CN114685020B - 一种污泥厌氧消化联合干化炭化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥厌氧消化联合干化炭化系统及方法，污泥厌氧消化联合干化炭化系统包括厌氧消化单元、板框脱水单元和干化炭化单元。厌氧消化单元设置泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池、污泥循环泵、储泥池、沼气净化装置及沼气柜。板框脱水单元设置污泥泵、污泥调理池、加药装置及污泥板框脱水机。干化炭化单元设置泥饼破碎机、污泥进料装置、干化炭化一体机、水冷螺旋输送机、第一热水器及换热排气筒。本发明可实现厌氧消化沼气、沼渣、沼液及干化炭化产物炭的内部消纳，克服产物去向不通畅的瓶颈，系统运行低碳环保，产能集约，余热在系统内部充分回用，能量最大程度自给，运行成本经济。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理处置技术领域，具体涉及一种污泥厌氧消化联合干化炭化系统及方法。
背景技术
我国明确了4条污泥处理处置主流技术路线，包括厌氧消化+土地利用、好氧发酵+土地利用、干化焚烧+灰渣填埋或建材利用以及深度脱水+应急填埋，并开展了高含固污泥高效厌氧消化装备开发与工程示范研究。
在“双碳”新形势要求下，污泥厌氧消化因成本经济、能源利用等突出优势而具备突出的市场前景。污泥厌氧消化工艺已在我国北京、天津、大连等多个城市进行了工程化应用，积累了较多的成功经验，但也发现污泥产气率低、含砂量大、浮渣较多等运行问题。此外，厌氧消化沼渣处理相对复杂，多经好氧堆肥后进行土地利用，去向受限，沼液NH3-N、TP浓度很高，直接排入市政污水处理系统会对进水水质造成很大冲击，资源化回收利用手段尚欠成熟，存在产物去向不通畅、处理成本不经济等实际瓶颈。
污泥干化炭化作为一种新兴的污泥处置工艺，由于减量化85％以上、工艺低碳环保、产物炭资源化途径广、运行成本经济等突出优势，逐步赢得了市场的青睐。然而，污泥干化炭化工艺也存在需要外部热源、处置规模偏小、产物炭去向不通畅等工程化瓶颈亟待改进。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种污泥厌氧消化联合干化炭化系统及方法，可实现厌氧消化沼气、沼渣、沼液及干化炭化产物炭的内部消纳，克服产物去向不通畅的瓶颈，系统运行低碳环保，产能集约，余热在系统内部充分回用，能量最大程度自给，运行成本经济。
为实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种污泥厌氧消化联合干化炭化系统，包括厌氧消化单元、板框脱水单元和干化炭化单元；厌氧消化单元中依次设置泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池、储泥池，储泥池与板框脱水单元连通；湿式污泥厌氧消化池连接沼气净化装置及沼气柜；厌氧消化单元中还设有用于在泥水换热器和湿式污泥厌氧消化池之间循环消化污泥的污泥循环泵；板框脱水单元依次设置污泥调理池及污泥板框脱水机；污泥调理池还设有加药装置；储泥池与污泥调理池之间、污泥调理池与污泥板框脱水机之间设有污泥泵；干化炭化单元依次设置泥饼破碎机、污泥进料装置、干化炭化一体机、水冷螺旋输送机；同时干化炭化单元设有第一热水器及换热排气筒；换热排气筒内部设置第二热水器；干化炭化一体机的干化脱除热蒸汽通入第一热水器作为热交换介质；第一热水器设有冷水进口作为冷交换介质；第一热水器的冷交换介质出口连通换热排气筒内的第二热水器的冷交换介质进口；沼气柜连接干化炭化一体机的夹套炉；第一热水器的热交换介质的气体出口连通干化炭化一体机的夹套炉；干化炭化一体机的夹套炉设有燃烧废气出口，燃烧废气出口连通换热排气筒。
