CN105481221B - 一种污泥干化抗收缩增碳方法 - Google Patents

Abstract

一种污泥干化抗收缩增碳方法，在离心脱水后的污泥干基中投入有机造孔剂和催化剂混合均匀后，在太阳能夹层干化系统中进行布料，通过骨架构建、造孔剂的协同作用，与太阳能干化有机结合，从而实现污泥快速干化基础上的低收缩增碳功能；其中，有机造孔剂由质量比例为50‑80％：20‑50％的造孔剂和骨料构成，造孔剂由包括淀粉、锯末、木屑和秸秆在内的天然纤维中的一种或者多种以任意比例混合而成，骨料由包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇和树脂在内的高分子聚合物中的一种或者多种以任意比例混合而成，催化剂为浓度≥0.4mol/L的KOH溶液，其与所述有机造孔剂的质量比为1:1，该有机造孔剂的投加量为污泥干基的5‑30％。本发明减少了污泥干化后的体积，使污泥含水率<20％时，体积比原始体积缩小到16.4‑52.2％，热解后碳回收率增加20‑30％，BET增加40‑120％。

Description

一种污泥干化抗收缩增碳方法

技术领域

本发明涉及一种固体废物处理方法，具体涉及一种用于污泥干化的太阳能辅助下减少干化收缩且增加污泥碳含量的方法，属于环保技术领域。

背景技术

随着我国城镇污水处理率的不断提高，城镇污水处理厂污泥产量也急剧增加。截止2013年6月底，全国已建成城镇污水处理厂3479座，污水处理能力约1.2亿立方米/日。污水处理厂大规模建成运营的最直接的结果，是污泥量的大幅提升。预测到2015年，全年城镇污水处理厂湿污泥(含水率80％)产生量将达到3359万吨，即日产污泥9.2万吨。剩余污泥的一个最大问题是其含水率高，一般污水厂二沉池污泥的含水率为97％～99％，其中间隙水约占70％，毛细水占20％左右，吸附水约为7％，胞内水约为3％。而通过一般的脱水处理，如离心脱水、板框压滤等，其最终含水率能够达到75-85％之间，此时污泥中的水分形态主要为吸附水和胞内水。但是普通压滤机和离心脱水机无法对该污泥进行深度脱水，不能满足污泥后续处理的要求，如填埋的污泥需要含水率在60％以下，而焚烧等则污泥的含水率需要在<30％，甚至到20％以下，才能满足后续污泥焚烧、热解制碳等热处理的需求，因此如何实现高效率、低能耗的污泥干化，成为解决问题的关键所在。

由于污泥等是生物质类物质，因此其干化过程会发生明显收缩，污泥从机械脱水后的含水率80％干化到20％以下，一般体积会大幅度缩小(大概为原始的9％左右，密度由开始的1.04g/cm³增加到1.07g/cm³)，主要是因为随着水分降低，污泥弹性模量变小，此时污泥表面水分的蒸发所引起的收缩及它内部的约束，会造成最终干化快具有非常结实的结构，类似于石头。该类剩余有机质形成的致密物质，不利于后续热解制成高品位碳，也严重影响焚烧过程与空气充分混合，不利于其完全燃烧。因此，如何在污泥干化过程中减少其体积的大幅度收缩，减少污泥等泥质生物质垃圾在干化过程中的收缩，以避免整个过程缺乏相应的气体输送孔道，成为污泥干化过程需要解决的问题，也有利于后续污泥的最终处理。

如果在污泥的干化收缩过程中植入部分物质构建骨架，如某些大分子的有机物，既可以给污泥增加骨架，又可以增加污泥中的碳含量，同时添加一些有机的造孔剂，如淀粉、锯末、木屑、秸秆等天然纤维，就能够为后续污泥的炭化提供良好的条件。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有污泥干化方法中，由于水分逸散形成的致密干化污泥，不利于后续热处理，以及污泥中有机碳含量偏低，不利于后续活性炭等的烧制的问题，采用有机造孔剂、碳料骨架等外加药剂方法，结合太阳能直接干化，提供一种改善污泥干化后性质的污泥干化抗收缩增碳方法，达到既能够加速污泥热干化速率，又能提高干化后污泥制碳的质量的效果，从而极大地提高社会效益和经济效益。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：在离心脱水后的污泥干基中投入有机造孔剂和催化剂混合均匀后，在太阳能夹层干化系统中进行布料，通过骨架构建、造孔剂的协同作用，与太阳能干化有机结合，从而实现污泥快速干化基础上的低收缩增碳功能。

