一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置与方法与流程

1.本发明涉及一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置与方法，属于污 水处理碳减排技术领域。


背景技术：

2.二氧化碳是导致全球变暖的主要温室气体，平均约占大气体积的0.387％0。 据发达国家统计显示，污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1％-2％，位 居前十大碳排放行业，是不可忽视的减排领域。据美国epa机构相关预测表明， 预计到2030年全球污水处理行业温室气体排放逸散量将达到上亿吨二氧化碳排 放当量。且有研究表明污水处理厂的逸散的二氧化碳浓度高于其他的建筑物，因 此，对城市污水处理过程中，尤其是逸散的co2进行捕集、固定的研究非常必 要且具有十分重要的意义。
3.因此，本发明专利提出一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置和方 法，旨在为污水处理领域减污降碳提供技术支撑。目前关于这方面的研究几乎没 有，已有的关于二氧化碳捕集及固定的专利申请包括：
4.(1)一种用于烟气二氧化碳捕集的方形填料塔(申请号： cn201611091203.1)，该发明公开了一种用于烟气二氧化碳捕集的方形填料塔， 包括：位于烟气出口下端的吸收剂初始分布器、吸收剂初始分布器下端的竖板式 填料以及位于方形填料塔塔底用于通入烟气二氧化碳的辐射导流式气体分布器； 所述辐射导流式气体分布器包括气体进口管、蝶形底板、蝶形封板和若干辐射导 流板；所述蝶形底板与气体进口管的出口连通；所述辐射导流板沿着气体进口管 的出口径向设置于蝶形底板和蝶形封板之间。
5.该申请对烟气混合气中的二氧化碳进行捕集，利用吸收剂吸收二氧化碳，避 免其释放到空气中，与本技术“一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置 与方法”捕集对象相同，但是在捕集原理、二氧化碳分离方式、二氧化碳固定机 理等方面不同。
6.(2)一种基于水合物法的二氧化碳捕集方法与装置(申请号： cn201510497974.x)，该发明公开了一种基于水合物法的二氧化碳捕集方法与 装置，包括：储气罐中的二氧化碳经过气体增压泵增压后同蓄水池中的污水一起 进入管式换热器预冷，进入水合物生成反应器中生成水合物结晶，利用离心机对 水合物晶体与溶液混合物进行分离，水合物在水合物分解反应器中发生分解，然 后利用气液分离器分离气体和纯净的水。
7.该申请利用废水和二氧化碳生成二氧化碳水合物实现二氧化碳的捕集，与 本技术“一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置与方法”捕集对象均为 二氧化碳，但二氧化碳来源、气液分配方式、反应条件、捕集和固定二氧化碳 的原理等方面均不同。


技术实现要素：

8.为了污水处理厂更好地实现二氧化碳减排，本发明提供一种污水处理厂逸散 二氧化碳捕集与固定的装置与方法，其目的在于捕集污水处理过程中从构筑物中 逸散出的
二氧化碳，并固定二氧化碳，生成增值化学品，本发明利用污水处理厂 中的废气和生化污水为原料。
9.本发明的技术方案如下：
10.一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置，主要包括二氧化碳真空捕 集系统、二氧化碳分离纯化系统、二氧化碳固定系统、二氧化碳循环利用系统以 及产物收集系统；通过所述二氧化碳真空捕集系统捕集生化处理单元逸出的混合 气体，混合气体通过所述二氧化碳真空捕集系统与所述二氧化碳分离纯化系统的 连接管进入冷凝器，冷凝形成的液态二氧化碳和剩余混合气体经过所述气液分离 器分离，分离后的液态二氧化碳进入蒸发器恢复气态，然后通过软管由所述二氧 化碳分离纯化系统进入所述二氧化碳固定系统，反应过程中产生剩余气体通过所 述二氧化碳循环利用系统进行回用，反应产生的有机物及剩余的生化污水通过所 述二氧化碳固定系统下方设置的所述产物收集系统储存和排放
