CN103396815B - 一种污泥制备炭材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种污泥制备炭材料的方法。其步骤为，将高含水污泥预热得到预热污泥；水和固体颗粒初次分离：将所述预热污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构及细胞膜壁，使束缚水和固体颗粒有效分离；水和固体颗粒再次分离；脱水使其含水率降至40%左右的脱水污泥；炭化：制备成生物炭。还可以包括将所述生物炭进一步改性处理制备成吸附炭材料。还可以包括将所述的脱水污泥进行厌氧发酵产生沼气。本发明的方法制备成的吸附炭材料回用于污水厂，吸附污水中的重金属、氮磷以及有机物，实现污泥在污水厂内的循环利用；过程中产生的可燃气体作为热解炭化炉的补充燃料。本工艺方法具有循环利用，变废为宝、生态环保的优点。
Description
技术领域
本发明涉及环保固废处理技术领域，具体涉及一种污泥制备炭材料的方法。
背景技术
水热干化技术是近年来发展迅速的一种非蒸发脱水技术。原理是通过高温高压（如160~200℃, 2MPa）饱和蒸汽作用使污泥中的粘性有机物水解、破坏污泥菌胶团的胶体结构，可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能。另外，高温下可以分解污泥中的蛋白质，细胞发生破裂，胞内的水分被释放。经过水热处理后的污泥在不添加絮凝剂的情况下，利用机械脱水技术可使含水率大幅度降低到50％以下。
近年来，国外在水热脱水技术方面开展了大量的研发工作，例如，东京工业大学吉川邦夫（Yoshikawa Kunio）教授研究团队申请的特开2009-120746中提到污泥水热处理联合机械脱水的处理装置和处理方法，主要权利要求是2个水热反应器和1个机械脱水反应器组合而成的工艺，第1个水热反应器排出的废热蒸汽供入低第2个水热反应器预热其中的污泥，水热处理后的浆状物经机械脱水生成高热值的固体燃料。德国人Antrag auf Nichtnennung申请的操作水热法生产生物炭或腐殖质的装置方法的专利（DE102007022840）：水热处理反应器要两台或更多台并行运行，主要目的是为了利用其中先行运行反应器排出的废热去预热下一台反应器中的原料，提高系统的热利用效率，反应装置可连续运行，也可间接运行。美国Motasimur R. Khan申请了由脱水污泥组成的可用泵输送的制备燃料工艺（Process for Utilizing a Pumpable Fuel from Highly Dewatered Sewage Sludge, 专利号：US 005234468）：该方法将污泥先脱水以提高固体物质的含量，再经离心或加压得到固体含量更高的无定型污水污泥，之后在空气氛围下加热得到可用泵抽吸的粘度在400~1500厘泊的湿污泥泥浆，最后在气化炉中部分氧化燃烧后的经分离净化得到无污染的燃料气体。
国内开展水热脱水较早的研究机构是清华大学王伟教授团队。该团队申请了实用新型专利（申请号：201120111567.8）提供了一种高效节能的污泥水热闪蒸设备，包括反应罐体，在所述反应罐体内设置有进汽口、至少两个搅拌器；所述反应罐体内部分成至少两个腔体；反应腔体和所述反应腔体上方的循环前提；所述反应腔体和循环腔体内分别设置有所述搅拌器，所述进汽口设置在所述反应腔体内。另外，该团队所申请的发明专利（申请号：200410034142.6）提供了一种剩余污泥资源化、减量化处理的方法。剩余污泥通过以高压釜作为反应器，在110-190℃温度范围内进行热水解处理后，在序批式厌氧反应器（ASBR）中厌氧消化和脱水三个处理步骤，得到含水率为45%-50%的泥饼，农用或焚烧。
由此可见，现有的污泥脱水技术主要侧重于高含水污泥资源化利用过程面临的高效脱水，得到的泥饼主要用于固体燃料、农用肥料以及焚烧，还未见将水热处理后的污泥热解炭化作为生物炭或进一步加工改性回用于污水厂的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能循环利用，变废为宝、生态环保的污泥制备炭材料的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种污泥制备炭材料的方法，其步骤为：
