CN103402930B - 由来自废水净化设备的污泥制备生物油的集成方法 - Google Patents

Abstract

一种用于由来自废水净化设备的污泥制备生物油的集成方法包括以下步骤：（a）将废水送至净化设备，获得污泥；（b）将该步骤（a）中获得的污泥经历液化，获得混合物，该混合物包括由生物油组成的油相、固相和水相；（c）将该步骤（b）中获得的水相送至该净化设备。有利地，可将这样获得的生物油（或“生物原油”）用于制备生物燃料，这些生物燃料可以本身使用，或与其他汽车燃料一起以混合物使用。此外，该生物油（或“生物原油”）可本身使用（生物燃料），或与化石燃料（可燃性油、煤等）一起以混合物使用，用于产生电能或热。

Description

由来自废水净化设备的污泥制备生物油的集成方法

技术领域

本发明涉及一种由来自废水净化设备的污泥制备生物油的集成方法。

更具体地，本发明涉及一种由来自废水净化设备的污泥制备生物油的集成方法，该方法包括：将废水送至净化设备，将来自该净化设备的污泥经历液化且将从该液化获得水相送至该净化设备。

这样获得的生物油（或“生物原油”）可有利地用于制备生物燃料，该生物燃料可以本身使用，或与其他汽车燃料一起以混合物使用。此外，该生物油可本身（生物燃料）使用，或与化石燃料（可燃性油、煤等）一起以混合物使用，用于产生电能。

背景技术

生物质（特别是源于植物的生物质）用于能量目的的使用，例如用作用于制备生物燃料或可加入燃料的组分的原料是本领域已知的。因此，生物质可代表可再生能量的来源，作为常规的、燃料制备中通常使用的来自化石原料的替代品。

然而，该生物质的用途转向至用于动物和/或人类消耗的宝贵食物资源。

本领域中已经做出努力，目的是使用废物和/或城市、工业和/或农业残留物以用于能量目的。在这个方面，已经进行研究，目的是使用来自城市和/或工业废水净化设备的污泥用于能量目的。

事实上，城市和/或工业废水净化设备允许获得分类为废物的污泥，该污泥本身可被再次使用或处理。然而，国内和欧洲法律的逐步严格产生了制备的污泥的管理中的问题。事实上，一方面，污泥填埋处理日渐面临着欧洲指令设置的限制，目的是减少填埋的废物的总量。另一方面，由于对可在最终产物中找到的污染物的水平的限制，在将所有污泥用于制备堆肥或土壤改良剂中发现日益增长的困难。反之亦然，污泥在焚烧炉或水泥工厂的使用（例如，作为水泥添加剂）暗示了例如，由于其含水量而导致的经济性质的问题。事实上，废水净化设备的出口处的污泥的含水量（约70重量%至80重量%）显著地降低了其热值，结果是在将其用于焚烧炉或水泥工厂之前，需要进行部分或全部干燥步骤，结果增加了净化设备的操作成本。

例如，Molton等，在文献“Stors：TheSludge-to-OilReactorSystem”，公布在EPA/600/S2-86/034中，1986年6月，公开了来自城市水的净化设备的污泥用于制备油类和煤（用于燃料）的用途。特别地，在苏打的存在下，在275℃至305℃范围内的温度下，在86巴至148巴范围内的压力下，将该污泥经历液化。在该文献中声明了，与将来自该污泥的液化的废水经历厌氧消化的可能性相关的试验结果是消极的。

国际专利申请WO2009/083985公开了一种用于处理有机废物的多步骤方法，该方法包括：

（a）将来自水净化设备的污泥干燥，目的是将含水量降低至低于15%；

（b）将所干燥的污泥与溶剂混合以获得浆料；

（c）在溶剂的存在下，在约275℃至约375℃范围内的温度下且在高达10个大气压（约10巴）的压力下，将步骤（b）中获得的浆料经历热化学液化，获得第一浆料，该第一浆料包括气体产物、液体产物和固体产物（“浆料产物1”），其中该溶剂任选地来自溶剂再循环流；