作为进一步改进，所述的有机造孔剂由造孔剂和骨料构成，其中，所述造孔剂与骨料的质量比例为50-80％：20-50％，该有机造孔剂的投加量为污泥干基的5-30％。

作为进一步改进，所述的造孔剂是由包括淀粉、锯末、木屑和秸秆在内的天然纤维中的一种或者多种以任意比例混合而成，其中气粒径需破碎到<10mm。

作为进一步改进，所述的骨料是由包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇和树脂在内的高分子聚合物中的一种或者多种以任意比例混合而成，其中粒径需破碎到<5mm。

作为进一步改进，所述的催化剂为高浓度KOH溶液，其浓度≥0.4mol/L；该催化剂与所述有机造孔剂的质量比为1:1。

作为进一步改进，所述的污泥是市政污水厂的剩余污泥，或者是湖泊、河道、排水管道或泵站中的清淤淤泥，或者是湖泊中富营养化产生的包括蓝藻在内的含水率较高的生物质，该污泥进入所述太阳能夹层干化系统的含水率在80-95％之间。

作为进一步改进，所述的污泥干化到含水率<20％。

作为进一步改进，所述的太阳能夹层干化系统包括从上到下依次排列的透光层、柔性输送带、刚性输送带、中水源热泵加热系统和保温层，四周侧面围置有保温材料以减少热量逸散，该保温材料与最顶层的透光层和最底层的保温层形成一保温的夹层空间；脱水后的污泥首先在所述柔性输送带上，受透过所述透光层的太阳光的照射，通过太阳能直接加热预干化成型、脱臭、杀菌和光催化变性作用，然后通过重力自动从所述柔性输送带脱落到刚性输送带上，单独利用所述夹层空间内的空气源或者共同利用该空气源及其下方的所述中水源热泵加热系统进行再次加热，进一步实现干化。

作为进一步改进，所述的方法包括下列步骤：

步骤一，将制备好的有机造孔剂与脱水后的污泥干基进行混合，同时添加催化剂，该有机造孔剂的投加量为脱水后的污泥干基的5-30％，该催化剂与所述有机造孔剂的质量比为1:1，搅拌均匀；

步骤二，将步骤一获得的污泥用螺旋式进料系统或者高压泵直接输送到柔性输送带，进入太阳能夹层干化系统，泥层厚度保持在1-10cm之间，污泥随柔性输送带间歇性向前移动并进行干化，到达柔性输送带的尽头后，辅助以机械刮板，使污泥自动脱落到下层的刚性输送带上进一步干化，直至污泥含水率<20％；

步骤三，步骤二过程中产生的水蒸气在透光层的冷凝作用下化为冷凝水，通过自流或者冷凝水去除装置收集后进入太阳能夹层干化系统，降低冷凝水对太阳光的屏蔽效应；

步骤四，利用刮泥板将步骤二获得的污泥送入自动收料系统进行打包，然后外运，或就地进行焚烧和热解。

与现有技术相比，本发明充分利用了太阳能制热效果和污泥有机造孔剂的联合作用，通过造孔剂的调理，既能够构建污泥的干化结构，又有利于后续碳制备过程的造孔作用，特别是添加入的骨料等有机造孔剂，不仅可以增加污泥的碳含量，有利于后续热解过程的增碳作用，能够减少晾晒过程中污泥类物质的收缩，而且在后续污泥热处理时有利于增加污泥碳的造孔作用，从而获得较高BET的碳，有利于后续碳质量，特别是，添加的部分有机物有利于减少热解过程中的焦油产量；借助于太阳能夹层干化系统将污泥晾晒，达到干化目的，从而有利于污泥类物质在后续的制碳要求。

本发明的优点主要体现在以下几个方面：

1)充分利用了太阳能作用，将污泥等泥质有机质均匀晾铺在太阳能夹层区间，既实现了太阳能直接利用，又利用夹层微小空间对其有效进行保温，从而大幅度提高了干化速率。

2)充分利用了有机造孔剂的作用，既加速了污泥脱水，又通过植入增碳、骨料以及造孔剂等组分，使得干化后的污泥形成特定的结构，以利于后续热处理效果。

所述太阳能污泥干化系统首先通过添加有机造孔剂，将其与污泥混合反应，特别是加入的造孔剂可降低部分水分，同时有利于占据污泥中的位置，而在后续热解过程，形成CO₂等气态物质，有利于碳的BET提高，同时形成的部分气态碳在污泥中的Fe、Cu等重金属作用下，会重新固定成碳，从而有利于提高得碳率。此外加入高浓度KOH催化剂等，有利于干化后污泥热解过程的催化作用，从而增加了污泥热解制碳过程中碳的品质。因此，有机造孔剂的添加能够同时解决污泥干化、光催化变性、杀菌和存储需要，实现污泥减量，为资源化过程做准备，同时能够保留污泥原有的农业再利用价值，达到环境、社会和经济的有效统一。

