NO325075B1

NO325075B1 - Fremgangsmate for termisk hydrolyse av slam

Info

Publication number: NO325075B1
Application number: NO20033569A
Authority: NO
Inventors: Soren J Hojsgaard; Jens Christian Bisgaard; Genevieve Boissonnade
Original assignee: Otv Sa
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2008-01-28
Also published as: NO20033569D0; US20040060863A1; FR2820735A1; WO2002064516A1; FR2820735B1; JP2004525756A; NO20033569L; US6966989B2; EP1360151B1; EP1360151A1

Description

Oppfinnelsen vedrører området med behandling av slam med et høyt innhold av forgjærbare organiske materialer og særlig slam fra rensebehandling av kommunalt eller industrielt avfallsvann, behandlinger for fremstilling av drikkevann fra overflatevann eller grunnvann, eller også slam fra renseoperasjoner av vannledningsnett.

For tiden nyttiggjøres en del av de slam som frembringes av rensestasjoner innenfor landbruket mens en annen del lagres for bortskaffing. Produksjonen av disse slam blir større og større og det er nødvendig at de ikke frembyr fare for miljøet og folkehelsen. Disse slam inneholder faktisk bakterier hvorav enkelte er patogener (koliforme bakterier, salmonellabakterier, innvollsormegg ). Videre er de meget forgjærbare og gir anledning til produksjon av gass (aminer, hydrogensulfid, merkaptaner) som skaper luktplager.

Disse betraktninger forklarer nødvendigheten av ved hjelp av de behandlingskanaler som er anført i det foregående å anvende minst ett trinn med stabilisering av disse slam med sikte på å oppnå slam som ikke lenger eller i det minste utvikles mindre hurtig, både på det biologiske plan så vel som på det fysisk kjemiske plan. En ytterligere interesse ligger i ønsket om å redusere volumet av disse slam.

Forskjellige prosesser er blitt foreslått innen teknikkens stand for å behandle disse slam. Disse prosesser kan klassifiseres hovedsakelig som følger:

- aerob nedbrytning,

- anaerob nedbrytning,

- kjemisk kondisjonering,

- termisk kondisjonering.

Oppfinnelsen vedrører denne siste type av behandling.

Den termiske hydrolyse av slam består i å behandle disse ved høy temperatur under trykk slik at de desinfiseres (dvs. deres innhold av mikroorganismer nedsettes meget sterkt) og å omdanne det organiske materialet som de inneholder til oppløselige bionedbrytbare DCO forbindelser (alkoholer, aldehyder, flyktige fettsyrer).

Den eldste metode med termisk hydrolyse av slam ble anvendt av Portheous ved begynnelsen av dette århundret. Ved denne metode som anvender et visst antall reaktorer under trykk og som virker i sekvens, pumpes slammet inn i en første reaktor hvori dampen frembrakt av en kjele injiseres inntil det oppnås en temperatur på omtrent 180 °C for et trykk på 15 bar, idet temperaturen deretter opprettholdes i 30 minutter hvoretter slammet tømmes ut under sitt eget trykk gjennom en varmeveksler. Denne varmeveksler anvendes for å gjenvinne varmeinnholdet i slammet som kommer ut fra reaktoren og oppvarme slammet som skal behandles og som går inn i en andre reaktor.

Denne metode frembyr imidlertid den mangel at den er diskontinuerlig og fremviser en lav produktivitet.

I femtiårene har Farrer foreslått en kontinuerlig og automatisk termisk hydrolyseprosess for slam. Med denne prosess underkastes de fortykkede slam for en istykkerriving før de pumpes under trykk (20 til 35 bar) for å bli innført i en primær varmeveksler som har et dobbelt formål: forvarming av slammene til omtrent 180 °C og avkjøle slammene som kommer ut fra den termiske behandling. De forvarmede slam passerer deretter inn i en andre varmeveksler hvor de bringes til en temperatur over 200 °C. Varmetilførselen gjennomføres ved hjelp av varmt vann fremstilt i en kjele. Slammene føres deretter i den nevnte reaktor hvor behandlingen foregår i en gitt tid og ved en gitt temperatur. Slammene returneres deretter til den primære varmeveksler. Ved slutten av kretsløpet bringes slammene til atmosfæretrykket ved hjelp av et tømmesystem.

Denne type av prosess frembyr ulemper med å danne motbydelig lukt, nødvendiggjør anvendelse av materialer som nedbrytes hurtig og medfører følgelig stort vedlikehold. Videre krever den store investeringer og er i praksis forbeholdt store anlegg som tillater bortskaffelse av leveringsmengder på mellom 20 og 50 m<3>/h for å sikre kontinuerlig levering av slam og også unngåelse av ødeleggende fenomener med kavitasjon og konstruksjon av varmevekslere med stort spesielt profilert gjennomstrømningstverrsnitt.

