CN112159063A - 一种污泥热解安全资源化利用工艺 - Google Patents

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Abstract

一种污泥热解安全资源化利用工艺，该工艺涉及污泥低电导率绿色调理、深度脱水、低温干化、污泥热解碳化、热解气能源化及生物炭利用等步骤。采用葡萄糖酸、改性壳聚糖、改性淀粉、铁‑硅‑铝高分子、鞣酸、改性生物炭、过硫酸盐复合药剂、高锰酸盐复合药剂作为绿色调理药剂，经过深度脱水将污泥含水率降低至70％以下；脱水后污泥采用低温干化技术将污泥含水率降低至30％以下；干化后污泥进行热解，用于制备污泥热解气和污泥基生物炭；热解气进行高效燃烧，热量回用于污泥低温干化及污泥热解；热解产生的污泥基生物炭进行改性及多途径综合利用。本发明实现了污泥中有机污染物的安全转化、重金属固化与稳定化，实现污泥的能源化利用与材料化利用。

Description

一种污泥热解安全资源化利用工艺
技术领域
本发明涉及污水处理厂污泥处理处置与资源化利用领域，特别是涉及一种污泥热解安全资源化利用工艺。
背景技术
据统计截至2018年6月底，全国设市城市、县累计建成污水处理厂3802座，污水处理能力达1.61亿立方米/日，按照污水处理负荷率75％，每万吨污水产含水率80％的污泥6吨(每万吨污水生成含水率80％污泥量一般为5～10吨，具体产量与污水水质、处理工艺等因素有关)，估算，我国将每天产生7.345×105吨城镇污水污泥(含水率80％)。污水污泥是污水中生物质和污染物富集的产物，其处理处置与资源化利用已成为制约我国生态环境改善与生态文明建设的难题之一。
目前国内主流的污泥处理处置工艺流程包括高干脱水-卫生填埋、热水解-厌氧消化、好氧发酵-土地利用、热干化-焚烧等，其中：高干脱水-卫生填埋无法消除污泥中的污染，且随着城镇化发展，卫生填埋场地逐渐饱和，只能作为污泥处理处置的权宜之计；热水解-厌氧消化可以实现污泥的减量化与能源利用，成为备受瞩目的污泥处理技术，但厌氧消化残余污泥仍面临处理处置问题；好氧发酵-土地利用工艺成本低，可实现污泥中植物营养元素的循环利用，但新兴污染物、重金属等污染物安全性仍未得到充分的论证，目前仍难以打通最终土地利用瓶颈；热干化-焚烧是大中型城市采用较多的技术路线，可有效实现污泥的减量化与能源利用，但存在飞灰、二噁英等二次污染物，无法实现污泥资源化利用。
污泥热解技术作为一种有80余年历史的技术，可实现污水污泥中生物质能源的转化与利用，同时可制备出污泥基吸附剂、污泥基生物炭和污泥基催化剂等高附加值材料实现材料化利用，近年来逐渐获得国内外广泛关注。目前已有传统污泥热解处理技术存在与已有污泥处理处置设施衔接困难，污泥脱水干化前处理能耗高、电导率提升高，热解固态产物附加值低、利用困难，热解过程中产生的焦油难以利用等问题，制约了这一技术的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有污泥处理处置设施衔接困难，污泥脱水干化前处理能耗高、电导率提升高，热解固态产物附加值低、利用困难，热解过程中产生的焦油难以利用等问题，提出了一种污泥热解安全资源化利用工艺，将污泥低电导率绿色调理、深度脱水、低温干化、污泥热解、热解气能源化利用与污泥基生物炭利用等工艺过程进行耦合集成，可实现污泥安全资源化利用，并可大幅提升我国污水污泥资源化利用水平。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种污泥热解安全资源化利用工艺，所述方法包括以下步骤：
步骤一：污泥低电导率绿色调理；采用葡萄糖酸、改性壳聚糖、改性淀粉、铁-硅-铝高分子、鞣酸、改性生物炭、过硫酸盐复合药剂、高锰酸盐复合药剂、过氧化氢调理药剂中的一种或者多种复合作为绿色调理药剂投加至污泥中，所述绿色调理药剂投加量不超过干基污泥10％，实现污泥中50％以上结合水转化为自由水，同时调理后脱水污泥泥饼中可溶性盐分总量＜0.15％；
