CN104326637A - 一种污泥处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种污泥处理方法，属于污泥处理领域，能够合理有效地处理混合污泥，解决城市环境污染问题。所述污泥处理方法，包括：将市政污泥和钢厂污泥进行混合，得到混合污泥；将所述混合污泥进行研磨、筛分后，对其进行换热并送入反应器中；在所述反应器中，所述混合污泥在超临界状态下与氧化剂发生氧化反应，生成反应生成物；所述反应生成物经冷却后进行高压气液分离，得到动力尾气、CO2气体和富含金属氧化物的渣水。本发明可用于市政污泥和钢厂污泥的联合处理中。
Description
技术领域
本发明涉及污泥处理领域，尤其涉及一种污泥处理方法。
背景技术
近年来，随着经济的快速发展带动了城市化进程的加快，市政污水的处理量越来越大，使得污水处理过程中经絮凝沉降后产生的污泥数量随之增加。另外，随着钢铁工业的发展，大量的钢厂污泥也随之产生。市政污泥和钢厂污泥构成了混合污泥的主要来源，其中，钢厂污泥中富含丰富的过渡金属元素，比如Fe、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Ti、Zn、Cu、As等，均为钢厂污泥中常见的成分，市政污泥具有较高的热值。但由于二者中均含有大量的水，使其很难被经济地回收利用。
目前，大多采用传统的污泥焚烧方法对混合污泥进行处理，即在将污泥收集和脱水干燥处理后加入大量的可燃物引燃，放入焚烧炉中进行焚烧。由于污泥的水分含量大，这种焚烧方式会使得炉膛温度低，燃烧不充分，且可回收的热量少，所以通常还会向其中掺混煤、石油焦等具有热值更高的燃料，但燃烧后最终还会有较多燃烧不充分的固体残渣，并且在尾气中含有大量硫氧化物、氮氧化物以及二噁英类有毒有害气体，严重时，钢厂污泥经过焚烧还会产生大量重金属氧化物PM2.5、PM10等粉尘颗粒，其中的金属元素特别是重金属元素，比如Ni、Cr、Cu、Zn、As等会在高温焚烧过程中形成金属氧化物的微小颗粒，这种微小颗粒的收集和捕集非常困难，容易随尾气进入大气，对大气、土壤、地下水以及人体健康均产生不良影响。
由于目前还没有更好地可对市政污泥与钢厂污泥联合处理的相关工艺技术，所以怎样合理有效地处理混合污泥，既可以充分利用污泥中金属离子的催化活性，同时解决城市环境的污染问题是本领域技术人员所面临的重要课题。
发明内容
本发明实施例提供了一种污泥处理方法，能够合理有效地处理混合污泥，解决城市环境污染问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种污泥处理方法，包括：
将市政污泥和钢厂污泥进行混合，得到混合污泥；
将所述混合污泥进行研磨、筛分后，对其进行换热并送入反应器中；
在所述反应器中，所述混合污泥在超临界状态下与氧化剂发生氧化反应，生成反应生成物；
所述反应生成物经冷却后进行高压气液分离，得到动力尾气、CO2气体和富含金属氧化物的渣水。
可选的，所述钢厂污泥占所述混合污泥的质量百分数的5～30％。
可选的，所述钢厂污泥包括选自Fe、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Ti、Zn、Cu的过渡金属，以占所述钢厂污泥的质量百分数计，Fe为5～50％，Mn为0.1～10％，Ni为0.1～20％，Cr为0.1～15％，Mo为0.05～5％，V为0.01～3％，Ti为0.01～2％，Zn为0.02～5％，Cu为0.1～10％。
可选的，所述反应生成物经冷却后进行高压气液分离，得到动力尾气、CO2气体和富含金属氧化物的渣水包括：
在第一高压气液分离器中对所述反应生成物进行一级高压气液分离，以生成动力尾气和中间反应生成物；
在第二高压气液分离器中对所述中间反应生成物进行二级高压气液分离，以生成CO2气体和富含金属氧化物的渣水。