进一步的，湿式污泥厌氧消化采用中温一级方式，湿式污泥厌氧消化池形状为卵形；储泥池设置溢流口，溢流水进入污水处理系统。
进一步的，换热排气筒内部还设有空气预热器，空气预热器设有空气入口和空气出口，空气出口连通干化炭化一体机的夹套炉。
进一步的，换热排气筒内的冷凝水出水口连接水冷螺旋输送机，水冷螺旋输送机产生的热水出口及第二热水器的冷交换介质出口连接厌氧消化单元的泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池，及板框脱水单元的污泥板框脱水机。
本发明还公开一种污泥厌氧消化联合干化炭化方法，包括以下步骤：
待处理污泥在泥水换热器中与由污泥循环泵循环的消化污泥充分混合并加热，之后进入湿式污泥厌氧消化池，厌氧消化后的污泥经储泥池进入后续板框脱水单元处理。厌氧消化产沼气经由沼气净化装置净化后，进入沼气柜储存。
储泥池的厌氧消化出泥进入污泥调理池，与加药装置输送的污泥脱水调理剂进行充分混合，再由污泥泵输送至污泥板框脱水机中进行脱水，泥饼含水率降低至65％以下。脱水后的沼渣泥饼进入后续干化炭化单元处理。
沼渣泥饼进入泥饼破碎机，经污泥进料装置进入干化炭化一体机。进入干化炭化一体机的沼渣经中温炭化转变为生物炭和热解气，生物炭进入水冷螺旋输送机，经充分换热后，一部分进入厌氧消化单元的湿式污泥厌氧消化池，一部分进入板框脱水单元。
干化脱除的热蒸汽进入第一热水器与冷水进行换热后变为冷废气和冷凝水，第一热水器的冷凝水进入污水处理系统。换热后的冷水变为预热水进入换热排气筒的第二热水器，经第二热水器后变为热水；干化炭化一体机夹套炉的热源包括沼气柜中的沼气、第一热水器后的冷废气、炭化得到的热解气(不足部分以市售天然气作为补充)；干化炭化一体机夹套炉的燃烧废气作为换热排气筒的热源；水冷螺旋输送机的冷水源包括换热排气筒内得到的冷凝水，水冷螺旋输送机换热后得到的热水与第二热水器得到的热水进入厌氧消化单元的泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池，及板框脱水单元的污泥板框脱水机。热水经过泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池，及板框脱水单元的污泥板框脱水机之后，再次成为冷水，作为第一热水器的冷水源。
优选的，干化炭化一体机的干化和炭化均采用间接换热方式；干化炭化一体机夹套炉的供氧源包括换热排气筒内空气预热器加热后的空气。
优选的，污泥板框脱水机过滤压力为6～16bar，压榨压力为10～20bar，序批工作时长为1.5～3h。污泥脱水调理剂不包含石灰等显著影响污泥热值或易腐蚀设备的原料，且总用量不高于绝干泥质量的5％，优选的，选用由铁盐、PAM、骨料组成的复合药剂，其中铁盐、PAM、骨料用量分别不高于绝干泥质量的2％、5‰和2％。厌氧消化单元要求进泥有机质含量为40％以上，厌氧消化池有机负荷为0.5～1.5kgVSS/m3d，厌氧消化周期为18～30d，污泥有机质转化率为40％～55％，污泥沼气产率为60～200m3/tDS，消化池排砂率不低于30％。
进一步的，加药调理污泥由污泥泵输送至污泥板框脱水机中进行脱水得到的滤除沼液进行浓缩处理，作为液态有机肥外售，或进入污水处理系统；一部分中温炭化得到的生物炭用于吸附滤除沼液中的NH3-N、TP及COD，吸附后晾干，可用作园林绿化营养基质，余下储存备用。
进一步的，泥饼破碎机破碎后颗粒直径小于3cm。
优选的，干化炭化一体机炭化温度为350～650℃，设置分离器分离热解气中的粉尘，保障干化炭化一体机夹套炉的清洁燃烧。
本发明的有益之处在于：