（d）将该第一浆料（“浆料产物1”）分离，获得第二浆料（“浆料产物2”）以及包含水和沸点高达250℃的其他液体馏分的可冷凝气体；

（e）在250℃至400℃范围内、优选在300℃至350℃范围内的温度下汽提该第二浆料（“浆料产物2”），将液体产物与固体残留物分离，将该液体产物转化为气相，获得蒸气和固体炭的混合物；

（f）将步骤（e）中获得的蒸气的混合物冷却和分离，获得两个分离的流：油流和水流；

（g）将步骤（f）中获得的油流经历真空蒸馏，以回收沸点在250℃至350℃范围内的馏分；且将沸点大于350℃的剩余馏分再循环，作为步骤（b）中使用的溶剂再循环流。

据说以上方法能够将来自水净化设备的污泥转化为相对已知方法具有提高的产率和更高的能量效率的燃料和原油。

国际专利申请WO2009/064204公开了一种用于处理原料以降低该原料中的污染物水平或以获得可用于制备燃料的粗产物的装置和方法。特别地，公开了一种连续方法，该方法包括以下连续的步骤：

（a）由原料制备可泵送形式的进料、或浆料，

（b）在100巴至350巴范围内的压力下将一定量的该进料加压；

（c）将该加压的进料转移至加工容器；

（d）在该加工容器中将该进料的温度从250℃增加至400℃，获得粗产物的加压流；

（e）在该加压容器中将该粗产物的加压流冷却至直到室温或接近室温；和

（f）在将该粗产物的加压流从该系统排出之前，将其减压。

该原料可为任意的有机或被污染的材料，诸如，例如来自干法净化工艺的生物质、藻类、污泥。该粗产物的流可用于制备富含油的流，该富含油的流可代替原油或类似产物，以制备柴油、喷气燃料、润滑油、汽油、或类似产物。

然而，以上所示的方法可显示一些重要的点，诸如，例如：

-在将浆料形式的污泥经历液化之前，使用溶剂获得浆料形式的污泥，由于工艺过程中不可避免的溶剂损失，结果是反应体积的增加、操作成本的增加和需要进行周期的溶剂补充；

-需要干燥该污泥，结果是成本的增加和加工时间的延长；

-污泥液化过程中制备的水（大体上包含一部分未被转化为油的有机材料）的管理，结果是对油而言产率的降低和需要该水的专用净化系统；

-由于需要将污泥液化过程中制备的水的该专用净化系统与其他净化管线集成的问题，结果是废水净化设备的整个投资和操作成本的增加。

发明内容

因此，申请人面对了找到用于由来自污水净化设备的污泥制备生物油的方法的问题，该方法允许集成净化、污泥制备和生物油制备。特别地，申请人面对了找到其中可使用从该污泥的液化获得的水相的方法的问题，且更具体地，在该废水净化设备中使用该水相的问题。

现在，申请人已经发现由来自废水净化设备的污泥制备生物油可通过一种集成方法有利地进行，该集成方法包括：将废水送至净化设备，将来自该净化设备的污泥经历液化且将从该液化获得的水相进料至净化设备。

以上所述的集成方法可提供很多优点，诸如，例如：

-利用来自城市和/或工业废水净化设备的污泥作为能量载体，即，通过将其转化为生物油；

-直接在城市和/或工业废水净化设备中有效和简单地管理从污泥液化获得的水相，不需要将该水相经历另外的处理，结果是减少了整个投资和操作成本；

-将待送至填埋或另外处理（例如，干燥以将其用于焚烧炉或用于水泥工厂）的、废水净化工艺中获得的固体废物的量最小化，结果是减少了整个处理成本；

-可能利用从该液化获得的固相用于产生热能和/或电能，该热能和/或电能可以给以上工艺供应能量，结果是节约了能量；

-将通常在城市和/或工业废水净化设备中应用的预处理中获得的量的油类和/或脂肪类与污泥一起送至液化步骤（即，将该油类和/或脂肪类与该污泥共同进料至液化步骤），结果是生物油的产率的增加和该油类和/或脂肪类的处理成本的置零。