步骤二：污泥深度脱水：调理后污泥加入改性生物炭脱水骨架材料，污泥与改性生物炭脱水骨架材料的质量比＝100：(1-30)，并进行高干脱水，将污泥含水率从96％-99.7％或80％-85％降低至70％以下；
步骤三：污泥低温干化：脱水后污泥采用低温干化方式进行干化，干化过程中污泥温度在60-100℃之间，经过污泥低温干化将污泥含水率降低至30％以下；
步骤四：污泥热解碳化：低温干化污泥输送至连续式热解装置中进行热解，热解温度范围为400-1000℃，停留时间为20-120min，用于制备污泥热解气和污泥基生物炭；
步骤五：热解气能源转化利用：污泥热解过程中产生的热解气产热转化为热能或者电能两种方式实现能源化利用；
步骤六：生物炭材料化：污泥热解过程中产生的污泥基生物炭材料用于制备吸附材料、催化材料、污泥脱水过滤骨架材料、土壤改良材料及环保融雪剂；
步骤七：臭气尾气处理：针对污泥低温干化过程中产生的臭气和热解气能源化利用过程中产生的尾气，集中排放点采用管道密闭收集；分散无组织排放点采用负压罩收集；收集后臭气尾气通过催化氧化/催化还原、淋洗吸收、生物过滤、活性炭过滤组合式工艺进行处理，臭气尾气排放符合国家相关排放标准。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、现有污泥调理药剂主要包括氧化钙、氯化铁、聚合氯化铝/铁、聚丙烯酰胺等，这些调理药剂调理效果差，投加量大于20％污泥干重，污泥总量的大幅增加；且这些调理药剂含有大量的盐分，容易造成污泥腐蚀性和电导率的增加。本发明采用葡萄糖酸、改性壳聚糖、铁-硅-铝高分子、鞣酸、改性生物炭、过硫酸盐复合药剂、高锰酸盐复合药剂、过氧化氢调理药剂这些绿色调理药剂，调理效率高，投加量小于污泥干重10％，调理后脱水污泥泥饼中可溶性盐分总量＜0.15％，不会造成土壤盐渍化和板结，环境友好。
2、现有污泥干化技术主要为高温热干化，干化温度在150℃以上，能耗高且干化过程中污泥中大量有机挥发性污染物释放到气相，废气处理量大；干化过程中产生大量粉尘，操作不当易发生爆炸危险。本工艺采用低温干化技术，干化温度等于或低于100℃，污染物释放量小，不产生危险粉尘，同时可采用各种低温余热和废热作为干化能源。
3、现有污泥热解工艺产生的热解气态产物中含有大量高沸点有机物，含量大于30％，需要将焦油分离后进行下一步利用，这些焦油中硫氮含量较高且易老化，资源化利用难度高。采用生物炭材料动态自催化、等离子体催化、分子筛催化等方式实现热解气二次及多次裂解，有效降低热解气中焦油含量至5％以下，热解气无需进一步过滤处理，可直接进行能源化利用，避免工艺中产生难以利用的焦油废弃物等。
4、针对污泥热解气体中含氮量较高的问题，本发明采用无焰燃烧或智能控氧燃烧方式实现高效燃烧产热，通过氧气传感器反馈控制实现最优空燃比控制，尾气中氮氧化物含量较自由燃烧降低50％以上。
5、污泥热解产生的污泥基生物炭材料可以用于制备吸附材料、催化材料、过滤骨架材料、土壤改良材料和环保融雪剂等。用作吸附材料，应用于污水处理厂强化一级处理，COD去除率提升30％以上、总磷去除率提升60％以上，抗生素去除率提升80％以上；用作土壤改良剂，实现污泥中磷、钾的100％循环利用，作物生物量提高20％以上。
综上所述，本发明开发的一种污泥热解安全资源化利用工艺，将污泥低电导率绿色调理、深度脱水、低温干化、污泥热解、热解气能源化利用与污泥基生物炭利用等工艺过程进行耦合集成，有效的解决了污泥处理处置设施衔接困难，污泥脱水干化前处理能耗高、电导率提升高，热解固态产物附加值低、利用困难，热解过程中产生的焦油难以利用等问题，可实现污泥安全资源化利用，可大幅提升我国污水污泥资源化利用水平，具有良好的环境、经济和社会效益。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式、实施例及附图对本发明进行说明：
具体实施方式一：结合图1说明，本实施方式披露了一种污泥热解安全资源化利用工艺，所述方法包括以下步骤：
