CN112479527A - 一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统及其方法，包括：反应釜，所述反应釜设有气体进口、工业污泥进口和反应产物出口；微界面发生器，所述微界面发生器设置在所述反应釜的内壁上，且所述微界面发生器设置在所述气体进口附近；进气管道，所述进气管道与所述气体进口与相连；冷却器，所述冷却器包括冷却水进口、冷却水出口、物料冷却进口和物料冷却出口，所述物料冷却进口通过管道与所述反应产物出口连通；以及三相分离器，所述三相分离器包括物料分离进口、气相产物出口、液相产物出口和固相产物出口，所述物料分离进口通过管道与所述物料冷却出口连通；其中，所述进气管道通过所述气体进口与所述微界面发生器连通。
Description
技术领域
本发明总地涉及资源与环境技术领域，且更具体地涉及一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统及方法。
背景技术
近年来，我国医药、造纸、印染、石化等行业发展迅速。这在给人们的正常生活提供保障的同时，也带来了诸如工业废水等环境问题。目前，工业废水多采用以活性污泥法为基础的各种生物方式处理，处理过程中会产生大量的剩余污泥。工业污泥成分极其复杂，含有大量难降解的有机物、重金属、盐类等物质。此外，某些特定行业(如医药行业)的污泥中含有大量耐药微生物，如果不慎进入自然环境中，会给生态环境带来巨大风险。结合上述特点，绝大多数工业污泥在我国被认定为危险废物。因此，企业需要支付高昂的处理费用，将污泥交由专业的危险废物处理单位，完成最终处置。
为了减少工业污泥的转运量，降低污泥处置成本，企业一般会在厂内对污泥进行预处理，降低污泥中有机物的含量，同时提高污泥的脱水性能。目前湿式氧化法处理工业污泥的技术被广泛应用，湿式氧化法可以将污泥中的有机物彻底分解，从而减少污泥中固体含量。同时，该方法还可以大大提高工业污泥的脱水性能。但是工业污泥组成成分复杂，往往需要在较高的反应温度和反应压力下进行。过高的反应压力不仅使得生产成本增加，而且还降低了装置的安全性，因此，需要一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统及方法，以至少部分地解决上述问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为至少部分地解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统，其特征在于，包括：
反应釜，所述反应釜设有气体进口、工业污泥进口和反应产物出口；
微界面发生器，所述微界面发生器设置在所述反应釜的内壁上，且所述微界面发生器设置在所述气体进口附近；
进气管道，所述进气管道与所述气体进口与相连；
冷却器，所述冷却器包括冷却水进口、冷却水出口、物料冷却进口和物料冷却出口，所述物料冷却进口通过管道与所述反应产物出口连通；以及
三相分离器，所述三相分离器包括物料分离进口、气相产物出口、液相产物出口和固相产物出口，所述物料分离进口通过管道与所述物料冷却出口连通；以及
控制模块，所述控制模块包括控制器和检测控制元件，所述控制器电连接所述检测控制元件；
其中，所述进气管道通过所述气体进口与所述微界面发生器连通，所述微界面发生器用于将来自所述气体进口的氧气打碎成微米级别的气泡，气泡的直径大于等于1μm且小于1mm。
进一步地，所述微界面发生器为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器中的任意一种。
进一步地，所述检测控制元件包括：
第一流量泵，所述第一流量泵设置在连接所述工业污泥进口的管道上，以对进入所述反应釜的工业污泥流量进行实时检测；
第二流量泵，所述第二流量泵设置在所述进气管道上，以对进入所述反应釜的氧气流量进行实时检测；
第一压力检测元件，所述第一压力检测元件设置在所述微界面发生器内，以对所述微界面发生器内的实时压力值进行测量；以及
第二压力检测元件，所述第二压力检测元件设置在所述反应釜内，以对所述反应釜内的实时压力值进行测量。
进一步地，所述反应釜上设有至少一个所述气体进口，在每个所述气体进口附近均设有至少一台所述微界面发生器与所述进气管道连通。