预热：用污泥泵将高含水污泥打入调节预热储罐，与水热反应器排出的乏蒸汽直接或间接换热而被预热得到预热污泥；
水和固体颗粒初次分离：用污泥泵将所述预热污泥打入水热反应釜，通入160~300℃的饱和蒸汽到一定压力下搅拌处理一定时间，将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构及细胞膜壁，促使束缚水和固体颗粒有效分离；得到液态泥水混合物a；
水和固体颗粒再次分离：将所述的液态泥水混合物a用泵送入缓冲罐，高温高压的液态泥水混合物在缓冲罐中降温减压，在此过程中束缚水和固体颗粒进一步分离得到液态泥水混合物b；
脱水：将所述液态泥水混合物b再送入板框压滤机或离心脱水机进行脱水，得到脱水污泥，其含水率降至40%左右；
炭化：将所述脱水污泥经挤出机造粒后送入热解炭化炉进行炭化，制备成生物炭。
还包括如下步骤，将所述生物炭经进一步改性处理制备成吸附炭材料。
还包括如下步骤，将所述的脱水污泥进行厌氧发酵，产生沼气。
所述的高含水污泥为城市生活污水处理厂的污泥或工业污水处理厂的污泥。
所述的热解炭化炉为外热式炭化炉。
所述的热解炭化温度为400-800℃，反应时间为0.5-5小时；优选为450-600℃；反应时间为1-3小时。
所述的进一步改性处理为可采用不同氧化剂，比如硝酸、臭氧、高锰酸钾、次氯酸和双氧水等处理污泥炭，或利用各种锰、铁的盐溶液浸泡污泥炭，改变污泥炭的表面特性及孔结构分布。
具体步骤为：
预热：用污泥泵将高含水污泥打入调节预热储罐，与水热反应器排出的乏蒸汽直接或间接换热而被预热得到预热污泥；
水和固体颗粒初次分离：用污泥泵将所述预热污泥打入水热反应釜，通入160~300℃的饱和蒸汽到1.5-9.5MPa压力下搅拌处理30min-90min，将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构及细胞膜壁，促使束缚水和固体颗粒有效分离；得到液态泥水混合物a；
水和固体颗粒再次分离：将所述的液态泥水混合物a用泵送入缓冲罐，高温高压的液态泥水混合物在缓冲罐中降温减压，温度降低到80℃以下，减压到常压；在此过程中束缚水和固体颗粒进一步分离得到液态泥水混合物b；
脱水：将所述液态泥水混合物b再送入板框压滤机或离心脱水机进行脱水，离心机速度1800-2500r/min，处理时间15min-60min，得到脱水污泥，其含水率降至40%左右；
炭化：将所述脱水污泥经挤出机造粒后送入热解炭化炉进行炭化，制备成生物炭；其中的挤出压力为3-10MPa。
所述制备成的吸附炭材料在污水处理厂的用途。
所述的生物炭用做肥料或土壤改良剂的用途；其向土壤中的添加比例是2-20t/ha。
本发明还提供了制备的污泥炭经改性处理制备成吸附炭材料后在污水处理厂的利用示意流程图，如图2所示，制备的热解炭化污泥炭进一步改性处理制备成吸附炭材料，可采用不同氧化剂，如硝酸、臭氧、高锰酸钾、次氯酸和双氧水等处理污泥炭，或利用各种锰、铁的盐溶液浸泡污泥炭，改变污泥炭的表面特性及孔结构分布。
生物炭经进一步改性处理制备成吸附炭材料。以硝酸改性处理为例：称取污泥生物炭100g，加入硝酸浓度为1-20 mol/L（优选为5-15 mol/L）的溶液500ml，在25℃下震荡反应3h，然后用漏斗抽洗2次，去除改性后生物炭中大部分硝酸，最后用索式提取器循环萃取10h以上，将生物炭洗至中性，在105℃下烘箱中烘干。
制备成的吸附炭材料加入到水处理厂的二沉池前段污水，吸附污水中的重金属、氮磷以及有机物，经二沉池初步脱水后的吸附炭材料和污泥一起进入实施例1中污泥水热脱水耦合热解炭化制备炭的流程，实现了污泥在污水场内的循环利用。工艺方法中可向二沉池出水中加入煤质或木质活性炭进行污水深度净化，以此来提高出水水质，并将在二沉池出水中利用后的活性炭回收利用于二沉池前端污水，再次吸附污水中的有机物、重金属、氮磷等。