这样获得的生物油可有利地用于制备生物燃料，该生物燃料可以本身使用，或与其他汽车燃料一起以混合物使用。此外，该生物油可本身使用（生物燃料），或与化石燃料（可燃性油、煤等）一起以混合物使用，用于产生电能或热。

因此，本发明的目的是用于由来自废水净化设备的污泥制备生物油的集成方法，该集成方法包括以下步骤：

（a）将废水送至该净化设备，获得污泥；

（b）将该步骤（a）获得的污泥经历液化，获得混合物，该混合物包括由生物油组成的油相、固相和水相；

（c）将步骤（b）获得的水相送至该净化设备。

为了本发明的说明书和以下权利要求书的目的，数字范围的限定总是包括端值，除非另外说明。

根据本发明的另一个优选实施例，该污泥可选自初沉池污泥、生物污泥、城市和/或工业废水净化设备中制备的污泥、或其混合物。

根据本发明的一个优选实施例，该污泥可与其他材料一起以混合物使用，所述其他材料为诸如，例如：

-城市固体废物，所述城市固体废物选自，例如，来自分类收集的废物的有机材料、选自未分类的城市固体废物的有机材料、或其混合物；或该有机材料与具有修剪碎屑（pruningcut-offs）和/或农业残留物的混合物；

-来自农业和/或畜牧业活动的残留物和/或废料；

-来自农业/食品工业的残留物和/或废料；

-来自农业加工、造林业和/或森林业的残留物和/或废料；

-来自废水的预处理的含油副产物，诸如油类和/或脂肪类；

或其混合物。

根据本发明的一个特别优选实施例，该污泥可与来自废水的预处理的含油副产物（诸如，例如，油类和/或脂肪类）一起以混合物使用。该预处理大体上由通常为一个物理性质的多个过程组成，多个过程为诸如，例如粗固体筛选、撕裂或研磨、去除砂砾、分离油、初步沉降。

根据本发明的一个优选实施例，通过在使城市固体废物、和/或来自农业和/或畜牧业活动的残留物和/或废料、和/或来自农业/食品工业的残留物和/或废料、和/或来自农业加工、造林业和/或森林业的残留物和/或废料经历液化步骤（b）之前，使其经历预研磨或尺寸分类过程来处理。

根据本发明的一个优选实施例，该液化步骤（b）可在150℃至350℃范围内、优选250℃至320℃范围内的温度下进行。

根据本发明的一个优选实施例，该液化步骤（b）可在5巴至170巴范围内、优选35巴至120巴范围内的压力下进行。

根据本发明的一个优选实施例，该液化步骤（b）可进行5分钟至240分钟范围内、优选15分钟至180分钟范围内的时间。

该液化步骤（b）可在本领域已知的反应器（诸如，例如高压釜或管式反应器）中进行。

该液化步骤（b）可以不同的方式（诸如，例如非连续的间歇式、或连续式，优选连续式）操作进行。

假设该液化步骤（b）所需的热能可全部或部分来自热回收（例如，来自该液化步骤（b）中获得固相的利用）或常规能量载体（例如甲烷气体、LPG、矿物油、煤等）的燃烧，不排除的是，热能可来自其他可再生源，诸如，例如阳光或生物质。

该液化步骤（b）中获得的混合物中包括的油相、固相和水相可通过本领域已知的技术分离，该技术为诸如，例如重力分离（例如，沉降、倾析）、过滤、离心。优选地，所述相通过重力分离分离。

