WO2021208544A1 - 一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺及设备 - Google Patents

一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺及设备 Download PDF

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乔瑜
成明凯
高翔鹏
徐明厚
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Definitions

  • Self-sustaining smoldering is a process in which organic matter in the sludge is slowly burned to generate heat after being mixed with porous media (sand) and continuously transferred to initiate self-sustained combustion.
  • the heat required for water evaporation and reaction initiation is all caused by the sewage.
  • the organic matter of the sludge is obtained by reaction, which can greatly reduce the energy consumption of sludge heat treatment.
  • the heat produced by the self-sustaining smoldering process can also be collected and utilized.
  • the present invention divides the sludge into two parts, and uses the heat generated by the self-sustaining smoldering of one part of the sludge as the heat source for the heat required by the other part of the sludge, thereby organically combining the self-sustaining smoldering and high-temperature aerobic fermentation. While increasing the sludge disposal rate, it reduces the energy consumption of the sludge disposal system, reduces the biological fermentation cycle, and better realizes the harmless and resourceful disposal of sludge.
  • the composite treatment process of sludge self-sustaining smoldering and high-temperature aerobic fermentation of the present invention consists of two technologies: self-sustaining sludge smoldering and high-temperature aerobic fermentation, and includes using the heat generated by self-sustaining smoldering to supply high-temperature aerobic fermentation
  • the heat supply link of the required heat including:
  • Self-sustaining smoldering is a continuous smoldering reaction system with a smoldering furnace as the main body, which converts sludge into heat and ash through a self-sustaining smoldering reaction, and collects and transports the heat.
  • the ignition point temperature is ⁇ 250-300°C. If the ignition point temperature is above 250°C, the influence of the mixing ratio of sand and sludge on the ignition point temperature can be ignored to ensure the smooth ignition of the mixture.
  • the smoldering device After the mixture is piled up to a predetermined height, the smoldering device will preheat and increase. When the bottom mixture is heated to 250°C, air is introduced to make the Darcy flow rate of the air in the smoldering device 3.3cm/s. The sludge in the sludge began to smolder;
  • the other part of the sludge enters the heat preservation fermentation tank body 20 from the storage tank 1 through the transmission device 2b, and the configured thermophilic fermentation bacterial seed liquid enters the tank body 20 through the bacteria cleaner 21, and is stirred by the agitator 22;
  • the odor enters the flue gas purification device 13 through the flue 12b and is removed.
  • the present invention divides the sludge into two parts, and uses the heat generated by the self-sustaining smoldering of one part of the sludge as the heat source for the heat required by the other part of the sludge, thereby combining the self-sustaining smoldering and high-temperature aerobic fermentation.
  • the present invention uses the heat generated by the self-sustaining smoldering of one part of the sludge as the heat source for the heat required by the other part of the sludge, thereby combining the self-sustaining smoldering and high-temperature aerobic fermentation.
  • it while increasing the sludge disposal rate, it reduces the energy consumption of the sludge disposal system, reduces the biological fermentation cycle, and better realizes the harmless and resourceful disposal of sludge.

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Abstract

一种污泥自维持阴燃与好氧生物发酵复合处置工艺及设备，属于生活废弃物处置领域相关技术工艺，主要针对市政污泥以及其他高含水率低热值有机废弃物的无害化资源化处置。工艺特点在于通过联合自维持阴燃和好氧发酵堆肥两种处置技术，提升污泥处置能力，降低好氧生物发酵过程能耗，实现技术间的优势互补；阴燃产生的污泥灰与发酵生成的有机肥可以结合利用，从而在提高污泥处置速率的同时，降低污泥处置系统能耗，降低生物发酵周期，提高污泥资源化产品的多样性。

