CN105645701B - 一种污泥处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污泥处理系统及处理方法，本发明利用高温高压使得污泥中的细胞破壁，使细胞中的细胞水脱除，使后续的固液分离较为容易。更重要的是利用水热氧化原理，使污泥中的有机物进行液相氧化，通过释放出的热量维持反应所需要的高温高压环境，通过高效的换热器用反应后的物料预热初始物料，采用封闭式的换热结构，不仅避免了气体直接排放时将带走大量水蒸气，造成热能损失，还能够减少蒸汽的产生，减少了水的相变热消耗的能量，进而减少能量投入，节约运行费用。

Description

一种污泥处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及污泥处理领域，特别是涉及一种污泥处理系统及处理方法。

背景技术

进入“十一五”以来，我国的污水处理产业得到了快速发展，污水处理能力及处理率增长迅速，带来了迅速增加的污泥产量。根据住建部资料显示，截止到2009年年底，全国城镇污水处理量达到280亿立方米，湿污泥(含水率80％)产生量突破2000万吨。根据调研结果显示，我国污水处理厂所产生的污泥，有80％没有得到妥善处理，污泥随意堆放及所造成的污染与再污染问题已经凸显出来，并且引起了社会的关注。

现行的污泥处理技术有几下几种:

一、污泥焚烧

经焚烧处理后，其体积可以减少85％～95％，质量减少70％～80％。高温焚烧还可以消灭污泥中的有害病菌和有害物质。通过主要可分为两大类：一类是将脱水污泥直接用焚烧炉焚烧；另一类是将脱水污泥先干化再焚烧。污泥焚烧要求污泥有较高的热值，因此污泥一般不进行消化处理。一般当污泥不符合卫生要求，有毒物质含量高，不能作为农副业利用时，或污泥自身的燃烧热值高，可以自燃并可利用燃烧热量发电时，可考虑采用污泥焚烧。焚烧所需热量，主要靠污泥含有的有机物燃烧，如污泥所含有的有机物燃烧所产生的热能。焚烧最大优点是可以迅速和较大程度地使污泥减容，并且在恶劣的天气条件下不需存储设备，能够满足越来越严格的环境要求和充分地处理不适宜于资源化利用的部分污泥。污泥的焚烧处置不仅是一种有效降低污泥体积的方法，设计良好的焚烧炉不但能够自动运行，还能够提供多余的能量和电力，因此几乎所有的发达国家均期望通过焚烧处置污泥来解决日益增长的污泥量和以前通过填理处置的部分污泥。但是污泥焚烧的缺点也很明显，运行费用高，现在运行的污泥焚烧技术运行费用都在400元以上。

二、卫生填埋

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。但是污泥填埋也存在一些问题，尤指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会污染地下水环境。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。

三、土地利用

污泥土地直接利用因投资少、能耗低、运行费用低、有机部分可转化成土壤改良剂成分等优点，科学合理的土地利用，可减少污泥带来的负面效应。林地和市政绿化的利用因不易造成食物链的污染而成为污泥土地利用的有效方式。污泥用于严重扰动的土地(如矿场土地、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地)的修复与重建，减少了污泥对人类生活的潜在威胁，既处置了污泥又恢复了生态环境。不过由于城市化的进行，适合土地利用的地已经越来越少，而污泥产量却越来越多。

四、污泥干燥

污泥干燥是应用人工热源以工业化设备对污泥进行深度脱水的处理方法，尽管污泥干燥的直接结果是污泥含水率的下降(脱水)，但与机械脱水相比,其应用目的与效果均有很大的不同。

污泥机械脱水(也包括污泥浓缩)，其应用的目的以减少污泥处理的体积为主(污泥浓缩和机械脱水通常均可使污泥体积减少4倍左右)，但脱水污泥饼除了含水率和相关的物理性质，如流动性与原状污泥有差异外，其化学、生物等方面性质并不因脱水而产生变化。

污泥干燥则由于提高水分蒸发强度的要求，使用人工热源，其操作温度(对污泥颗粒而言)通常大于100℃，干燥对污泥的处理效应，不仅是深度脱水，还具有热处理的效应；加之，污泥干燥处理的产物，其含水率可控制在20％以下,即达到抑制污泥中的微生物活动的水平，因此污泥干燥处理可同时改变污泥的物理、化学和生物特性。污泥干燥的缺点是能耗大、运行费用高、臭味大。