本发明提供的一种污泥制备炭材料的方法，充分的利用了污泥脱水技术，并将脱水造粒成型后的污泥间接加热炭化制备成生物炭，所得的生物炭可用于生物炭基肥和土壤改良剂。也可以将热解炭化污泥炭进一步深度改性后回用于污水厂，用做污水中的有机物、重金属、氮磷的吸附剂。
本发明提供的污泥制备炭材料的方法有以下几方面的有益效果：
（1）本发明提供了污泥水热脱水系统，该技术能将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，促使束缚水和固体颗粒分离，水热处理所得的液态泥水混合物经板框压滤机或离心脱水机进行脱水，可将污泥含水率降至40%左右；
（2）本发明提供了热解/炭化炉，将造粒成型后的污泥间接加热炭化制备成生物炭，在热解炭化过程中产生的可燃气体（含焦油）作为热解炭化炉的补充燃料；
（3）制备的污泥炭经进一步改性处理制备成吸附炭材料，回用于污水厂，吸附污水中的重金属、氮磷以及有机物，实现污泥在污水厂内的循环利用。
附图说明
图1为本发明污泥制备炭材料的方法工艺流程图；
图2为本发明制备的污泥炭经改性处理制备成吸附炭材料后在污水处理厂的利用示意流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1： 污泥制备炭材料
如图1所示，将来自城市生活污水处理厂，含水率80%-90%的污泥用污泥泵打入调节预热储罐（北京机电院高技术股份有限公司），与水热反应器（北京机电院高技术股份有限公司）排出的乏蒸汽直接或间接换热而被预热，所得的预热污泥打入水热反应釜（北京机电院高技术股份有限公司），通入160~300℃的饱和蒸汽到1.5-9.5MPa压力下搅拌处理30min-90min，将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构及细胞膜壁，促使束缚水和固体颗粒有效分离，所得的液态泥水混合物a用泵送入缓冲罐（北京机电院高技术股份有限公司），高温高压的液态泥水混合物在缓冲罐中降温减压（温度降低到80℃以下，减压到常压），在此过程中束缚水和固体颗粒进一步分离，降温后（温度降低到80℃以下）的液态泥水混合物b再送入板框压滤机或离心脱水机（北京机电院高技术股份有限公司）进行脱水（离心机速度1800-2500r/min，处理时间15min-60min），使机械分离脱水后的污泥含水率降至40%左右，所得的脱水污泥经挤出（挤出压力3-10MPa）机造粒后送入外热式炭化炉（福建鸿宇安生物科技有限公司），在热解炭化温度为450-600℃和反应时间为0.5-3h的工艺条件下进行炭化，制备成生物炭（挥发分含量低于10%），用做肥料或土壤改良剂，向土壤中的添加比例是2-20t/ha。
实施例2： 污泥制备吸附炭材料
如图1所示，将来自城市生活污水处理厂，含水率80%-90%的污泥用污泥泵打入调节预热储罐（北京机电院高技术股份有限公司），与水热反应器（北京机电院高技术股份有限公司）排出的乏蒸汽直接或间接换热而被预热，所得的预热污泥打入水热反应釜（北京机电院高技术股份有限公司），通入160~300℃的饱和蒸汽到一定压力（1.5-9.5MPa）下搅拌处理一定时间（30min-90min），将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构及细胞膜壁，促使束缚水和固体颗粒有效分离，所得的液态泥水混合物用泵送入缓冲罐（北京机电院高技术股份有限公司），高温高压的液态泥水混合物在缓冲罐中降温减压（温度降低到80℃以下，减压到常压），在此过程中束缚水和固体颗粒进一步分离，降温后（温度降低到80℃以下）的液态泥水混合物再送入板框压滤机或离心脱水机（北京机电院高技术股份有限公司）进行脱水（离心机速度1800-2500r/min，处理时间15min-60min），使机械分离脱水后的污泥含水率降至40%左右，所得的脱水污泥经挤出（挤出压力3-10MPa）机造粒后送入外热式炭化炉（福建鸿宇安生物科技有限公司），在热解炭化温度为450-600℃和反应时间为0.5-3h的工艺条件下进行炭化，制备成生物炭（挥发分含量低于10%）。