可选的，所述氧化剂选自空气、氧气和双氧水中的任意一种。
可选的，所述氧化反应的操作压力为22～30MPa，温度为380～900℃。
进一步的，所述氧化反应的操作压力为22～26MPa，温度为420～650℃。
可选的，所述反应生成物在所述第一高压气液分离器内的停留时间为5～60min。
进一步的，所述反应生成物在所述第一高压气液分离器内的停留时间为15～40min。
可选的，所述第一高压气液分离器的进口温度在31℃以下，出口压力在7.38MPa以上。
可选的，在对所述混合污泥进行研磨和筛分前或后，向所述混合污泥中加入复合剂，以提高所述混合污泥的浓度。
本发明实施例提供了一种污泥处理方法，本方法利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使混合污泥和氧化剂在超临界水中迅速发生反应来彻底分解混合污泥，以生成CO2气体和富含金属氧化物的渣水。在该方法中，不仅可对CO2实现资源化利用，还可使有机质中的N、S、P元素得到了有效地转化，实现了无害化处理。同时，由于钢厂污泥中含有大量地过渡金属元素，其在超临界水氧化作用下所起到催化氧化的作用，还实现了过渡金属元素的富集，尤其有利于含有重金属元素污泥的后期无害化处理，减小环境方面的负面影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的污泥处理方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的利用污泥处理装置进行污泥处理的工艺流程图；
图例：
a1为氧化剂、a2为原料水、a3为复配污泥，b1为尾气1、b2为尾气2、b3为渣水、b4为污泥废料；
1为传送系统、2为混合罐、3为泵1、4为研磨机、5为筛分机、6为缓冲罐、7为泵2、8为原料罐、9为高压浆泵、10为换热系统、11为反应系统、12为高压分离罐1、13为高压分离罐2、14为降压系统、15膨胀机、16为减压阀1、17为减压阀2、18为增压泵或压缩机、19为冷却器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明实施例提供的污泥处理方法进行详细描述。
图1为本发明实施例提供的污泥处理方法的流程图。如图1所示，本发明实施例提供了一种污泥处理方法，包括：
S1：将市政污泥和钢厂污泥进行混合，得到混合污泥；
在本步骤中，将市政污泥和钢厂污泥进行混合，得到混合污泥，以实现对所述混合污泥的耦合处理。其中，市政污泥来自城市污水，钢厂污泥由于工艺和设备不同，可来自冷轧热轧钢厂、鼓风炉、氧气顶吹炉(顶吹炉、转炉、底吹炉)、酸洗和电镀作业、热处理厂、新式平炉等。相对于市政污泥而言，钢厂污泥主要由水和从转炉废气中洗下的氧化铁颗粒组成，且含有丰富的过渡金属元素。可以理解的是，将所述钢厂污泥与市政污泥进行混合时通常需要混合均匀，而混合调节的方法可使用本领域技术人员所获得的常规方法，本发明实施例不做具体限定。
S2：将所述混合污泥进行研磨、筛分后，对其进行换热并送入反应器中。
在本步骤中，需对混合污泥进行研磨、筛分，这是因为污水处理后产生的污泥往往夹带较大的颗粒，如果直接送入工艺装置中则容易造成管路的堵塞，影响反应的正常进行，因此，在送入工艺装置之前需进行前处理，污泥前处理包含污泥稀释、研磨、过滤过程，其主要处理手段是研磨和筛分过滤。例如，可合理地控制研磨机的转速与研磨机转子与定子之间的距离，以有效地研磨混合污泥中的大颗粒，从而保证混合污泥在进入下一反应能够正常进行。待混合污泥中的大颗粒被有效研磨后送入反应器前，还需对其进行换热，这主要是因为在反应器内主要发生的是超临界氧化反应，温度较高，为了促进超临界反应的发生，可以先对研磨筛分后的混合污泥进行换热。可以理解的是，换热后所达到的温度约为超临界反应发生的温度。