发明内容

本发明的目的是提出一种污泥处理系统及处理方法，用以解决现有污泥处理过程中资源消耗大、处理效率低、污泥减量小、设备占地面积大的难题。

为实现上述目的，本发明提供了一种污泥处理系统，所述处理系统包括预处理单元、换热单元、氧化基质单元、反应器以及分离单元，所述反应器分别与换热单元、氧化基质单元以及分离单元相连接，所述预处理单元分别与换热单元、分离单元相连接；

所述预处理单元包括储存污泥的污泥储罐、与所述污泥储罐相连接的预处理器、输送污泥的固体泵以及设置在所述预处理器内的搅拌器，

所述换热单元包括与所述预处理器和反应器相连接的预热换热器、与所述反应器相连接的冷却换热器以及设置在所述预热换热器和冷却换热器之间的导热油锅炉，

所述氧化基质单元包括空压机、与所述空压机相连接的分子筛吸附塔以及与所述分子筛吸附塔和反应器相连接的增压机，

所述分离单元包括与所述冷却换热器相连接的气液分离器、与所述气液分离器相连接的板框压滤机，所述板框压滤机与预处理器相连接。

优选地，所述预热换热器和冷却换热器均为套管换热，导热介质为导热油。

优选地，所述套管的外管包覆保温隔热材料。

优选地，所述反应器为塔式平推流反应器，并且所述反应器内部不设折流挡板或者设置短折流挡板，所述短折流挡板为宽度在10～30cm的圆环形挡板。

优选地，所述气液分离器采用立式两相气液分离器，并且所述气液分离器的顶端采用丝网捕雾气。

本发明的另一目的在于提供一种污泥处理方法，所述处理方法包括如下步骤：

A、将储存在污泥储罐中的污泥用固体泵注入预处理器，在预处理器中与分离单元的液相回流水混合，配成含水率为90％的物料；

B、预处理单元处理后的含水90％的物料，经过预热换热器，使物料温度上升至120～200℃，并将物料送入反应器；

C、将从氧化基质单元制取的氧气通入反应器，物料与氧气在所述反应器中进行氧化反应，其中反应器内的温度为120～200℃，压力为1.5～3.5MPa，反应时间为30～60min；

D、反应结束后，高温的物料和气体经冷却换热器进行冷却换热，之后进入气液分离器进行气液分离，分离后的气体直接排放，物料则进入板框压滤机，压滤后得到含水率≤40％的泥饼；

E、经板框压滤机压滤后得到的液相，作为回流水注入预处理器进行再利用。

优选地，在步骤C中，所述氧化基质单元制高压氧气的过程为：采用螺杆式空压机将空气增压至1.0～1.3MPa，通过分子筛吸附塔将氧气增浓至50％～80％，再通过增压机将增浓后的空气压力升高。

优选地，在步骤A中，还包括加入催化剂的步骤，所述催化剂以氧化铝为载体，采用Cu-Fe-Ce催化剂或贵金属催化剂。

优选地，在步骤D中，还包括将所述压滤后的泥饼加工为有机肥料的原料进行资源化利用的步骤。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

本发明提供的方法主要是为了。

本发明利用高温高压使得污泥中的细胞破壁，使细胞中的细胞水脱除，使后续的固液分离较为容易。更重要的是利用水热氧化原理，使污泥中的有机物进行液相氧化，通过释放出的热量维持反应所需要的高温高压环境，通过高效的换热器用反应后的物料预热初始物料，采用封闭式的换热结构，不仅避免了气体直接排放时将带走大量水蒸气，造成热能损失，还能够减少蒸汽的产生，减少了水的相变热消耗的能量，进而减少能量投入，节约运行费用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为污泥处理系统示意图；

其中，1～预处理单元；2～换热单元；3～氧化基质单元；4～反应器；5～分离单元；6～污泥储罐；7～预处理器；8～预热换热器；9～冷却换热器；10～导热油锅炉；11～空压机；12～分子筛吸附塔；13～增压机；14～气液分离器；15～板框压滤机。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本发明提出一种污泥处理系统，所述处理系统包括预处理单元1、换热单元2、氧化基质单元3、反应器4以及分离单元5，所述反应器4分别与换热单元2、氧化基质单元3以及分离单元5相连接，所述预处理单元1分别与换热单元2、分离单元5相连接。