11.该装置包括：混合气体真空捕集罩；引风机；二氧化碳捕集系统与二氧化碳 分离纯化系统的连接管；冷凝器；气液分离器；杂质气体排气口；蒸发器；连接 二氧化碳分离纯化系统与二氧化碳固定系统的软管；二氧化碳盘式气体分配装置； 盘式气体分配装置的出气口；生化污水配水管；生化污水出水口；填料；带滤网 的剩余反应气体出气口；剩余反应气体回用管；有机物和生化污水混合液收集池； 有机物和生化污水分离器；有机物收集装置；剩余生化污水排放装置。
12.进一步地，在上述方案中，二氧化碳真空捕集系统包括捕集罩和引风机，引 风机安装在捕集罩中，捕集罩采用入口大出口小的结构，有利于气体的收集，同 时，利用引风机创造真空条件，捕集混合气体。
13.进一步地，在上述方案中，二氧化碳分离纯化系统包括冷凝器、气液分离器、 杂质气体排气口和蒸发器，利用管道依次连接冷凝器、气液分离器和蒸发器，在 气液分离器上方设置杂质气体排气口，利用不同气体沸点的差异，冷凝器可以将 混合气体中的二氧化碳先冷凝成液体，随后进入气液分离器，分离器顶部的排气 口排放剩余混合气体，液态二氧化碳进入蒸发器，利用高温液态二氧化碳被恢复 为气态，最终实现二氧化碳与其他混合气体的分离。
14.进一步地，在上述方案中，使用连接管将所述二氧化碳真空捕集系统和所述 二氧化碳分离纯化系统连接起来，连接管起端接二氧化碳真空捕集系统的捕集罩， 末端接二氧化碳分离纯化系统的冷凝器。
15.进一步地，在上述方案中，二氧化碳固定系统包括二氧化碳盘式气体分配装 置、二氧化碳出气口、生化污水配水管、生化污水出水口和填料，将各部件安装 于一个筒中构成一个筒式反应器，二氧化碳盘式气体分配装置位于反应器顶部， 二氧化碳出气口均匀分布在二氧化碳盘式气体分配装置表面，生化污水配水管位 于二氧化碳盘式气体分配装置下方100cm处，生化污水出水口均匀分布在生化 污水配水管表面，填料位于生化污水配水管下方100cm处，利用捕捉到的混合 气体和生化污水为原料，分别通过盘式气体分配装置和生化污水配水管进入反应 器，盘式气体分配装置可以促进二氧化碳在反应器中均匀分散。
16.进一步地，在上述方案中，使用软管将二氧化碳分离纯化系统和所述二氧化 碳固
定系统连接起来，软管起端接二氧化碳分离纯化系统的蒸发器，末端接二氧 化碳固定系统的二氧化碳盘式气体分配装置。
17.进一步地，在上述方案中，可以选用不同生物处理单元的生化污水，即活性 污泥污水、sbr污水或a2o系统污水，在生化污水的作用下，二氧化碳固定系 统填料的表面形成生物膜，利用生物膜中的固碳微生物实现对二氧化碳的固定。
18.进一步地，在上述方案中，二氧化碳循环利用系统包括带滤网的剩余反应气 体出气口和剩余反应气体回用管，带滤网的剩余反应气体出气口位于筒式反应器 底部以上20cm筒壁处，外接剩余反应气体回用管，二氧化碳固定系统中剩余反 应气体中包含一部分未被利用的二氧化碳，混合气体经过带滤网的剩余反应气体 出气口，经气体回用管进入二氧化碳捕集系统与二氧化碳分离纯化系统的连接管， 实现二氧化碳的回用，出气口的滤网用来防止杂质颗粒进入回用管。
19.进一步地，在上述方案中，产物收集系统包括有机物和生化污水混合液收集 池、有机物和生化污水分离器、有机物收集装置和剩余生化污水排放装置，有机 物和生化污水混合液收集池接在筒式反应器底端，有机物和生化污水分离器接在 有机物和生化污水混合液收集池底端，有机物收集装置和剩余生化污水排放装置 用不同的管道与有机物和生化污水分离器相连，二氧化碳在固碳微生物的作用下 生成增值化学品，有机化学品和污水通过有机物和生化污水混合液收集池下部设 置的离心分离器分离有机物和剩余的生化污水，最后将有机物储存在有机物收集 装置，剩余生化污水经过剩余生化污水排放装置排放。
20.有益效果
21.与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几点：