WO96/09882 beskriver angående dette en prosess som gjennomføres "satsvis" og som anvender fire reaktorer installert i serie. Ved denne diskontinuerlige prosess føres slammet ved pumping inn i de forskjellige reaktorer, hvor de tre første er oppvarmet, for å bli behandlet der. Slammet fra den tredje reaktor, oppvarmet ved injeksjon av frisk damp, og eventuelt fra den fjerde reaktor, blir trykkavspent på en plutselig måte ("flash") for å frembringe flashdamp. Flashdampen fra den tredje reaktor føres til den andre reaktor. Flashdampen fra den fjerde reaktor sendes til den første reaktor.

Denne metode frembyr den ulempe at den bare kan virke diskontinuerlig, dvs. at den bare kan behandle suksessive slamproduksjoner. Produksjonen av frisk damp nødvendig for å gjennomføre denne metode vil heller ikke være kontinuerlig. Slammene passerer følgelig alle reaktorene under deres behandling. Dette medfører anvendelse av materialer som f.eks. ventiler som er utsatt for strenge virkningsbetingelser.

Formålet for den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for behandling av slam ved hjelp av termisk hydrolysebehandling og som ikke frembyr ulempene ved teknikkens stand.

Et formål for den foreliggende oppfinnelse er spesielt å beskrive en slik prosess som kan gjennomføre en kontinuerlig produksjon og en kontinuerlig anvendelse av friskdamp.

Et ytterligere formål for den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en prosess som også tillater en kontinuerlig behandling av slammene.

Et ytterligere formål for den foreliggende oppfinnelse er hovedsakelig å gjennomføre reaksjoner som vedrører en del av slammet i en eneste reaktor for å minimere overføringene av slam.

Et formål for den foreliggende oppfinnelse er også å tillate termisk behandling av slam som på forhånd er blitt awannet.

Disse forskjellige formål, så vel som andre som fremgår av det følgende oppnås takket være oppfinnelsen som vedrører en fremgangsmåte for termisk hydrolyse av slamkjennetegnet ved at prosessen omfatter tre faser:

- en første fase hvorunder:

• slammet tilføres i en første reaktor 1 og flashdampen fra en tredje reaktor 3 injiseres i den nevnte første reaktor 1,

• friskdampen injiseres i en andre reaktor 2 inneholdende slam,

• en tredje reaktor 3 inneholdende slam opprettholdes ved temperaturen og trykket for hydrolysen og bringes deretter til avspenningstrykket, idet flashdampen som avgis føres inn i den nevnte første reaktor 1,

umiddelbart før denne tømmes;

- en andre fase hvorunder:

• friskdampen injiseres i den nevnte første reaktor 1,

• den andre reaktor 2 opprettholdes ved temperaturen og trykket for hydrolysen og bringes deretter til avspenningstrykket, idet flashdampen som avgis føres inn i det indre av den nevnte tredje reaktor 3, umiddelbart før denne tømmes, slammene tilføres i den nevnte tredje reaktor 3 og flashdampen fra den andre reaktor 2 injiseres i den nevnte tredje reaktor 3;

- en tredje fase hvorunder:

• den første reaktor 1 opprettholdes ved temperaturen og trykket for hydrolysen og bringes deretter til avspenningstrykket, flashdampen som avgis blir innført i det indre av den nevnte andre reaktor 2, umiddelbart før denne tømmes, • slammene tilføres i den nevnte andre reaktor 2 og flashdampen fra den første reaktor 1 injiseres i den nevnte andre reaktor,

• friskdampen injiseres i den nevnte tredje reaktor 3.

Ved denne fremgangsmåten kan friskdampen frembringes kontinuerlig og fordeles alternativt i første, andre og tredje reaktor. Anvendelsen av flashdamp fremstilt ved plutselig trykkavspenning av reaktorinnholdet er når denne optimeres. En slik kontinuerlig tilførsel tillater å anvende en kjele med enkel konstruksjon og et ventilsystem tilpasset for i rekkefølge å fordele dampen frembrakt i kjelen for tilførsel.

Ved å avstå fra nødvendigheten av å overføre slam fra en reaktor til en annen for å gjennomføre de forskjellige trinn av den termiske hydrolyse, tillater prosessen å forenkle de nødvendige anlegg for å gjennomføre prosessen, å nedsette nedbrytningshastigheten for disse anlegg, og å minimere lukten som kunne dannes ved overføringen av slam fra en reaktor til en annen.