所述预处理单元1包括储存污泥的污泥储罐6、与所述污泥储罐6相连接的预处理器7、输送污泥的固体泵以及设置在所述预处理器7内的搅拌器。

在所述预处理单元1中，将污泥储罐6中含水率在75％～85％的污泥用固体泵注入预处理器7，并在预处理器7中与分离单元5的液相回流水混合，配成含水率90％的物料。液相循环水呈酸性(pH4～5)，在酸的作用下，污泥会发生基础破壁，使得一部分细胞溶壁，游离水分增加，并且，由于回流水温度较高，使原始污泥得到预热。在这几方面的协同作用下，使得预处理单元1中混合污泥的流动性得到加强。

预处理单元1处理后的含水90％的污泥，经过换热单元2，使物料温度上升至反应温度(根据需要120～200℃)。换热单元2设备的压力等级与反应器一致。

所述换热单元2包括与所述预处理器7和反应器4相连接的预热换热器8、与所述反应器4相连接的冷却换热器9以及设置在所述预热换热器8和冷却换热器9之间的导热油锅炉10。

换热单元2可采用导热油介质换热，也可采用套管换热器冷热物料直接换热。换热器可以采用两种方案，一种为介质间接换热，另一种换热方式为原料间接换热。

如采用介质换热，换热器需设计两套，一套预热原料，一套冷却反应后物料，介质采用导热油。换热器为了避免堵塞，设计采用套管换热器，内管采用DN80，外管采用DN100。外管包覆保温隔热材料，优选地，可以采用石棉保温。配套导热油锅炉10，作为起始热源以及补充热量的作用。由于反应本身为放热反应，整个反应器4维持温度不需要导热油锅炉10提供额外的热能。

在换热器的进口、出口分别安装温度传感器采集换热器的温度。如果温度达不到要求，则同时开启导热油锅炉10，以增加导热油的温度，保证反应得以正常进行。

如采用原料间接换热，换热器外管直接通入反应器4排出的固液气三相混合物。热物料走内管，冷物料走外管。

上述两种换热方式各有特点，介质换热可控性强，原料直接换热能源利用率高。在实际应用中，技术人员可以根据成本、效率综合考虑，选用对于自身合适的换热方式。

经过预热换热器8的物料温度上升至初始反应温度，在高温高压下污泥中可氧化有机物与溶解到水中的氧在反应器4内发生氧化反应，放出热量。根据温度、压力、是否加入催化剂、停留时间等的不同，最终反应活性也不一致。

反应器4采用塔式平推流反应器，内部不设折流挡板或者设置较短挡板，尽量抑制径向混合。所述短折流挡板为宽度在10～30cm的圆环形挡板。物料从反应器4的下方进入，从上方排出。工作时，反应器4根据流速来控制物料的停留时间。所述反应器4的底部还设有气体分布器，以接入氧化基质单元3制取的氧化基质。

所述氧化基质单元3包括空压机11、与所述空压机11相连接的分子筛吸附塔12以及与所述分子筛吸附塔12和反应器4相连接的增压机13。

所述氧化基质单元3制取氧化基质的过程为，首先通过空压机11以及分子筛吸附塔12将氧气增浓至50％～80％，所述空压机11优选为螺杆式空压机。再通过增压机13将增浓后的空气压力升高，根据工艺温度的不同，调整到大于水在此温度下的饱和蒸汽压即可，最高压力可以达到90kg。

在本发明的系统中，空压机和增压机各两台，一台在正常使用，另一台作为备用，并且共用一个储气罐。

所述分子筛吸附塔12利用吸引剂(沸石分子筛)对空气中的氧气和氮气的吸附能力的差异来实现氧气和氮气的分离，增加氧气的浓度，能够有效减少空压机11的工作量与能源消耗。

氧化处理之后，污泥固液分离，压滤时滤饼比阻变小。在不用添加助滤剂的条件下可以实现快速过滤，减少在固液分离单元5的操作费用与设备投资。反应温度越高，对于COD等的降解效果越好，如果温度到300℃以上，废液可以达到直接排放的标准。但是温度越高，设备压力等级越高，操作费用也会增加。所以反应器4操作条件，需要根据处理要求而变化。