此外，在该液化步骤（b）中形成了气相，相对于该污泥的重量（干重），或者在以上所述的该污泥与其他材料一起以混合物使用的情况下，相对于该污泥+该其他材料的重量（干重），该气相的量等于约10重量%至25重量%。该气相主要由二氧化碳（约80摩尔%至95摩尔%）、和具有1至4个碳原子的烃类的混合物、或其他气体（约10摩尔%至20摩尔%）组成。在将从该液化步骤（b）获得的混合物（油相+固相+水相）送至分离之前，分离（例如可通过其中进行该液化步骤（b）的加压容器的减压进行分离）之后，该气相大体上被送至另外的处理，以利用其可燃性有机组分。

分离之后获得的固相大体包括有机残留物和/或无机残留物。该固相可填埋处理，或可通过直接燃烧获得可用于该液化步骤（b）的热和/或电能、和可送至填埋的灰烬而被利用，或其可用作建筑工业或陶瓷工业中的无机起始材料。

分离之后获得的水相包括一部分来自该污泥的溶解的有机材料和其他无机材料（例如，硝酸盐类、磷酸盐类、碳酸盐类）。一般而言，相对于该污泥的干燥馏分的总重量，或者，在以上所述的污泥与其他材料一起以混合物使用的情况下，相对于该污泥+该其他材料的干燥馏分的总重量，该水相可含有含量高于或等于10重量%、优选20重量%至40重量%范围内的溶解的有机材料。

本发明的目的的集成方法允许制备总产率在15%至50%范围内的生物油，该产率是相对于初始污泥的干燥馏分的总重量，或者，在以上所述的该污泥与其他材料一起以混合物使用的情况下，相对于该污泥+该其他材料的干燥级分的总重量来计算的。

应当注意的是，由于将来自该液化步骤（b）的水相直接进料至废水净化设备，本发明的目的集成方法允许在被处理或使用之前，不将该水相经历另外的处理，结果是投资和操作成本的减少。

此外，应当注意的是，使用来自通常在废水净化设备中进行的预处理的油类和/或脂肪类的可能允许获得生物油的产率的增加。该增加在2%至10%范围内，该产率增加是相对于污泥的初始干燥馏分的总重量，或者，在以上所述的该污泥与其他材料一起以混合物使用的情况下，相对于该污泥+该其他材料的干燥馏分的总重量来计算的。

此外，液化步骤（b）允许最小化待送至填埋或另外处理（例如，干燥）的废水的净化工艺中获得的固体废物的量，结果是整个处理成本的减少。

通过以上的集成方法获得的生物油可被送至随后的加工阶段，以通过本领域已知的工艺（诸如，例如，氢化或裂解）将其转化为例如生物燃料。

附图说明

在任意情况下，参考附图，本发明的另外特征和优点将从以下本申请的优选实施例的详细描述中变得更明显，该优选实施例纯粹作为非限制性示例给出的，其中：

图1，为了比较，示出了城市废水净化设备的一个实施例；和

图2示出了实施本发明的目的的集成方法的净化设备的一个实施例。

根据城市废水的净化方法的典型实施方式，如图1所示，城市废水被进料至预处理（例如，粗固体筛选、除去砂砾、分离油），获得油类和/或脂肪类和水相，将油类和/或脂肪类进料至工业废水的加工设备，且将水相送至废水加工，获得污泥和用于灌溉的水，该污泥可用于，例如堆肥或作为水泥的添加剂。