附图说明

图1本发明的干化工艺示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种污泥干化抗收缩增碳方法，在离心脱水后的污泥干基中投入有机造孔剂和催化剂混合均匀后，在太阳能夹层干化系统中进行布料，通过骨架构建、造孔剂的协同作用，与太阳能干化有机结合，从而实现污泥快速干化基础上的低收缩增碳功能。

所述的脱水后污泥，是市政污水厂的剩余污泥，或者是湖泊、河道、排水管道或泵站中的清淤污泥等泥质物质，或者是湖泊中富营养化产生的包括蓝藻在内的含水率较高的生物质，该污泥进入所述太阳能夹层干化系统的含水率在80-95％之间。

所述的有机造孔剂由造孔剂和骨料构成，其中，所述造孔剂与骨料的质量比例为50-80％：20-50％，该有机造孔剂的投加量为污泥干基的5-30％，充分搅拌均匀。

所述的造孔剂，是由淀粉、锯末、木屑、秸秆等天然纤维中的一种或者多种以任意比例混合，其中气粒径需破碎<10mm；通过混入污泥，在太阳能低温干化过程保持稳定，而在热处理过程中以气体形式得到释放，从而提高污泥块体积的蓬松。

所述的骨料为聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇以及树脂等高分子聚合物中的一种或者多种以任意比例混合而成，粒径需破碎到<5mm；为后续的污泥制碳过程添加相应的骨料，从而有利于泥质生物质的制碳过程；同时该部分物料有利于增加生物质碳的产率。

所述的催化剂为高浓度KOH溶液，其浓度范围需≥0.4mol/L；该催化剂与所述有机造孔剂的质量比为1:1。

所述的布料，可以通过螺旋式进料系统进行布料，也可以选择采用高压泵将含水率达到85％以上的污泥直接泵入太阳能夹层干化系统。

所述的太阳能夹层干化系统包括从上到下依次排列的透光层、柔性输送带、刚性输送带、中水源热泵加热系统、保温层、外置的太阳能供热系统(太阳能集热板、太阳能热交换器)以及自动控制系统，四周侧面围置有保温材料以减少热量逸散，该保温材料与最顶层的透光层和最底层的保温层形成一保温的夹层空间。

所述透光层能够透射太阳光；所述柔性输送带位于所述透光层的下方且用于铺置和输送所述污泥；所述刚性输送带位于所述柔性输送带的下方且用以铺置和输送所述污泥；所述中水源热泵加热系统位于所述刚性输送带的下方且连接外置的太阳能供热系统；所述保温层位于所述中水源热泵加热系统的下方以减少热量向下的传导。

所述的太阳能夹层干化系统的夹层厚度在10-30cm之间，四周设置8cm双层PC等保温层材料或者其他保温材料(如石英棉)，用于减少夹层内热量逸散。

所述的透光层，优选玻璃、塑料薄膜、石英玻璃等透光玻璃或者薄膜构建，方便太阳光照射进入夹层干化系统，透光层与污泥层距离在1-10cm。

所述的透光层，安装有冷凝水的去除装置，通过自动或者手动，不定时将玻璃上冷凝的水蒸气汇集到水蒸气储水槽，从而减少玻璃上冷凝水阻挡太阳入射光，以及减少夹层内的湿度。

所述的污泥干化抗收缩增碳方法将离心脱水后污泥(干基)与有机造孔剂、催化剂混合均匀，该有机造孔剂的投加量为污泥干基的5-30％，该催化剂与所述有机造孔剂的质量比为1:1。所述有机造孔剂中，造孔剂与骨料的质量比例为50-80％：20-50％，充分搅拌均匀后进行布料，布料后污泥厚度在1-10cm之间，太阳能干化板的角度在30-60°之间；脱水后的污泥首先在所述柔性输送带上，受透过所述透光层的太阳光的照射，通过太阳能直接加热预干化成型、脱臭、杀菌和光催化变性作用，然后通过重力自动从所述柔性输送带脱落到刚性输送带上，单独利用所述夹层空间内的空气源或者共同利用该空气源及其下方的所述中水源热泵加热系统进行再次加热，进一步直接干化到<20％，体积比原始体积提高到16.4-52.2％，碳回收率增加了20-30％，而污泥基活性炭的BET增加了40-120％。