对于COD大于60000的原料，在反应器4内理论上可以使物料温度上升30～40摄氏度，足够平衡反应器4和管路换热器的热损失。也就是说不用另外添加热量。反应后的物料以及气体都经过冷却换热器9的换热，避免了气体直接排放时将带走大量水蒸气，造成热能损失。因此本发明采用换热系统，能够将大部分热能进行回收，达到了最大限度节能的目的。

所述分离单元5包括与所述冷却换热器9相连接的气液分离器14、与所述气液分离器14相连接的板框压滤机15，所述板框压滤机15与预处理器7相连接。

所述气液分离器14安装在冷却换热器9的出口，用于分离系统内的气体和液体，也用于气体除雾。由于氧化处理、冷却之后，气体主要为洁净的二氧化碳，物料经过气液分离器14后，可以直接排放在大气中。板框压滤机15用于固液分离，利用高压压榨滤布中的污泥，降低其含水率。优选地，气液分离器14采用立式两相气液分离器，所述气液分离器14的顶端采用丝网捕雾气，能够有效地防止大量水雾的产生。

本发明利用水热氧化原理，使污泥中的有机物进行液相氧化，通过释放出的热量维持反应所需要的高温高压环境，通过高效的换热器用反应后的物料预热初始物料，采用封闭式的换热结构，不仅避免了气体直接排放时将带走大量水蒸气，造成热能损失，还能够减少蒸汽的产生，减少了水的相变热消耗的能量，进而减少能量投入，节约运行费用。

采用本发明的污泥处理系统，运行费用可以降低至120元/吨。大大低于干化焚烧需要的运行费用。另一方面，通过本系统处理的污泥，含水率可以降低到40％以下；并且由于设备占地小，因此需要的厂房面积也很小。

实施例2

本发明的另一目的在于提供一种污泥处理方法，所述处理方法包括如下步骤：

A、将储存在污泥储罐6中的污泥用固体泵注入预处理器7，在预处理器7中与分离单元5的液相回流水混合，配成含水率为90％的物料。污泥储罐6中含水率在75％～85％的污泥与液相回流水混合，配成含水率90％的物料。液相循环水呈酸性pH4～5，在酸的作用下，污泥会发生基础破壁，使得一部分细胞溶壁，游离水分增加，并且，由于回流水温度较高，使原始污泥得到预热。在这几方面的协同作用下，使得预处理单元1中混合污泥的流动性得到加强。

优选地，在步骤A中，还包括加入催化剂的步骤，所述催化剂以氧化铝为载体，采用Cu-Fe-Ce催化剂或贵金属催化剂。加入催化剂降低了反应的活化能，加快了反应速率，最终增强了污泥处理的效果。

B、预处理单元1处理后的含水90％的物料，经过预热换热器8，使物料温度上升至120～200℃，并将物料送入反应器4。

C、将从氧化基质单元3制取的氧气通入反应器4，物料与氧气在所述反应器4中进行氧化反应，其中反应器4内的温度为120～200℃，压力为1.5～3.5MPa，反应时间为30～60min。反应温度、压力越高，对于COD等的降解效果越好，如果温度到300℃以上，废液可以达到直接排放的标准。但是温度、压力越高，设备压力等级越高，操作费用也会增加。

另外，在温度较低的水热氧化过程中，会生成低分子羧酸，对于此工艺有利。因为对于水热氧化工艺，能量的回收效率直接影响运营费用，管壁的结垢对于换热器4是一大危害。而低分子羧酸可以清除管壁结垢，使换热器4的效率稳定。因此，反应器4的操作条件，需要根据处理要求而变化，综合考量。

优选地，在步骤C中，所述氧化基质单元3制高压氧气的过程为：采用螺杆式空压机11将空气增压至1.0～1.3MPa，通过分子筛吸附塔12将氧气增浓至50％～80％，再通过增压机13将增浓后的空气压力升高。本发明通过增加了少量的成本，却使得污泥的处理效率得到了极大的提升，最终使得系统整体的性价比得到了极大的提升。