S3：在所述反应器中，所述混合污泥在超临界状态下与氧化剂发生氧化反应，生成反应生成物。
超临界水是指温度和压力均高于其临界点(T＝374.15℃，P＝22.12MPa)的特殊状态的水。超临界水兼具液态和气态水的性质，该状态下只有少量的氢键存在，介电常数近似于有机溶剂，具有高的扩散系数和低的粘度。在足够高的压力下，不仅能够使混合污泥中的有机物和氧气按任意比例与超临界水互溶，还能够使无机物特别是盐类从超临界水中得到分离。
在本步骤中，利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使混合污泥和氧化剂在超临界水中迅速发生反应生成反应生成物，以彻底分解混合污泥。其中，主要发生的反应为：
C+H2O→CO+H2
C+2H2O→CO2+2H2
CO+H2O→CO2+H2
CO+3H2→CH4+H2O
CO2+4H2→CH4+2H2O
C+O2→CO2
2CO+O2→2CO2
CH4+2O2→CO2+2H2O
2H2+O2→2H2O
所述混合污泥和氧化剂在超临界状态下反应后的反应生成物主要包括CO、N2、O2、CH4和少量的CO2气体，以及反应后的混合污泥的渣水。由于CO、N2、O2、CH4和少量的CO2气体在分离后可推动膨胀剂做功发电，所以本实施例中将CO、N2、O2、CH4和少量的CO2称作为动力尾气。
S4：所述反应生成物经冷却后进行高压气液分离，得到动力尾气、CO2气体和富含金属氧化物的渣水。
在本步骤中，需将超临界反应生成的反应生成物经冷却后再送入高压气液分离器中进行高压气液分离，这主要是因为反应器内发生的是超临界反应，反应温度较高，而在高压气液分离器中对CO2气体和其它动力尾气进行分离时则需根据CO2气体的临界压力和临界温度进行操作，所以需对反应生成物进行冷却，冷却温度约至CO2气体的临界温度以下，以保证CO2气体与动力尾气得到充分有效地分离，可以理解的是，临界压力具体可根据CO2在气体组分中的百分含量来确定CO2在液化时的分压。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述混合污泥包括市政污泥和钢厂污泥。可以理解的是，由于钢厂污泥产出的地方有很多，例如包括冷轧热轧钢厂、鼓风炉、氧气顶吹炉(顶吹炉、转炉、底吹炉)、酸洗和电镀作业、热处理厂等，所以并不对污泥的具体来源做具体限定，只要是污泥，不论是仅处理市政污泥或仅处理钢厂污泥，也不论是联合处理市政污泥和钢厂污泥，均可利用本发明所提供的污泥处理方法进行处理。
本发明实施例提供了一种污泥处理方法，本方法利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使混合污泥和氧化剂在超临界水中迅速发生反应来彻底分解混合污泥，以生成CO2等气体和富含金属氧化物的渣水。在该方法中，不仅可对CO2实现资源化利用，还可使有机质中的N、S、P元素得到了有效地转化，实现了无害化处理。同时，由于钢厂污泥中含有大量地过渡金属元素，其在超临界水氧化作用下所起到催化氧化的作用，还实现了过渡金属元素的富集，尤其有利于含有重金属元素污泥的后期无害化处理，减小环境方面的负面影响。
在本发明的一实施例中，所述钢厂污泥占所述混合污泥的质量百分数的5～30％。为了合理地利用和处理钢厂污泥和市政污泥，在本实施例中，科学地控制钢厂污泥与市政污泥的添加比例。这主要是因为，若比例过低，则所述钢厂污泥中起催化作用的金属元素含量不足，难以起到催化作用，或达不到理想的催化条件；若比例过高，则会影响混合后的污泥热值，当然，尽管可以通过添加其它辅助燃料如甲醇、乙醇、废机油等来调整混合污泥的热值以保证正常的自热式的化学反应过程，但如果能够以更为合理的方式控制钢厂污泥与市政污泥的比例，则可不需要向其添加其它燃料，从而控制运行成本。可以理解的是，所述钢厂污泥占所述混合污泥的质量百分数的10％、15％、20％、25％等。
