CN105417918A - 微波热解处理市政污泥的技术方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了微波热解处理市政污泥的技术方法，将污泥样品加入微波热解(单模微波炉)装置中，然后通入氮气，热解进行处理。利用本发明提供的处理方法，针对污水厂提供的市政污泥进行微波原位热解的处理，该反应迅速高效,且最终产物为气态产物(氢气含量最高可达70％以上，甲烷含量最高可达60％以上)、液态产物(主要成分为脂肪酸含量最高可达30％以上)和热解残渣。其中气态产物、液态产物均可进行循环利用。微波对污泥中的重金属有特别明显的固定效果六种重金属残渣态均达到75％以上，跟原污泥相比大大降低了环境污染的危害。

Description

微波热解处理市政污泥的技术方法

技术领域

本发明属于资源环境保护技术领域，具体涉及微波热解处理市政污泥的技术方法。

背景技术

现有技术的污泥处理方法主要有以下几种：

一、污泥的卫生填埋

污泥卫生填埋始于20世纪60年代，是一项比较成熟的污泥处置技术。污泥既可单独填埋也可与生活垃圾和工业废弃物一起填埋。这种处置方法简单、易行、成本低，污泥又不需要高度脱水，适应性强。填埋场一般为废弃的矿坑或天然的低洼地。

二、污泥的直接土地利用

污泥土地利用是把污泥或干燥化后污泥以及经过发酵化形成的生物固体，应用于林地、果园、草地、市政绿化、育苗基质以及严重扰动的土地复垦与重建等。污泥中的养分(如氮和磷)、有机质施用于花园、林地、景观美化，增加土壤肥力，促进作物生长的效果。污泥的土地利用投资少、能耗低、运行费用低，其中有机质部分可转化为土壤的有效成分。

三、污泥的焚烧

污泥焚烧是将污泥置入焚烧炉内，在通入过量空气情况下，进行完全焚烧，使污泥中的可燃成分在高温下充分燃烧，最终成为稳定的灰渣，最大限度地减少污泥体积，使污泥最终处置极为方便。1t干污泥焚烧后仅产出0.36t灰渣，减量化效果显著。另外，污泥中所含有的重金属在高温下被氧化成稳定的氧化物，是制造陶粒、瓷砖等产品的优良原材料，若能综合利用最终可达到污泥的稳定化、无害化和资源化。

四、污泥的低温热解处理

城市污泥低温热解是一种发展中的能量回收型污泥热化学处理技术。它通过在催化剂作用下无氧加热干燥污泥至一定温度(<500℃)，由干馏和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体和炭4种可燃产物，最大转化率取决于污泥组成和催化剂的种类，正常产率为200～300L(油)/吨(干泥)，其性质与柴油相似。低温热解是能量净输出过程，成本低于直接焚烧。

现有技术方法的污泥卫生填埋存在部分局限性，如：填埋渗滤液和气体的形成。渗滤液是一种被严重污染的液体，如果填埋场选址或运行不当，这种液体就会进入地下水层，污染地下水环境。填埋场产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措施会引起爆炸和燃烧。另外，适合污泥填埋的场所也因城市污泥的大量产出而越来越有限，这也限制了该法的进一步实施。

污泥中含有大量的病原菌，以及多氯联苯等难降解的有毒有害物，特别是污泥中所含的重金属限制了土地对污泥利用的适应性，所以必须严格按照国家相关标准进行污泥利用，污泥在土地利用前，必须经过无毒无害化处理，否则污泥会对环境做成危害。所以污泥的土地直接利用会受到很大程度的限制。

污泥直接焚烧，操作管理复杂，可能产生废气、噪声、震动、热和辐射等污染，特别是在经过不充分燃烧的过程时会产生二噁英等有害气体，在大气控制方面还存在一定的技术问题，因此，普遍采用污泥焚烧的处理方法，不论在经济上还是在技术上都存在着一定的难度。

低温热解过程中由于含有苯环的有机物质的存在，所以在液态油类的产物中会含有毒性，燃烧时也会产生有毒性的气体污染环境。

现有技术CN101838094A公开了一种油田含油污泥微波热解资源化处理方法及装置,将含油污泥送入微波加热的密闭反应器中,在温度200-900℃下进行热解处理,将热解处理产生的油气水进行回收,再利用,热解后的残渣作路基材料或利用硝酸或利用NaOH碱进行改性,改性后的残渣做吸附材料。该方法并没有解决产气的纯度问题以及产油质量问题，而且污泥中所含的重金属污染的问题仍没有解决，

