CN105073656A - 用于处理污泥的节能系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于使来自水处理的污泥水解并且用于调节水解污泥以用于最佳厌氧消化的设备和方法。所提供的方法包括脱水以产生脱水污泥，在蒸汽供应过程中使脱水污泥水解，在水解之前用污泥到污泥的热传递来预加热脱水污泥，使用污泥到水的热传递和注水来冷却和稀释污泥，以及厌氧消化水解污泥。所提供的设备包括总体上竖直定向的逆流污泥到污泥的热交换器、水解反应器和相关的蒸汽源、污泥到水的热交换器以及稀释单元。温度和压力传感器构造成控制多种可变流量泵和阀以用于控制所述方法。

Description

用于处理污泥的节能系统和方法

技术领域

本发明涉及用于处理污泥的系统和方法，并且更特别地，涉及一种系统和方法，其中，将脱水的污泥引导通过水解反应器，并且随后将污泥引导至厌氧消化器(anaerobicdigester，厌氧蒸煮器)，并且其中，所述系统和方法被设计为用于节能。

背景技术

厌氧消化是一种能量转换方法，该方法可以从污泥内的固体物质中产生生物气体，并且减少废物排放。生物气体可以用于整体的污泥处理或废水处理系统中或者在其他领域中的能量需求。由于污泥内存在生物，所以发生污泥厌氧消化，并且众所周知发生在至少两种一般温度状态下。在大约32°-38℃的温度下，嗜温生物(mesophilicorganisms)活动并且促进消化，而在50°-60℃的温度下，适温生物用于消化污泥。根据被处理的污泥的类型，可以涉及生物的不同种群概况，并且通常在与污泥的类型以及在污泥内的生物概况一致的范围内使用厌氧消化。通常，想要的是在30°-60℃的范围内使用厌氧消化器。为了补偿消化器的热损失并确保在消化器内的操作温度保持在可取的范围内，已知的是在高于期望的厌氧消化器操作温度的大约1-10℃的温度下，将馈送污泥供应给消化器。而且，用于污泥的厌氧消化的最佳干固体浓度是大约3％-10％的干固体浓度。

在制备用于厌氧消化的原污泥(rawsludge)时，已知的是使污泥经受水解。水解增大了污泥内的有机物质的生物降解能力，这提高了生物气体产量并且减少了来自厌氧消化的废物输出。分别在150°-170℃和6-12巴的温度和压力的范围内发生污泥的水解。优选的是在将污泥馈送到水解反应器内之前将污泥脱水为重量百分比是大约20％-30％的干固体，以便使反应器容量和能量消耗最小。

通常通过将蒸汽与污泥一起注入到水解反应器内而产生在用于水解污泥的期望范围内的温度和压力。蒸汽注入是泥污水解的高度能量密集的方面，并且相对于泥污水解废能回收是值得关注的重要内容。在某些情况下，已知的是通过在分批水解(batchhydrolysis，间歇水解)方法中将蒸汽闪蒸到进入的污泥内，或者通过加热用于产生新蒸汽的锅炉给水，来部分地回收能量。这些方法的特征是具有低于期望的效率和非常高的成本。

持续的需求是提高污泥处理系统的能量效率，污泥处理系统包括用于水解污泥的方法以及随后厌氧消化污泥的方法。

发明内容

本发明提供了一种用于以节能的方式使污泥水解并且厌氧消化水解污泥的系统和方法。

在一个实施方式中，本发明包括将脱水污泥引导至大体上竖直或者略微倾斜定向的热交换器中，其中，热交换器包括：污泥入口，污泥入口位于热交换器的下部处；以及污泥出口，污泥出口位于热交换器的上部处。热交换器还包括水解污泥入口，水解污泥入口位于热交换器的上部处；以及水解污泥出口，水解污泥出口设置在热交换器的下部处。所述方法或工艺包括将污泥向上引导通过热交换器，同时将水解污泥向下引导通过热交换器，以提供污泥到污泥的热传递，其中，水解污泥将有效地加热进入的或脱水的污泥。将离开热交换器的水解污泥引导至厌氧消化器。在到达厌氧消化器之前，可以通过调节污泥的温度和干固体含量来调节水解污泥。

在本发明的另一实施方式中，一种用于处理污泥的方法包括将脱水污泥引导至水解反应器并且使所述脱水污泥水解。将所述水解污泥引导至厌氧消化器，在厌氧消化器中厌氧消化污泥。热交换器设置在水解反应器的出口侧上，并且用于在脱水污泥进入水解反应器之前加热脱水污泥。热交换器提供水解污泥与脱水污泥之间的污泥到污泥的热传递。该方法需要在污泥处理的特定期间，改变脱水污泥通过热交换器的流动。在启动模式期间，该方法包括将大部分脱水污泥引导通过热交换器分支线路，并且将脱水污泥引导至水解反应器；以及在稳定状态模式期间，将至少一部分脱水污泥引导通过热交换器，然后引导至所述水解反应器。