在本发明的一实施例中，所述钢厂污泥包括选自Fe、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Ti、Zn、Cu的过渡金属，以占所述钢厂污泥的质量百分数计，Fe为5～50％，Mn为0.1～10％，Ni为0.1～20％，Cr为0.1～15％，Mo为0.05～5％，V为0.01～3％，Ti为0.01～2％，Zn为0.02～5％，Cu为0.1～10％。所述钢厂污泥中富含大量的过渡金属，这些过渡金属可在超临界水氧化作用下起到催化氧化的作用，从而可加快整体反应的反应时间，降低反应活化能，优化工艺操作条件。将钢厂污泥中的过渡金属中的比例调控至上述比例范围内，可使钢厂污泥中的过渡金属在达到较为理想的催化条件的同时，不影响所述混合污泥的热值，从而在对钢厂污泥与市政污泥实现耦合处理的过程中保证正常的自热式的化学反应发生。
在本发明的一实施例中，所述反应生成物经冷却后进行高压气液分离，得到动力尾气、CO2气体和富含金属氧化物的渣水包括：在第一高压气液分离器中对所述反应生成物进行一级高压气液分离，以生成动力尾气和中间反应生成物；在第二高压气液分离器中对所述中间反应生成物进行二级高压气液分离，以生成CO2气体和富含金属氧化物的渣水。
在本实施例中，首先需对反应生成物进行冷却，然后再将其送入第一高压气液分离器进行分离。在本发明的一优选实施例中，所述第一高压气液分离器的进口温度控制在31℃以下，出口压力控制在7.38MPa以上。这样可保证CO2气体与反应后剩余的渣水仍以液体状态存在，从而与动力尾气实现分离。
在本实施例中，分离后的CO2气体与反应后剩余的渣水被送入第二高压气液分离器进行分离。需要说明的是，此时的第二高压气液分离器的进口压力仍需保持在7.38MPa以上，以保持CO2气体与反应后剩余的渣水能够一同进入第二高压气液分离器中得到分离。在第二高压气液分离器中，CO2气体通过减压系统经减压得以分离，由于此时的气体仅剩下CO2气体，所以分离后可得到高纯度的CO2气体。可以理解的是，减压系统可使用减压阀控制压力，也可以使用毛细管降压装置，以降低压力至常压。待CO2气体分离后，第二高压气液分离器内的渣水也经减压得以分离。需要说明的是，此时的渣水可进一步被分离为固体渣和渣水，其中，固体渣可用于回收絮凝剂和金属氧化物，而渣水则可回收作为原料水再次使用到混合泥浆的制备中。可以理解的是，有关渣水的后续处理，本领域技术人员可根据实际需要进行处理。
在本发明的一实施例中，所述氧化剂选自空气、氧气和双氧水中的任意一种。选用上述气体作为氧化剂可较好地满足超临界条件下氧化反应的发生，此外还可避免向反应中引入其它杂质。
在本发明的一实施例中，所述氧化反应的操作压力为22～30MPa，温度为380～900℃。所述操作压力可为24、26、28MPa，所述温度为400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃。将氧化反应的操作压力、温度选定在上述范围内，可较好地保证氧化反应的发生。在本发明的一优选实施例中，所述氧化反应的操作压力为22～26MPa，温度为420～650℃。
在本发明的一实施例中，所述反应生成物在所述第一高压气液分离器内的停留时间为5～60min。所述停留时间可为10、20、30、40、50min。将混合污泥与氧化剂在反应器中反应一段时间，可保证混合污泥与氧化剂的充分反应。在本发明的一优选实施例中，所述反应生成物在所述第一高压气液分离器内的停留时间为15～40min。
在本发明的一实施例中，在对所述混合污泥进行研磨和筛分前或后，向所述混合污泥中加入复合剂，以提高所述混合污泥的浓度。向所述混合污泥中加入复合剂可以在研磨和筛分之前，也可在研磨和筛分之后进行，其目的在于提高所述混合污泥的浓度，复合剂例如可使用木质素磺酸盐和腐植酸盐的混合物。可以理解的是，本实施例并不对复合剂的选择进行限定，只要能够合理地提高所述混合污泥的浓度，本领域技术人员均可使用。
