CN115583774A - 一种污泥热解制碳调控的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种污泥热解制碳调控的方法。它包括以下步骤:原剩余污泥静置去除上清液,在搅拌条件下投加盐酸或氢氧化钠调理污泥pH至7左右;然后投加PAM、PAC及CaO进行污泥性质调理,压滤脱水,热解,回收热解气体、固相产物:将原剩余污泥置入污泥调控池;然后封存厌氧消化2~3天;然后将污泥输入压滤机进行压滤脱水;最后再高温热解,回收热解气体、固相产物;固相产物性能稳定优秀,可以用于吸附重金属等污染物,以及修复及改良土壤等。本发明方法简单、实用性强,成本低、可持续性较好;此方法中,污泥热解产氢量体积占总热解气体的30~50%,污泥生物炭比表面积为100~140m2/g。
Description
技术领域
本发明涉及污泥的资源化利用,特别涉及一种污泥热解制碳调控的方法。
背景技术
当前,我国城镇污水处理厂数量及污水处理量均大幅增长。污水处理过程中会伴随着大量的剩余污泥产生。据统计,2013年我国剩余污泥产量已达3500万吨(含水量为80%),且以每年20%的增长率上升。一方面,全球资源及能源危机日趋加重。另一方面,污泥中含有丰富的可生物利用有机质。因此,污泥的资源化处理处置是当今被广泛关注的议题,在此过程中,污泥不仅能被有效减量化与无害化处理,而且能实现能源与资源的有效回收。
剩余污泥的处理处置包括污泥的处理和污泥的处置两个阶段:在污泥的处理中,以污泥的调理和脱水作为关键环节,通过对污泥进行调理,从而提高污泥的脱水性能;对于污泥的处置阶段,国内外采取的手段主要包括卫生填埋、水体消纳、焚烧、堆肥处理、土地利用等。其中,污泥热解在对污泥进行处置的同时,可以回收能源以及制备生物炭,成为目前研究的一大热点,但目前的研究存在以下三个问题:1,以污泥热解为目标的污泥调节-脱水-热解的系统工艺尚未形成,即污泥前处理与后续资源化处置方式脱节。2,不同的调理方法不仅对调理后的污泥脱水性能造成影响,也会对调理后的污泥化学成分、性质以及泥饼含水率造成影响,从而对污泥的后续热解效果及固相产物产生影响,例如不同的脱水深度对污泥热解效果的影响较大。3,很大程度上忽视了污泥性质的波动性,以及污泥波动对调理的响应。上述研究表明,脱水污泥中残留调理剂对热解的影响较大,但研究建立在前期以提高污泥脱水性能为目的的研究上,而污泥脱水性能最佳、泥饼含水率最低并非使得污泥热解效果最好,即以脱水为目的的最佳工艺参数并非对污泥最终热解有利。
目前,尚未有可靠的污泥调控手段使得污泥热解后能制成相对稳定、性能较优的生物炭,导致生物炭工艺不稳定,容易产出劣质产品,存在热解后产物含碳量低,硬度低且易碎、吸附量小等技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污泥热解制碳调控的方法,该方法简单、实用性强,成本低,符合可持续发展的理念,是一种切实可行的方法。
为了达到上述目的,本发明的技术方案为:
一种污泥热解制碳调控的方法,包括以下步骤:
(1)取城市污水处理厂二沉池中产生的剩余活性污泥,经沉降排掉上清液后,得到浓缩后的剩余污泥后进行搅拌,同时投放NaOH或HCL,直至污泥pH至6~8,然后投加PAM、PAC及CaO调理污泥;
(2)将步骤(1)所得污泥置入反应器中,密封并使其处于混合状态,控制发酵反应温度,进行2~3天的厌氧发酵,同时定期测定氢气含量,计算其产生量,以监控厌氧发酵是否正常进行;
(3)将步骤(2)所得污泥输入压滤机进行脱水,然后将脱水污泥置入热解器中,热解得到污泥生物炭。
进一步地,步骤(1)中,所述的沉降为重力沉降。
进一步地,步骤(1)中,沉降温度为4~6℃,沉降时间为20~30h,实现污泥良好的固液分离。
进一步地,步骤(1)中,污泥pH优选为7±0.4。
进一步地,步骤(1)中,PAM、PAC及CaO分别为污泥质量的3~6%、0.5~2%及0.5~2%。
进一步地,步骤(2)中,使反应器处于混合状态的搅拌速度为140~
170rpm/min。
进一步地,步骤(2)中,以充入氮气的形式保持发酵反应器的厌氧环境。
进一步地,步骤(2)中,发酵反应时的搅拌速度为150~180rpm/min,150rpm/min以上的搅拌速度可实现重复的搅拌均匀效果,超过180rpm/min时会因为影响活性菌的新陈代谢而导致优势菌繁衍过慢。
进一步地,步骤(2)中,发酵反应温度为20~38℃,在此条件下,结构微生物如产氢微生物等的活性较强。
进一步地,步骤(2)中,污泥发酵的时间为2~3d。
进一步地,步骤(3)中,脱水后污泥含水量控制在80±5%。
进一步地,热解过程中充入CO2,以隔绝氧气并活化污泥便于制碳。
进一步地,热解条件为480~520℃下热解50~70分钟,再升高至680~720℃下热解20~40分钟。
本发明具有如下的有益效果:
本发明的方法,脱水率易控制、工艺稳定,热解后得到的固相产物品质高,操作方法简单、实用性强,对于解决污泥资源化及可持续处理处置问题具有重要意义。
污泥厌氧发酵产氢过程主要包括六个过程,即溶解、水解、酸化、乙酸化、同型产乙酸化和甲烷化,本发明先调整pH,然后加入PAC、PAM及氧化钙,能理想地改变污泥间的结构及相互作用,在厌氧消化2~3天的过程中能改善菌种交流,强化污泥溶解,促进有机物释放,促进优势菌种的繁衍,提升了厌氧消化后污泥的均质性,并稳定改善污泥热解后生物炭的性能。