D、反应结束后，高温的物料和气体经冷却换热器9进行冷却换热，之后进入气液分离器14进行气液分离，分离后的气体直接排放，物料则进入板框压滤机15，压滤后得到含水率≤40％的泥饼。所述压滤后的泥饼可以加工为优质的有机肥料，以进行资源化利用，降低了系统的运营成本。

E、经板框压滤机15压滤后得到的液相，作为回流水注入预处理器7进行再利用。

由于本申请在反应过程中加入催化剂，提高了反应效率，降低反应温度，节约能源；并且该设备采用换热系统，能够将大部分热能进行回收，达到了最大限度节能的目的。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种污泥处理系统，其特征在于：所述处理系统包括预处理单元(1)、换热单元(2)、氧化基质单元(3)、反应器(4)以及分离单元(5)，所述反应器(4)分别与换热单元(2)、氧化基质单元(3)以及分离单元(5)相连接，所述预处理单元(1)分别与换热单元(2)、分离单元(5)相连接，所述反应器(4)为塔式平推流反应器；

所述预处理单元(1)包括储存污泥的污泥储罐(6)、与所述污泥储罐(6)相连接的预处理器(7)、输送污泥的固体泵以及设置在所述预处理器(7)内的搅拌器，

所述换热单元(2)包括与所述预处理器(7)和反应器(4)相连接的预热换热器(8)、与所述反应器(4)相连接的冷却换热器(9)以及设置在所述预热换热器(8)和冷却换热器(9)之间的导热油锅炉(10)，

所述氧化基质单元(3)包括空压机(11)、与所述空压机(11)相连接的分子筛吸附塔(12)以及与所述分子筛吸附塔(12)和反应器(4)相连接的增压机(13)，

所述分离单元(5)包括与所述冷却换热器(9)相连接的气液分离器(14)、与所述气液分离器(14)相连接的板框压滤机(15)，所述板框压滤机(15)与预处理器(7)相连接，所述气液分离器(14)采用立式两相气液分离器。

2.根据权利要求1所述的污泥处理系统，其特征在于：所述预热换热器(8)和冷却换热器(9)均为套管换热，导热介质为导热油。

3.根据权利要求2所述的污泥处理系统，其特征在于：所述套管的外管包覆保温隔热材料。

4.根据权利要求1所述的污泥处理系统，其特征在于：所述反应器(4)内部不设折流挡板或者设置短折流挡板，所述短折流挡板为宽度在10～30cm的圆环形挡板。

5.根据权利要求1所述的污泥处理系统，其特征在于：所述气液分离器(14)的顶端采用丝网捕雾气。

6.一种使用如权利要求1～5中任意一项所述的污泥处理系统进行的污泥处理方法，其特征在于：

A、将储存在污泥储罐(6)中的污泥用固体泵注入预处理器(7)，在预处理器(7)中与分离单元(5)的液相回流水混合，配成含水率为90％的物料；

B、预处理单元(1)处理后的含水90％的物料，经过预热换热器(8)，使物料温度上升至120～200℃，并将物料送入反应器(4)；

C、将从氧化基质单元(3)制取的氧气通入反应器(4)，物料与氧气在所述反应器(4)中进行氧化反应，其中反应器(4)内的温度为120～200℃，压力为1.5～3.5MPa，反应时间为30～60min；

D、反应结束后，高温的物料和气体经冷却换热器(9)进行冷却换热，之后进入气液分离器(14)进行气液分离，分离后的气体直接排放，物料则进入板框压滤机(15)，压滤后得到含水率≤40％的泥饼；

E、经板框压滤机(15)压滤后得到的液相，作为回流水注入预处理器(7)进行再利用。

7.根据权利要求6所述的污泥处理方法，其特征在于：在步骤C中，所述氧化基质单元(3)制高压氧气的过程为：采用螺杆式空压机(11)将空气增压至1.0～1.3MPa，通过分子筛吸附塔(12)将氧气增浓至50％～80％，再通过增压机(13)将增浓后的空气压力升高。

8.根据权利要求6所述的污泥处理方法，其特征在于：在步骤A中，还包括加入催化剂的步骤，所述催化剂以氧化铝为载体，采用Cu-Fe-Ce催化剂或贵金属催化剂。

9.根据权利要求6所述的污泥处理方法，其特征在于：在步骤D中，还包括将所述压滤后的泥饼加工为有机肥料的原料进行资源化利用的步骤。