CN104355519A公开了基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，包括污泥水热碳化和微波快速热解两大步骤。水热碳化用于污泥前期预处理，可以解决污泥高水分低热值的难点，在源头上提高污泥的能量品位；通过将水热碳化反应后的污泥碳进行微波快速热解，获得较好产率的液体燃料和可燃气体，固体残余焦炭可用于工业原料，从而实现污泥高效低污染能源资源化处置。和其他微波处理污泥工艺来说，该处理程序较复杂，而且能源利用率比较低，而且最后污泥残渣中重金属的问题并没有解决。

CN104163555A公开了一种微波辐照湿污泥干化热解连续反应装置及方法。装置包括污泥仓、搅拌器、料斗给料器、污泥形状控制器、皮带传送器、功率控制微波辐照器、微波热解反应腔、压力传感控制器、风机、冷凝换热器、刮板分离器、油水分离器)、疏液槽、焦炭储罐、产物油罐、产物气罐、氮气发生器、焦炭破碎机、污泥水罐和气体分流板。利用微波物料内部加热的特点减少散热损失，针对湿污泥直接干化热解，得到裂解油，可燃气和固体焦炭三种产品。该方法产气率不高，产油质量不高，并且最终污泥残渣的生物安全性能没有保障。

发明内容

鉴于现有技术存在的技术问题，本发明提供了微波热解处理市政污泥的技术方法。

具体地，本发明通过以下方案实现：

微波热解处理市政污泥的技术方法，包括：

第一步：将污水处理厂的原污泥进行烘干处理，直至质量不在变化(指质量变化范围1％以内)；

通常优选烘干温度105℃，烘干10—12小时(在此时间范围下质量一般不在变化)。

第二步：将污泥研磨成小颗粒状，加入热解催化剂和微波吸收剂；

第三步：将污泥加入微波热解装置中，然后通入氮气，热解；

第四步：反应后冷却收集能源气体和处理后的污泥。

优选微波热解之前，通入高纯氮气(99.9％)20min，流速为100mL/min。微波加热开始后调整氮气通入流量为20-40mL/min。

优选热解温度450-1100℃(优选500℃、700℃、1100℃)，热解时间为20-60min(优选30min-40min)。

通过大量的实验发现，各参数选择产油最佳温度500℃，该温度下热解油产量最高，含氧含氮有机分子含量较低，热解油质量最佳。

固体最佳温度：700℃该温度下，各重金属挥发较少，而且重金属固定率较高，即残渣态达到70％以上，其生态安全性大大提高。

产气最佳温度：1100℃，该温度下，CO,CH₄,H₂的总产量可以达到，70％以上，尤其是H₂，产量可以达到400L/kg。

所述微波吸收剂选自：KOH、NaOH、CaO、Fe₂O₃、MgO、NiO等，微波吸收剂的用量为污泥样品重量的2％-10％。

通过大量的实验发现，2％-10％的微波吸收剂对于微波加热效果比较明显，可以快速升温达到最终热解温度，快速热解污泥中的有机物。

所述热解催化剂选自：碱金属：CaO、Fe₂O₃、MgO、NiO等，或者金属盐类：MgCl₂、FeCl₃等，热解催化剂的用量为污泥样品重量的2％-10％。

通过大量的实验发现，该范围的催化剂对污泥热解有较明显的催化效果，使用催化剂之后，提升了气体产量，以及能源气体(CO,CH₄,H₂)的含量，改善热解油的质量，并提高固体中重金属固定率。

所述将污泥研磨成小颗粒状，研磨至粒径≤3mm的污泥颗粒，优选粒径≤2mm。

所述(单模微波炉)装置优选包含，1-温度显示器，2-电流表，3-功率调节旋钮，4-运行开关，5-停止开关，6-定时开关，7-照明开关，8-急停开关，9-微波开关，10-单模微波炉腔，11-高纯氮气输送部件，12-产物收集部件，13-微波发射器，14-保温棉，15-石英反应器，16-热电偶。

其中，1-单模微波炉腔的前部设置有13-微波发射器，15-石英反应器置于1-单模微波炉腔内部，16-热电偶设置于15-石英反应器的前部，和13-微波发射器对应，11-高纯氮气输送部件和12-产物收集部件分置于15-石英反应器内部。部件3-9通过电路连接控制单模微波炉腔内的反应，1-温度显示器，2-电流表通过电路连接控制单模微波炉腔内的参数变化。