22.1)本发明提供的一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置与方法， 在捕集罩内设置合适的真空度，通过二氧化碳真空捕集系统可将污水处理厂逸散 量较大的二氧化碳进行收集，减少了污水处理厂直接排放的二氧化碳气体对温室 效应的影响；
23.2)本发明提供的一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置与方法， 分离纯化后二氧化碳可在二氧化碳固定系统中部填料表面固碳生物膜的作用下 进行还原固定生成有机物，促进了二氧化碳气体的资源化利用；
24.3)本发明提供的一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置与方法， 提供了一种可靠的、减少污水处理厂二氧化碳气体排放的装置和方法，实现了技 术上的创新和突破；
25.4)本发明提供的一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置与方法， 其中固定系统内的生化污水可根据需要进行更换，该研究方法同样适用于工业污 水、畜禽养殖废水等领域的研究，具有较强的应用价值；
26.5)本发明提供的一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置与方法， 在co2的捕集及固定过程中，不需要使用额外的化学试剂，参与反应的气体和 液体均为污水处理厂原有的资源，利用生物方法固碳，是一种可持续技术，且操 作简单，便于控制。
附图说明
27.图1是本发明的装置结构图；
28.图2是本发明各系统的流程图；
29.图3是本发明二氧化碳真空捕集系统结构图；
30.图4是本发明二氧化碳分离纯化系统结构图；
31.图5是本发明二氧化碳固定系统结构图；
32.图6是本发明二氧化碳回用系统结构图；
33.图7是本发明产物收集系统结构图；
34.其中，1-混合气体真空捕集罩、2-引风机、3-二氧化碳捕集系统与二氧化碳 分离纯化系统的连接管、4-冷凝器、5-气液分离器、6-杂质气体排气口、7-蒸发 器、8-连接二氧化碳分离纯化系统与二氧化碳固定系统的软管、9-二氧化碳盘 式气体分配装置、10-盘式气体分配装置的出气口、11-生化污水配水管、12-生 化污水出水口、13-填料、14-带滤网的剩余反应气体出气口、15-剩余反应气体回 用管、16-有机物和生化污水混合液收集池、17-有机物和生化污水分离器、18-有 机物收集装置、19-剩余生化污水排放装置。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及实施方式 对本发明作进一步详细的说明。
36.实施例1
37.如图3所示，本实施例为一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置的 二氧化碳真空捕集系统，系统包括：
38.用于吸收含有二氧化碳的混合气体的捕集罩1，捕集罩1位于生化池正上方， 有利于从构筑物逸散出的气体直接进入捕集罩1，真空捕集罩1采用聚四氟乙烯 材质，主体结构为入口大，出口小的倒喇叭形式；
39.用于制造真空条件的引风机2，引风机2安装在捕集罩内部，利用引风机2 控制真空度。
40.混合气体捕集的方法包括以下步骤：
41.s1、在捕集罩1内部安装引风机2；
42.s2、将捕集罩1置于构筑物正上方；
43.s2、利用引风机2控制真空度，真空度采用-101325pa；
44.s4、在引风机2的作用下，混合气体被捕集在罩中；
45.s5、混合气体进入捕集罩1后方的连接管3中。
46.实施例2
47.如图4所示，本实施例为一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置， 包括：
48.用于得到液态二氧化碳的冷凝器4，冷凝器4进气为二氧化碳真空捕集系统 捕集的混合气体，利用混合气体中不同气体成分的沸点不同得到单一的液态二氧 化碳，
49.用于分离液态二氧化碳和剩余混合气体的气液分离器5，气液混合物来自冷 凝器4，气液分离器顶部设有杂质气体排气口6，排出剩余混合气体，