具体实施方式

根据本发明的目的的集成方法的典型实施方式，将城市废水送至预处理（例如，粗固体筛选、除去砂砾、分离油），获得油类和/或脂肪类和第一水相。将该第一水相送至废水处理，获得用于灌溉的水和污泥。将这样获得的污泥、与从该预处理获得的油类和/或脂肪类以混合物送至液化步骤，获得混合物，该混合物包括由生物油组成的油相、固相和第二水相。将该混合物进料至相分离步骤，获得：由生物油组成的油相、包括有机和/或无机残留物的固相、和包括一部分来自该污泥的溶解的有机材料和其他无机化合物（例如，硝酸盐类、磷酸盐类、碳酸盐类）的第二水相。该固相可以填埋处理，或可通过直接燃烧获得可用于该液化步骤（b）的热和/或电能、和可送至填埋的灰烬而被利用，或其可在建筑工业或陶瓷工业中用作无机起始材料。直接将该第二水相送至废水加工。

在液化过程中，还制备了包括CO₂、具有1至4个碳原子的气体烃类、或其他气体的气相（图2中未示出），在将液化之后获得的混合物（油相+固相+第二水相）送至相分离部分之前，该相可例如通过其中进行该液化的加压容器的减压来分离。可将这样获得的气相进料至另外加工以利用其可燃性有机组分。

可将这样获得的生物油进料至随后的加工阶段以将其转化，例如，通过另外处理（例如，氢化或裂解（图2中未示出））转化为生物燃料。

为了更好地理解本发明且将其付诸实践，以下说明了本发明的一些非限制性的说明性示例。

示例1（对比）

使用用于城市废水净化（“白”水和“黑”水、雨水）的参考设备，该设备的废水为1亿m³/年。将废水经历预处理，流过粗固体筛选、除去砂砾和分离油的部分。从这些部分中，在其他副产物中，已经获得约282吨/年的油类和脂肪类，将该油类和脂肪类送至工业废水和第一水相的加工设备。将该第一水相送至废水加工，获得污泥和用于灌溉的净化水。收集从以上所述的加工（好氧细菌氧化）中获得的污泥，获得46,000吨/年的污泥（32%干燥含量），该污泥已被送至制备堆肥。

示例2（本发明）

使用与用于通过液化步骤制备生物油的设备集成的、城市废水（“白”水和“黑”水、雨水）的净化设备，该设备的废水为1亿m³/年。

将46,000吨/年的湿污泥与282吨/年的油类和脂肪类混合成一体且连续送至液化步骤，即，送至管式反应器。在310℃（反应器内部温度）下、在110巴（反应器内部压力）下将液化步骤进行约1小时。

在重力分离器中将反应原油连续分离，获得以下相：

-水相（即，第二水相）（31,100吨/年），将水相直接送至城市废水的该净化设备，且与该净化设备中加工的废水的总体积相比水相体积为0.03%（该送表示该净化设备的性能没有变化，因为已经获得了完全符合法律要求的规范的水）；

-由固体残留物组成的固相（7,916吨/年），该固相被送至废物-至-能量设备（应该在与根据本发明的生物油的制备设备未集成的净化设备中加工的固体物的总重量相比，固相为17重量%）；

-可用于汽车领域的、由生物油组成的油相（5,690吨/年-等于约118桶/天）；

-气相，该气相已被送至基于该气相的剩余热值的能量利用。

示例3（本发明）

使用与用于通过液化步骤制备生物油的设备集成的、城市废水（“白”水和“黑”水、雨水）的净化设备，该设备的废水为1亿m³/年。城市水的量通过人口等于100万的城市区域产生。该城市区域还产生作为分类收集的废物的、约90,000吨/年的城市固体废物的有机馏分（FORSU）（35%干燥含量）。

将46,000吨/年的湿污泥、282吨/年的油类和脂肪类和90,000吨/年的FORSU混合成一体且连续送至液化步骤，即送至管式反应器。在310℃（反应器内部温度）下、在110巴（反应器内部压力）下将液化步骤进行约1小时。

在重力分离器中将反应原油连续分离，获得以下相：

-水相（即，第二水相）（94,300吨/年），将水相直接送至城市废水的该净化设备，且与该净化设备中加工的废水的总体积相比水相体积为0.08%（该送表示该净化设备的性能没有变化，因为已经获得了完全符合法律要求的规范的水）；

