CN105517696A

CN105517696A - 用于处理有机材料的可移动热处理方法

Info

Publication number: CN105517696A
Application number: CN201480043105.3A
Authority: CN
Inventors: 约瑟夫·E·祖巴克
Original assignee: SGC Advisors LLC
Current assignee: SGC Advisors LLC
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-04-20
Also published as: US20160185641A1; WO2015017602A1; EP3027300A4; EP3027300A1

Abstract

公开了用于处理有机材料的集成式可移动热处理系统和方法。在第一操作模式中，系统包含热处理有机材料以实现细胞裂解和细胞形成所必需的集成在共同的滑轨组装单元中的所有处理部件。在第二操作模式中，系统另外地包含集成在分立的或共同的滑轨组装单元中的预浆化、加压、选择性固体分离和/或脱水后处理部件，以通过预浆化使进料体积最小化、将进料以必要的处理压力传送、热处理有机材料以实现细胞裂解和细胞形成，并且产生适用于排放或用作肥料或燃料的脱水污泥饼。

Description

用于处理有机材料的可移动热处理方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年7月31号提交的美国临时专利申请序列第61/860,461号的优先权，通过引用将其全部公开内容明确地并入本文。

技术领域

本公开内容涉及有机材料的处理。更具体地，本公开内容涉及用于处理有机材料的热处理系统及方法。

背景技术

有机材料例如来自污水处理厂及废水处理厂(wastewatertreatmentplant，WWTP)的污泥是重要的处置问题。该污泥一般包含通常称为生物固体的固体与不同量的自由水的混合物。

生物固体内的大量细胞结合水使得含有生物固体的污水污泥难以处置。特别地，焚化污水污泥的成本极高，原因是细胞结合水使得生物固体具有净负的较低热值。类似地，如果污水污泥被热脱水，由于将水从污水污泥蒸发所需的能量，该过程可能具有净负的能量平衡。另外，运输污水污泥的成本庞大，原因是细胞结合水影响污泥的重量。通常WWTP必须支付“小费”以让另一方处置其生物固体。目前含有生物固体的污泥被陆埋、陆堆、或干燥以及用作肥料。然而，这些处置方法可能具有不利的环境影响，例如产生不期望的气味以及生物固体中所含的活致病生物体、有毒重金属和/或其它化学品化合物或药品化合物污染土壤或地下水。仅在美国每年就产生大约710万干(短)吨至760万干(短)吨的生物固体，欧洲和亚洲每年也产生类似量的生物固体。因而，合适的处置方法是重要的。

除了对合适的处置生物固体的方法的迫切需求，还存在对增加利用可再生或“绿色”能源的增长的公众呼声。公知的可再生能量形式包括太阳能、风能和地热能，但这些能源缺乏充足的供应。生物质材料例如锯末、农作物和农业废料以及工业废料很早就用作可再生燃料。另一方面，之前由于其中所含的大量细胞结合水，生物固体没有被视为可再生能源。如上文所讨论的，生物固体中的大量细胞结合水显著影响焚烧生物固体的成本和运输生物固体的成本两者。

因此，需要用于处理以及处置有机材料的新系统和方法。

发明内容

本公开内容提供了用于处理有机材料的热处理系统和方法。在主要操作模式中，系统处理未消化的材料以分解有机材料以增强消化或后处理被消化的材料以生成可再生的燃料产品。

另外，为了满足各种规模的废水处理厂，除其它问题之外，可以通过将用于处理和处置有机材料的新系统和方法安装在滑轨上以使其可以在各设施之间进行运输来实现一些大的经济效益。

根据本公开内容的一个示例性实施方案，提供了一种用于处理含有有机材料和水的物料的可移动热处理系统。该系统包含：可移动支承结构；浆化装置，其从物料产生固体含量为约16％固体或更少的浆料；泵，其用于将浆料加压至高于水在后续高温下之饱和压力的压力；热输入装置，其连接至可移动支承结构，将被加压的浆料加热至足够用于细胞裂解和炭形成的高温；以及反应装置，其连接至可移动支承结构，提供在所述高温下对被加热的浆料进行热处理的保持时间。

根据本公开内容的一个示例性实施方案，提供了一种用于处理含有有机材料和水的物料的可移动热处理系统。该系统包含：可移动支承结构；浆化装置，其从所述物料产生浆料；第一泵，其将所述浆料加压至高于水在第一高温下之饱和压力的第一压力；第一热输入装置，其在所述第一泵的下游连接至所述可移动支承结构，将被加压的浆料加热至所述第一高温；第二泵，其在所述第一热输入装置的下游连接至可移动结构，将所述被加热的浆料进一步加压至高于水在第二高温下之饱和压力的第二压力；第二热输入装置，其在所述第二泵的下游连接至所述可移动支承结构，将所述被加压的浆料进一步加热至足够用于细胞裂解和炭形成的所述第二高温；以及反应装置，其连接至可移动支承结构，提供在所述第二高温下对所述被加热的浆料进行热处理的保持时间。

根据本公开内容的另一示例性实施方案，提供了一种用于处理有机材料的热处理系统。该系统包含：消化有机材料的消化器，该消化器具有输入端和输出端；以及加热有机材料的热输入装置，该热输入装置与消化器的输入端选择性连通以在消化之前分解未消化的材料或者与消化器的输出端选择性连通以加热来自消化器的被消化的材料。