50.用于将分离后的液态二氧化碳转化为纯化后的气态二氧化碳的蒸发器7，液 态二氧化碳来自气液分离器5分离后的液体，在高温条件下得到二氧化碳气体，
51.二氧化碳分离纯化的方法包括以下步骤：
52.s1、用连接管3将冷凝器4连接在捕集罩出口处；
53.s2、设置合适的温度；
54.s3、混合气体通过连接管3连续通入冷凝器；
55.s4、反应一段时间后，在低温下，混合气体中的二氧化碳优先变为液态，通 过管道流出冷凝器4；
56.s5、液体二氧化碳和混合气体进入气液分离器5，剩余混合气体通过顶部设 置的杂质气体排气口6排出，并且得到液态二氧化碳；
57.s6、液态二氧化碳进入蒸发器7，在高温条件下得到气态二氧化碳；
58.s7、分离纯化后的气态二氧化碳进入到蒸发器后连接的软管中。
59.实施例3
60.如图5所示，本实施例为一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置， 各部件安装于一个筒中构成一个筒式反应器，内筒直径为2m，内筒高度为6m， 系统包括：
61.用于分配气态二氧化碳的二氧化碳盘式气体分配装置9和盘式气体分配装 置的出气口10，采用盘式有利于二氧化碳气体均匀分配，二氧化碳盘式气体分 配装置9位于反应器顶部，出气口10均匀分布在二氧化碳盘式气体分配装置表 面，装置直径1.8m，
62.用于分配生化污水的生化污水配水管11和生化污水出水口12，生化污水配 水管11位于二氧化碳盘式气体分配装置下方100cm处，生化污水出水口12均 匀分布在生化污水配水管11表面，
63.用于生物膜载体的填料13，利用生化污水促进填料表面形成生物膜，利用 固碳微生物作为生物催化剂，实现二氧化碳的固定，填料13位于生化污水配水 管下方100cm处，填料高度为1m，
64.二氧化碳固定的方法包括以下步骤：
65.s1、二氧化碳气体通过软管8进入盘式气体分配装置9，通过出气口10均 匀排出，二氧化碳气体的流量为20m3/h；
66.s2、选择活性污泥污水、sbr污水或a2o系统污水作为生化污水来源，生 化污水进入生化污水配水管11，管内污水的流量为10m3/h；
67.s3、在生化污水的作用下，填料13表面形成生物膜，其中有一部分为固碳 微生物，这类微生物以二氧化碳为原料满足自身代谢，将二氧化碳还原为有机物。
68.实施例4
69.如图6所示，本实施例为一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置， 包括：
70.用于过滤并且允许气体逸出的带滤网的剩余反应气体出气口14，反应结束 后的气体中含有未反应的二氧化碳，出气口14位于筒式反应器底部以上20cm 筒壁处，有利于反应后的剩余气体排出，
71.用于输送剩余反应气体的剩余反应气体回用管15，回用管15起端接带滤网 的剩余反应气体出气口14，末端连接在冷凝器4与捕集罩1之间的连接管上3， 即可进入二氧化碳分离纯化系统进行回用，
72.二氧化碳循环利用的方法包括以下步骤：
73.s1、反应结束后的气体中或许带有杂质，先通过出气口14的滤网过滤；
74.s2、剩余反应气体进入剩余反应气体回用管15；
75.s3、剩余反应气体通过回用管15进入冷凝器4与捕集罩1之间的连接管；
76.s4、剩余反应气体进入二氧化碳分离纯化系统，重复实施例2的步骤。
77.实施例5
78.如图7所示，本实施例为一种污水处理厂逸散二氧化碳捕集与固定的装置， 包括：
79.用于暂时收集反应生成的有机物和剩余生化污水的有机物和生化污水混合 液收集池16，收集池16接在筒式反应器底端，
80.用于分离有机物和生化污水的分离器17，利用有机物和生化污水密度不同， 采用离心机进行分离，
81.用于处理反应后产物的有机物收集装置18和剩余生化污水排放装置19。
82.产物收集的方法包括以下步骤：
83.s1、反应生成的有机物与剩余的生化污水混合液进入收集池16，被暂时收 集在池中；
84.s2、混合液从收集池16流入分离器17，采用离心机，其转速3000r/min；
85.s3、被分离的有机物被储存在有机物收集装置18，剩余生化系统的污水经 过剩余生化污水排放装置19排放至原生化处理单元。