本发明的方法热解产气效率均稳定保持在100~300ml/g干污泥(标干状态),同时热解产生的污泥生物炭可重复使用,具有较优秀的性能,成本低、可持续性较好,同时包含了污泥调理-脱水-热解各环节,提高了污泥处理与处置的系统性,且所产生的氢气量以及污泥生物炭品质要优于传统的污泥热解工艺,每一步污泥热解产氢量体积占总热解气体的30~50%,污泥生物炭比表面积为100~140m2/g。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步的描述,但并不限制本发明的保护范围。
实施例1
(1)将取自长沙市开福区城市污水处理厂的二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中,在4℃下重力沉降24h,排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品,以下实施例同)。
(2)取0.7L步骤(1)中得到的剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中,搅拌并向反应器中加入适量NaOH调整pH至7.0,然后加入污泥质量5%的PAC、1%的PAM与1%的CaO,混匀10min。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气,将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。其中,控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min,反应器发酵温度为30±1℃,发酵反应时间为2d,生产的氢气的产量1.52mL/g VSS。
(3)置入管式炉,通入CO2隔绝氧气,然后在500℃下热解60min,700℃下热解30min,并收集气体,氢气产量为2.61mL/g。
实施例2
(1)将取自长沙市开福区城市污水处理厂的二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中,在4℃下重力沉降24h,排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品,以下实施例同)。
(2)取0.7L步骤(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中,搅拌并向反应器中加入适量NaOH调整pH至7.0,然后加入污泥质量10%的PAC、1%的PAM与1%的CaO,混匀10min。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气,将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。其中,控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min,反应器发酵温度为30±1℃,发酵反应时间为2d,生产的氢气的产量1.23mL/g VSS。
(3)置入管式炉,通入CO2隔绝氧气,然后在500℃下热解60min,700℃下热解30min,并收集气体,氢气产量为2.43mL/g。
实施例3
(1)将取自长沙市开福区城市污水处理厂的二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中,在4℃下重力沉降24h,排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品,以下实施例同)。
(2)取0.7L步骤(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中,搅拌并向反应器中加入适量NaOH调整pH至7.0,然后加入污泥质量5%的PAC、2%的PAM与1%的CaO,混匀10min。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气,将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。其中,控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min,反应器发酵温度为30±1℃,发酵反应时间为2d,生产的氢气的产量1.56mL/g VSS。
(3)置入管式炉,通入CO2隔绝氧气,然后在500℃下热解60min,700℃下热解30min,并收集气体,氢气产量为2.73mL/g。
实施例4
(1)将取自长沙市开福区城市污水处理厂的二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中,在4℃下重力沉降24h,排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品,以下实施例同)。
(2)取0.7L步骤(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中,搅拌并向反应器中加入适量NaOH调整pH至7.0,然后加入污泥质量2.5%的PAC、0.5%的PAM与1%的CaO,混匀10min。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气,将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。其中,控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min,反应器发酵温度为30±1℃,发酵反应时间为2d,生产的氢气的产量1.23mL/g VSS。