根据本公开内容的又一示例性实施方案，提供了一种用于处理有机材料的方法。该方法包括如下步骤：利用可选的浆化使消化前或来自消化器的有机材料中固体的期望浓度为低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的浓度范围或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内；利用泵将处于期望浓度的经消化材料泵送连续穿过换热器以对材料进行预热，该泵适于泵送具有以下粘度特征的未消化或经消化的材料，所述粘度特征为低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的范围内或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的固体浓度在低至50华氏度、100华氏度、200华氏度或高至500华氏度、600华氏度或750华氏度的温度范围或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内具有的典型粘度特征；经由向换热器与反应器之间的管道中注入蒸气来进一步加热材料，在低至50华氏度、100华氏度、200华氏度或高至500华氏度、600华氏度或750华氏度的温度范围或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内将材料保持在连续流动管反应器中，反应器中的保持时间为低至30秒、5分钟或15分钟或高至20分钟、60分钟或2880分钟或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内；使被加热的材料流过具有未加热材料的换热器以进行热交换。通过流经压力控制阀降低换热器之后经加热材料的温度和压力；可选地在符合U.S.EPAA级规定所要求的病原体热灭活标准所需的温度和时间条件下在降低的温度和压力条件下流经第二容器；以及可选地利用水用作冷却介质的第二换热器进一步降低加热的经消化材料的温度。

根据本公开内容的又一示例性实施方案，提供了一种集成式可移动系统，其用于以固体浓度在按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的范围内或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的浆料的形式以每天低至0.5干吨、1干吨、5干吨、10干吨或高至50干吨、100干吨、500干吨、1000干吨或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的经消化污泥的速率处理有机材料，该系统包含如下中至少之一：高压进料泵；套管(pine-in-pine)式或螺旋式换热器；连续流动反应器；压力控制阀；用于在高于或等于所述高温的温度下容纳泥浆持续符合病原体灭活规定所需的另外时间的辅助容纳罐槽(holdingtank)；互连管道；用于测量温度和压力的分析装置；以及安全运输和安装可移动系统所需的结构元件。

根据本公开内容的又一示例性实施方案，提供了一种系统，其用于以固体浓度在按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的范围内或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的单独浆料类型或混合浆料类型的浆料的形式以每天低至0.5干吨、1干吨、5干吨、10干吨或高至50干吨、100干吨、500干吨、1000干吨或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的组合浆料的速率处理来自废水处理厂的组合的一次和二次处理污泥以及需氧或厌氧消化的污泥，该系统包含如下中至少之一：污泥浆化过程，该污泥浆化过程用于将固体浓度增加至按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内；高压进料泵；换热器；流动反应器；压力控制阀；互连管道；用于测量温度和压力的分析装置；污泥脱水过程，其用于去除离开反应器的低至5％至99.9％或前述范围之间的任意浓度的浆料固体并且将所述固体保持为含有按重量计高达5％、15％、25％至65、75％、90％或可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的固体的半固体污泥饼的形式，并且产生过滤的水流，例如但不限于来自离心脱水装置的滤清液(centrate)；以及需氧或厌氧生物处理，其用于经由生物氧化或生物转化成适于经由燃烧产生能量的甲烷来去除过滤的水流内的残留的溶解有机化合物。

根据本公开内容的又一示例性实施方案，提供了一种系统，其用于以固体浓度在按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的范围内或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的单独浆料类型或混合浆料类型的浆料的形式以每天低至0.5干吨、1干吨、5干吨、10干吨或高至50干吨、100干吨、500干吨、1000干吨或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的组合浆料的速率处理来自废水处理厂的组合的一次和二次处理污泥以及需氧或厌氧消化的污泥，该系统包含如下中至少之一：污泥浆化过程，其用于将固体浓度增加至按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内；高压进料泵；换热器；流动反应器；压力控制阀；互连管道；用于测量温度和压力的分析装置；悬浮固体分类器，其经由分离过程例如但不限于水力旋流、涡流砂粒去除、筛选和筛利用颗粒密度和尺寸上的差异借助通过重力或离心力的水力学分选(classification)或者实现分离的筛来将惰性或非反应性固体例如砂粒或沙粒与能够经由生物学作用或热反应被进一步分解的反应性固体例如碳、炭和其它有机碳颗粒分离；需氧或厌氧处理过程，其进一步分解以能够经由生物学作用被进一步分解的溶解的碳质化合物或反应性固体的形式存在的有机材料；以及热处理，其从所述需氧或厌氧处理过程接收废污泥，进一步分解有机材料并且进一步降解所述有机材料，该热处理或者是用于该目的单独的热处理，或者是本文所述的处理固体浓度在按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的范围内或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的混合污泥类型的热处理；以及污泥分离和浓缩处理，其用于去除离开悬浮固体分类器的5％至99.9％或前述范围之间的任意浓度的惰性固体并且将所述固体保持为含有按重量计2％至85％的固体的浆料或半固体污泥饼的形式。