(1)本发明使用沼气、污泥热解气等清洁能源，无需设置除尘、除臭、脱硫、脱硝等废气净化装置，可实现厌氧消化沼气、沼渣、沼液及干化炭化产物炭的内部消纳，克服产物去向不通畅的瓶颈，系统运行低碳环保，产能集约，余热在系统内部充分回用，能量最大程度自给，运行成本经济。
(2)厌氧消化除砂沼渣替代原污泥用于干化炭化，在实现碳封存的基础上，可制备高品位生物炭，并集约干化炭化产能。
(3)产物炭自然载铁，回用于厌氧消化单元，可提高厌氧消化效率和产气率，还可抑制H2S的产生。产物炭回用于板框脱水单元充当脱水调理剂，可降低泥饼含水率。产物炭吸附沼液中的NH3-N、TP及COD，既可提高用作园林绿化基质的缓释肥力，又可降低沼液进入污水处理系统的负荷压力。
附图说明
图1是本发明实施例的污泥厌氧消化联合干化炭化系统工作流程示意图；
图2是本发明实施例的污泥厌氧消化联合干化炭化系统厌氧消化单元示意图；
图3是本发明实施例的污泥厌氧消化联合干化炭化系统板框脱水单元示意图；
图4是本发明实施例的污泥厌氧消化联合干化炭化系统干化炭化单元示意图；
图5是本发明实施例的污泥厌氧消化联合干化炭化系统余热回收利用示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参见图1，一种污泥厌氧消化联合干化炭化系统，包括厌氧消化单元、板框脱水单元和干化炭化单元。
参见图2，厌氧消化单元设置泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池(中温一级卵形)、污泥循环泵、储泥池、沼气净化装置及沼气柜。含水率为96％～98％、有机质含量为50％的某市政污水厂浓缩污泥在泥水换热器中与由污泥循环泵循环的一部分消化污泥充分混合并加热，之后平均分配进入单池有效容积为8000m3的3座湿式污泥中温一级卵形厌氧消化池，厌氧消化出泥经储泥池进入后续板框脱水单元处理。储泥池设置溢流口，溢流水进入污水处理系统。厌氧消化产沼气经由沼气净化装置净化后，进入沼气柜储存。厌氧消化单元80％含水率污泥日处理量为200t/d，湿式污泥厌氧消化池有机负荷为0.83 kgVSS/m3d，厌氧消化周期为24d，污泥有机质转化率为45％。厌氧消化单元污泥沼气产率为100m3/tDS，日沼气产量及产能分别为4000m3/d及23333.33kWh/d，消化池排砂率为40％，则厌氧消化出泥绝干泥量为23t/d。
参见图3，板框脱水单元设置污泥泵、污泥调理池、加药装置及污泥板框脱水机。厌氧消化出泥经污泥泵进入污泥调理池，与加药装置输送的污泥脱水调理剂进行充分混合，再由污泥泵输送至污泥板框脱水机中进行脱水，泥饼含水率降低至60％。脱水沼渣泥饼进入后续干化炭化单元处理，滤除沼液进入污水处理系统。污泥板框脱水机配备2 台，过滤压力为8bar，压榨压力为16bar，序批工作时长为2.5h，单台80％含水率污泥序批处理量为10t/批次，每日运行6批次，则板框脱水单元80％含水率污泥日处理量可达120t/d，满足系统产能要求。污泥脱水调理药剂选用由PFS、CPAM、干化炭化产物炭组成的复合药剂，其中PFS、CPAM、干化炭化产物炭用量分别为绝干泥质量的1.5％、 5‰和2％。板框脱水单元日滤除沼液925.5m3/d，沼液NH3-N、TP、COD分别为857mg/L、 96mg/L、1374mg/L。