实验采用单模微波加热设备，微波频率为2450±50MHz，可用功率为2KW，并线性可调，采用16-热电偶测温。将放有污泥样品的15-石英反应器用14-保温棉包好，放置在10-单模微波炉炉腔中。为保证热解在惰性气体环境中进行，开启微波前先反应体系中通入11-高纯氮气20min控制流速为200mL/min微波馈入后调整流速为10mL/min。打开4-运行开关，7-照明开关，然后开启9-微波，13-微波发射器向10-单模微波炉炉腔馈入微波，调节3-旋钮调节微波功率大小，热解开始后进行12-产物收集部件。热解完毕，调节旋钮至指针归零，关闭9-微波开关，关闭微波，冷却至室温，开启5-停止开关，完成热解实验。

本实验采用的是单模微波炉，在污泥热解过程中能源利用率较高，减少能源消耗。该装置结构简单，容易操作。

本发明相对现有技术的有益效果包括：

(1)、利用本发明提供的处理方法，针对污水厂提供的市政污泥进行微波原位热解的处理，该反应迅速高效,且最终产物为气态产物、液态产物和热解残渣。其中气态产物、液态产物均可进行循环利用。氢气含量最高可达70％，甲烷含量最高可达60％)、液态产物(主要成分为脂肪酸等)

(2)、微波对污泥中的重金属有特别明显的固定效果六种重金属残渣态均达到75％以上，跟原污泥相比大大降低了环境污染的危害。

附图说明

图1本发明微波热解装置示意图

其中，1-温度显示器，2-电流表，3-功率调节旋钮，4-运行开关，5-停止开关，6-定时开关，7-照明开关，8-急停开关，9-微波开关，10-单模微波炉腔，11-高纯氮气输送部件，12-产物收集部件，13-微波发射器，14-保温棉，15-石英反应器，16-热电偶。

具体实施方式

下面结合具体事例和附图对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容不局限于实施例。

实施例1微波热解处理市政污泥装置

根据图1，所述(单模微波炉)装置包含，1-温度显示器，2-电流表，3-功率调节旋钮，4-运行开关，5-停止开关，6-定时开关，7-照明开关，8-急停开关，9-微波开关，10-单模微波炉腔，11-高纯氮气输送部件，12-产物收集部件，13-微波发射器，14-保温棉，15-石英反应器，16-热电偶。

其中，1-单模微波炉腔的前部设置有13-微波发射器，15-石英反应器置于1-单模微波炉腔内部，16-热电偶设置于15-石英反应器的前部，和13-微波发射器对应，11-高纯氮气输送部件和12-产物收集部件分置于15-石英反应器内部。部件3-9通过电路连接控制单模微波炉腔内的反应，1-温度显示器，2-电流表通过电路连接控制单模微波炉腔内的参数变化。

实验采用单模微波加热设备，微波频率为2450±50MHz，可用功率为2KW，并线性可调，采用16-热电偶测温，16-热电偶与1-温度显示器相连。

将放有污泥样品的15-石英反应器用14-保温棉包好，放置在10-单模微波炉炉腔中。为保证热解在惰性气体环境中进行，开启微波前先通过11-高纯氮气输送部件向反应体系中通入高纯氮气。先开启4-运行开关，7-照明开关，然后开启9-微波，13-微波发射器向10-单模微波炉炉腔馈入微波，调节3-旋钮调节微波功率大小，热解开始后进行12-产物收集部件。热解完毕，调节3-微波旋钮至指针归零，关闭9-微波开关，关闭微波，冷却至室温，开启5-停止开关，完成热解实验。

实施例2微波热解处理市政污泥装置的技术方法，包括：

采用实施例所述的本发明的实验装置(单模微波炉)及对微波原位热解固定金属方法。

第一步：将污水处理厂的原污泥进行烘干处理，直至质量不在变化；

第二步：将污泥研磨成小颗粒状，加入热解催化剂和微波吸收剂，搅拌混匀；

第三步：将污泥加入微波热解装置中，然后通入氮气，热解；

第四步：反应后冷却收集能源气体和处理后的污泥。

实验条件：微波热解之前，通入高纯氮气(99.9％)20min，流速为100mL/min。微波加热开始后调整氮气通入流量为30-40mL/min。热解温度450-1100℃(优选500℃、700℃、1100℃)，热解时间为20-45min优选30min-40min)