Ved en interessant utførelsesform av oppfinnelsen gjennomføres fremgangsmåten i mer enn tre reaktorer som arbeider i parallell med syklustidene tilpasset slik at friskdampen kan injiseres kontinuerlig alternativt i de nevnte reaktorer, idet slammet injiseres kontinuerlig vekselvis i reaktorene og trekkes kontinuerlig vekselvis ut fra reaktorene.

En slik variant tillater å forene fordelene som skriver seg fra den kontinuerlige tilførsel av friskdamp og den kontinuerlige tilførsel av slams for behandling.

Temperaturen og trykket som hersker inne i reaktorene for å gjennomføre den termiske hydrolyse av slammet kan variere. Foretrukket er dette trykk mellom 10 bar og 20 bar og denne temperatur er mellom 130 °C og 200 °C.

Varigheten av de fullstendige termiske hydrolysesykluser gjennomført i hver reaktor kan variere særlig alt etter beskaffenheten av slammet og den behandlingsintensitet som man ønsker å underkaste slammet for. Hver syklus kan regrupperes til trinnene: - tilførsel av slam til reaktoren; - injeksjon av flashdamp; - injeksjon av friskdamp; - retensjon;

- trykkavspenning; og

- tømming av slammet fra reaktoren.

Ved en foretrukket utførelsesform er varigheten av hver syklus mellom 100 min og 360 min. Ved en ennå mer foretrukket utførelsesform er varigheten av hver syklus mellom omtrent 150 min og omtrent 160 min når man anvender tre reaktorer.

Tidsforskyvningen for hydrolysesyklusen i en reaktor i forhold til en annen kan også variere. Den velges foretrukket for å tillate en suksessiv kontinuerlig tilførsel av damp i reaktorene.

Ved et ytterligere spesielt interessant aspekt ved oppfinnelsen omfatter den foreslåtte fremgangsmåte foretrukket et mesofilt eller termofilt nedbrytningstrinn av de hydrolyserte slam og som fører til produksjon av en biogass, idet den nevnte biogass kan anvendes for å generere i det minste en del av friskdampen nødvendig for den termiske hydrolyse gjennomført i nevnte reaktorer som virker i parallell. Nedbrytningstrinnet kan også være aerobt termofilt.

En slik kombinasjon av fremgangsmåten med en mesofil eller termofil nedbrytning tillater å øke utbyttene ved nedbrytningstrinnet, å nedsette utslipp av motbydelig lukt og å optimere produksjonen av biogass. Denne kombinasjon tillater likeledes å redusere mengden av restslam og oppnåelse av slam som er fullstendig stabiliserte og hygieniske.

Ved en utførelsesform av fremgangsmåten er nedbrytningstrinnet forbundet til den termiske hydrolyse, slammene generert ved den nevnte nedbrytning blandes helt eller delvis med slammene i overskudd og hydrolyseres på nytt. En slik kobling tillater å oppnå en høy mineralisasjon av slammene og følgelig meget sterkt å redusere deres volum.

Med en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen omfatter fremgangsmåten likeledes et trinn bestående i å termokomprimere den nevnte flashdamp ved hjelp av den nevnte friskdamp og således optimere tidssyklusen for hydrolyse ved å gjennomføre oppvarmingsfasen i et trinn i stedet for to trinn.

Det nedbrutte slam kan også i det minste delvis forbrennes eller våtoksideres.

Fremgangsmåten utføres i et anlegg som omfatter minst tre hydrolyse-reaktorer montert i parallell, midler for å bringe slammet som skal hydrolyseres inn i hver av de nevnte reaktorer, anordninger for å tømme det hydrolyserte slam ut fra hver av de nevnte reaktorer, anordninger som tillater å injisere friskdamp alternativt inn i hver av de nevnte reaktorer og anordninger for å føre flashdamp fra hver reaktor mot den andre reaktor.

Anlegget inkluderer også minst en nedbrytningsdigestor.

Anlegget kan omfatte ytterligere anordninger for forbrenning eller anordninger for våtoksidasjon av det hele eller en del av det nedbrutte slam.

Oppfinnelsen så vel som forskjellige fordeler som den frembyr forstås bedre ved hjelp av den følgende beskrivelse av en utførelsesform av oppfinnelsen gitt som referanse til tegningene hvori: - fig. 1 representerer en første utførelsesform av et anlegg for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen;

- fig. 2 representerer et virkningsskjema for anlegget vist i fig. 1; og

- fig. 3 viser en ytterligere utførelsesform av et anlegg for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Med henvisning til fig. 1 omfatter det viste hydrolyseanlegg tre reaktorer 1, 2, 3 montert i parallell. Hver reaktor 1, 2, 3 er utstyrt med tilførselsanordninger henholdsvis 4, 5, 6 for det slam som skal hydrolyseres og anordninger henholdsvis 7, 8, 9 for å tømme ut slam.