(3)置入管式炉,通入CO2隔绝氧气,然后在500℃下热解60min,700℃下热解30min,并收集气体,氢气产量为2.73mL/g。
实施例5
(1)将取自长沙市开福区城市污水处理厂的二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中,在4℃下重力沉降24h,排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品,以下实施例同)。
(2)取0.7L步骤(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中,搅拌并向反应器中加入适量NaOH调整pH至7.0,然后加入污泥质量5%的PAC、1%的PAM与1%的CaO,混匀10min。向反应器中充入氮气10min以彻底排出反应器中氧气,将反应器密封并放置于振荡器中进行厌氧发酵。其中,控制振荡器的搅拌速度为150rpm/min,反应器发酵温度为30±1℃,发酵反应时间为4d,生产的氢气的产量2.12mL/g VSS。
(3)置入管式炉,通入CO2隔绝氧气,然后在500℃下热解60min,700℃下热解30min,并收集气体,氢气产量为1.98mL/g。
实施例6
(1)将取自长沙市开福区城市污水处理厂的二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中,在4℃下重力沉降24h,排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品,以下实施例同)。
(2)取0.7L步骤(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中,搅拌并向反应器中加入适量NaOH调整pH至7.0,然后加入污泥质量5%的PAC、1%的PAM与1%的CaO,混匀10min。
(3)置入管式炉,通入CO2隔绝氧气,然后在500℃下热解60min,700℃下热解30min,并收集气体,氢气产量为3.21mL/g。
对比例1
(1)将取自长沙市开福区城市污水处理厂的二沉池的剩余污泥放置在有效体积为10L的塑料容器中,在4℃下重力沉降24h,排掉上清液后得到发酵的原料(即剩余污泥样品,以下实施例同)。
(2)取0.7L步骤(1)中得到剩余污泥加到工作体积为1L的有机玻璃反应器中,搅拌并向反应器中加入适量NaOH调整pH至7.0,混匀10min。
(3)置入管式炉,通入CO2隔绝氧气,然后在500℃下热解60min,700℃下热解30min,并收集气体,氢气产量为3.38mL/g。
表1实施例和对比例的生物炭比表面积及产氢量
从表1中可以看出,实施例1至实施例6的生物炭比表面积较对比例1的生物炭比表面积显著提高,且一定比例的絮凝剂与短暂的厌氧发酵可以显著地提升生物炭的品质。
Claims (10)
1.一种污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)取城市污水处理厂二沉池中产生的剩余活性污泥,经沉降排掉上清液后,得到浓缩后的剩余污泥后进行搅拌,同时投放NaOH或HCL,直至污泥pH至6~8,然后投加PAM、PAC及CaO调理污泥;
(2)将步骤(1)所得污泥置入反应器中,密封并使其处于混合状态,控制发酵反应温度,进行2~3天的厌氧发酵,同时定期测定氢气含量,计算其产生量,以监控厌氧发酵是否正常进行;
(3)将步骤(2)所得污泥输入压滤机进行脱水,然后将脱水污泥置入热解器中,热解得到污泥生物炭。
2.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的沉降为重力沉降,沉降温度为4~6℃,沉降时间为20~30h;污泥pH为7±0.4。
3.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,步骤(1)中,PAM、PAC及CaO分别为污泥质量的4~6%、0.8~1.2%及0.8~1.2%。
4.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,步骤(2)中,使反应器处于混合状态的搅拌速度为140~170rpm/min。
5.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,步骤(2)中,以充入氮气的形式保持发酵反应器的厌氧环境。
6.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,步骤(2)中,发酵反应时的搅拌速度为150~180rpm/min。
7.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,步骤(2)中,发酵反应温度为20~38℃,污泥发酵的时间为2~3d。
8.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,步骤(3)中,脱水后污泥含水量控制在80±5%。
9.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,热解过程中充入CO2,以隔绝氧气并活化污泥便于制碳。
10.根据权利要求1所述的污泥热解制碳调控的方法,其特征在于,热解条件为480~520℃下热解50~70分钟,再升高至680~720℃下热解20~40分钟。
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