本发明适用于对污泥类的泥质生物质的干化，如市政污泥、河道淤泥、畜禽粪便和人体粪便、藻类、沼渣、中药提炼渣等，其方法包括下列步骤：

步骤一，将制备好的有机造孔剂与脱水后的污泥干基进行混合，同时添加催化剂，该有机造孔剂的投加量为脱水后的污泥干基的5-30％，该催化剂与所述有机造孔剂的质量比为1:1，搅拌均匀；

步骤二，将步骤一获得的污泥用螺旋式进料系统或者高压泵直接输送到柔性输送带，进入太阳能夹层干化系统，泥层厚度保持在1-10cm之间，污泥随柔性输送带间歇性向前移动并进行干化，到达柔性输送带的尽头后，辅助以机械刮板，使污泥自动脱落到下层的刚性输送带上进一步干化，直至污泥含水率<20％；

步骤三，步骤二过程中产生的水蒸气在透光层的冷凝作用下化为冷凝水，通过自流或者冷凝水去除装置收集后进入太阳能夹层干化系统，降低冷凝水对太阳光的屏蔽效应；

步骤四，利用刮泥板将步骤二获得的污泥送入自动收料系统进行打包，然后外运，或就地进行焚烧和热解。

下述实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明技术方案前提下所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

按照有机造孔剂配方，将淀粉、锯末、木屑和秸秆等天然纤维进行混合(1:1:1:1)，利用其中的纤维素等组分作为造孔剂，再加入聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇以及树脂中的一种或者几种组分作为骨料，所述造孔剂与骨料的质量比例控制在50％：50％，同时添加0.4mol/L的KOH作为催化剂，该催化剂与所述有机造孔剂的质量比为1:1。将制备好的有机造孔剂和催化剂与脱水后的污泥干基进行混合，该有机造孔剂的投加量为脱水后的污泥干基的5％，其中污泥的含水率为80％，混合均匀。15min后，污泥的毛细吸水时间由原生污泥的3700s升高至4357s，以高压泵打入，在太阳能夹层干化系统中均匀布料；在正常太阳光条件下晾晒，夹层内温度白天在38-80℃之间波动，污泥含水率从80％降低到20％所需时间为2d(实际有效时间在18h)，而单纯的太阳能干化未添加有机造孔剂，达到相同要求需要3.5d(太阳光实际照射时间在32h)。污泥体积从原来干化后占原体积的6.7％升高到7.8％。在终温为600℃热解条件下，污泥碳回收率比未添加有机造孔剂增加10％，BET增加40％。

实施例2

按照有机造孔剂配方，将淀粉、锯末、木屑和秸秆等天然纤维进行混合，利用其中的纤维素等组分作为造孔剂，结合聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇以及树脂中的一种或者几种组分作为骨料，两者质量比例控制在40％：60％，同时添加与有机造孔剂等质量的0.6mol/L的KOH作为催化剂，并与污泥混合，该有机造孔剂的投加量为脱水后的污泥干基的15％，其中污泥的含水率为80％，混合均匀。15min后，污泥的毛细吸水时间由原生污泥的3700s升高至4654s，以高压泵打入，在太阳能夹层干化系统中均匀布料，在正常太阳光条件下晾晒，夹层内温度白天在38-80℃之间波动，污泥含水率从80％降低到20％所需时间为2d(实际有效时间在16h)，而单纯的太阳能干化未添加有机造孔剂，达到相同要求需要3.5d(太阳光实际照射时间在30h)。污泥体积从原来干化后占原体积的6.7％升高到8.6％。在终温为600℃热解条件下，污泥碳回收率比未添加有机造孔剂的污泥增加20％，BET增加52％。

实施例3

按照有机造孔剂配方，将淀粉、锯末、木屑、秸秆等天然纤维任意混合，利用其中的纤维素等组分，结合聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇以及树脂等一种或者几种组分，其比例控制在30％：70％，同时添加等质量的0.7mol/L的KOH，并以污泥干基的20％质量比例与污泥混合，其中污泥的含水率为80％，混合均匀，15min后，污泥的毛细吸水时间由原生污泥的3700s升高至4807s，以高压泵打入，在太阳能夹层干化系统中均匀布料，在正常太阳光条件下晾晒，夹层内温度白天在38-80℃之间波动，含水率从80％降低到20％所需时间为1.5d(实际有效时间在12h)，而单纯的太阳能干化未添加有机造孔剂，达到相同要求需要3.5d(太阳光实际照射时间在30h)。污泥体积从原来干化后占原体积的6.7％升高9.8％。在终温为600℃热解条件下，污泥碳回收率比未添加污泥增加25％，BET增加80％。