参见图4，干化炭化单元设置泥饼破碎机、污泥进料装置、干化炭化一体机、水冷螺旋输送机、第一热水器及换热排气筒。换热排气筒内部设置空气预热器和第二热水器。板框脱水沼渣泥饼进入泥饼破碎机，破碎后颗粒直径小于3cm，经污泥进料装置进入干化炭化一体机。厌氧消化产沼气作为干化炭化一体机夹套炉热源，不足部分以市售天然气作为补充。干化采用间接换热方式，脱除的热蒸汽进入第一热水器，与冷水进行换热后，冷废气进入干化炭化一体机夹套炉供氧燃烧，冷凝水进入污水处理系统，换热水与另一部分冷水混合组成预热水，进入换热排气筒第二热水器。炭化同样采用间接换热方式，干化炭化一体机夹套炉燃烧废气进入换热排气筒，先后与进入换热排气筒第二热水器的预热水、进入换热排气筒空气预热器的空气充分换热，冷废气经换热排气筒顶部直接外排，冷凝水经换热排气筒底部排出，汇入冷水。换热排气筒第二热水器的预热水充分换热后转变为热水，进入厌氧消化单元的泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池及板框脱水单元的污泥板框脱水机；热水经过泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池，及板框脱水单元的污泥板框脱水机之后，再次成为冷水，作为第一热水器的冷水源。进入换热排气筒空气预热器的空气充分换热后转变为预热空气，进入干化炭化一体机夹套炉供氧燃烧。进入干化炭化一体机的板框脱水沼渣经中温炭化转变为生物炭和热解气，生物炭进入水冷螺旋输送机，与冷水充分换热后，一部分进入厌氧消化单元的湿式污泥厌氧消化池，可提升厌氧消化效率，一部分进入板框脱水单元，可作为污泥脱水骨料利用，一部分吸附沼液中的NH3-N、TP及COD后晾干，可用作园林绿化营养基质，余下储存备用。热解气与厌氧消化单元产沼气、第一热水器产冷废气一同进入干化炭化一体机夹套炉供氧燃烧。水冷螺旋输送机产生的热水与换热排气筒第二热水器产生的热水一同进入厌氧消化单元，用于湿式污泥厌氧消化池保温和泥水换热器供热，还可进入板框脱水单元，提供压榨热水，进一步降低脱水沼渣泥饼含水率。干化炭化一体机炭化温度为600℃，设置分离器分离热解气中的粉尘，保障干化炭化一体机夹套炉的清洁燃烧。干化炭化一体机干化段、炭化段停留时间均为60min，炭化温度为500℃，微负压运行。干化炭化单元日产污泥基生物炭13.10t/d，日干化炭化总能耗40250kWh/d，其中厌氧消化单元沼气理论上可提供约58％的能量，实际不足部分以热解气、市售天然气作为补充。污泥基生物炭NH3-N、TP、COD吸附容量分别为2mg/g、0.5mg/g、18mg/g，若用于吸附沼液后制备营养基质，沼液中NH3-N、TP、COD吸附率分别可达3％、7％及19％。
参见图5，各工艺环节产余热在系统内部充分回用，系统能量最大程度自给。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种污泥厌氧消化联合干化炭化系统，其特征在于：包括厌氧消化单元、板框脱水单元和干化炭化单元；
厌氧消化单元中依次设置泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池、储泥池，储泥池与板框脱水单元连通；湿式污泥厌氧消化池连接沼气净化装置及沼气柜；厌氧消化单元中还设有用于在泥水换热器和湿式污泥厌氧消化池之间循环消化污泥的污泥循环泵；
板框脱水单元依次设置污泥调理池及污泥板框脱水机；污泥调理池还设有加药装置；
干化炭化单元依次设置泥饼破碎机、污泥进料装置、干化炭化一体机、水冷螺旋输送机；同时干化炭化单元设有第一热水器及换热排气筒；换热排气筒内部设置第二热水器；
干化炭化一体机的干化脱除热蒸汽通入第一热水器作为热交换介质；第一热水器设有冷水进口作为冷交换介质；第一热水器的冷交换介质出口连通换热排气筒内的第二热水器的冷交换介质进口；
沼气柜连接干化炭化一体机的夹套炉；第一热水器的热交换介质的气体出口连通干化炭化一体机的夹套炉；
干化炭化一体机的夹套炉设有燃烧废气出口，燃烧废气出口连通换热排气筒；