根据本公开内容的又一示例性实施方案，提供了一种系统，其用于以固体浓度在按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的范围内或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的单独或与来自消化器之有机材料混合的浆料的形式以每天低至0.5干吨、1干吨、5干吨、10干吨或高至50干吨、100干吨、500干吨、1000干吨或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的组合的一次和二次处理污泥的速率处理来自废水处理厂的组合的一次和二次处理污泥，该系统包含如下中至少之一：污泥浆化过程，其用于将固体浓度增加至按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内；高压进料泵；换热器；流动反应器；压力控制阀；互连管道；用于测量温度和压力的分析装置；在对生物固体进行脱水之前引入具有低溶解有机物含量的处理厂废水或其它来源的洁净水，以在污泥脱水之前从固体去除溶解的有机物使得脱水污泥符合产生A级污泥(根据U.S.EPA)所必需的用于热处理城市污泥的VectorAttractionReduction标准，和/或将浆料冷却至小于150F以降低聚合物降解的可能性；污泥脱水处理，其用于去除离开反应器的5％至99.9％或前述范围之间的任意浓度的浆料固体并且将所述固体保持为含有按重量计2％至85％的固体的半固体污泥饼的形式。

根据本公开内容的又一示例性实施方案，提供了一种系统，其用于以固体浓度在按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的范围内或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的单独或与来自消化器的有机材料混合的浆料的形式以每天低至0.5干吨、1干吨、5干吨、10干吨或高至50干吨、100干吨、500干吨、1000干吨或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的单独或组合污泥的速率处理来自废水处理厂的组合的一次和二次处理污泥以及需氧或厌氧消化的污泥，该系统包含如下中至少之一：污泥浆化过程，其用于将固体浓度增加至按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内；高压进料泵；换热器；流动反应器；压力控制阀；互连管道；用于测量温度和压力的分析装置；添加氨、磷酸盐和镁离子以在浆料中沉淀磷酸氨镁晶体使得所得脱水污泥中磷酸氨镁晶体的存在增加脱水污泥的氮和磷的含量以及污泥的后续肥料价值，并且还降低从脱水污泥压出的残余水中的氨和磷的浓度，从而降低从城市废水处理厂内的残余水去除氮和磷的成本；污泥脱水处理，其用于去除离开反应器的5％至99.9％或前述范围之间的任意浓度的浆料固体并且将所述固体保持为含有按重量计2％至85％的固体的半固体污泥饼的形式。

根据本公开内容的又一示例性实施方案，提供了一种系统，其用于以固体浓度在按重量计低至0.5％、1％、2％、5％或高至12％、20％、25％、60％的范围内或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的单独或与来自消化器的有机材料混合的浆料的形式以每天低至0.5干吨、1干吨、5干吨、10干吨或高至50干吨、100干吨、500干吨、1000干吨或者可以在任一对前述值之间限定的任意范围内的单独或组合污泥的速率处理来自废水处理厂的组合的一次和二次处理污泥以及需氧或厌氧消化的污泥，该系统包含如下中至少之一：污泥浆化过程，其用于将固体浓度增加至按重量计高至0.5％至25％或更高；高压进料泵；换热器；流动反应器；压力控制阀；互连管道；用于测量温度和压力的分析装置；厌氧消化处理，其在来自所述厌氧消化的废污泥与其余被热处理的废活性污泥混合并被脱水时，处理一部分被热处理的浆料以降低总污泥中溶解的有机物的浓度；污泥脱水处理，其用于去除5％至99.9％或前述范围之间的任意浓度的组合的热处理浆料固体并且将所述固体保持为含有按重量计2％至85％的固体的半固体污泥饼的形式，所述组合的热处理浆料固体包含转移至厌氧消化器的部分和没有转移至厌氧消化器的部分，所述半固体污泥饼符合U.S.EPAA级污泥和VectorAttractionReduction标准。

根据本公开内容的又一示例性实施方案，可将上文所述的前述系统安装在可移动支承结构例如滑轨上。该滑轨会被设计成适应拖车、卡车、火车或其它运输方式中的至少一种。滑轨会使得该系统能够容易地运输至其将被放置进行服务的地方。另外，滑轨使得该系统能够服务于一个以上的废水处理厂，从而可以实现大的经济效益。

附图说明

通过参考结合附图对本发明实施方案进行的以下描述，本公开内容的上述和其它特征和优点以及实现它们的方式会变得更加明显并且本发明本身会更好理解，在附图中：

图1是在下述模式下操作的集成式可移动系统的示意图，该模式用于处理被预泵至用于下述过程的足够高的压力和温度的有机材料例如消化的污泥，所述过程利用与集成式可移动系统分开的下游污泥脱水装置产生适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品的半固体污泥饼。

图2是在下述模式下操作的集成式可移动系统的示意图，该模式用于处理被预泵至下述过程所需要的足够高的压力和温度的有机材料例如预浆化的消化的污泥，所述过程利用与集成式可移动系统分开的下游污泥脱水装置产生适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品的半固体污泥饼。

图3是在下述模式下操作的集成式可移动系统的示意图，该模式利用组装有滑轨的系统处理有机材料例如消化的污泥，所述组装有滑轨的系统包含：用于预浆化消化池污泥的浆化处理；用于充分产生高压力的泵；以及充分获得下述过程所需要的温度的热处理，所述过程产生适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品的半固体污泥饼；以及包含在集成式可移动系统中的被处理污泥的脱水设备。

图4是在下述模式下操作的集成式可移动系统的示意图，该模式利用充分产生高压的泵以及用于充分达到下述过程所需温度的热处理来处理有机材料例如消化的污泥，所述过程利用与集成式可移动系统分开的被处理污泥的脱水设备产生适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品的半固体污泥饼。

图5是在下述模式下操作的系统的示意图，该模式利用充分产生高压的泵以及用于充分达到下述过程所需温度的热处理来处理有机材料例如浆化的未消化的污泥，所述过程利用下游污泥脱水设备产生适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品的半固体污泥饼。