-由固体残留物组成的固相（13,435吨/年），该固相被送至废物-至-能量设备（应该在与根据本发明的生物油与分类收集的废物（FORSU）的制备设备未集成的净化设备中加工的固体物的总重量相比，该固相为10重量%）；

-可用于汽车领域的、由生物油组成的油相（24,494吨/年-等于约500桶/天）；

-气相，该气相已被送至基于该气相的剩余热值的能量利用。

示例4

在具有活性污泥（体积：4升）的实验室设备中，加载来自包含6g/升的MLTSS（总悬浮固体物）的城市废水的净化设备的污泥。

向该系统进料液体基质，该液体基质模拟具有以下特征的家庭污水：

-蔗糖=0.4克/升；

-缓冲溶液的pH=7；

-加载COD（“化学需氧量”）=320毫克/升。

一旦恒定降解能力（适应）被证实，加入待净化的配料（charge）和与总水性配料（污泥加载等于0.016Kg_BOD/Kg_MLTSS）相比浓度为0.03%的、来自示例2中描述而获得的污泥+油类和脂肪类的液化的第二水相。

将整体保持在室温下7天，通过输出COD的分析控制系统的净化能力。假如被净化的水符合输出COD低于100毫克/升的法律要求，整个阶段中保持系统的净化能力。

然后，将水相的流速和浓度增加至0.1Kg_BOD/Kg_MLTSS（对应的进水的浓度，与总的水性配料相比等于0.3%（即初始值的10倍以上）），以检验系统的最大工作极限和任何负荷应力。在城市废水的该净化设备的净化能力不改变的情况下，整个试验持续约一个月。

Claims (6)

1.一种由来自废水净化设备的污泥制备生物油的集成方法，由以下步骤组成：

(a)将废水送至所述净化设备，获得污泥；

(b)将所述步骤(a)中获得的所述污泥经历液化，获得混合物，所述混合物包括由生物油组成的油相、固相和水相；

(c)将所述步骤(b)中获得的所述水相送至所述净化设备，

其中所述液化步骤(b)是在150℃至350℃范围内的温度下，在5巴至170巴范围内的压力下进行的，且所述液化步骤(b)进行的时间在5分钟至240分钟范围内，

相对于该污泥的干燥馏分的总重量，该水相可含有含量为20重量％至40重量％范围内的溶解的有机材料。

2.根据权利要求1所述的集成方法，其中所述污泥选自初沉池污泥、城市和/或工业废水的净化设备中制备的生物污泥、或其混合物。

3.根据权利要求1或2所述的集成方法，其中所述污泥与其他材料一起混合使用，所述其他材料为诸如：

-城市固体废物，所述城市固体废物选自：来自分类收集的废物的有机材料、选自未分类城市固体废物的有机材料、或其混合物；或所述有机材料与具有修剪碎屑和/或农业残留物的混合物；

-来自农业和/或畜牧业活动的残留物和/或废料；

-来自农业/食品工业的残留物和/或废料；

-来自农业加工、造林业和/或森林业的残留物和/或废料；

-来自废水的预处理的含油副产物，诸如油类和/或脂肪类；

或其混合物。

4.根据权利要求3所述的集成方法，其中所述污泥与来自废水的预处理的含油副产物混合使用，所述含油副产物为诸如油类和/或脂肪类。

5.根据权利要求3所述的集成方法，其中通过在使所述城市固体废物、和/或来自农业和/或畜牧业活动的所述残留物和/或废料、和/或来自农业/食品工业的所述残留物和/或废料、和/或来自农业加工、造林业和/或森林业的所述残留物和/或废料经历液化步骤(b)之前，使其经历预研磨或尺寸分类过程来处理。

6.根据前述权利要求1或2所述的集成方法，其中将所述步骤(b)中获得的所述混合物中包含的所述油相、所述固相和所述水相通过重力分离、过滤、离心来分离。