生物炭经进一步改性处理制备成吸附炭材料。以硝酸改性处理为例：称取污泥生物炭100g，加入硝酸浓度为1-20 mol/L（优选为5-15 mol/L）的溶液500ml，在25℃下震荡反应3h，然后用漏斗抽洗2次，去除改性后生物炭中大部分硝酸，最后用索式提取器循环萃取10h以上，将生物炭洗至中性，在烘箱中105℃下烘干。
实施例3： 污泥制备沼气
如图1所示，将来自工业污水处理厂的污泥，含水率80%-90%的污泥用污泥泵打入调节预热储罐（北京机电院高技术股份有限公司），与水热反应器（北京机电院高技术股份有限公司）排出的乏蒸汽直接或间接换热而被预热，所得的预热污泥打入水热反应釜（北京机电院高技术股份有限公司），通入160~300℃的饱和蒸汽到一定压力（1.5-9.5MPa）下搅拌处理一定时间（30min-90min），将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构及细胞膜壁，促使束缚水和固体颗粒有效分离，所得的液态泥水混合物用泵送入缓冲罐（北京机电院高技术股份有限公司），高温高压的液态泥水混合物在缓冲罐中降温减压（温度降低到80℃以下，减压到常压），在此过程中束缚水和固体颗粒进一步分离，降温后（温度降低到80℃以下）的液态泥水混合物再送入板框压滤机或离心脱水机（北京机电院高技术股份有限公司）进行脱水（离心机速度1800-2500r/min，处理时间15min-60min），使机械分离脱水后的污泥含水率降至40%左右，所得的脱水液体进行厌氧发酵，产生沼气。以处理流量1m3/h、COD为30000mg/L的水热脱水液体为例：设计制作一个容积为200m3的厌氧发酵罐，向发酵罐中加入原始污泥100m3，在25-40℃下（优选温度35℃）静态厌氧培养7天后，开始间歇进水热脱水液，每天进水3-5h，水力停留时间为150h左右，观测产气现象。1周之后改为连续进水并逐步缩短水力停留时间，根据发酵罐内的pH值变化、产气量判断污泥驯化过程，驯化周期约25天，当pH值保持在6.5-7.5的范围内，沼气产气率达到0.5L/(L.d)左右，表明甲烷化菌循环成功。之后，将水力停留时间保持在3天左右，用恒流污水泵以上流方式连续进水，连续产沼气。
实施例4： 污泥制备所得的吸附炭材料在污水处理厂的利用
本实施例采用的是实施例2所得的吸附炭材料。见图2。
吸附炭材料加入到水处理厂的二沉池前段污水，吸附污水中的重金属、氮磷以及有机物，经二沉池初步脱水后的吸附炭材料和污泥一起进入实施例1或2或3中污泥水热脱水耦合热解炭化制备炭的流程，实现了污泥在污水场内的循环利用。工艺方法中可向二沉池出水中加入煤质或木质活性炭进行污水深度净化，以此来提高出水水质，并将在二沉池出水中利用后的活性炭回收利用于二沉池前端污水，再次吸附污水中的有机物、重金属、氮磷等。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (2)
1.一种污泥制备炭材料的方法，其步骤为：
预热：用污泥泵将高含水污泥打入调节预热储罐，与水热反应器排出的乏蒸汽直接或间接换热而被预热得到预热污泥；所述的高含水污泥为城市生活污水处理厂的污泥或工业污水处理厂的污泥；
水和固体颗粒初次分离：用污泥泵将所述预热污泥打入水热反应釜，通入160~300℃的饱和蒸汽到1.5-9.5MPa压力下搅拌处理30min-90min，将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构及细胞膜壁，促使束缚水和固体颗粒有效分离；得到液态泥水混合物a；
水和固体颗粒再次分离：将所述的液态泥水混合物a用泵送入缓冲罐，高温高压的液态泥水混合物在缓冲罐中降温减压，温度降低到80℃以下，减压到常压，在此过程中束缚水和固体颗粒进一步分离得到液态泥水混合物b；
脱水：将所述液态泥水混合物b再送入离心脱水机进行脱水，得到脱水污泥，其含水率降至40%；所述离心机速度1800-2500r/min，处理时间15min-60min；
炭化：将所述脱水污泥经挤出机造粒后送入热解炭化炉进行炭化，制备成生物炭；所述的热解炭化炉为外热式炭化炉；所述的热解炭化温度为400-800℃，反应时间为0.5-5小时；其中的挤出压力为3-10MPa。
2.权利要求1所述的污泥制备炭材料的方法,其特征在于，还包括如下步骤，将所述生物炭经进一步改性处理制备成吸附炭材料。