图6是在下述模式下操作的系统的示意图，该模式利用充分产生高压的泵以及充分达到利用下游污泥脱水设备产生半固体污泥饼所需温度的热处理来处理有机材料例如浆化的未消化的污泥，所述半固体污泥饼适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品，所述下游污泥脱水设备产生从污泥中去除的水，其可接受经由需氧或厌氧处理过程对所述水进行处理，所述需氧或厌氧处理过程用于从所述水中去除溶解的碳质组分以及将所述组分转化成另外的生物质和碳基气体产物例如甲烷和一氧化碳。

图7是在下述模式下操作的系统的示意图，该模式利用足够产生高压的泵和足够达到利用下游污泥脱水设备产生半固体污泥饼所需温度的热处理来处理有机材料例如浆化的未消化的污泥，所述半固体污泥饼适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品，并且为符合U.S.EPAVectorAttractionReduction要求所需，在对浆料脱水之前添加水以降低最终脱水污泥饼中残余的溶解的有机物含量。

图8是在下述模式下操作的系统的示意图，该模式利用足够产生高压的泵和足够达到利用下游污泥脱水设备产生半固体污泥饼所需温度的热处理来处理有机材料例如浆化的未消化的污泥，所述半固体污泥饼适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品，并且在对浆料脱水之前添加化学品以捕获氨和磷酸盐，以经由沉淀后续保留在最终的脱水污泥饼中的磷酸氨镁而提高肥料价值。

图9是在下述模式下操作的系统的示意图，该模式利用足够产生高压的泵和足够达到利用下游污泥脱水设备产生半固体污泥饼所需温度的热处理来处理有机材料例如浆化的未消化的污泥，所述半固体污泥饼适于排放或者用作肥料或可再生燃料产品，所述下游污泥脱水设备产生从污泥中去除的水，其可接受经由需氧或厌氧处理过程对所述水进行处理，所述需氧或厌氧处理过程用于从所述水中去除溶解的碳质组分以及将所述组分转化成碳基气体产物例如甲烷和一氧化碳以及另外的生物质，当过量的生物质再循环至热处理的进料时，最终的脱水污泥饼中的残余的溶解的有机含量根据总处理过程所需被减少至符合U.S.EPAVectorAttractionReduction要求。

图10是在下述模式下操作的系统的示意图，该模式用于处理被预泵至下述过程所需的足够高压力的有机材料例如浆化的消化和/或未消化的污泥，所述过程利用下游悬浮固体分类产生适于排放或者用作肥料的半固体污泥饼，所述下游悬浮固体分类经由重力或离心力分离来将惰性材料如砂粒和沙粒与保留在液流中的大量碳质反应性材料如碳、炭和其它碳质悬浮固体分离，当前的需氧废水处理厂或单独的需氧或厌氧处理过程如图9所示，所述单独的需氧或厌氧处理过程用于从液流中去除溶解的碳质组分并且将所述组分转化成碳基气体产物例如甲烷和一氧化碳以及变成进料至热处理过程的有机材料的另外的生物质；以及

图11A是集成在滑轨上的示例性热处理系统的透视图；

图11B是图11A的热处理系统的俯视图；以及

图11C是图11A的热处理系统的端视图。

具体实施方式

公开了一种用于处理从污泥产生过程接收的有机物料的热处理系统10，所述污泥产生过程例如废水生物学处理厂或废水处理厂(WWTP)14中的污泥消化器。在图1所示的操作模式中，系统10还处理来自WWTP14的消化器的经消化材料以产生可再生燃料产品。下面将对操作模式进行进一步描述。

将参照图1对第一操作模式进行描述。系统10接收来自WWTP14的有机物料，其可以包含浆料形式的污水。更具体地，来自WWTP14的有机物料可以包含未处理的污水污泥或经处理的污水污泥，例如含有A级生物学固体或B级生物学固体的浆料。贯穿本公开内容所使用的术语“生物学固体”在本领域内具有其基本意义。例如，生物学固体包含在废水处理过程期间从污水中去除的材料中的死有机细胞、细菌细胞群、无机化合物(例如砂粒、沙粒)、细胞结合水、土壤状的残余物以及其它固体。

将参照图2对第一操作模式进行描述。在离开WWTP14之后，有机物料可经受浆化装置25中的浆化处理。在某些实施方案中，浆化处理可涉及细化物料，例如通过向物料中添加稀释水和/或浸渍物料以减小包含在物料中的固体颗粒的尺寸。在其它实施方案中，浆化处理可能涉及例如通过沉降、浮选、离心、带按压或轮转按压来稠化物料。浆化装置25可以位于系统10的外侧并且与系统10分离。另外，有机物料可经受聚合物处理过程、化学处理过程(例如与螯合剂混合)或生物学处理过程(例如与细菌和原生动物混合)。例如，从WWTP14输入的有机物料中的水分含量可以低至约10vol.％(体积百分比)、70vol.％、75vol.％或80vol.％并且高至约85vol.％、90vol.％、95vol.％或97vol.％，或者在任意一对前述值之间限定的任意范围内。剩余体积的有机物料可以包含生物学固体例如死有机细胞、细菌细胞群、无机化合物(如砂粒、沙粒)和其它固体，以及溶解的物质(如氨(NH₃))。