在又一实施方式中，本发明提供了一种用于处理污泥的系统，包括：污泥脱水单元，污泥脱水单元构造成用于使污泥脱水；污泥水解反应器，污泥水解反应器构造成使脱水污泥水解；热交换器，热交换器用于在脱水污泥进入水解反应器之前，加热至少一部分脱水污泥，热交换器构造成提供在水解污泥与脱水污泥之间的污泥到污泥的热传递；厌氧消化器，厌氧消化器构造成厌氧消化水解污泥；以及控制器；其中，所述控制器适合于通过以下方式在污泥处理的预定期间内，通过改变脱水污泥通过热交换器的流量，控制污泥的处理：在启动模式期间，将至少一部分脱水污泥引导通过热交换器分支线路，并且将污泥引导至水解反应器；以及在稳定状态模式期间，将大部分脱水污泥引导通过热交换器，然后将污泥引导至所述水解反应器。

应当理解的是，技术人员将会容易认识到，结合本发明的第一和第二实施方式描述的任何特征还可以与本发明的第三方面相结合，反之亦然。

通过研究以下的说明和附图，本发明的其他目的和优点将变得显而易见，以下的说明和附图仅用于说明本发明。

附图说明

现在将参照附图进一步描述本发明的实施方式，附图中：

图1是用于厌氧消化的污泥水解和调节系统的总体示意图；

图2是用于厌氧消化的污泥水解和调节系统的示意图；

图3是用于厌氧消化的污泥水解和调节系统的污泥到污泥热交换器的截面图；

图4A是用于厌氧消化的污泥水解和调节系统的控制系统的示例性实施方式的系统控制逻辑图的第一部分；

图4B是用于厌氧消化的污泥水解和调节系统的控制系统的示例性实施方式的系统控制逻辑图的第二部分；

图4C是用于厌氧消化的污泥水解和调节系统的控制系统的示例性实施方式的系统控制逻辑图的第三部分。

具体实施方式

应理解的是，在表示本发明的实施方式的同时，仅通过说明的方式提供详细描述和具体实例，因为通过该详细描述，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

本发明限定了一种用于处理污泥的系统和方法。在图1和图2中示出了该系统，并且该系统总体由数字100表示。系统100接收原污泥并产生生物气体和废物流。具体地，系统100包括用于使污泥脱水的脱水单元110，其中，污泥中的干固体DSIN增大为大约20％-30％的重量百分比。此外，系统100包括总体由数字200表示的子系统。子系统200包括污泥水解系统210和由数字250表示的用于调节水解污泥的系统和方法。水解方法包括在水解反应器中将污泥加热至大约140到大约165℃的范围内，水解反应器在图2中示出并由数字214表示。在一个实施方式中，根据方法温度，反应器214内的压力保持为大约8巴。这支持污泥水解并且造成污泥中的干固体浓度减小。在污泥经历水解方法之后，将污泥引导至厌氧消化器120中。然而，在到达厌氧消化器之前，对水解污泥进行调节。调节的目的在于，对厌氧消化器120中发生的厌氧消化方法进行优化。因此，从本公开的后续部分中将会理解的是，调节系统和方法主要提供了对水解污泥的温度以及水解污泥的干固体浓度进行适当地调节。温度调节可以通过一系列热交换器实现，并且通过将稀释水注入水解污泥中而调节干固体浓度。通常在调节方法中，水解污泥的温度减小为大约40℃，并且污泥的干固体浓度减小成使得被引导至消化器120的污泥的干固体DSOUT浓度大约是6％-14％的重量百分比。调节的水解污泥被引导至厌氧消化器120中，在厌氧消化器中，嗜温生物和/或适温生物进一步分解并且转换固体，以产生生物气体和废物流。要理解的是，取决于消化器是否在嗜温条件或适温条件下操作，控制水解污泥进入厌氧消化器120时的温度补偿了消化器热量损失，以使得消化器在大约30°到60℃的最佳温度范围内操作，。将干固体浓度调节成大约6％-14％的重量百分比还旨在支持有效且高效的厌氧消化。

如图2中所示，更具体地考虑子系统200，该子系统经由线路11通过料斗12接收脱水污泥，该料斗可以是脱水单元110的一部分，在废水处理和污泥处理领域中的技术人员熟知该料斗的功能。在启动周期之后，可变流量正排量式污泥泵14通常通过线路15连续地将脱水污泥供应至水解反应器214。在启动周期之后的一个操作模式中，通过支路可变流量控制阀18将脱水污泥引导至线路19内，并且因此，通过线路25将脱水污泥引导至水解反应器214内。蒸汽发生器212与水解反应器214相关联。蒸汽发生器212进行操作成在水解过程期间通过阀(V4)24和线路23和25将蒸汽连续地引导至水解反应器214内。然而，要理解的是，可替代地供应来自外部源的蒸汽。然而，有利的是使用蒸汽发生器212，蒸汽发生器使用来自生物气体的能量，生物气体由消化器120生成，在这种情况下，通常能够通过使用热交换器270回收从污泥到用于蒸汽的水的热量而使能耗减少大约10％。将热水解污泥通过线路27引导至热交换器216的水解污泥入口228，因此，通常向下通过热交换器被引导至热交换器的水解泥污出口226，从而通过线路29被引导至整个系统中的多个部分，包括将水解污泥调节成用于在厌氧消化器内适当地处理的部分。

在另一操作模式中，通过线路17将脱水污泥引导至可变流量控制阀20内，从而通过线路31引导至热交换器216的脱水污泥入口222。在一些实施方式中，阀20可以省略，如虚线17A所示。脱水污泥通常在热交换器216内向上朝向脱水污泥出口224引导，从而通过线路21被引导至线路19，并且通过线路25被引导至水解反应器214。