进一步地，还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括设置在所述反应釜中的搅拌棒和驱动所述搅拌棒旋转的电机。
另一方面，本发明还提供了一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的方法，所述方法包括：
将工业污泥和催化剂混合后从工业污泥进口通入反应釜；
氧气通过进气管道进入微界面发生器，所述微界面发生器将所述氧气打碎成微米级别的气泡，所述气泡与所述工业污泥形成气液乳化物，所述气液乳化物在所述催化剂的作用下发生湿式氧化反应；
搅拌棒在电机的驱动下进行搅拌工作，用以提高反应效率；
湿式氧化反应结束后的所述工业污泥进入冷却器中冷却，冷却后的所述工业污泥进入三相分离器中进行分离，分离出的固体污泥从固相产物出口排出；
控制器分别接收第一流量泵的工业污泥流量和第二流量泵的氧气流量，所述控制器设定微界面发生器内的基准压力P0，氧气基准流量Q10，工业污泥基准流量Q20，通过所述微界面发生器内的实时压力值P与基准压力P0的比较，确定工业污泥基准流量，通过调节所述第一流量泵，使实时检测的氧气流量Q1与氧气基准流量Q10一致。
进一步地，所述工业废水的含水率为94％以上。
进一步地，所述催化剂包括活性炭、金属阳离子或活性炭和金属阳离子组成的复合物中的至少一种。
进一步地，所述湿式氧化反应的反应条件为：
反应温度：100-150℃；
所述反应釜的起始压力：0.5-1.5MPa；
反应压力：0.5-1MPa；
反应时间：20-60min。
进一步地，所述冷却器将所述工业污泥冷却至100℃以下后再将所述工业污泥注入到所述三相分离器中。
本发明的有益效果为：所述微界面发生器将氧气气泡打碎成微米级别的气泡，从而增大了气相与液相之间的相界面积，使得氧气气体可以更好的与工业污泥相溶形成气液乳化物，减小了反应的压强。
具体而言，当氧气气体进入微界面发生器后，微界面发生器会将气体打碎成直径大于等于1nm或1μm的气泡，即微界面发生器能将通入反应釜中的气流或者直径为厘米级别和毫米级别的气泡打碎成几个微米级别的气泡；使得进入反应釜中的气体总的表面积显著增大，进而增大了气体与工业污泥的接触面积；因此在相同的时间内，与工业污泥中的自由基发生反应的气体更多，进而起到了加快反应速率的效果；
另一方面，在现有技术中，反应装置需要保持很高的压力以迫使气泡溶于工业污泥中发生氧化反应，而在本发明中，由于被微界面发生器破碎后的气泡与工业污泥相溶合更容易，因此反应器内也不再需要保持较高的反应压力使得，从而减小了维持高压状态的能源消耗，使得反应装置更加安全。
附图说明
为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。
图1为根据本发明所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统的一种实施例的示意图。
附图标记说明：
1：反应釜 101：工业污泥进口
102：气体进口 103：反应产物出口
2：微界面发生器 3：进气管道
4：搅拌装置 401：电机
402：搅拌棒 5：管道
6：冷却器 61：冷却水出口
62：冷却水进口 7：三相分离器
71：气相产物出口 72：液相产物出口
73：固相产物出口
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
根据图1所示，其为本发明所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统的一种实施例的示意图，其中，反应釜1设有工业污泥进口101，反应釜1的反应产物出口103通过管道51与冷却器6的物料冷却进口连通，反应釜1的气体进口102上接有进气管道3；在反应釜1中还设有微界面发生器2，微界面发生器2设置在反应釜1的内壁上，微界面发生器2设置在气体进口102附近且与进气管道3连通。
在现有技术中，来自进气管道3的氧气可能会通过其他它发泡装置将氧气打碎成气泡，但该气泡的直径处为厘米级别或毫米级别不等，虽然有助于加快反应速率但效果不明显；在本实施例中，微界面发生器2能将通入反应釜1中的气流或者直径为厘米级别和毫米级别的气泡打碎成几个微米级别的气泡，其中气泡的直径大于等于1μm且小于1mm；使得进入反应釜1中的气体总的表面积显著增大，进而增大了气体与工业污泥的接触面积；因此在相同的时间内，与工业污泥中的自由基发生反应的气体更多，进而起到了加快反应速率的效果；