除了未消化和消化的污水污泥，来自WWTP14的有机物料可包含其它有机材料，特别是含有细胞结合水的那些。例如，有机物料可包含造纸污泥、食品废弃物、植物物质(例如，稻壳、干稻草)、丢弃的纤维素包装材料、甘蔗渣、绿色废物(例如，叶子、剪取物、草)、藻类、木材和废木材、来自木材燃烧的渣或其它残渣、棕榈油渣和短期轮作作物。有机物料还可以包含动物尸体。有机物料还可以包含农业废弃物，如从牲畜业获得的污水材料(如猪粪、鸡粪、牛粪)。有机物料还可以包含专为用于该处理而种植的作物，如柳枝稷或其它植物。有机物料还可以包含城市固体废物、脂肪、油和油脂(fats，oilsandgreases，FOG)、医疗废弃物、废纸、垃圾衍生燃料、牛皮纸工厂(KraftMill)黑液或亲水的非可再生燃料(如低级煤)。在示例性实施方案中，有机物料可以包含生物学固体和其它有机材料(包括生物质)的混合物，以提高最终产品的热值和/或增加生产规模。

在图1、图2和图3所示的实施方案中，有机物料是使用泵32从WWTP14泵送至可移动系统10的浆料的形式。在图1和图2所示的实施方案中，浆化装置25和/或泵32与可移动系统10分离。在图3所示的实施方案中，泵32作为部件包含在可移动系统10中。图1至图3中示出了作为可移动系统10之一部分的组件连接至可移动支承结构12，可移动支承结构12在本文中也被称为滑轨或平台。可移动支承结构12可以连接至拖车、卡车、火车或其它运输方式中的至少一种以移动系统10。可移动支承结构12使得能够将相应的系统10临时或永久地运输至将被放置使用的位置。如果可移动支承结构12被永久地安装，应理解的是，曾经可移动(例如，运输系统10期间)的支承结构12可能变得不动(例如，使用系统10期间)。此外，可移动支承结构12使得系统10能够潜在地服务一个以上的WWTP14从而能够实现较大的经济效益。

根据本公开内容的示例性实施方案，离开浆化装置25的物料的固体含量为约16％或更小，更具体地固体含量低至约2％、4％、6％或8％并且高至约10％、12％、14％或16％，或者在任意一对前述值限定的任意范围内。例如，物料的固体含量可以为约8％至约12％。在该范围内，物料可以保持为可作为具有较低泵浦能量的液体泵送的牛顿流体。因此，相应的泵32的尺寸可以较小并且成本低以适应系统10的可移动性质或滑轨组装性质。示例性泵32是使用螺旋转子来迫使材料通过一组固定大小的空腔的螺杆泵(progressivecavitypump)。这样的泵可以购自Springfield，Ohio的Moyno，Inc。另外，泵32的下游设备可以被设计为对于类似尺寸和节约成本的较低的压力等级。高于该范围时，物料可以开始充当宾汉塑性体(BinghamPlastic)，由此需要另外的泵浦能量以抵消非牛顿流体，这需要更大更昂贵的设备。

为了制备用于后续加热的有机物料，泵32将有机物料加压至高于水在后续高温下之饱和压力的压力。对有机物料加压通过基本上抑制浆料中的水蒸发使在后续的加热期间保持浆料中的液相。例如，根据后续的高温，泵32可以将有机物料加压至以下压力：低至约1psig、30psig或50psig，并且高至约1000psig、1300psig、1500psig或3200psig，或者在任意一对前述值之间限定的任意范围内。

泵32提供的压力可以根据有机物料的粘度进行变化。随着有机物料粘度的增加，考虑到下游压力损失，可以增加泵32提供的压力。考虑到有机物料可能非常粘，并且可能带有溶解的气体，通过液压或机械辅助为泵32设置适当的净泵吸入压头(netpumpsuctionhead，NPSH)时必须小心。在一个实施方案中，在地球重力的协助下，可以从泵32沿垂直或向下倾斜的平面传送经加压的有机物料以减少泵32的需求和/或降低在下游收集之有机物料的含砂粒固体部分或粘性固体部分的可能性。

接下来，如图1所示，经加压的浆料从泵32继续行进至第一热输入装置，例如换热器26。在换热器26中，首先经由与离开反应器28的经加压浆料进行热交换来对经加压浆料进行加热。与套管式换热器26相比，螺旋式换热器26可以节省可移动支承结构12上的空间。合适的螺旋式换热器可以购自WichitaFalls，Texas的Tranter，Inc。随后，将浆料经由在第二热输入装置处添加蒸汽进行任选地加热，例如系统中从换热器26离开的经加压浆料与进入反应器28的经加压浆料之间某点处的蒸汽注入喷嘴27。使用一个以上的换热器分阶段对经加压浆料进行加热并且经由一个或更多个直接进入反应器28的注入点注入蒸汽在本公开内容的范围内。