要理解的是，将至少一部分脱水污泥引导通过热交换器216可以用于辅助冷却水解污泥，并可用于回收在水解期间增加的部分能量。至少一部分水解污泥在热交换器216内通过进入的脱水污泥被部分冷却，并且在污泥被引导至反应器214之前回收的热量使进入的污泥变暖。该“污泥到污泥”热交换方法可以减少产生蒸汽所需要的能量，从而降低用于厌氧消化的水解和污泥调节的成本。

热交换器216用作逆流热交换器。参照图3。这表示两个流体(进入的脱水污泥和热水解污泥)在总体相反的方向上流过热交换器216。在这种情况下，来自水解反应器214的热水解污泥向下流过热交换器216，并且将热量传递给进入的脱水污泥，该脱水污泥向上流过热交换器。在一个实施方式中，热交换器216是壳管式(tube-in-shell)热交换器，如图3中所示。在这个实施方式中，热交换器216包括竖直定向的细长管外壳217，其中，水解污泥入口228构造成接收来自反应器214的污泥，并且将该污泥引导到热交换器的外壳217中。水解污泥出口226构造成接收通常向下流动至水解污泥出口的水解污泥，并且排放部分冷却的水解污泥。热交换器216中还包括一个或多个总体上平行的管道219，这些管道设置在外壳217内并且通常与外壳平行，以使得管道通常从热交换器的下部到上部延伸。每个管道219都具有分别与热交换器216的脱水污泥入口222和脱水污泥出口224流体连通的相对端。脱水污泥入口222构造成接收进入的脱水污泥并将污泥引导至管道219的下端。脱水污泥出口224构造成接收来自管道219的上端的变暖的脱水污泥，并且朝向反应器214排放污泥。在一些实施方式中，热交换器216可以部分地从竖直方向略微倾斜，以增强在接近管道表面的原污泥与在端表面(stubsurface)之间的暖热污泥之间的热传递。人们发现，在某些情况下，热交换器216的竖直定向可以造成围绕管道291形成边界层。围绕管道219的边界层旨在隔离管道和在管道之间的更热的水解污泥。倾斜的热交换器216促进在管道219外部的水解污泥的混合，这通常防止了围绕管道形成边界层，并且提高了水解污泥通过管道壁与通常在管道内向上流动的较冷的脱水污泥的热传递。人们还发现，相对于竖直方向倾斜的角度有利地可以尽可能为大约15°。

如上所述，热交换器216总体上竖直定向，以使得来自反应器214的热水解污泥通常在热交换器内向下流动，而来自料斗12的较冷的脱水污泥通常被向上泵吸通过热交换器。因此，进入的脱水污泥从热交换器的底部进入热交换器216中，进入的脱水污泥通常向上流动并且遭遇馈送到热交换器的顶部中且通常在热交换器中向下流动的热水解污泥。该布置旨在确保热水解污泥中的任何特定物质输送到热交换器外壳217的下部。至少部分由于水解污泥将热量传递给脱水原污泥而使水解污泥冷却，所以当污泥在热交换器216内时，水解污泥的密度也会改变。可以发现的是水解污泥密度增加大约4％-8％，并且可以在热交换器216内产生从顶部到底部的增大的重力剖面(gravityprofile)。该重力剖面还可以提高热水解污泥与进入的脱水污泥之间的热传递。

已发现的是，反应器214的有效操作所需要的压力使保护反应器进而保护整个系统不受使用正排量式泵(例如，尤其是泵14和56)特有的压力波动影响的方式是可取的。反应器214包括位于反应器的顶部部分中的囊或区段，该囊或区段用作压缩装置以用于吸收或减弱可由压力波动产生的冲击。

水解方法涉及将长链分子分解成更小的分子，造成多种不凝性(non-condensable)气体(例如，二氧化碳和氮气)的演变。这些气体占据反应器214内的容量，这可以减少污泥在反应器上的有效停留时间，并且气体减小了系统中的热交换效率。去除这些不凝性气体可以有助于高效地操作该系统。因此，本发明包括使反应器214排放的能力以释放所述气体。

为了便于系统100的控制，并且尤其是为了便于子系统200的控制，多个传感器可布置在该系统中。压力传感器16安装在线路15中以感测进入的脱水污泥的压力P1。压力传感器22安装在线路19中以感测进入水解反应器214的污泥的压力P2。要理解的是，压力差ΔΡ＝P1-P2通常表示在热交换器216的管道219中的压力损失。在一些实施方式中，该压力差用于使脱水原污泥在支路热交换器216的流动路径与通过热交换器进入水解反应器214的流动路径之间的流量成比例。

压力传感器58和温度传感器50布置在反应器214内，以在操作期间感测反应器的压力P3和温度T3。基于压力设定点，反应器214内的压力P3通过控制泵56保持为期望的设定点水平，其中，可以调整泵送速率以保持系统压力，从而保持反应器内的压力。可以从反应器温度中计算P3的压力设定点，以防止沸腾。将所需要的安全界限加入计算的沸腾压力中，以产生反应器214内的压力设定点。基于T3通过阀24控制由蒸汽发生器212将蒸汽输送到线路25中。

