液保温罐2和温度换热器3之间的防冻液换热外循环过程；在此过程中，通过换热作用，不断使预处理池内污水温度升高，直到达到第二设定温度t2，关闭二次循环泵5；
106.通过以上过程，以换热液保温罐2作为缓冲，通过一次循环系统与换热液保温罐2之间的循环，实现对换热液保温罐2内防冻液的加热；通过换热液保温罐2和温度换热器3之
间的循环，实现对预处理池内污水的加热，进而实现了空气能的利用。
107.在各种工艺条件下，反硝化细菌(去除总氮)在20
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25℃左右活性最佳；随着水温下降，反硝化细菌活性逐步下降；水温低于15度，反硝化细菌活性受到极大影响；水温低于12℃，其他微生物活性(包括活性污泥法和生物膜法)也开始明显下降；水温低于8℃，微生物活性下降50％以上。高寒地区因其冬季时间长的气候地理条件，多数地区的农村生活污水冬季可低至4℃左右，极端条件地区水温冬季低至2
‑
3℃，水温一旦不满足微生物生存的要求，污水就得不到有效处理，出水不达标，气味恶臭，对周围环境不友好。因此，加温控温是污水处理站在低温条件下运行的首要条件。
108.采用本发明提供的采用空气能热泵对污水进水加温控温的装置及方法，解决了高寒地区生物技术污水处理的难点问题，具有以下优点：
109.1.空气能加热相比于其他加热方式(燃气锅炉、电锅炉、加热棒、空调、暖气、太阳能等)有效节能25％以上。如其耗电量仅为普通电热水器的1/4、燃气热水器的1/3和太阳能热水器的1/2。
110.2.精准控温，使污水进水能够保证生物处理段稳定在所需任一合理温度，为出水稳定创造良好生长环境，进一步实现四季，特别是冬季的稳定出水。
111.3.由于实现精准控温，使得生物处理所需的曝气、回流、加菌(低温菌)、加药(工艺需要时)等环节实现简单易控，从而降低能耗、减少运维、提高出水稳定性，综合效果显著。
112.4.无需深埋或设置厂房，降低工程造价；
113.5.同样处理能力，占地面积小，无需湿地，不受气候影响；
114.6.采用合适的介质、材料，可保证成套装置耐低温、防腐蚀、保温好，易于维护。
115.7.本发明中，采用换热液保温罐作为中间换热环节，起到两方面作用，(1)可根据所需加热的每日污水进水流量，选择适当容积的换热液保温罐，存储防冻液，保证加热换热效率最高，热源泵的匹配最经济，能耗低，降低用户负担；(2)通过保温，使冬季夜间低温时散热损失减少。
116.8.本发明中，进入污水处理设备前端的污水预处理池，通常由多个污水预处理池串联完成，实现不同污水预处理操作，可根据每日污水进水流量，选择容积匹配的一个或多个污水预处理池，分别并联或串联安装温度换热器，实现在污水预处理过程的同时进行加热，保证加热的水直接进入污水处理设备，加热能耗少，热损失最小，还能提高预处理段生化处理降解效果，降低部分进水负荷。
117.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。