根据本公开内容的一个示例性实施方案，可在第一热输入装置26与第二热输入装置27之间设置辅助泵42。第一泵32的需求可能较低，供应足够的压力以将浆料移动通过第一热输入装置26，同时在第一热输入装置26中初始加热之后保持浆料处于液相。辅助泵42的需求可能较高，供应足够的压力以将浆料移动通过第二热输入装置27和其它下游部件，同时在第二热输入装置27中进一步加热之后保持浆料处于液相。然而，在第一热输入装置26中发生的初始加热可能降低浆料的粘度和对辅助泵(supplementalpump)42的相应需求，使得辅助泵42的尺寸较小且成本低。示例性第一泵32是空气隔膜泵，其可以购自GrandTerrace，California的WildenPump&Engineering，LLC。示例性辅助泵42是上文进一步描述的螺杆泵。在某些实施方案中，在第一热输入装置26中发生的初始加热和粘度降低可以使得物料的固体含量为约35％或更少，更具体地，固体含量低至约1％、3％、5％、7％、9％、11％、13％、15％、17％或19％，并且高至约21％、23％、25％、27％、29％、31％、33％或35％，或者在任意一对前述值限定的任意范围内。

根据本公开内容的示例性实施方案，换热器26和/或蒸汽注入喷嘴27将经加压浆料加热至足以引起细胞裂解、脱羧和/或碳化的温度。在某些实施方案中，细胞裂解在约230°F(110℃)的温度下开始。在该裂解温度下，浆料中的细胞结构(例如细胞壁、细胞脂质双层膜、内部细胞膜)开始破裂。因此，细胞开始分解成尺寸更小的颗粒并且释放它们的细胞结合水。另外，加热浆料的粘度可以显著降低。此外，杂质(例如钠、钾、氯、硫、氮、有毒金属)可以作为离子从破裂的细胞中分离并且溶入液相中，使得杂质可用于后续的去除和处置。例如，为了实现这样的结果，换热器26和/或蒸汽注入喷嘴27可以将经加压浆料加热至如下温度：低至230°F(110℃)、240°F(116℃)或250°F(121℃)，并且高至260°F(127℃)、270°F(132℃)、280°F(138℃)或更高，或者在任意一对前述值之间限定的任意范围内。如上所讨论的，换热器26和蒸汽注入喷嘴27中的加热可能分阶段发生。例如，换热器26可以将经加压浆料加热至约100°F(38℃)或更高的第一温度，并且蒸汽注入喷嘴27可以将经加压浆料进一步加热至约230°F(110℃)或更高的第二温度。

如图1所示，然后将经加压加热的浆料从换热器26和/或蒸汽注入喷嘴27引导至反应器28。在反应器28内，经加热浆料被允许保温在裂解温度，以促进更多的细胞裂解、产生炭，并且释放更多的细胞结合水。根据细胞裂解和产生炭的期望程度，在反应器28中的停留时间可以例如低至1分钟、3分钟或5分钟并且高至7分钟、9分钟、11分钟或更长，或者在任意一对前述值之间限定的任意范围内。

反应器28持续地接收经加热浆料。另外，经加热浆料水平地流动通过反应器28，在沿反应器长度的各个点处连接单独的阀门控制的喷嘴以促进从浆料中去除会收集在反应器28底部的沙粒、砂粒和其它材料。反应器28可以调节碱、还原性气体或另一种化合物的添加，以促进不期望成分的下游去除。例如，反应器28可以调节一氧化碳的添加以促进沉淀的NH₃的下游去除。

如果有必要保持裂解温度，那么反应器28可以采用维持反应器28中内含物热量的绝热套进行绝热。浆料会在反应器28中产生热量从而减少或消除反应器28的另外加热的需要在本公开内容的范围内。

离开反应器28的浆料(本文中称为预处理浆料)含有液体材料和固体材料的混合物。预处理浆料的液相包含在裂解期间释放的曾经的细胞结合水和溶解的化合物，包括溶解的二氧化碳、溶解的NH₃、溶解的汞和溶解的硫化合物。在由泵32供应的高压下挥发性物质(如二氧化碳)可能被迫留在液相中。然而，在过程中可能形成某些气体。为了防止在管道和设备中释出的气体聚积，可将释出的气体持续地从位于遍布系统10的通风口处去除。例如，通风口可以位于反应器28中、系统10中的高点处和限定区域(如离心泵外壳)中，通风口具有允许溶解的气体从液体浆料中释出的局部压降。预处理浆料的固相主要包含破裂的细胞结构和无机化合物(如砂粒、沙粒)。例如，预处理浆料的固体含量可以低至约1wt.％、10wt.％、20wt.％或30wt.％，并且高至约40wt.％、50wt.％或75wt.％，或者在任意一对前述值之间限定的任意范围内。由于结合的有机物释放入液相和气相中，以及成分之间的化学反应，反应器28中预处理浆料的固体含量可能下降。

如图1所示，来自反应器28的预处理浆料继续行进至换热器26，或行进至另一适合的冷却器(例如图11A至图11C的冷却器40)。通过与冷却的、输入的有机物料进行交换对预处理浆料进行冷却。尽管图1中示出了单个换热器26，但是使用一个以上的换热器对预处理浆料进行分阶段冷却在本公开内容的范围内。

如图1所示，将经冷却处理的浆料从换热器26引导至减压阀29。经过减压阀29之后，处理后浆料的压力可能降低至例如大气压、5psig或10psig。压力降低释放曾经被迫使留在液相中的挥发性物质，如二氧化碳、硫化氢和其它不可冷凝的气体。压力降低还可能释放一些少量的水蒸气。然而，通过在减压之前对后处理中的浆料进行冷却，大部分水将保持在液相中用于在后续的机械脱水和加热干燥过程期间去除。经过减压阀29之后，通风口还可以用于释放在系统10中其它地方释出的排放气(ventgas)。例如，通风管(未示出)可以将反应器28和/或WWTP14的消化器连接至泄压槽(pressureletdowntank)(未示出)以释放在反应器28和/或WWTP14的消化器中释出的气体以及在泄压槽中释出的其它气体。