Description

一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺及设备 【技术领域】
本发明属于城市废弃物处置范畴，涉及一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺及设备，更具体地，是一种结合了自维持阴燃然和好氧生物发酵两种技术的针对市政污泥及其他适用于发酵堆肥工艺有机废弃物的复合处置工艺。
【背景技术】
目前，城市污水处理能力在快速提升，污泥产量不断攀升。污泥中富含有机质，易腐易臭，其中包含细菌虫卵以及农药残留等有害物质，处置不当会造成土地、地下水以及空气环境的污染。
传统的污泥处置方法主要是热处理和生物处理两种。
热处理可以将污泥中有机质转化为热能、二氧化碳和水，处置效率高、无害化彻底。然而传统的热处理方法如干化焚烧、热解等需要克服污泥高含水、低热值的特点，系统能耗较大。
生物处理技术可以通过生物发酵的方法将污泥转化为有机肥产品，实现资源化回收利用。然而，生物处理技术往往周期较长，处置能力有限。
近年来利用嗜热菌实现污泥高温好氧发酵堆肥的技术，可以极大的缩短堆肥周期，然而，堆肥过程系统温度需从传统的～40—60℃提升到70—100℃，相比于传统生物发酵方法，也需要提高能耗。
因此，亟需一种既能够提高污泥处置速率，又能够降低污泥处置系统能耗的污泥处置工艺。
【发明内容】
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其目的在于，将自维持阴燃技术处置 速率快、产生热能的优势，以及好氧生物发酵技术能够进行污泥制肥的资源化利用的优势相结合，将阴燃产生的热能提供给生物发酵过程，从而在提高污泥处置速率的同时，降低污泥处置系统能耗，降低生物发酵周期，更好的实现污泥的无害化、资源化处置。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，包括污泥的自维持阴燃和高温好氧发酵，具体地，将污泥分为两部分，将其中一部分污泥进行自维持阴燃产生的热量，作为另一部分污泥进行高温好氧发酵所需热量的热源。
进一步地，所述自维持阴燃是利用以阴燃炉为主体的连续阴燃反应系统，将污泥通过自维持阴燃反应转化成热量与灰分。
进一步地，所述高温好氧发酵是利用嗜热发酵菌种和发酵罐将污泥通过高温好氧生物发酵转化为有机肥。
进一步地，将其中一部分污泥在阴燃炉中自维持阴燃过程产生的热量通过集热器进行持续收集，并储存在储热装置中，通过供热管将热量传递给配热装置，调配出满足另一部分污泥进行高温好氧发酵所需温度的传热介质，并通过传送管和供热片将热量传递到发酵罐中。
进一步地，该工艺包括如下步骤：
(1)将污泥分为两部分，其中一部分污泥与沙子按预定比例充分混合得到混合物料，并将混合物料送入预定阴燃位置进行堆积；另一部分污泥与嗜热发酵菌种液充分混合后送入预定发酵位置进行发酵；
(2)待混合物料堆积至预定高度后进行预热使其升温，当混合物料升温至起火点温度时，通入空气，使混合物料中的污泥连续自维持阴燃；
(3)收集并储存污泥连续自维持阴燃过程中产生的热量；
(4)将储存的热量进行调配后输送至预定发酵位置进行加热，使发酵温度维持在预定范围内，从而为嗜热发酵菌种提供合适的发酵环境温度。
进一步地，步骤(1)中，沙子与污泥混合比例为3:1—9:1。
进一步地，步骤(2)中，起火点温度为～250—300℃。
进一步地，步骤(2)中，空气的Darcy流速为～3—6cm/s。
进一步地，步骤(4)中，发酵温度为～70—100℃。
为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置设备，用于实现如前任一项所述的污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得如下有益效果：
1.自维持阴燃是一种利用污泥与多孔介质(沙子)混合后污泥中有机质缓慢燃烧产生热量并不断传递引发自维持燃烧的过程，水分蒸发和反应引发所需的热量全部由污泥自身有机质反应获得，能够极大的降低污泥热处理的能耗。并且，自维持阴燃过程产出的热量还可以被收集利用。因此，本发明通过将污泥分为两部分，利用其中一部分污泥自维持阴燃产生的热量作为另一部分污泥所需热量的热源，从而将自维持阴燃与高温好氧发酵有机结合，在提高污泥处置速率的同时，降低污泥处置系统能耗，降低生物发酵周期，更好的实现污泥的无害化、资源化处置。
2.通过将收集的热量先收集再调配，可以确保提供高温好氧发酵所需的温度，实现高温好氧发酵过程的稳定控制。
3.沙子与污泥混合比例为3:1—9:1，有利于混合物自持阴燃的顺利进行，比例过高会导致混合物有机质含量过低、阴燃自持传播无法实现，比例过低会导致混合物含水量过大、不易点燃。
4.起火点温度为～250—300℃，有利于污泥与沙子混合物阴燃起始阶段热量的充分释放，温度过高会造成不必要的能耗，温度过低会导致阴燃无法自持传播、甚至点火失败。
5.空气的Darcy流速为～3—6cm/s，有利于阴燃反应的进行和自持传播，速度过高会导致热量流失、进而自持传播失败，速度过低会导致阴燃反应 进行不充分、进而自持传播失败。
6.发酵温度为～70—100℃，有利于保持嗜热菌较高的活性，温度过高或过低均会影响发酵过程的顺利进行。