步骤一：污泥低电导率绿色调理；采用葡萄糖酸、改性壳聚糖、改性淀粉、铁-硅-铝高分子、鞣酸、改性生物炭、过硫酸盐复合药剂、高锰酸盐复合药剂、过氧化氢调理药剂中的一种或者多种复合作为绿色调理药剂投加至污泥中，所述绿色调理药剂投加量不超过干基污泥10％，实现污泥中50％以上结合水转化为自由水，同时调理后脱水污泥泥饼中可溶性盐分总量＜0.15％(应用于土壤改良中不会造成土壤盐渍化，同时对污泥输送设备及处理设备腐蚀较小)；
步骤二：污泥深度脱水：调理后污泥加入改性生物炭脱水骨架材料(建立压滤过程中污泥中自由水释放通道，输送至高压板框机或高压带式机中)，污泥与改性生物炭脱水骨架材料的质量比＝100：(1-30)，并进行高干脱水，将污泥含水率从96％-99.7％或80％-85％降低至70％以下；
步骤三：污泥低温干化：脱水后污泥采用低温干化方式进行干化(可以因地制宜和利用现有处理设施进行改造降低污泥干化建设运营成本，可采用的方法包括光热干化、低温热泵干化或生物干化技术)，干化过程中污泥温度在60-100℃之间，经过污泥低温干化将污泥含水率降低至30％以下；
步骤四：污泥热解碳化：低温干化污泥输送至连续式热解装置(为现有技术)中进行热解，热解温度范围为400-1000℃，停留时间为20-120min，用于制备污泥热解气和污泥基生物炭(热解温度可根据污泥中有机质含量、污泥基生物炭最终用途的不同进行动态调整；连续式热解装置通过动态密封实现连续进料和连续出料，同时保证系统绝氧状态；连续式热解装置采用生物炭材料动态自催化、等离子体催化或分子筛催化方式实现热解气二次及多次裂解，有效降低热解气中焦油含量，热解气无需进一步过滤处理，可直接进行能源转化利用，避免工艺中产生难以利用的焦油废弃物)；
步骤五：热解气能源转化利用：污泥热解过程中产生的热解气(热解气以无焰燃烧或智能控氧燃烧方式实现高效燃烧产热，通过氧气传感器反馈控制实现最优空燃比控制，尾气中氮氧化物含量较自由燃烧降低50％以上)产热转化为热能或者电能两种方式实现能源化利用；
步骤六：生物炭材料化：污泥热解过程中产生的污泥基生物炭材料用于制备吸附材料、催化材料、污泥脱水过滤骨架材料、土壤改良材料及环保融雪剂(污泥基生物炭材料用作吸附材料，应用于污水处理厂强化一级处理，强化生物处理和出水强化处理过程中，用于强化COD、总磷和抗生素的去除；污泥基生物炭材料作为催化材料，用于污泥催化热解降低热解气中焦油含量，用于高级氧化反应催化剂催化水中有机污染物的去除；污泥基生物炭材料作为土壤改良剂，用于提升土壤的保水保肥性能及微生物种群多样性；污泥基生物炭材料作为环保融雪剂，用于提升融雪剂的光热性能，同时可以高效吸附融雪水中的污染物，减少融雪水对水环境的污染)；
步骤七：臭气尾气处理：针对污泥低温干化过程中产生的臭气和热解气能源化利用过程中产生的尾气，集中排放点采用管道密闭收集；分散无组织排放点采用负压罩收集；收集后臭气尾气通过催化氧化/催化还原、淋洗吸收、生物过滤、活性炭过滤组合式工艺进行处理(均为现有工艺)，臭气尾气排放符合国家相关排放标准。
进一步的是，本实施方式的步骤四中，所述低温干化污泥经过粉碎，其颗粒状污泥直径小于20mm，长粒状污泥窄边直径小于20mm。
进一步的是，本实施方式的步骤五中，所述热解气产热转化为热能或者电能两种方式实现能源化利用具体为：
通过采用多级斯特林发电机将热解气燃烧(热解气自身可燃)产热转化为电能和热能，能量综合转化率为80％以上；通过热交换装置(为现有技术)将热能生产蒸汽或热水，回用于污泥低温干化；直接将热解气燃烧高温尾气用于为污泥热解提供热源。
实施例1
某污水处理厂污泥，含水率99％，有机质含量52％，投加改性壳聚糖、改性生物炭及过硫酸盐复合药剂作为绿色调理药剂，投加至干基污泥中，调理后污泥加入改性生物炭作为脱水骨架材料，输送至高压板框机中进行高干脱水，将污泥含水率降低至65％以下；所述绿色调理药剂、改性生物炭与干基污泥三者的质量比＝(8.5-9.8):15：100，脱水后污泥采用低温热泵进行干化，干化温度在70-90℃之间，经过污泥低温干化将污泥含水率降低至15％以下。