另外，在现有技术中，反应釜1需要保持很高的压力以迫使气体溶于工业污泥中发生氧化反应，而在本实施例中，由于被微界面发生器2破碎后的气泡与工业污泥相溶合更容易，因此反应釜1内也不再需要保持较高的反应压力使得，从而减小了维持高压状态的能源消耗，使得整个反应系统更加安全。
本领域所属技术人员可以理解的是，本实施例中所述的微界面发生器2还可用于其它多相反应中，如通过微界面、微纳界面、超微界面、微泡生化反应器或微泡生物反应器等设备，使用微混合、微流化、超微流化、微泡发酵、微泡鼓泡、微泡传质、微泡传递、微泡反应、微泡吸收、微泡增氧、微泡接触等工艺或方法，以使物料形成多相微混流、多相微纳流、多相乳化流、多相微结构流、气液固微混流、气液固微纳流、气液固乳化流、气液固微结构流、微米级气泡、微米级气泡流、微泡沫、微泡沫流、微气液流、气液微纳乳化流、超微流、微分散流、两项微混流、微湍流、微泡流、微鼓泡、微鼓泡流、微纳鼓泡以及微纳鼓泡流等由微米尺度颗粒形成的多相流体、或由微纳尺度颗粒形成的多相流体(简称微界面流体)，从而有效地增大了反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积。
继续参阅图1所示，冷却器6的物料冷却出口通过管道52与三相分离器7的物料分离进口连通，冷却器6还设有冷却水进口62和冷却水出口61。本领域所属技术人员可以理解的是，冷却器6可以是间壁式冷却器、喷淋式冷却器、夹套式冷却器、蛇管式冷却器以及其它具有冷却功能的装置，本发明在此不作具体限制。三相分离器7还包括气相产物出口71、液相产物出口72和固相产物出口73，其中，固相产物出口73用于排出固体污泥。本实施例中的三相分离器73可以采用玻璃钢三相分离器，也可采用其它种类的三相分离器，本发明对此不做限制。
本发明还设有控制模块，控制模块包括控制器和检测控制元件，控制器电连接所述检测控制元件。
在本发明的一些实施例中，检测控制元件包括：
第一流量泵，第一流量泵设置在连接工业污泥进口101的管道上，以对进入反应釜1的工业污泥流量进行实时检测；
第二流量泵，第二流量泵设置在进气管道3上，以对进入反应釜1的氧气流量进行实时检测；
第一压力检测元件，第一压力检测元件设置在微界面发生器2内，以对微界面发生器2内的实时压力值进行测量；以及
第二压力检测元件，第二压力检测元件设置在反应釜1内，以对反应釜内1的实时压力值进行测量。
在本发明的一些实施例中，微界面发生器2可以根据实际工作需要设置为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器中的任意一种。
在本发明的一些实施例中，还包括搅拌装置4，搅拌装置4包括设置在反应釜1中的搅拌棒402和驱动搅拌棒402旋转的电机401。
在本发明的一些实施例中，反应釜1上还可以设置两个或者多个气体进口102，同时在每个气体进口102附近均设有至少一台微界面发生器2与进气管道连通3。本领域所属技术人员可以理解的是，本实施例中所述的气体进口102的设置方式可以包括但不限于：多个气体进口102沿减半棒402的轴线对称设置或者沿反应釜1的高度方向设置。微界面发生器2可以通过焊接或紧固件连接的方式设置在反应釜中1中，也可以通过其它连接方式设置，本发明对此不作具体限制。
本发明还提供了一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的方法，所述方法包括：
将工业污泥和催化剂混合后从工业污泥进口101通入反应釜1；氧气通过进气管道3进入微界面发生器2，微界面发生器2将氧气打碎成微米级别的气泡，气泡与工业污泥形成气液乳化物，气液乳化物在催化剂的作用下发生湿式氧化反应；搅拌棒402在电机401的驱动下进行搅拌工作，用以提高反应效率；
湿式氧化反应结束后的工业污泥进入冷却器6中冷却，冷却后的工业污泥进入三相分离器7中进行分离，分离出的固体污泥从固相产物73出口中排出；
控制器分别接收所述第一流量泵的工业污泥流量和第二流量泵的氧气流量，控制器设定所述微界面发生器2内的基准压力P0，氧气基准流量Q10，工业污泥基准流量Q20，通过微界面发生器2内的实时压力值P与基准压力P0的比较，确定工业污泥基准流量，通过调节第一流量泵，使实时检测的氧气流量Q1与氧气基准流量Q10一致。