现在，转向污泥调节系统250，该系统可包括热交换器270，该热交换器用于预加热用于蒸汽发生器212的供给水，如下所述。如果存在，则热交换器270还可用于冷却通过线路29从水解反应器214供应的热水解污泥。通过线路59将水解的并且部分冷却的污泥从热交换器270引导至污泥冷却热交换器单元280中，在一个实施方式中，污泥冷却热交换器单元可以是加压回路锅炉供给水热交换器单元。通过线路63将水解污泥从热交换器单元280引导至可变流量的正排量式泵56，可调制该泵的背压以保持系统压力，从而保持反应器214内的压力。同时，泵56将热水解污泥输送给厌氧消化器120中(见图1)。

在调节系统250内还包括稀释单元70。在一个实施方式中，稀释单元70通过线路71和泵72接收来自外部源的稀释水。稀释是一种用于根据消化器120的要求而减小污泥内的干固体浓度的方式。通常，所接收的稀释水可以是经巴氏消毒处理的废水，该废水通常大体上比污泥更冷。因此，在添加稀释水时，不仅减小了污泥内的固体浓度，还可减小水解污泥的温度。来自泵72的稀释水被引导至三通流量控制阀74，该控制阀可将稀释水分流到线路75与77之间。在每种情况下，选择通过线路75与77的流动(并且因此被控制阀74分开)以满足传感器52和54的温度设定点。然而，要理解的是，稀释单元79可用于在通过期间调节水解污泥的温度，并且调节其中干固体的百分比。在一些实施方式中，在将稀释水引导至污泥中之前，通过加热稀释水可以加热水解污泥。例如，可以在反应器启动阶段采用加热向热交换器290供应的锅炉水来加热稀释水。对于这种实施方式，稀释水被引导通过热交换器290，并在将稀释水引导到污泥中之前，通过泵78供应的锅炉水加热稀释水。在这种实施方式中，阀20可以省略，从而允许脱水污泥大体连续地流过热交换器216。在这种实施方式中，脱水污泥大体连续地流过热交换器216，可以造成进入线路29的水解污泥过冷，并且根据需要注入加热的稀释水来进一步加热水解污泥。

如上所述，可以加入稀释水以将加热的水解污泥的干固体含量调节为厌氧消化所需要的水平。还如上所述，通常，增加稀释水可用于进一步冷却或加热所述加热的水解污泥。例如，在某些条件下，稀释水相当冷。在这些情况下，脱水污泥也通常同样相当冷。在这些条件下，如上所述，进入的脱水污泥在启动期间的至少一段时间内可以围绕热交换器216通过，以防止从反应器214排放的加热的水解污泥过冷。如上所述，本发明的实施方式可以通过将稀释水加热来解决这种启动情况，以使得稀释水注入可以提高水解污泥的温度。这可以允许减少通过热交换器216的脱水污泥的量，从而允许以在通过热交换器216时水解污泥的过冷为代价而降低蒸汽发生器212的蒸汽要求。通过将加热的稀释水注入到从热交换器216流过的水解污泥中可以补偿过冷。在启动条件下，即使可以产生进入消化器120内的水解污泥的短暂的过度稀释，这个特征也可以是有利的。由于与蒸汽发生的成本相比较，加热稀释水的成本更低，所以这种短暂的过度稀释可以接受。然而，在周围稀释水和/或脱水污泥温度可以充分温暖的情况下，通过脱水污泥围绕热交换器216选择性地通过，可以有效地执行启动方法。

如上所述，在使用时，热交换器270将用于蒸汽发生器212的供给水预加热。可以包括水处理单元260以用于将水处理成用作蒸汽发生器212的供给水。对可以从外部源向水处理单元260供应的水进行处理以使该水适于在蒸汽发生器212中使用。水可以通过线路53、热交换器270、以及线路55被引导至蒸汽发生器212中。要理解的是，在预加热用于蒸汽发生器212的供给水时，热交换器270还可以冷却从反应器214供应的热水解污泥。如上所述，在选择使用可替代的蒸汽源时，系统100无需蒸汽发生器212和热交换器270就可以运行。

在一个实施方式中，热交换器单元280包括第一热交换器280A和第二热交换器280B。热交换器280A和280B通过回路87相互连接，其中，由可变流量泵82使水循环。这个布置有时称为加压回路热交换器。要理解的是，热交换器280A用于根据需要冷却水解污泥。回路87内的水温可以调节，以提供通过交换器280A的水解污泥的期望的冷却。通过在热交换器280B内加热处理的废水，可以调节回路87的水温。处理的废水被加热，并且在热交换器280B内使回路87的水冷却。见图2。可以允许处理的废水通过线路91、通过可变流量泵88，进而通过线路93进入热交换器280B。来自交换器280B的处理的废水可以通过线路95被引导至排水部84中。要理解的是，从热交换器排放的处理的废水的温度保持低于某个最大温度(例如，大约45℃)，以防止收缩。回路87的水在交换器280B内冷却，并且回路的水在交换器与热交换器280B之间循环以使水解污泥冷却。在一个实施方式中，通过将锅炉水注入到回路内可以调节回路87的水的温度。可以允许来自合适的外部源的锅炉水被引导通过线路83、通过可变流量锅炉水泵86、进而经由线路85而进入回路87中。可以通过排放线路89从回路87排放水以在别的地方使用。最好使用锅炉水加热，并且在直接需要在系统外面加热时可以使用锅炉水加热。例如，存在需要热量的其他最近空间或最近处理或加工系统的部分时，可以增加锅炉水加热特征，如图2中所示。人们发现，在使用锅炉水加热时，通常在需要由热交换器280冷却时最优先使用锅炉水加热特征。

