一種水熱碳化處理汙泥製備肥料的方法與流程
2023-07-24 01:04:47 2
本發明涉及城市生活汙水處理領域，提供了一種水熱碳化處理汙泥製備肥料的方法。
背景技術：
汙泥吸納了眾多汙水中的有害物質，是汙染物的集中聚集地。汙泥具有含水率高、易腐敗、有惡臭，含有重金屬、容易引起致癌致畸致突變等特點。作為城市運行中不可避免的產物，汙泥隱患的長期存在，汙染了環境的同時嚴重威脅民眾身體健康。
我國的汙水處理產業伴隨著改革開放起步，歷史不長，又受到經濟發展水平和環境保護意識薄弱的約束。近年來，雖然汙水處理率上有所改善，但「重汙水處理，而輕汙泥處理」的問題一直沒有得到很好的解決：目前我國汙水處理廠產生汙泥的處理處置現狀令人擔憂。據環保部統計，我國汙泥農用約佔44.8％、陸地填埋約佔31％、其它方式的處置約佔10.5％，沒有處置約佔13.7％。而這些所謂的「處理」和「處置」基本上是直接施用或填埋，而不是真正意義上的安全處置，符合安全處理處置規定的數量估計不超過10％。汙泥處理處置的種種亂象，在眾多機構的調研中都得到證實。未規範處置的汙泥已經成為土壤和水環境中一個新的環境汙染源，很大程度上抵消了汙水處理廠淨化環境的功效，嚴重製約了汙水處理事業的健康發展。
汙泥組成、性質的複雜性決定了其處置的難度，儘管近年來國內外湧現出多種技術，但用「減量化、無害化、穩定化、資源化」四大基本原則衡量，目前各種不同的處理技術往往顧此失彼，很難達到合理的技術經濟目標：直接作為肥料施用在數量、存放、氣味汙染、重金屬汙染等方面難以滿足現代農業的要求，植物可利用的有效氮、有效磷含量也偏低；以佔用大量土地資源和幾十年消納周期的填埋、發酵堆肥等工藝很難成為汙泥處理的適合選項；汙泥熱幹化和焚燒等技術能源消耗巨大，且存在粉塵、二惡英等二次環境汙染的技術風險；厭氧消化和石灰穩定技術僅為中間處理手段，佔地面積較大且不能實現汙泥「減量化」的最終目標。
水熱碳化技術是一種新型的汙泥全過程處理處置手段，在溼式環境中，在一定溫度和壓力下將生物質轉化為可進一步用作燃料、肥料等用途的炭基材料，即生物炭。水熱碳化技術解決了上述傳統處理工藝的各種不足；對場地面積要求小，適合汙水廠安裝設備，反應周期短，運行穩定，相對效率高，能源消耗小。但水熱碳化技術發展時間較短，在處理效率，產品含水率，生物炭性能，餘熱利用等方法仍有很大提升空間。
技術實現要素：
申請人在引入德國buttmann水熱碳化處理技術建造設備，實際運行處理城市生活汙水廠汙泥(北京、兗州、濟寧等地)的基礎上中對水熱碳化處理工藝進行了進一步優化。實驗中，申請人發現，將現有的催化劑種類和添加方式(在進入反應器之前一次性加入濃硫酸)改為兩次分步添加(在進入反應器之前加入濃硫酸，在反應進行到中途向反應器中加入濃硝酸)，能較大的改善產物含水率以實現更好的汙泥減量效果，並提高有效氮磷含量，降低鉻含量。
一方面，提供了一種水熱碳化處理城市生活汙水廠汙泥製備肥料的方法，包括步驟：
a.汙泥收集；
b.將汙泥泵送至反應器，期間加入濃硫酸；
c.在反應器中進行水熱碳化反應，期間加入濃硝酸；
d.收集產生的生物碳漿；
e.板壓脫水後，粉碎，裝袋作為肥料成品。
進一步的方面，該方法中使用的濃硫酸為98％濃硫酸，濃硝酸為80％濃硝酸。
進一步的方面，該方法中使用的濃硫酸加入量為1-1.5％(v/v)，濃硝酸加入量為0.8-1％(v/v)。
進一步的方面，該方法中使用的濃硫酸加入量為1％(v/v)，濃硝酸加入量為1％(v/v)。
進一步的方面，水熱碳化溫度為150-200℃，壓力為15-30bar，時間為60-150分鐘。