Anlegget omfatter likeledes injeksjonsanordninger 10,11,12 som tillater injeksjon av friskdamp alternativt inn i hver av de nevnte reaktorrør 1, 2, 3 og overføringsanordninger 13,14,15 for flashdampen som kommer fra hver reaktor 1, 2, 3 mot de andre reaktorer. Injeksjonsanordningene for friskdamp er forbundet til en kjele (ikke vist).

Tilførselen av slam som skal behandles til reaktorene, overføringen av friskdamp, injeksjon av flashdampen, og tømmingen av reaktorene, vekselvis for hver reaktor er organisert ved hjelp av et kontrollorgan 16 forbundet spesielt til alle ventiler i anlegget (av hensyn til klarheten i fig. 1 er disse forbindelser ikke vist på denne figur).

Virkemåten av anlegget vist i fig. 1 fremgår mer tydelig med henvisning til fig. 2.

Hver termisk hydrolysesyklus gjennomføres i løpet av en tidsperiode å 160 min (2h40) og omfatter de følgende trinn:

- tilførsel av slam til reaktoren : 15 min

- injeksjon av flashdamp fra en annen reaktor: 20 min

- injeksjon av friskdamp : 60 min

- retensjon : 30 min

- trykkavspenning som fører til produksjon av flashdamp : 20 min

-tømming : 15 min

Den samlede tid for disse forskjellige trinn er angitt for reaktoren 1 fig. 2 (disse tider er angitt som eksempler).

Man kan iaktta tre faser for anleggets virkemåte, idet hver av disse faser er symbolisert i fig. 2 med en dobbelt sammenfatningsklammer.

Under den første fase (fase 1) tilføres reaktoren 1 med det slam som skal behandles og flashdampen fra reaktor 3 (for hvilken den termiske hydrolysesyklus allerede er begynt som symbolisert med de horisontale prikkmønstrede linjer) injiseres deri. Under denne fase 1 blir friskdampen fra kjelen injisert i reaktoren 2 (for hvilken den termiske hydrolysesyklus også som allerede er nevnt er symbolisert ved hjelp av de prikkmønstrede linjer). I den tredje reaktor oppnås retensjonstrinnet hurtig og trykket i det indre av reaktoren synker hurtig til avspenningstrykket for oppnåelse av flashdampen som allerede angitt føres tilbake til reaktoren 1. Varigheten av den første fase er 35 min.

I løpet av den andre fase blir friskdampen injisert i reaktoren 1, innholdet av reaktoren 2 opprettholdes under trykk og bringes deretter til avspenningstrykket, flashdampen avgitt på denne måte blir ført til den tredje reaktor, og denne som på forhånd er tømt blir deretter på nytt fylt med slam for behandling. Varigheten av den andre fase er 60 min.

Under den tredje fase opprettholdes innholdet av reaktoren 1 undertrykk og bringes deretter til atmosfæretrykket. Flashdampen avgitt derved føres mot den tredje reaktor som på forhånd er tømt og deretter på nytt tilført slams for behandling, og friskdampen injiseres i den tredje reaktor. Varigheten av denne tredje fase er 65 min.

Man bemerker at mellom tømmingen av en reaktor og fornyet fylling av denne er det tale om en retensjonstid på omtrent 5 til 10 min.

Og som det klart fremgår av fig. 2 frembyr fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen den fordel at det tillates en kontinuerlig fordeling av friskdamp fra kjelen alternativt til reaktoren 1, 2 og 3.

Med henvisning til fig. 3 representerer anlegget vist i fig. 1 og som i sin helhet er betegnet med A kan være kombinert i en mesofil eller termofil nedbrytningsenhet betegnet med henvisningen B og en awanningsenhet for slam betegnet med henvisningen C.

Ved denne utførelsesform blir slam i overskudd for behandling tilført gjennom en rørledning 20 inn i awanningsanlegget C og deretter ført mot den termiske hydrolyseenhet som beskrevet med henvisning til fig. 1. Når disse slam først er hydrolysert blir de ført mot den mesofile nedbrytningsdigestor B (man bemerker at i de andre utførelsesformer kan nedbrytningsdigestoren også fungere på termofil måte). Biogassen oppnådd ved nedbrytningen tas ut ved 22 for oppvarming av en kjele 23 som via rørledningen 24 frembringer friskdampen nødvendig for at enheten A skal fungere. Slammene fra nedbrytningsdigestoren føres deretter tilbake til begynnelsen av anlegget mot awanningsenheten C. Resten av det stedet mineraliserte slam tas ut ved 25. Denne rest er fullstendig hygienisk og luktfri. Dets volum i forhold til inngangsvolumet er meget lite.