如图1所示，从减压阀29，使用辅助加热容器或容纳罐槽30以将污泥保持在大于或等于所述高温的温度下并持续符合病原体灭活规定和从经冷却处理的浆料中分离挥发性物质所需的另外的时间。在前面的段落中描述的在冷却处理浆料的压力和温度的同时下降释放了曾经被迫使保留在液相中的挥发性物质，如二氧化碳、硫化氢、硫醇和其它不可冷凝的气体，以及水蒸气。因为在浆料中NH₃与水存在平衡，所以NH₃也可能与水蒸气一起蒸发。蒸发NH₃可以使最终产品更适合于后续的燃烧，并且可以允许蒸发的NH₃(如利用氨洗涤器)回收和出售。通风口设置在辅助加热容器或容纳罐槽30内，用于去除释放的挥发性物质。

来自辅助加热容器或容纳罐槽30的输出物包含释放的蒸气流和固液浆料流。离开辅助加热容器或容纳罐槽30的释放的蒸气流可以被捕获、净化并且出售、燃烧以破坏气味、燃烧用于能源回收、处理以破坏不期望的成分，或以其它方式处理。固液浆料流被引导至机械脱水装置(示例性的离心机31)。其它合适的脱水装置包括例如喷雾干燥器、过滤器、压带机(beltpress)和轮转印刷机(rotarypress)。进入离心机31的浆料主要包含液体材料，其中固体材料占少至例如浆料的约0.5wt.％、10wt.％、15wt.％或20wt.％和多至浆料的约25wt.％、30wt.％、35wt.％或90wt.％，或者在任意一对前述值之间限定的任意范围内。在离心机31中，浆料经受高速旋转以将液体材料从固体物质中分离。大部分液体材料会以液体滤清液流离开离心机31，而大部分的固体材料会以饼的形式离开离心机31。

离开离心机31的液体滤清液流可以经历后续的处理，例如液体滤清液返回到WWTP14进行进一步的处理的返回，回收有价值的组分的处理，或排放到下水道或环境中的处理。

离开离心机31的饼可以含有基本上等量的固体材料和液体材料。例如，饼的固体含量可以低至约15wt.％、35wt.％、40wt.％或45wt.％，并且高至约50wt.％、55wt.％、60wt.％、90wt.％或更高，或者在任意一对前述值之间限定的任意范围内。饼可以不需要进一步处理施用于土地并且用作肥料。另外地，所述饼可以继续行进至热干燥器以蒸出更多的水和其它挥发性物质。

图1和图2中用于处理从污泥产生过程中接收的有机物料的热处理系统10是能够接收未浆化或预浆化有机物料以产生适于后续脱水的经处理浆料的集成过程。图3中的热处理系统10呈现为包括在最终集成式可移动系统10中的浆化装置25和/或最终脱水设备31的变型。

尽管已经将本发明描述成具有示例性设计，但是在本公开内容的精神和范围内本发明还可以进一步修改。因此，本申请旨在覆盖使用其一般原理的本发明的任意变型、使用或修改，例如但不限于图4至图10中所示的实施方案。

在图4中，在浆化装置25中发生的污泥浆化过程可以被集成到与在换热器26中发生的热处理过程相同的可移动支承结构12上。

图5包括具有在脱水装置31中直接返回到WWTP14的脱水之后的滤液之再循环的一级和二级废水处理污泥的处理。

在图6中，来自离心机31中的滤液在返回到WWTP14之前进一步利用在消化器38中的单独的需氧或厌氧处理过程进行处理。

图7包括在使浆料在脱水装置31中脱水之前从水供应器33中添加水以减少在最终脱水污泥饼中的残余溶解有机物含量。

图8包括在使浆料在脱水装置31中脱水之前从化学品供应器34中添加化学品以捕获氨和磷酸盐，以经由后续保留在最终的脱水污泥饼中的磷酸氨镁的沉淀来提高肥料价值。

图9利用消化器35中的需氧或厌氧生物学处理过程来处理来自反应器28的至少部分热处理浆料，这减少了满足VectorAttractionReduction标准所需百分比的可溶有机物的净量。来自消化器35的废污泥可以再循环至浆化装置25与物料进行混合。

图10包括具有分离装置36的热处理过程10，分离装置36选择性地将惰性的、非反应性的和不可降解的悬浮固体如砂粒和沙粒与热处理的、反应性的、可降解的和大量碳质材料(如保留在液体流中的碳、炭和其它碳质悬浮固体)分离。分离装置36可以利用颗粒尺寸和比重差异所引起的沉降速率差异基于离心力或重力分离进行操作，其中沉降较快的颗粒代表不可降解的悬浮固体，并且沉降较慢的颗粒代表可降解悬浮固体。分离装置36可以将可降解的固体引导至WWTP14或单独的消化器35(图9)用于进一步生物学降解和热降解残留的反应性碳质悬浮固体，并且用于将所述成分转化为成为进料至热处理过程10的有机材料的碳基气体产物(如甲烷和一氧化碳)和另外的生物质。