進一步的方面，水熱碳化溫度為180℃，壓力為25bar，時間為120分鐘。
進一步的方面，水熱碳化進行到預期反應時間四分之一時加入濃硝酸。
進一步的方法，步驟d中通過洩壓系統在保障系統運行壓力的條件下收集產生的生物碳漿，期間通過熱交換系統接受生物碳漿的熱量，所獲熱量用於通過前熱交換系統在步驟b中預熱汙泥，碳漿通過卸壓系統降壓後留餘壓送至緩衝儲罐。
進一步的方面，反應器中的壓力由汙泥泵提供。
附圖說明
附圖1是汙泥熱水碳化處理技術的完整工藝流程框圖。圖中：1、進料漏鬥，2、汙泥加壓泵，3、前熱交換器系統，4、熱回收，5、1#催化劑投加點，6、反應器，7、後熱交換器系統，8、卸壓系統，9、碳漿儲倉，10、板框脫水裝置，11、廢水處理(選擇項)，12、1#催化劑投加泵，13、2#催化劑投加泵，14、生物炭導熱油爐，15、濾液儲罐，16，汙泥料倉，a、含水率80％的汙泥，b、沉澱物回饋(可選)，c、處理後水返回工廠進水口，d、生物炭餅。
附圖2是申請人建造的14000噸年處理能力水熱碳化處理設備外觀圖。
具體實施方式
實施例1城市生活汙水廠汙泥處理
汙泥樣本來源：兗州市汙水處理廠，生活汙水沉澱汙泥，含水率約80％。
本發明的處理過程：
a.使用封閉螺旋收集汙泥；
b.將汙泥泵送至反應器，期間加入98％濃硫酸1％(v/v)並以前熱交換系統預熱汙泥；
c.在反應器中進行水熱碳化反應，水熱碳化溫度為180℃，壓力為25bar，時間為120分鐘，反應進行到約30分鐘時加入80％濃硝酸1％(v/v)，反應器中的壓力由汙泥泵提供；
d.通過洩壓系統在保障系統運行壓力的條件下收集產生的生物碳漿，期間通過後熱交換系統降溫並回收熱量；
e.板壓脫水得炭餅。
對照處理過程1：
基本處理過程同本發明的處理過程，其中不加入酸催化劑，並調整水熱碳化溫度至200℃，壓力至30bar，時間至150分鐘。
對照處理過程2：
基本處理過程同本發明的處理過程，其中僅在步驟b中加入98％濃硫酸2.5％作為單一一種催化劑。
對照處理過程3：
基本處理過程同本發明的處理過程，其中僅在步驟b中加入98％濃硫酸2.5％作為單一一種催化劑，並調整水熱碳化溫度至200℃，壓力至30bar，時間至150分鐘。
上述處理過程使用相同的設備，相同的汙泥進樣量(2.5噸)進行。
實施例2實施例1中各處理方法的效果比較
測定所得炭餅含水率，有效氮含量(鹼擴散法)，有效磷含量(鉬銻抗比色法)，浸出液中鉻含量(六價鉻，分光光度法)
結果表明，相比現有的水熱碳化方法，本發明的方法能夠更有效的降低汙泥含水率以更好的實現汙泥減量；縮短反應時間(效果好於反應時間較長的對照1和3)；有效提高了產品中有效氮和磷含量以實現更好的肥料效果(即使排除含水率的區別，本發明方法產物的有效氮和磷含量也明顯高於對照，這可能是由分步加入兩種酸產生的更好破壁分解過程引起)；此外，還發現本發明方法產物鉻含量也低於對照(原理尚不明確，推測與不同的碳化聚合過程相關)。本發明的方法在建造和運行費用上與現有水熱碳化處理技術並無明顯區別(酸種類增多但總體積減少)。
實施例3實際肥料製備和使用
板壓脫水得到的炭餅含水率低，氣味遠比汙泥不明顯，適合運輸一定時間的儲存/堆肥。在蘿蔔盆栽實驗中，將實施例1中使用本發明方法製備的炭餅作為有機肥以幹土重2％的量施用時，蘿蔔生長情況明顯優於未施肥組；以幹土重5％的量施用時，蘿蔔生長未受到明顯抑制，生長速度和地下部分大小明顯好於以幹土重5％的量直接施用汙泥的情況；相比未施肥組，蘿蔔中鉻，銅金屬含量沒有顯著變化。