调节系统250中包括多种传感器。温度传感器52安装在线路29中以在污泥进入调节系统250中时感测水解污泥温度T1。温度传感器54安装在线路63中以在水解污泥被引导至消化器120时感测水解污泥的温度T2。温度传感器62位于排放线路89中以感测回路87的水的温度T5。温度传感器64位于线路95中以感测从热交换器280B排放的加热的废水的温度T6。安装流量传感器66、68以及76以分别感测进入消化器120中的调节的水解污泥的流速F1、处理单元260的蒸汽发生器供给水的流速F2以及稀释水通过线路71的流速F3。此外，泵14的速度Hz14是与压降ΔΡ＝P1-P2一样的系统变量。

上述传感器提供系统变量数据，该系统变量数据可以用于通过上面讨论的多种可变流量泵和阀监测和控制系统100，并且尤其监测和控制子系统200。控制方法的总体目的是将水解污泥输送至消化器120，以使得污泥具有或者接近指定的温度和百分比干固体水平。根据组成原污泥和其他环境条件的知识可选择这些水平。在控制系统的实现方式中建立了多种设定点值，上面引用了部分设定点值。为了说明控制系统的目的，在表I中列出了用于系统变量的符号和相关设定点的符号。表II提供了所选择的设定点和常数的典型值。

为了说明涉及控制系统100的方法，有利的是，可以考虑典型的方法情况，在该情况下，要处理来自料斗12的脱水污泥。为了说明的目的，描述了一实施方式，在该实施方式中，启动管理包括控制脱水污泥在热交换器216和反应器214之间的分流。如上所述，脱水污泥可以包括在20％-30％(重量百分比)范围内的干固体，并且污泥的温度可以在大约5°到大约40℃的范围内。处理的目的是将处于30°-60℃下并且干固体为6％-14％(重量百分比)的水解污泥的总体上连续的流输送至厌氧消化器120。如上所述，需要处理方法的初始或启动阶段或模式以建立该方法。为了开始启动模式，通过控制系统驱动阀18和20完全打开并激活泵88，以便以该泵的最小速度运行，如上所述。使污泥泵56通电并且操作污泥泵，以将液体从消化器120泵送到系统100中，以压力设置系统。从用于压力设置系统的消化器120泵送的液体可以来自具有水或污泥的消化器的初始排放，在消化器内加热初始排放。众所周知，在允许水解污泥消化和产生生物气体之前，排放消化器的液体并且将液体加热。以最低水平开始将蒸汽注入到反应器214中。如上所述，泵88保持具有最低流量的操作(甚至在剩余系统不运行时)，以防止在热交换器中的点状腐蚀。在T3接近设定点T_3SET时，泵14与泵72一起启动以开始允许脱水污泥并激活稀释水系统。然后，泵14以最低速度连续地操作，直到整个系统被加热，并且T2接近T_2SET。然后，允许将泵14的速度Hz14调节为其设定点Hz14SET。同样，根据需要，阀V4可以用于控制允许蒸汽进入到反应器214中。基于反应器中的期望的操作温度T3SET以及由温度传感器50感测的实际反应器温度T3，控制蒸汽进入反应器214中。

由于比较低的原污泥温度和包含在原污泥内的干固体的浓度，所以进入的脱水污泥可以是粘性的。在启动期间，由于进入的污泥具有粘性，所以大部分或者大多数进入的脱水污泥通过热交换器216，并且流入水解反应器214中，更小部分的原污泥流入热交换器中。在热水解污泥从反应器214流入热交换器216中时，使通过热交换器进入的脱水污泥的较小部分变暖。这使得通过热交换器管道219的流动阻力逐渐减小，逐渐增大由传感器16和22感测的压力差ΔΡ，并且逐渐减小有利于通过热交换器管道219的污泥的支路流量。由于ΔΡ逐渐减小，阀18(V1)逐渐关闭，使得ΔΡ达到可接受的水平时，值完全接近产生总体上稳定状态条件，其中，在进入反应器214中之前，所有或几乎所有进入的脱水污泥通过热交换器216。通过这种方式，在水解中增加的热量部分被回收并且用于加热或者预加热进入的脱水污泥。在该方法中，在进入调节系统250之前，部分地冷却水解污泥。在典型的总体上稳定状态条件下，仅在与来自蒸汽发生器212的蒸汽混合之前，污泥的温度大约是85℃-110℃。这是由热交换器216加热的进入的污泥造成的。水解污泥使水解反应器214具有大约140-165℃、大约10巴以及大约17-27％的干固体。在污泥进入调节系统250时，污泥温度T1减小为大约80°-110℃。