Det nedbrutte slam oppnådd på denne måte kan på nytt avvannes for å kunne utnyttes f.eks. innen landbruket.

Slammene kan også sendes mot en termisk nedbrytingsprosess som oksidasjon på våt vei eller som forbrenning. Dimensjonene av forbrenningsovnene som anvendes i det siste tilfellet kan være mindre enn størrelsen av dem som kunne anvendes hvis angjeldende slam ikke var underkastet en termisk hydrolyse.

Utførelsesformene av oppfinnelsen beskrevet her har ikke til formål å begrense oppfinnelsens omfang. Den kan tilpasses tallrike modifikasjoner uten å gå utenfor rammen, spesielt bemerker man at i en ytterligere utførelsesform kan man anvende mer enn tre reaktorer montert i parallell for å tillate ikke bare en kontinuerlig tilførsel av friskdamp men også en kontinuerlig tilførsel og uttrekning av slam. Varigheten av de forskjellige faser kan også velges forskjellig.

Claims

1. Fremgangsmåte for termisk hydrolyse av slam, karakterisert ved at den omfatter tre faser: - en første fase hvori: • slammet tilføres i en første reaktor (1) og flashdampen fra en tredje reaktor (3) injiseres i den nevnte første reaktor (1), • friskdamp injiseres i en andre reaktor (2) inneholdende slam, • en tredje reaktor (3) inneholdende slam opprettholdes ved temperaturen og trykket for hydrolyse og bringes deretter til atmosfæretrykket, idet den avgitt flashdamp føres inn i den nevnte første reaktor (1), umiddelbart før denne tømmes; - en andre fase hvori: • friskdampen injiseres i den nevnte første reaktor(1), • den andre reaktor opprettholdes ved temperaturen og trykket for hydrolysen og bringes deretter til atmosfæretrykket, idet flashdampen som avgis føres i det indre av den nevnte tredje reaktor (3) umiddelbart før denne tømmes, • slammet tilføres i den nevnte tredje reaktor (3) og flashdampen fra den andre reaktor(2) injiseres i den nevnte tredje reaktor (3); - en tredje fase hvorunder: • den første reaktor (1) opprettholdes ved temperaturen og trykket for hydrolysen og bringes deretter til atmosfæretrykket, idet flashdampen som avgis føres i det indre av den andre reaktor (2)umiddelbart før den tømmes, • slammet tilføres i den nevnte andre reaktor og flashdampen fra den første reaktor (1) injiseres i den nevnte andre reaktor, • friskdampen injiseres i den nevnte tredje reaktor (3).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den gjennomføres i flere enn tre reaktorer som virker i parallell, med syklustider tilpasset slik at friskdampen kan injiseres kontinuerlig vekselvis inn i de nevnte reaktorer, idet slammet injiseres kontinuerlig vekselvis i reaktorene og trekkes kontinuerlig ut vekselvis fra reaktorene.

3. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1 til 2, karakterisert ved at trykket er mellom 10 bar og 20 bar og at den nevnte temperatur er mellom 130 °C og 200 °C.

4. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at varigheten av hver hydrolysesyklus er mellom 100 min og 360 min.

5. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at den omfatter et nedbrytningstrinn for de hydrolyserte slam og som fører til produksjon av en biogass, idet biogassen anvendes for å generere i det minste en del av friskdampen som er nødvendig for den termiske hydrolyse gjennomført i nevnte reaktorer (1, 2, 3) som virker i parallell.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at nedbrytningstrinnet omfatter en siste aerob sluttfase.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at nedbrytningstrinnet omfatter en mesofil nedbrytning.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at nedbrytningstrinnet er en termofil nedbrytning.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at den omfatter et trinn med aerob termofil nedbrytning.

10. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 6 til 9, karakterisert ved at nedbrytningstrinnet er forbundet med termisk hydrolyse, idet slammet generert ved den nevnte nedbrytning blandes helt eller delvis med slam i overskudd og hydrolyseres på nytt.

11. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 10, karakterisert ved at den omfatter et trinn bestående i å termokomprimere den nevnte flashdamp ved hjelp av den nevnte friskdamp.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at minst en del av det nedbrutte slam sendes fuktig til et anlegg for forbrenning eller oksidasjon.