实施例4

按照有机造孔剂配方，将淀粉、锯末、木屑、秸秆等天然纤维任意混合，利用其中的纤维素等组分，结合聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇以及树脂等一种或者几种组分，其比例控制在20％：80％，同时添加等质量的0.8mol/L的KOH，并与污泥以30％比例混合，其中污泥的含水率为80％，混合均匀，15min后，污泥的毛细吸水时间由原生污泥的3700s升高至5406s，以高压泵打入，在夹层太阳能干化系统中均匀布料，在正常太阳光条件下晾晒，夹层内温度白天在38-80℃之间波动，含水率从80％降低到20％所需时间为1d(实际有效时间在8h)，而单纯的太阳能干化未添加调理剂，达到相同要求需要3.5d(太阳光实际照射时间在30h)。污泥体积从原来干化后占原体积的6.7％升高10.2％。在终温为600℃热解条件下，污泥碳回收率比未添加污泥增加30％，BET增加120％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：在离心脱水后的污泥干基中投入有机造孔剂和催化剂混合均匀后，在太阳能夹层干化系统中进行布料，通过骨架构建、造孔剂的协同作用，与太阳能干化有机结合，从而实现污泥快速干化基础上的低收缩增碳功能；所述的太阳能夹层干化系统包括从上到下依次排列的透光层、柔性输送带、刚性输送带、中水源热泵加热系统和保温层，四周侧面围置有保温材料以减少热量逸散，该保温材料与最顶层的透光层和最底层的保温层形成一保温的夹层空间；脱水后的污泥首先在所述柔性输送带上，受透过所述透光层的太阳光的照射，通过太阳能直接加热预干化成型、脱臭、杀菌和光催化变性作用，然后通过重力自动从所述柔性输送带脱落到刚性输送带上，单独利用所述夹层空间内的空气源或者共同利用该空气源及其下方的所述中水源热泵加热系统进行再次加热，进一步实现干化。

2.根据权利要求1所述的污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：所述的有机造孔剂由造孔剂和骨料构成，其中，所述造孔剂与骨料的质量比例为50-80％：20-50％，该有机造孔剂的投加量为污泥干基的5-30％。

3.根据权利要求2所述的污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：所述的造孔剂是由包括淀粉、锯末、木屑和秸秆在内的天然纤维中的一种或者多种以任意比例混合而成，其中其粒径需破碎到<10mm。

4.根据权利要求2所述的污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：所述的骨料是由包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇和树脂在内的高分子聚合物中的一种或者多种以任意比例混合而成，其中粒径需破碎到<5mm。

5.根据权利要求1所述的污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：所述的催化剂为高浓度KOH溶液，其浓度≥0.4mol/L；该催化剂与所述有机造孔剂的质量比为1:1。

6.根据权利要求1所述的污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：所述的污泥是市政污水厂的剩余污泥，或者是湖泊、河道、排水管道或泵站中的清淤淤泥，或者是湖泊中富营养化产生的包括蓝藻在内的含水率较高的生物质，该污泥进入所述太阳能夹层干化系统的含水率在80-95％之间。

7.根据权利要求1所述的污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：所述的污泥干化到含水率<20％。

8.根据权利要求1所述的污泥干化抗收缩增碳方法，其特征在于：所述的方法包括下列步骤：

步骤一，将制备好的有机造孔剂与脱水后的污泥干基进行混合，同时添加催化剂，该有机造孔剂的投加量为脱水后的污泥干基的5-30％，该催化剂与所述有机造孔剂的质量比为1:1，搅拌均匀；

步骤二，将步骤一获得的污泥用螺旋式进料系统或者高压泵直接输送到柔性输送带，进入太阳能夹层干化系统，泥层厚度保持在1-10cm之间，污泥随柔性输送带间歇性向前移动并进行干化，到达柔性输送带的尽头后，辅助以机械刮板，使污泥自动脱落到下层的刚性输送带上进一步干化，直至污泥含水率<20％；

步骤三，步骤二过程中产生的水蒸气在透光层的冷凝作用下化为冷凝水，通过自流或者冷凝水去除装置收集后进入太阳能夹层干化系统，降低冷凝水对太阳光的屏蔽效应；

步骤四，利用刮泥板将步骤二获得的污泥送入自动收料系统进行打包，然后外运，或就地进行焚烧和热解。