低温干化污泥经过粉碎均一化后(长粒状污泥短边直径小于20mm)输送至连续式热解装置中进行热解，热解温度为650℃，停留时间为45min，用于制备污泥热解气和污泥基生物炭。污泥热解过程中产生的热解气以无焰燃烧的方式实现高效燃烧产热，通过氧气传感器反馈控制实现最优空燃比控制，尾气中氮氧化物含量较自由燃烧降低50％以上。热解气产热通过换热将热能生产蒸汽或热水，回用于污泥低温干化。
污泥热解产生的污泥基生物炭材料用于制取绿色调理药剂、过滤骨架材料，从而实现污泥处理处置工艺内资源化利用，剩余部分用做园林绿化土壤改良药剂。
实施例2
某污水处理厂污泥，含水率99％，有机质含量65％，投加鞣酸、改性生物炭、高锰酸盐复合药剂作为绿色调理药剂，投加至干基污泥中，调理后污泥加入改性生物炭作为脱水骨架材料，输送至高压连续带式脱水机中进行高干脱水，将污泥含水率降低至65％以下；所述绿色调理药剂、改性生物炭与干基污泥三者的质量比＝(8.5-9.0)：13.5：100，脱水后污泥采用生物干化方式进行干化，定期翻抛，干化温度在55-65℃之间，经过污泥生物干化将污泥含水率降低至15％以下。
生物干化污泥经过粉碎均一化后(颗粒状污泥，直径小于20mm)输送至连续式热解装置中进行热解，热解温度为650℃，停留时间为60min，用于制备污泥热解气和污泥基生物炭。污泥热解过程中产生的热解气以无焰燃烧的方式实现高效燃烧产热，通过氧气传感器反馈控制实现最优空燃比控制，尾气中氮氧化物含量较自由燃烧降低50％以上。热解气产热通过换热将热能生产蒸汽或热水，回用于污泥低温干化。
污泥热解产生的污泥基生物炭材料用于制取绿色调理药剂、过滤骨架材料，从而实现污泥处理处置工艺内资源化利用，剩余部分用做园林绿化土壤改良药剂。

Claims (3)

1.一种污泥热解安全资源化利用工艺，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：污泥低电导率绿色调理；采用葡萄糖酸、改性壳聚糖、改性淀粉、铁-硅-铝高分子、鞣酸、改性生物炭、过硫酸盐复合药剂、高锰酸盐复合药剂、过氧化氢调理药剂中的一种或者多种复合作为绿色调理药剂投加至污泥中，所述绿色调理药剂投加量不超过干基污泥10％，实现污泥中50％以上结合水转化为自由水，同时调理后脱水污泥泥饼中可溶性盐分总量＜0.15％；
步骤二：污泥深度脱水：调理后污泥加入改性生物炭脱水骨架材料，污泥与改性生物炭脱水骨架材料的质量比＝100：(1-30)，并进行高干脱水，将污泥含水率从96％-99.7％或80％-85％降低至70％以下；
步骤三：污泥低温干化：脱水后污泥采用低温干化方式进行干化，干化过程中污泥温度在60-100℃之间，经过污泥低温干化将污泥含水率降低至30％以下；
步骤四：污泥热解碳化：低温干化污泥输送至连续式热解装置中进行热解，热解温度范围为400-1000℃，停留时间为20-120min，用于制备污泥热解气和污泥基生物炭；
步骤五：热解气能源转化利用：污泥热解过程中产生的热解气产热转化为热能或者电能两种方式实现能源化利用；
步骤六：生物炭材料化：污泥热解过程中产生的污泥基生物炭材料用于制备吸附材料、催化材料、污泥脱水过滤骨架材料、土壤改良材料及环保融雪剂；
步骤七：臭气尾气处理：针对污泥低温干化过程中产生的臭气和热解气能源化利用过程中产生的尾气，集中排放点采用管道密闭收集；分散无组织排放点采用负压罩收集；收集后臭气尾气通过催化氧化/催化还原、淋洗吸收、生物过滤、活性炭过滤组合式工艺进行处理，臭气尾气排放符合国家相关排放标准。
2.根据权利要求1所述的一种污泥热解安全资源化利用工艺，其特征在于：步骤四中，所述低温干化污泥经过粉碎，其颗粒状污泥直径小于20mm，长粒状污泥窄边直径小于20mm。
3.根据权利要求1所述的一种污泥热解安全资源化利用工艺，其特征在于：步骤五中，所述热解气产热转化为热能或者电能两种方式实现能源化利用具体为：
通过采用多级斯特林发电机将热解气燃烧产热转化为电能和热能，能量综合转化率为80％以上；通过热交换装置将热能生产蒸汽或热水，回用于污泥低温干化；直接将热解气燃烧高温尾气用于为污泥热解提供热源。
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