接下来参照图11A至图11C，示出与图1至图10的热处理系统一起使用的可移动支承结构，具体地滑轨12。滑轨12可以连接至拖车、卡车、火车或其它运输方式中的至少一种以移动滑轨12和安装在滑轨12上的设备。滑轨12使得热处理系统能够临时或永久地运输至将被放置使用的位置。此外，滑轨12使得热处理系统能够服务一个以上的废水处理厂，从而实现大的经济效益。在图11A至图11C的示出的实施方案中，示出滑轨12支承泵32(如螺杆泵)、换热器26(如螺旋式换热器)、反应器28、容纳罐槽30和冷却器40。滑轨12的尺寸和形状可以变化，以容纳更多或更少的设备。另外，滑轨12的尺寸和形状可以根据用于运输滑轨12的运输方式进行变化。例如，如果经由半卡车拖车运送滑轨12，滑轨12的尺寸可以为约8英尺宽约8英尺高，或者如果经由车厢运送滑轨12可以为约9英尺宽约10英尺高。

尽管本发明已经被描述为具有示例性设计，但是在本公开内容的精神和范围内可以进一步修改本发明。因此，本申请旨在覆盖使用其一般原理的任意变型、使用或修改。此外，本申请旨在覆盖与本公开内容的这样的偏离，该偏离在本发明所属领域公知或常规实践内并且落入所附权利要求书的限定内。

Claims

1.一种用于处理含有有机材料和水的物料的可移动热处理系统，所述系统包含：

可移动支承结构；

浆化装置，其从所述物料产生固体含量为约16％固体或更少的浆料；

泵，其用于将所述浆料加压至高于水在后续高温下之饱和压力的压力；

热输入装置，其连接至所述可移动支承结构，将被加压的浆料加热至足够用于细胞裂解和炭形成的高温；以及

反应装置，其连接至所述可移动支承结构，提供在所述高温下对被加热的浆料进行热处理的保持时间。

2.根据权利要求1所述的系统，其还包含对来自所述反应装置的被热处理的浆料进行生物学处理的需氧或厌氧消化器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中来自所述消化器的废污泥被回收至所述物料中。

4.根据权利要求1所述的系统，其还包含用于从被热处理的浆料去除水以产生脱水污泥饼的脱水装置。

5.根据权利要求4所述的系统，其还包含对来自所述脱水装置的所去除的水进行生物学处理的需氧或厌氧消化器。

6.根据权利要求4所述的系统，其还包含在所述反应装置之后和所述脱水装置之前通向被热处理的浆料的水供应，所述水供应有利于减少所述脱水污泥饼内的残余溶解有机材料。

7.根据权利要求4所述的系统，其还包含在所述反应装置之后和所述脱水装置之前通向被热处理的有机材料的化学源，所述化学源有利于通过使氨和磷酸盐沉淀为后续保留在所述脱水污泥饼内的磷酸氨镁或其它沉淀的可过滤颗粒来从被热处理的有机材料的水相去除溶解的氮化合物和磷化合物。

8.根据权利要求4所述的系统，其中所述脱水装置借助颗粒尺寸和比重差异所引起的沉降速率方面的差别来将被热处理的浆料选择性地分离成第一部分和第二部分，所述第一部分包含存在于被热处理的浆料中的沉降较快、不可降解的悬浮固体，所述第二部分包含存在于被热处理的浆料中的沉降较慢、可降解的悬浮固体，所述脱水装置将所述第二部分引导至消化器。

9.根据权利要求4所述的系统，其中所述脱水污泥饼适于用作肥料或可再生燃料。

10.根据权利要求1所述的系统，其还包含用于干燥被热处理的浆料的喷雾干燥器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述物料在所述浆化装置中被水稀释。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述物料来自一种以上的来源。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述可移动支承结构包含滑轨。

14.根据权利要求1所述的系统，其中来自所述浆化装置的浆料的固体含量为约4％固体至约16％固体。

15.根据权利要求14所述的系统，其中来自所述浆化装置的浆料的固体含量为约8％固体至约12％固体。

16.根据权利要求4所述的系统，其中所述浆化装置、所述泵和所述脱水装置中的至少一种被连接至具有所述热输入装置和所述反应装置的所述可移动支承结构。

17.根据权利要求1所述的系统，其还包含所述反应装置下游的容纳罐槽，所述容纳罐槽提供在高于或等于所述高温的温度下对被热处理的浆料进行进一步处理的另外的时间。

18.一种用于处理含有有机材料和水的物料的可移动热处理系统，所述系统包含：

可移动支承结构；

浆化装置，其从所述物料产生浆料；

第一泵，其将所述浆料加压至高于水在第一高温下之饱和压力的第一压力；

第一热输入装置，其在所述第一泵的下游连接至所述可移动支承结构，将被加压的浆料加热至所述第一高温；

第二泵，其在所述第一热输入装置的下游连接至所述可移动结构，将所述被加热的浆料进一步加压至高于水在第二高温下之饱和压力的第二压力；

第二热输入装置，其在所述第二泵的下游连接至所述可移动支承结构，将所述被加压的浆料进一步加热至足够用于细胞裂解和炭形成的所述第二高温；以及

反应装置，其连接至可移动支承结构，提供在所述第二高温下对所述被加热的浆料进行热处理的保持时间。

19.根据权利要求18所述的系统，其中来自所述浆化装置的所述浆料的固体含量为约35％固体或更少。

20.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一泵是空气隔膜泵。

21.根据权利要求18所述的系统，其中所述第二泵是螺杆泵。

22.根据权利要求18所述的系统，其还包含用于从被热处理的浆料去除水以产生脱水污泥饼的脱水装置。