换热排气筒内部还设有空气预热器，空气预热器设有空气入口和空气出口，空气出口连通干化炭化一体机的夹套炉；
换热排气筒内的冷凝水出水口连接水冷螺旋输送机，水冷螺旋输送机产生的热水出口及第二热水器的冷交换介质出口连接厌氧消化单元的泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池，及板框脱水单元的污泥板框脱水机；
干化炭化一体机连接水冷螺旋输送机，然后分别连接到厌氧消化单元的湿式污泥厌氧消化池和板框脱水单元。
2.根据权利要求1所述的污泥厌氧消化联合干化炭化系统，其特征在于：湿式污泥厌氧消化池形状为卵形；储泥池设置溢流口，溢流水进入污水处理系统。
3.一种污泥厌氧消化联合干化炭化方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的污泥厌氧消化联合干化炭化系统，包括以下步骤：
待处理污泥在泥水换热器中与由污泥循环泵循环的消化污泥充分混合并加热，之后进入湿式污泥厌氧消化池，厌氧消化后的污泥经储泥池进入后续板框脱水单元处理；厌氧消化产沼气经由沼气净化装置净化后，进入沼气柜储存；
储泥池的厌氧消化出泥进入污泥调理池，与加药装置输送的污泥脱水调理剂进行充分混合，再由污泥泵输送至污泥板框脱水机中进行脱水，脱水后的沼渣泥饼进入后续干化炭化单元处理；
沼渣泥饼进入泥饼破碎机破碎，经污泥进料装置进入干化炭化一体机；进入干化炭化一体机的沼渣经中温炭化转变为生物炭和热解气，生物炭进入水冷螺旋输送机，经充分换热后，一部分进入厌氧消化单元的湿式污泥厌氧消化池，一部分进入板框脱水单元；
干化脱除的热蒸汽进入第一热水器与冷水进行换热后变为冷废气和冷凝水，换热后的冷水变为预热水进入换热排气筒的第二热水器，经第二热水器后变为热水；第一热水器的冷凝水进入污水处理系统；
干化炭化一体机夹套炉的热源包括沼气柜中的沼气、第一热水器后的冷废气、炭化得到的热解气；
干化炭化一体机夹套炉的燃烧废气作为换热排气筒的热源；
水冷螺旋输送机的冷水源包括换热排气筒内得到的冷凝水，水冷螺旋输送机换热后得到的热水与第二热水器得到的热水进入厌氧消化单元的泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池，及板框脱水单元的污泥板框脱水机；热水经过泥水换热器、湿式污泥厌氧消化池，及板框脱水单元的污泥板框脱水机之后，再次成为冷水，作为第一热水器的冷水源。
4.根据权利要求3所述的污泥厌氧消化联合干化炭化方法，其特征在于：干化炭化一体机的干化和炭化均采用间接换热方式；干化炭化一体机夹套炉的供氧源包括换热排气筒内空气预热器加热后的空气。
5.根据权利要求3所述的污泥厌氧消化联合干化炭化方法，其特征在于：污泥板框脱水机过滤压力为6~16 bar，压榨压力为10~20 bar，序批工作时长为1.5~3 h；污泥脱水调理剂选用包括铁盐、PAM、骨料的复合药剂，其中铁盐、PAM、骨料用量分别不高于绝干泥质量的2%、5‰和2%；污泥脱水调理剂不包括石灰，且总用量不高于绝干泥质量的5%。
6.根据权利要求3所述的污泥厌氧消化联合干化炭化方法，其特征在于：加药调理污泥由污泥泵输送至污泥板框脱水机中进行脱水得到的滤除沼液进行浓缩处理；一部分中温炭化得到的生物炭用于吸附滤除沼液中的NH3-N、TP及COD，吸附后晾干。
7.根据权利要求3所述的污泥厌氧消化联合干化炭化方法，其特征在于：泥饼破碎机破碎后颗粒直径小于3 cm。
8.根据权利要求3所述的污泥厌氧消化联合干化炭化方法，其特征在于：干化炭化一体机炭化温度为350~650℃，设置分离器分离热解气中的粉尘。
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