下面将结合附图2具体说明利用污泥处理装置进行本申请所提供的污泥处理的工艺流程。
如图2所示，原料a2和a3按照一定比例输送到混合罐(2)，经搅拌均匀后，由泵1(3)输送至研磨机研磨(4)，研磨后的污泥浆经筛分机(5)过滤后，滤网上层为废料(b4)，下层污泥进入缓冲罐(6)，并由泵2(7)输送至原料罐(8)。原料污泥由高压浆泵(9)输送至换热系统(10)，经换热后进入反应系统(11)，与来自增压泵(18)的氧化剂(a1)反应，反应生成物经换热系统(10)后进入冷却器(19)，然后进入第一高压气液分离器(12)，保持一定的停留时间，第一高压气液分离器(12)上端出口产物可推动膨胀机(15)做功发电，经减压阀1(16)后得到尾气b1(CO、N2、O2、CH4和少量CO2)。第一高压气液分离器(12)下端出口产物进入第二高压气液分离器(13)，上端产物经减压阀2(17)后得到尾气b2(CO2气体)，下端产物进入降压系统(14)，减压后产物为b3(富含金属氧化物的渣水)，b3分离出的水可回用作为原料水(a2)，b3分离出的固体渣用于回收絮凝剂和金属氧化物。
为了更好说明本发明提供的一种污泥处理方法，下面以具体实施例进行详细说明。其中，表1列出了市政污泥的基本性质，表2列出了钢厂污泥的基本性质，表3列出了钢厂污泥中金属元素的百分含量。
表1市政污泥的基本性质
表2钢厂污泥的基本性质
备注：ar为收到基结果，d为干燥基结果。
表3金属元素百分含量
实施例1
使用1#市政污泥原料95％，3#钢厂污泥原料5％，氧化剂为O2，待研磨后向污泥中加入复合剂(木质素磺酸盐和腐植酸盐的混合物，添加比例为1:0.5，添加量为0.5wt‰)，使其浓度达到7％，控制反应系统温度为580℃，反应压力为22MPa，市政污泥和钢厂污泥的混合污泥在第一高压气液分离器内的停留时间为15min，第一高压气液分离器上端的出口产物经减压阀减压后得到CO、N2、CH4等混合气体，其中含有少量CO2气体，第一高压气液分离器的下端出口产物进入第二高压气液分离器，上端产物经减压阀减压后得到高纯度的CO2气体，下端产物进入降压系统，减压后产物为富含金属氧化物的渣水，渣水中液体的化学需氧量COD为20mg/L，达到国家一级排放标准，可回用作为原料水，分离出的固体渣用于回收絮凝剂和金属氧化物。
实施例2-8
实施例2-8的具体过程参见实施例1，各实施例中的相关参数参见表4-5。
表4实施例1-4
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 市政污泥原料 | 1#污泥95％ | 1#污泥85％ | 2#污泥90％ | 2#污泥70％ |
| 钢厂污泥原料 | 3#污泥5％ | 4#污泥15％ | 4#污泥10％ | 5#污泥30％ |
| 氧化剂 | O2 | 空气 | O2 | 空气 |
| 浓度wt％ | 7 | 10 | 15 | 20 |
| 反应温度℃ | 580 | 420 | 450 | 450 |
| 反应压力MPa | 22 | 23 | 25 | 24 |
| 停留时间min | 15 | 20 | 30 | 50 |
| b3COD*mg/L | 20 | 16 | 5 | 5 |
注：COD*为化学需氧量；市政污泥和钢厂污泥按照百分数分配，共计100％。
表5实施例5-8
| 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | |
| 市政污泥原料 | 1#污泥90％ | 1#污泥85％ | 2#污泥80％ | 2#污泥75％ |
| 钢厂污泥原料 | 3#污泥10％ | 4#污泥15％ | 4#污泥20％ | 6#污泥25％ |