7.本发明的污泥处置工艺适用于各种规模的污泥处置，根据不同处置规模，可以实现不同级别阴燃炉和发酵罐的搭配。
【附图说明】
图1是本发明优选的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺流程示意图；
图2是本发明优选的一种用于实现图1流程的复合处置设备示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-原料储存罐    2a,2b-传送装置 3-搅拌料仓    4-搅拌器
5-物料输送装置  6-喂料器       7-保温炉体    8-电热起火装置
9-供风设备      10-进风通道    11-布风器     12,12a,12b-烟道
13-烟气净化设备 14-排风口      15-积灰仓     16-排渣装置
17-沙灰隔离设备 18-排灰口      19-传沙装置   20-保温发酵罐
21-布菌器       22-搅拌器      23-出料口     24-集热片
25-导热管       26-储热器      27-输热管     28-调温器
29-输热管       30-散热片
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺由污泥的自维持阴燃和高温好氧发酵两个技术构成，且包括利用自维持阴燃产生的热量 供给高温好氧发酵所需热量的热量供给环节，其中：
自维持阴燃是利用以阴燃炉为主体的连续阴燃反应系统，将污泥通过自维持阴燃反应转化成热量与灰分，并将热量收集输送。
高温好氧发酵是利用嗜热发酵菌种和发酵罐将污泥通过高温好氧生物发酵转化为有机肥，发酵过程高温由恒温水泵提供。
热量供给环节中，恒温水泵高温热源由储热器传送，储热器热量由阴燃过程产生热量经阴燃炉内壁集热片收集并传出。
具体地，本发明提出了一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其包括如下步骤：
(1)将污泥分为两部分，其中一部分污泥与沙子按预定比例充分混合得到混合物料，并将混合物料送入预定阴燃位置进行堆积；另一部分污泥与嗜热发酵菌种液充分混合后送入预定发酵位置进行发酵；
(2)待混合物料堆积至预定高度后进行预热使其升温，当混合物料升温至起火点温度时，通入空气，使混合物料中的污泥连续自维持阴燃；
(3)收集并储存污泥连续自维持阴燃过程中产生的热量；
(4)将储存的热量进行调配后输送至预定发酵位置进行加热，使发酵温度维持在预定范围内，从而为嗜热发酵菌种提供合适的发酵环境温度。
优选的，步骤(1)中，沙子与污泥混合比例为3:1—9:1，该比例为目前常见市政污泥(60-80％含水率)的阴燃处置边界条件，在该边界条件范围内，具体比例选择根据污泥具体含水率以及所希望达到的处置效率决定。
优选的，步骤(2)中，起火点温度为～250—300℃。起火点温度选在250℃以上，则可以忽略沙子与污泥混合比例对起火点温度的影响，确保混合物料顺利点燃。
优选的，步骤(2)中，空气的Darcy流速为～3—6cm/s。
优选的，步骤(4)中，发酵温度为～70—100℃。
实施案例1：
(1)将引入的污泥分流，一部分与沙子按1:4.5重量比例进行充分混合搅拌，并将混合物料送入预定阴燃装置进行堆积；另一部分污泥与嗜热发酵菌种液充分混合后送入预定发酵位置待发酵；
(2)待混合物料堆积至预定高度后阴燃装置进行预热升温，当底部混合物料升温至250℃时，通入空气，使阴燃装置内空气的Darcy流速为3.3cm/s，混合物料中的污泥开始阴燃；
(3)收集并储存污泥连续自维持阴燃过程中产生的热量；
(4)将储存的热量进行调配后输送至预定发酵位置进行加热，使发酵温度维持在85℃，污泥发酵开始；
(5)通过筛分将阴燃灰与沙子分离，收集阴燃灰；收集经过发酵产生的污泥有机肥；收集到的阴燃灰和污泥有机肥可作为土壤肥料制作的原材料。
实施案例2：
(1)将引入的污泥分流，一部分与沙子按1:9重量比例进行充分混合搅拌，并将混合物料送入预定阴燃装置进行堆积；另一部分污泥与嗜热发酵菌种液充分混合后送入预定发酵位置待发酵；
(2)待混合物料堆积至预定高度后阴燃装置进行预热升温，当底部混合物料升温至300℃时，通入空气，使阴燃装置内空气的Darcy流速为4.5cm/s，混合物料中的污泥开始阴燃；
(3)收集并储存污泥连续自维持阴燃过程中产生的热量；
(4)将储存的热量进行调配后输送至预定发酵位置进行加热，使发酵温度维持在75℃，污泥发酵开始；
(5)通过筛分将阴燃灰与沙子分离，收集阴燃灰；收集经过发酵产生的污泥有机肥；收集到的阴燃灰和污泥有机肥可作为土壤肥料制作的原材料。
实施案例3：
(1)将引入的污泥分流，一部分与沙子按1:5重量比例进行充分混合搅拌，并将混合物料送入预定阴燃装置进行堆积；另一部分污泥与嗜热发酵菌种液充分混合后送入预定发酵位置待发酵；
(2)待混合物料堆积至预定高度后阴燃装置进行预热升温，当底部混合物料升温至250℃时，通入空气，使阴燃装置内空气的Darcy流速为6.0cm/s，混合物料中的污泥开始阴燃；
(3)收集并储存污泥连续自维持阴燃过程中产生的热量；
(4)将储存的热量进行调配后输送至预定发酵位置进行加热，使发酵温度维持在80℃，污泥发酵开始；