注入稀释水可以进一步降低水解污泥的温度并减小水解污泥中的固体浓度。可以通过阀74引导稀释水以分别通过线路77和75稀释在线路29和63中的污泥。根据相对于T2SET的T2并且根据相对于F3SET的F3，调节在激活泵14时激活的泵72。根据相对于T1SET的T1，调节阀74。在T1低于T1SET时，不允许稀释水通过线路77进入线路29中。而是允许在该条件下的所有稀释水通过线路75进入线路63中。在另一条件下，在T1高于T1SET时，可以启动阀74以使更多的稀释水引导通过线路77进入线路29，直到T1降低为低于T1SET。基于料斗12中的干固体浓度、引入消化器20中的调节的水解污泥的期望的干固体浓度、污泥进入消化器中的测得的流速(F1)以及水进入蒸汽发生器212中的测得的流速(F2)的减弱平均值，控制稀释水流入系统的速度F3。根据相对于F3SET控制F3来调节稀释水泵72。

将稀释水注入线路29中还可根据需要在污泥进入热交换器270时将污泥温度降低为大约100℃。在热交换器270内预加热蒸汽发生器212的供给水，还可以冷却水解污泥。例如，在使用热交换器270时，通过线路53提供的经处理的水可以大约为8℃，并且在加热废水时，污泥温度可以降低为大约70°-90℃。在污泥通过热交换器(在次要侧面上还未激活)280A时，则可根据需要增加通过线路75的额外稀释水。稀释污泥的温度T₂在启动期间增大，并且当T₂在给定的界限内达到温度的T2SET时，启动阶段可以视为完整的，并且该系统转换成正常操作。在正常操作期间，通过调节阀20来相对于T2SET控制T2。同样，根据T₂相对于T2SET来调节泵86、泵82以及泵88。在稳定状态操作造成线路59中的水解污泥具有在70°-90℃范围的下端附近的温度时，通常由稀释单地独完成进一步冷却需要。因此，在这种情况下，泵82和86停止，并且必要时，泵88减小为防止热交换器单元280B的表面腐蚀所需要的最小速度，同时该单元不用于冷却污泥。在稳定状态操作造成T1接近大约70°-90℃范围的上端或大约90℃时，通常不能仅由稀释有效地实现污泥的充分冷却。在这种情况下，泵86可以通电以将具有大约40℃的锅炉水提供给热交换器单元280的回路87，并且可以根据相对于T6SET的T6调节泵88，以提供用于额外冷却的经处理的废水的必要流量，在污泥通过热交换器280A时，造成水解污泥温度下降为70℃。如上所述，温度可以进一步通过稀释降低为大约40℃。在70°-90℃范围内的污泥温度时，通过控制由T2、T5以及T6相对于其相应的设定点T2SET、T5SET以及T6SET通知的泵82、86以及88可以调节热交换器单元280的热去除速率或冷却。

如上所述，在一个实施方式中，稀释水可被加热并且被注入，以在污泥被引导到消化器120中之前，将水解污泥加热。这样做，在某些非常冷的启动和操作条件下可以是有利的，其中，进入的污泥围绕热交换器212通过的高水平可能造成操作效率降低。要理解的是，控制方法可以由在控制技术中的技术人员直接修改以实现本实施方式，作为系统100的可选择的特征。

要理解的是，并非水解的所有加热的污泥都需要用于预加热进入的污泥。可包括选择的自动控制的分支线路以允许加热的污泥在下游使用，同时根据需要由消化器120稀释，并且不可通过上述方法获得。

在图4A、4B以及4C中示出了控制系统的一个实施方式，并且控制系统逻辑总体由数字400表示。通过控制脱水污泥在热交换器216与反应器214之间的分流，这个实施方式实现了启动管理。如控制系统设计中的技术人员所理解的，控制系统逻辑400实现了泵和阀的PID控制。根据普遍理解的一般操作条件和目标选择的一系列状态指示器和常数包含在控制系统400中。状态指示器K1、K2以及K3设置为0或1，以表示不同阀和泵的调节状态。常数K2_T2、K2_T3、K4_T2、K5_T2以及K6_T2是用于提供时间段的时间值，在这个时间段内，评估特定的比较标准。这些常数可以具有几乎统一的值，根据相对于多种系统变量的相应的设定点测试多种系统变量，略微高于或者略微低于1能够进行稳定操作。常数K_t同样是用于测试在设定的时间段内是否发生事件以确定系统的元件是否需要调节的时间值。这些时间值通常均可以是大约2秒。常数K1_T2、K3_T2、K3_T3以及K7_T2能够在完全到达设定点之前执行事件，或者延迟事件，直到超过设定点给定的界限。这些后面的常数是无量纲(dimensionless)量，每个都通常大约是1或更大，尤其具有可以从大约0.96到大约1.04的值。因此，状态指示器和常数提供信号并且支持控制系统稳定性。而且，本领域的技术人员会理解这些常数在系统400中布局的方式，以避免电机在短时间间隔和热循环内停止和启动多次(在这种短时间间隔的情况下，电机可以发生多次停止和启动)。额外的常数Hz14min用于建立泵14的最小操作速度，以确保连续馈送污泥。