微波吸收剂：KOH、NaOH、CaO、Fe2O3、MgO、NiO等，微波吸收剂的用量为污泥样品重量的2％-10％。

热解催化剂：碱金属：CaO、Fe₂O₃、MgO、NiO等。金属盐类：MgCl₂、FeCl₃。分子筛：ZSM-5、天然沸石粉等，热解催化剂的用量为污泥样品重量的2％-10％。

实施例3效果评价

其中，干污泥：水按如下比例，单位：g/ml按照实施例1装置和实施例2方法进行处理后，产生能源气体的结果如下表：

采用本发明优选热解温度，热解时间，微波吸收剂和热解催化剂等加入量的控制均能获得上述相应的能源气体结果，并有效处理污泥。

对比实施例1

相对于CN101838094A的方法，本专利采用微波吸收剂，大大减少升温时间，增加热解时间，并且使用催化剂，提升能源气体的产量H₂的含量最高达到70％以上，而且热解油的质量也大大提高。含氧含氮有机物质量分子大大降低(20％-60％)。且污泥残渣中的重金属固定率均在60％以上，生态风险评估指数降至低等级别。

对比实施例2

相对于的CN104355519A方法，本方法使用的是单模微波炉，在能源利用率上是大大高于CN104355519A方法。而且操作简单，成本较低。

对比实施例3

相对于CN104163555A的装置，本专利的产油和产气率均高于CN104163555A，而且产物质量也较好，残渣重金属固定率大大提高，资源化利用度更高。

对比实施例4

相对于不用本发明的微波热解装置，仅采用微波热解方法，其结果会使能源利用比较低，仅为原来的70％左右。

对比实施例5

相对于不用本发明的微波吸收剂和热解催化剂，仅采用微波热解方法，其结果会使产气率及产油质量均大幅降低，残渣中重金属固定率也降低。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.微波热解处理市政污泥的技术方法，包括：

第一步：将污水处理厂的原污泥进行烘干处理，直至质量不在变化；

第二步：将污泥研磨成小颗粒状，加入热解催化剂和微波吸收剂，搅拌混匀；

第三步：将污泥加入微波热解装置中，然后通入氮气，热解；

第四步：反应后冷却收集能源气体和处理后的污泥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选微波热解之前，通入高纯氮气20min，流速为100mL/min，微波加热开始后调整氮气通入流量为30-40mL/min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选热解温度450-1100℃，热解时间为20-45min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波吸收剂选自：KOH、NaOH、CaO、Fe₂O₃、MgO、NiO等，微波吸收剂的用量为污泥样品重量的2％-10％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热解催化剂选自：碱金属：CaO、Fe₂O₃、MgO、NiO等，或者金属盐类：MgCl₂、FeCl₃等，热解催化剂的用量为污泥样品重量的2％-10％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将污泥研磨成小颗粒状，研磨至粒径≤3mm的污泥颗粒，优选粒径≤2mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，烘干温度105℃，烘干10—12小时。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波热解装置为单模微波炉，包含：1-温度显示器，2-电流表，3-微波功率调节旋钮，4-运行开关，5-停止开关，6-定时开关，7-照明开关，8-急停开关，9-微波开关，10-单模微波炉腔，11-高纯氮气输送部件，12-产物收集部件，13-微波发射器，14-保温棉，15-石英反应器，16-热电偶，其中，1-单模微波炉腔的前部设置有13-微波发射器，15-石英反应器置于1-单模微波炉腔内部，16-热电偶设置于15-石英反应器的前部，和13-微波发射器对应，11-高纯氮气输送部件和12-产物收集部件分置于15-石英反应器内部，部件3-9通过电路连接控制单模微波炉腔内的反应，部件1和2通过电路连接控制单模微波炉腔内的参数变化。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，采用单模微波加热设备，微波频率为2450±50MHz，可用功率为2KW，并线性可调，采用16-热电偶测温，16-热电偶与1-温度显示器相连，将放有污泥样品的15-石英反应器用14-保温棉包好，放置在10-单模微波炉炉腔中。为保证热解在惰性气体环境中进行，开启微波前先通过11-高纯氮气输送部件向反应体系中通入高纯氮气，开启4-运行开关，7-照明开关，然后开启9-微波，13-微波发射器向10-单模微波炉炉腔馈入微波，调节3-旋钮调节微波功率大小，热解开始后进行12-产物收集部件。热解完毕，调节3-微波旋钮至指针归零，关闭9-微波开关，关闭微波，冷却至室温，开启5-停止开关，完成热解实验。