(5)通过筛分将阴燃灰与沙子分离，收集阴燃灰；收集经过发酵产生的污泥有机肥；收集到的阴燃灰和污泥有机肥可作为土壤肥料制作的原材料。
下面，结合图1及图2，以一个实际应用场景对本发明的方法进行更为详细的介绍：
(1)将待处置的污泥分为两部分，其中一部分污泥首先经传输装置2a进入搅拌料仓3并与沙子按比例(3:1—9:1)混合搅拌，搅拌均匀后混合物料经由传输装置5输送至喂料器6，进而进入阴燃炉体(本实施例优选为保温炉体7)，并开始堆积。另一部分污泥经由传输装置2b由储存罐1进入保温发酵罐体20，配置好的嗜热发酵菌种液经由布菌器21进入罐体20，并由搅拌器22进行搅拌；发酵过程产生的臭气经由烟道12b进入烟气净化设备13后排除。
(2)混合物料堆积至一定高度(1m左右，该高度可视堆积面积进行调整，以获得合适的堆积体积；堆积体积过大不易点燃，堆积体积过小热量损失快，容易导致自持传播失败)，保温炉体7经由电热起火装置8进行预热，当填充物料升温至起火点温度(～250—300℃)时，供风模块9开始向保温炉体7内通入空气，空气经由风道10进入布风器11均匀进入保温炉 体7(空气在保温炉体7内Darcy流速为～3—6cm/s)，阴燃过程开始，此时起火装置8关闭。
(3)保温炉体7内壁的集热片24会在阴燃过程中不断收集污泥有机物连续自维持阴燃过程产生的热量，并通过导热管25将热量送入储热器26储存起来；阴燃过程产生烟气经由烟道12a通入烟气净化设备13后排出。
(4)储热器16储存的热量通过输热管27进入调温器28，调温器28通过输热管29与在保温发酵罐体20内部的散热片30调控发酵罐体内部温度(～70—100℃)，为嗜热发酵菌种提供合适的发酵环境温度。
总体而言，本发明通过将污泥分为两部分，利用其中一部分污泥自维持阴燃产生的热量作为另一部分污泥所需热量的热源，从而将自维持阴燃与高温好氧发酵有机结合，在提高污泥处置速率的同时，降低污泥处置系统能耗，降低生物发酵周期，更好的实现污泥的无害化、资源化处置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于：包括污泥的自维持阴燃和高温好氧发酵，具体地，将污泥分为两部分，将其中一部分污泥进行自维持阴燃产生的热量，作为另一部分污泥进行高温好氧发酵所需热量的热源。
  2. 如权利要求1所述的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于：所述自维持阴燃是利用以阴燃炉为主体的连续阴燃反应系统，将污泥通过自维持阴燃反应转化成热量与灰分。
  3. 如权利要求1或2所述的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于：所述高温好氧发酵是利用嗜热发酵菌种和发酵罐将污泥通过高温好氧生物发酵转化为有机肥。
  4. 如权利要求3所述的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于：将其中一部分污泥在阴燃炉中自维持阴燃过程产生的热量通过集热器进行持续收集，并储存在储热装置中，通过供热管将热量传递给配热装置，调配出满足另一部分污泥进行高温好氧发酵所需温度的传热介质，并通过传送管和供热片将热量传递到发酵罐中。
  5. 如权利要求1所述的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于，包括如下步骤：
    (1)将污泥分为两部分，其中一部分污泥与沙子按预定比例充分混合得到混合物料，并将混合物料送入预定阴燃位置进行堆积；另一部分污泥与嗜热发酵菌种液充分混合后送入预定发酵位置进行发酵；
    (2)待混合物料堆积至预定高度后进行预热使其升温，当混合物料升温至起火点温度时，通入空气，使混合物料中的污泥连续自维持阴燃；
    (3)收集并储存污泥连续自维持阴燃过程中产生的热量；
    (4)将储存的热量进行调配后输送至预定发酵位置进行加热，使发酵 温度维持在预定范围内，从而为嗜热发酵菌种提供合适的发酵环境温度。
  6. 如权利要求5所述的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于：步骤(1)中，沙子与污泥混合比例为3:1—9:1。
  7. 如权利要求5所述的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于：步骤(2)中，起火点温度为～250—300℃。
  8. 如权利要求5所述的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于：步骤(2)中，空气的Darcy流速为～3—6cm/s。
  9. 如权利要求5所述的一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺，其特征在于：步骤(4)中，发酵温度为～70—100℃。
  10. 一种污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置设备，用于实现如权利要求1～9任一项所述的污泥自维持阴燃与高温好氧发酵复合处置工艺。
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