因此，系统400包括9个PID调节器，这些调节器在图4A、4B以及4C中由数字410、420、425、430、440、450、460、470以及480表示。这些PID调节器中的每个根据一个或多个系统变量及其相应的设定点值来调节泵或阀。要理解的是，PID调节器480出现在图4C中的两个虚拟位置中，然而，这是一个调节器。该位置用于简化示图。作为一个实例，调节器410控制泵56的速度和方向。从以上讨论中记住的是，在系统的启动模式期间，泵86可以实际上在逆向方向上泵吸，以泵吸来自消化器120的抽吸，以压力设置系统。如在图4A中观察到的，PID调节器410根据相对于P1SET的P1控制泵56。同样，作为另一实例，PID调节器480根据相对于ΔPSET的ΔΡ，控制阀18(V1)的状态。在使用PID调节器或控制器时技术人员将会理解的是，根据多个已知的程序中的任一个，通常需要并且可以实现比例、积分以及差分控制的相对权重的一致。

虽然阀18和20(V1和V2)的PID控制完全能够使用PID控制器实现，但是本系统实际上使用PID和增量控制的组合。增量控制在方框435、436以及437中显示。实际上，在阀20(V2)的情况下，仅需要增量控制。通过在如具有一组特定的输出控制信号的决策框411、415、416、417、418、419、421、422、423、424、425、427、428以及429所示的条件下在方框435处增量来调节V2。同样，通过在方框437处减量来调节V2，如相同的决策链所示，但是在方框429处的决策与当发生V2的增量时以及在决策框431确定阀18(V1)完全打开时的情况不同时。

通过以上讨论，显而易见的是系统逻辑300包括一系列决策框，除了上面引用的那些，还包括决策框426。每个决策框根据在应用于特定的控制变量值中的方框中声明的标准，而实现控制动作步骤的特定选择。例如，决策框426回答问题：“T3高于温度T3SET乘以K3T3的时间比K2T3更长？”有效地回答这个问题确定了反应器214的温度接近期望值。如果T3接近T3SET，那么泵14和72启动，如在控制动作框432和控制步骤中所示，并且控制步骤通过方框433、434以及480返回方框410。如果T3不充分接近T3SET，那么泵14和72未启动。而控制返回到方框410。

通过前面的讨论中，很明显的是，除了PID调节器或控制器，逻辑300还包括一系列的控制动作方框。这些控制动作框尤其包括方框401、402、412、413、414、438、439、441。作为实例，在上文描述了控制动作框432。作为另一实例，控制动作框414将状态指示器K3设置为值1以表示蒸汽发生器212已经被启动。如本领域的技术人员所理解的，可以在与在逻辑图中的方框表示的物理元件交互的计算机上操作的程序背景下理解逻辑300。这种交互允许计算机(例如)命令增加与阀20(V2)相关的电机来增加或减少阀。此外，程序在数字环路中操作，以重复循环的方式逐步通过逻辑。在每个步骤中，当逻辑在一个周期内达到时，该逻辑基于在每个决策框达成的决策引导动作。这种决策根据在每个点的决策，沿着逻辑的不同分支引导程序步骤的路线。只要操作该系统，控制周期的重复就连续重复。通过图4A、B和C要理解的是，人们可以考虑在方框410处开始的控制回路，并且根据在决策框处的决策通过追踪而与由返回方框410的控制结束的周期相遇，由此下一个周期开始。

要理解的是，在本发明的范围内可替代的实施方式具有表示控制污泥温度的多种方法，如上所述的一个实施方式包括预加热稀释水，作为可替代的污泥温度控制方法。使用众所周知的控制系统修改，图4A、图4B和图4C的逻辑可构造成实现这种替代的控制策略。

本发明则提供了一种控制系统和方法，以用于使用具有一系列的冷却和稀释子过程的水解连续地处理脱水污泥，以在最佳温度和干固体含量时提供水解污泥，以支持污泥的有效厌氧消化。如在本文中所公开的，控制方法的应用提供以最佳温度控制水解污泥。在通过这种控制系统有效地操作时，厌氧消化提供作为生物气体燃料源。当然，在不背离本发明的基本特征的情况下，可以通过除了在本文中具体陈述的方式以外的其他方式执行本发明。本实施方式的所有方面均被被视为说明性的，而非限制性的，并且在所附权利要求的含义和等效范围内的所有改变都旨在包含在权利要求中。

Claims (24)

1.一种用于处理污泥的方法，所述方法包括：

(a)使污泥脱水；

(b)将脱水污泥引导至大体竖直定向的热交换器中，所述热交换器具有：污泥入口，所述污泥入口设置在所述热交换器的下部处；污泥出口，所述污泥出口设置在所述热交换器的上部处；水解污泥入口，所述水解污泥入口设置在所述热交换器的上部处；以及水解污泥出口，所述水解污泥出口设置在所述热交换器的下部处；

(c)将所述污泥引导至所述污泥入口中，并且向上引导通过所述热交换器，并从所述污泥出口被引导出且进入水解反应器中；

(d)在所述水解反应器中使污泥水解；

(e)将水解污泥传送到所述热交换器的所述水解污泥入口中；

(f)在所述污泥向上移动并通过所述热交换器时，通过引导所述水解污泥向下通过所述热分解器，来提供污泥到污泥的热传递；

(g)将所述水解污泥从所述热交换器的所述水解污泥出口引导出，并引导至厌氧消化器中；以及

(h)在所述厌氧消化器中厌氧消化所述水解污泥。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括围绕所述热交换器引导至少一部分所述脱水污泥，并且将至少一部分所述脱水污泥在不通过所述热交换器的情况下引导至所述水解反应器。