3. 权利要求1所述的污泥制备炭材料的方法,其特征在于，还包括如下步骤，将所述的脱水污泥进行厌氧发酵，产生沼气。
4. 权利要求1所述污泥制备炭材料的方法，其特征在于，所述的热解炭化温度为450-600℃；反应时间为1-3小时。
5. 权利要求2所述污泥制备炭材料的方法，其特征在于，所述的进一步改性处理为采用不同氧化剂，所述氧化剂为硝酸、臭氧、高锰酸钾、次氯酸和双氧水，处理污泥炭，或利用各种锰、铁的盐溶液浸泡污泥炭，改变污泥炭的表面特性及孔结构分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Yin Inventor after: Zhang Gengling Inventor after: Wang Xingdong Inventor after: Cai Chao Inventor after: Huang Qing Inventor after: Xing Zhenjiao Inventor after: Chen Shaohua Inventor before: Wang Yin Inventor before: Zhang Gengling Inventor before: Wang Xingdong Inventor before: Cai Chao Inventor before: Huang Qing Inventor before: Xing Zhenjiao Inventor before: Kang Yuling Inventor before: Chen Shaohua |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WANG YIN ZHANG GENGLING WANG XINGDONG CAI CHAO HUANG QING XING ZHENJIAO KANG YULING CHEN SHAOHUA TO: WANG YIN ZHANG GENGLING WANG XINGDONG CAI CHAO HUANG QING XING ZHENJIAO CHEN SHAOHUA |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200326 Address after: 1-2fb02, research and development building G4, HUanpu science and Technology Industrial Park, No.211, tianguba Road, hi tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee after: Zhongke Kerun (Shaanxi) Eco-environment Co.,Ltd. Address before: 361000 No. 1799, Jimei Avenue, Xiamen, Fujian Patentee before: INSTITUTE OF URBAN ENVIRONMENT, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20131120 Assignee: INSTITUTE OF URBAN ENVIRONMENT, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Assignor: Zhongke Kerun (Shaanxi) Eco-environment Co.,Ltd. Contract record no.: X2020350000034 Denomination of invention: Method for preparing carbon materials by use of sludge Granted publication date: 20141217 License type: Exclusive License Record date: 20200708 |