具体而言，本发明实施例根据工业污泥不同的反应程度，可以调整微界面发生器2的反应效率，如，在工业污泥与氧气反应的初期，应适当增加反应釜1的压力值，以便将工业污泥与氧气更好的融合，将反应釜1本身的反应体系与调整微界面发生器2的反应体系结合。反应釜1内的压力值由氧气流量与工业污泥流量决定，当氧气流量较高时，则反应釜1内的压力值较高，因此，在反应初期设定氧气基准流量Q10，工业污泥基准流量Q20的比值为A1，在反应中期阶段设定氧气基准流量Q10，工业污泥基准流量Q20的比值为A2，设定A1>A2,并且，A1、A2预先确定。。
在本发明的一些实施例中，湿式氧化反应的反应条件为：
反应温度：100-150℃；
所述反应釜的起始压力：0.5-1.5MPa；
反应压力：0.5-1MPa；
反应时间：20-60min。
在本发明的一些实施例中，冷却器6将所述工业污泥冷却至100℃以下后再将工业污泥注入到三相分离器7中。
本发明使用的催化剂包括活性炭、金属阳离子或活性炭和金属阳离子组成的复合物中的至少一种，其中，活性炭为粉末状活性炭，活性炭是一种常见的非金属催化剂，其表面积大、孔隙率高。在湿式氧化法体系中，活性炭能够与水反应产生高催化活性的羟基自由基，进而引发一系列自由基链反应，从而有效去除工业污泥中的有机物。所属金属阳离子包括Fe3+或Zn2+中的一种或两种，同样，Fe3+和Zn2+在湿式氧化体系中能够与水反应产生高催化活性的羟基自由基，引发自由基链反应，最终高效去除工业污泥中的有机物。当粉末活性炭和金属阳离子共同使用时，金属阳离子可附着在活性炭表面，并向活性炭孔隙内部扩散，二者结合可加速羟基自由基的形成，促进湿式氧化反应的进行。以上三种物质催化效率高，价格低廉，反应过程不会造成二次污染。
实施例1
本实施例为湿式氧化处理某制药厂产生的制药污泥的方法，结合如图1所述处理装置，包括以下几个步骤：
将制药污泥与粉末状活性炭混合均匀，从反应釜1的工业污泥进口101加入反应釜1中，其中制药污泥的含水率为97％，VSS：SS为81％，粉末状活性炭的加入量为5g/L；然后从反应釜1的气体进口102通入氧气，使得反应釜1内的氧气压力为0.5MPa，启动反应釜1，使釜内温度为220℃，压力为1MPa，使制药污泥进行湿式氧化处理，处理30min后停止，湿式氧化处理后，污泥SS去除率达到72％，VSS去除率达到91％。
实施例2
采用与实施例1相同的装置、制药污泥原料及处理工艺，仅在催化剂选用、条件上做了改变，改变如下：
采用Fe3+离子作为催化剂，投加量为0.05mol/L；
采用的湿式氧化处理的条件为：温度300℃，压力1MPa，反应时间30min，充氧气的起始压力为1.5MPa。
最终，经湿式氧化处理后，污泥SS去除率达到68％，VSS去除率达到93％。
实施例3
采用与实施例1相同的装置、制药污泥原料及处理工艺，仅在催化剂选用、条件上做了改变，改变如下：
采用Zn2+离子作为催化剂，投加量为0.05mol/L；
采用的湿式氧化处理的条件为：温度200℃，压力1.5MPa，反应时间60min，充氧气的起始压力为0.8MPa。
最终，经湿式氧化处理后，污泥SS去除率达到66％，VSS去除率达到87％。
实施例4
采用与实施例1相同的装置、制药污泥原料及处理工艺，仅在催化剂选用、条件上做了改变，改变如下：
采用粉末状活性炭/Zn2+复合催化剂作为催化剂，投加量为2g/L活性炭+0.02mol/LZn2+；
采用的湿式氧化处理的条件为：温度100℃，压力1MPa，反应时间20min，充氧气的起始压力为0.5MPa。
最终，经湿式氧化处理后，污泥SS去除率达到73％，VSS去除率达到90％。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。
Claims (10)
1.一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统，其特征在于，包括：
反应釜，所述反应釜设有气体进口、工业污泥进口和反应产物出口；
微界面发生器，所述微界面发生器设置在所述反应釜的内壁上，且所述微界面发生器设置在所述气体进口附近；
进气管道，所述进气管道与所述气体进口与相连；
冷却器，所述冷却器包括冷却水进口、冷却水出口、物料冷却进口和物料冷却出口，所述物料冷却进口通过管道与所述反应产物出口连通；以及