| 氧化剂 | O2 | H2O2 | 空气 | O2 |
| 浓度wt％ | 8 | 10 | 15 | 20 |
| 反应温度℃ | 390 | 420 | 480 | 900 |
| 反应压力MPa | 23 | 23 | 26 | 26 |
| 停留时间min | 20 | 20 | 30 | 50 |
| b3COD*mg/L | 15 | 20 | 5 | 10 |
注：COD*为化学需氧量；市政污泥和钢厂污泥按照百分数分配，共计100％。
由上可知，本发明实施例所提供的污泥处理方法可使混合污泥在超临界水中与氧化剂迅速发生反应得到彻底分解，生成CO2气体和富含金属氧化物的渣水。该方法不仅可对CO2实现资源化利用，还可使有机质中的N、S、P元素得到了有效地转化，实现了无害化处理。同时，由于钢厂污泥中含有大量地过渡金属元素，其在超临界水氧化作用下所起到催化氧化的作用，还实现了过渡金属元素的富集，尤其有利于含有重金属元素污泥的后期无害化处理，减小环境方面的负面影响。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。
Claims (11)
1.一种污泥处理方法，其特征在于，包括：
将市政污泥和钢厂污泥进行混合，得到混合污泥；
将所述混合污泥进行研磨、筛分后，对其进行换热并送入反应器中；
在所述反应器中，所述混合污泥在超临界状态下与氧化剂发生氧化反应，生成反应生成物；
所述反应生成物经冷却后进行高压气液分离，得到动力尾气、CO2气体和富含金属氧化物的渣水。
2.根据权利要求1所述的污泥处理方法，其特征在于，所述钢厂污泥占所述混合污泥的质量百分数的5～30％。
3.根据权利要求1或2所述的污泥处理方法，其特征在于，所述钢厂污泥包括选自Fe、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Ti、Zn、Cu等过渡金属，以占所述钢厂污泥的质量百分数计，Fe为5～50％，Mn为0.1～10％，Ni为0.1～20％，Cr为0.1～15％，Mo为0.05～5％，V为0.01～3％，Ti为0.01～2％，Zn为0.02～5％，Cu为0.1～10％。
4.根据权利要求1所述的污泥处理方法，其特征在于，所述反应生成物经冷却后进行高压气液分离，得到动力尾气、CO2气体和富含金属氧化物的渣水包括：
在第一高压气液分离器中对所述反应生成物进行一级高压气液分离，以生成动力尾气和中间反应生成物；
在第二高压气液分离器中对所述中间反应生成物进行二级高压气液分离，以生成CO2气体和富含金属氧化物的渣水。
5.根据权利要求1所述的污泥处理方法，其特征在于，所述氧化剂选自空气、氧气和双氧水中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的污泥处理方法，其特征在于，所述氧化反应的操作压力为22～30MPa，温度为380～900℃。
7.根据权利要求6所述的污泥处理方法，其特征在于，所述氧化反应的操作压力为22～26MPa，温度为420～650℃。
8.根据权利要求4所述的污泥处理方法，其特征在于，所述反应生成物在所述第一高压气液分离器内的停留时间为5～60min。
9.根据权利要求8所述的污泥处理方法，其特征在于，所述反应生成物在所述第一高压气液分离器内的停留时间为15～40min。
10.根据权利要求4所述的污泥处理方法，其特征在于，所述第一高压气液分离器的进口温度在31℃以下，出口压力在7.38MPa以上。
11.根据权利要求1所述的污泥处理方法，其特征在于，在对所述混合污泥进行研磨和筛分前或后，向所述混合污泥中加入复合剂，以提高所述混合污泥的浓度。
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