3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括围绕所述热交换器引导至少一部分所述脱水污泥并引导至所述水解反应器中，以提高进入所述厌氧消化器内的水解污泥的温度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法包括将稀释水引导至所述水解污泥中，以调节所述污泥中的干物质的比例。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，所述方法包括将稀释水引导至所述水解污泥中，以冷却所述水解污泥。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，所述方法包括加热稀释水并将加热的稀释水引导至所述水解污泥中，以加热所述水解污泥。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述方法的启动期间，将加热的稀释水引导至所述水解污泥中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，所述方法包括将所述水解污泥引导至汽缸的顶部部分中，并且向下通过所述汽缸；以及向上引导所述脱水污泥通过一系列延伸穿过所述汽缸的隔开的管道，以在热量从通过所述汽缸的所述水解污泥传递至向上通过所述汽缸中的管道的脱水污泥时，产生污泥到污泥的热传递。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，所述方法包括

通过引导所述水解污泥通过设置在所述厌氧消化器上游的一个或多个热交换器，而冷却位于所述厌氧消化器上游的所述水解污泥；以及

通过在所述水解反应器与所述厌氧消化器之间的位置处混合所述稀释水和所述水解污泥，来降低所述水解污泥的干固体浓度。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，所述方法包括使用由蒸汽发生器产生的蒸汽加热所述水解反应器；以及将蒸汽发生器供给水和水解污泥引导至设置在所述水解反应器下游的热交换器，并且通过将热量从所述水解污泥传递至所述蒸汽发生器供给水中而降低所述水解污泥的温度。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，大体竖直的热交换器从竖直方向倾斜，以增大从所述水解污泥到所述脱水污泥的热传递。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述热交换器相对于竖直方向倾斜大约15°，以防止围绕设置在所述热交换器中的管道在所述水解污泥中形成边界层，所述管道引导所述脱水污泥通过所述热交换器。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述反应器包括气囊，所述气囊设置在所述热交换器的顶部部分中以用于吸收压力波动。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述水解反应器包括排放系统，所述排放系统用于排放来自所述水解反应器的不凝性气体。

15.一种用于处理污泥的方法，所述方法包括：

(a)使污泥脱水；

(b)将脱水污泥引导至水解反应器中并且使所述脱水污泥水解；

(c)将水解污泥引导至厌氧消化器中；

(d)厌氧消化所述水解污泥；

(e)在所述水解反应器的出口侧上设置热交换器，以用于在所述脱水污泥进入所述水解反应器之前，加热至少一部分所述脱水污泥，其中，所述热交换器在所述水解污泥与所述脱水污泥之间提供污泥到污泥的热传递；

(f)在污泥处理的特定期间，通过以下方式改变所述脱水污泥通过所述热交换器的流动：

(i)在启动模式期间，将至少一部分脱水污泥引导通过热交换器分支线路并引导至所述水解反应器中；以及

(ii)在稳定状态模式期间，将大部分脱水污泥引导通过所述热交换器然后引导至所述水解反应器。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法包括在所述启动模式的初始部分期间，通过所述热交换器分支线路将基本所有所述脱水污泥引导至所述水解反应器。

17.根据权利要求16所述的方法，在所述启动模式的初始部分之后，随着时间增加脱水污泥通过所述热交换器的流量，并且在所述启动模式期间，减少脱水污泥通过所述热交换器分支线路的流量。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，所述方法还包括：在所述稳定状态模式的选定期间，在基本所有脱水污泥到达所述水解反应器之前，将基本所有脱水污泥引导通过所述热交换器。

19.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，所述方法还包括：在所述稳定状态模式期间，通过减少脱水污泥通过所述热交换的流量并且增大脱水污泥通过所述热交换器分支线路的流量，来提高被引导至所述厌氧消化器的水解污泥的温度。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，所述方法包括将稀释水引导至水解污泥中以用于调节所述水解污泥中的干物质的比例。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，将稀释水引导至水解污泥中的步骤包括：由于所述稀释水而致使所述水解污泥冷却。

22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，所述方法包括将稀释水引导至水解污泥中以用于调节所述水解污泥的温度或者用于调节所述水解污泥的干物质比例。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述稀释水引导至水解污泥中的步骤包括：在将所述稀释水引导至所述水解污泥中并且使用加热的稀释水加热所述水解污泥之前，加热所述稀释水。

24.一种用于处理污泥的系统，所述系统包括：

(a)污泥脱水单元，所述污泥脱水单元构造成用于使污泥脱水；

(b)污泥水解反应器，所述污泥水解反应器构造成将脱水污泥水解；

(c)热交换器，所述热交换器构造成用于在所述脱水污泥进入水解反应器之前，加热至少一部分脱水污泥，所述热交换器构造成用于在水解污泥与所述脱水污泥之间提供污泥到污泥的热传递；

(d)厌氧消化器，所述厌氧消化器构造成厌氧消化所述水解污泥；以及

(e)控制器；

其中，所述控制器适于在污泥处理的预定期间内，通过以下方式通过改变所述脱水污泥通过所述热交换器的流动而控制所述污泥的处理：

(i)在启动模式期间，将至少一部分脱水污泥引导通过所述热交换器分支线路并且引导至所述水解反应器；以及

(ii)在稳定状态模式期间，将大部分脱水污泥引导通过所述热交换器然后引导至所述水解反应器。