三相分离器，所述三相分离器包括物料分离进口、气相产物出口、液相产物出口和固相产物出口，所述物料分离进口通过管道与所述物料冷却出口连通；以及
控制模块，所述控制模块包括控制器和检测控制元件，所述控制器电连接所述检测控制元件；
其中，所述进气管道通过所述气体进口与所述微界面发生器连通，所述微界面发生器用于将来自所述气体进口的氧气打碎成微米级别的气泡，气泡的直径大于等于1μm且小于1mm。
2.根据权利要求1所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统，其特征在于，所述微界面发生器为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统，其特征在于，所述检测控制元件包括：
第一流量泵，所述第一流量泵设置在连接所述工业污泥进口的管道上，以对进入所述反应釜的工业污泥流量进行实时检测；
第二流量泵，所述第二流量泵设置在所述进气管道上，以对进入所述反应釜的氧气流量进行实时检测；
第一压力检测元件，所述第一压力检测元件设置在所述微界面发生器内，以对所述微界面发生器内的实时压力值进行测量；以及
第二压力检测元件，所述第二压力检测元件设置在所述反应釜内，以对所述反应釜内的实时压力值进行测量。
4.根据权利要求1所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统，其特征在于，所述反应釜上设有至少一个所述气体进口，在每个所述气体进口附近均设有至少一台所述微界面发生器与所述进气管道连通。
5.根据权利要求1所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统，其特征在于，还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括设置在所述反应釜中的搅拌棒和驱动所述搅拌棒旋转的电机。
6.一种微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的方法，所述方法使用权利要求1-5中任一项所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的系统，其特征在于，所述方法包括：
将工业污泥和催化剂混合后从工业污泥进口通入反应釜；
氧气通过进气管道进入微界面发生器，所述微界面发生器将所述氧气打碎成微米级别的气泡，所述气泡与所述工业污泥形成气液乳化物，所述气液乳化物在所述催化剂的作用下发生湿式氧化反应；
搅拌棒在电机的驱动下进行搅拌工作，用以提高反应效率；
湿式氧化反应结束后的所述工业污泥进入冷却器中冷却，冷却后的所述工业污泥进入三相分离器中进行分离，分离出的固体污泥从固相产物出口排出；
控制器分别接收第一流量泵的工业污泥流量和第二流量泵的氧气流量，所述控制器设定微界面发生器内的基准压力P0，氧气基准流量Q10，工业污泥基准流量Q20，通过所述微界面发生器内的实时压力值P与基准压力P0的比较，确定工业污泥基准流量，通过调节所述第一流量泵，使实时检测的氧气流量Q1与氧气基准流量Q10一致。
7.根据权利要求6所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的方法，其特征在于，所述工业废水的含水率为94％以上。
8.根据权利要求6所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的方法，其特征在于，所述催化剂包括活性炭、金属阳离子或活性炭和金属阳离子组成的复合物中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的方法，其特征在于，所述湿式氧化反应的反应条件为：
反应温度：100-150℃；
所述反应釜的起始压力：0.5-1.5MPa；
反应压力：0.5-1MPa；
反应时间：20-60min。
10.根据权利要求6所述的微界面强化的湿式氧化法处理工业污泥的方法，其特征在于，所述冷却器将所述工业污泥冷却至100℃以下后再将所述工业污泥注入到所述三相分离器中。
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