汙泥綜合處理及轉化物的循環利用方法
2023-12-08 15:22:51 1
專利名稱：汙泥綜合處理及轉化物的循環利用方法
技術領域：
本發明涉及一種城市生活汙水處理廠所產汙泥和造紙、皮革、印染等行業產生的工業汙泥的處理與利用方法。
背景技術：
隨著城市化的發展和水環境管理的重視與加強，城鎮汙水處理規模和程度與日俱增。至2010年底，我國城鎮汙水處理規模已達到12476萬立方米/日。城鎮汙水處理廠汙泥(簡稱汙泥)是汙水處理過程中不可迴避的副產物，主要來源於初次沉澱池、二次沉澱池等工藝單元。每萬m3汙水經處理後將產生汙泥5-10噸(按含水率80%計)，以此估算，當前我國每年產生汙泥量已超過2200萬噸。汙泥中含有大量的有機物和農作物生長所需的氮、磷、鉀等營養元素，但同時也含有眾多種類有毒有害汙染物，包括致病菌、寄生蟲(卵)等生物汙染物，銅、鋅、鉻、汞等重金屬，以及多氯聯苯、二噁英等持久性有機汙染物，如果得不到妥善處理，容易造成二次汙染。因此，如何安全、經濟地處理汙泥已成為全球共同關注的重要環境問題，也是汙水處理廠和市政管理部門面臨的難題。目前，我國城市汙泥的處理主要採用以下三種技術途徑:途徑A:機械脫水(含水率80左右)與穩定化處理+垃圾填埋場填埋；途徑B:機械脫水與穩定化+還田利用；途徑C:機械脫水處理+焚燒(或幹化後焚燒)。途徑A被公認為是一種最不可持續的汙泥處理方式。其不可持續性主要表現為:減量化程度低，僅脫去20%左右的水；填埋處置需要佔用大量土地，同時造成汙泥中有益成分(N、P等)和能量的流失，又以多種方式向環境中輸送汙染物(如填埋氣和滲浙液)；由於汙泥與生活垃圾性質差異較大，填埋場中汙泥的引入，給填埋作業和填埋管理帶來困難。因此，許多國家和地區已經非常慎重地採用此種方式處理汙泥，如歐盟許多成員國已逐漸淘汰汙泥填埋處置(2010年歐盟填埋處置所佔比例為14%，預計2020約為7% )，美國環保署計劃在今後的20年內關閉80%的汙泥填埋場。鑑於我國當前國情，國家《城鎮汙水處理廠汙泥處理處置技術規範》將汙泥填埋視為「我國一定時間內是一種過渡性的處理處置措施」。但隨著我國經濟的發展和環境保護要求的日益嚴格，我們有理由相信，在不久的將來這種汙泥處理途徑在我國也將成為歷史。將汙泥機械脫水、穩定化處理後(如石灰穩定化、堆肥化等)還田利用(途徑B)，可實現對汙泥中氮、磷等養分資源的部分回收利用，是當前包括我國在內的眾多國家解決汙泥出路的主要途徑。然而，這種方式也伴隨著向土壤中輸入生物汙染物、重金屬和持久性有機汙染物，長期的汙泥回田極有可能導致土壤汙染，危及農產品質量安全。許多發達國家和地區也因此對施入汙泥的性質和數量、受納土地類型等方面作了嚴格要求和管控。考慮到當前我國土壤汙染形勢已相當嚴峻，以及汙泥產生量日趨增加與適合對汙泥進行消納的土地面積日益減小的矛盾，汙泥還田利用必將受到更為嚴格的控制。
途徑C (汙泥原位機械脫水處理+焚燒或幹化後焚燒)具有完全滅絕致病菌、汙泥減量化徹底、並可部分回收汙泥中的能量等優點，近年來日益受到重視，是解決低質汙泥(特別是有毒有害物質含量較高的汙泥)出路的重要替代技術。但是，由於汙泥焚燒產生有大量的有毒有害氣體(包括二惡英類等致癌物)，而這些氣體的有效清除和淨化需要大量的設施投入與資金投入，這種汙泥消納方式面臨著「運營成本高和公共可接受性差」兩大挑戰。因此，儘管技術上相當成熟和存在諸多優勢，汙泥焚燒技術一直以來未能實現大規模的工業化應用。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有汙泥處理技術存在的上述不足，提供一種汙泥綜合處理及轉化物的循環利用方法。解決上述技術問題的技術方案是本汙泥的綜合處理方法按如下步驟進行:(I)汙泥的厭氧消化:將汙水處理單元產生的汙泥漿泵入厭氧消化反應器或土製沼氣池進行消化，產生的沼氣先通入脫硫裝置，再通入沼氣熱電聯產機組，轉化成電能與熱倉泛;(2)消化汙泥的脫水幹化:經步驟(I)厭氧消化後所餘下的消化汙泥輸送到至機械脫水機進行脫水，隨後輸送至汙泥熱幹化機進行幹 化至汙泥含水率為5% -10%的幹化汙泥；(3)幹化汙泥熱解:將幹化汙泥傳送至熱解反應器中，溫度控制在500-600°C，控制在此溫度中汙泥與熱解揮發物在熱解反應器中的停留時間分別為10-40min和l_5s ；(4)熱解產物的分離與收集:汙泥經步驟(3)熱解處理後會產生以碳氫化合物、CO、CO2為主的熱氣相流和熱解炭，採用循環冷卻水處理器，冷凝液化熱氣相流中的碳氫化合物，形成液態的熱解油，產生的熱解油輸送到儲油器待用；餘下的co、co2氣體屬於不可冷凝性的熱解氣，移作它用；產生的熱解炭輸送至貯炭室待用；通過上述汙泥綜合處理所得的轉化物的循環利用方法包括下列途徑:(I)沼氣與熱解油的循環利用:經汙泥綜合處理步驟(I)的沼氣熱電聯產所產生的電和熱、步驟(4)的熱解油替代部分礦物油供燃油鍋爐燃燒產熱，用於供應厭氧消化反應器、汙泥機械脫水、汙泥熱幹化裝置、熱解反應器、以及物料傳送裝置；(2)熱解氣的循環利用:經汙泥綜合處理步驟(4)冷凝分離後以C0、C02為主的熱解氣，一部分通過氣-氣熱交換器，與熱解反應器輸出的熱氣相流進行氣-氣熱交換後，再導入熱解反應器，為汙泥熱解反應創造無氧或缺氧的惰性環境，餘下的一部分熱解氣輸送到燃油鍋爐燃燒產熱用；(3)熱解碳的利用:貯於貯炭室中的熱解炭，含有以穩定形式存在的碳物質，用作垃圾填埋場場的覆蓋材料，可達到碳封存的目的。本發明的有益效果是:1、能量轉化與利用效率高。本發明組合了厭氧消化和快速熱解兩種技術對汙泥進行能量轉化，可將汙泥中70% -80%左右的能量轉化為具有較高能量密度的生物質能(沼氣和熱解油)；本發明以所產沼氣為燃料進行熱、電聯產，並將所產熱、電原位供應於汙泥厭氧消化、幹化以及熱解等作業工序所需能量，提高了沼氣能量利用效率；此外，本發明利用熱解作業所輸出的高溫氣相流對熱解載氣(也就是部分循環熱解氣)進行預熱，可節省熱解作業所需能量；2、減量化程度高。本發明組合了厭氧消化、機械脫水、熱幹化以及快熱熱解等技術對汙泥進行加工處理，並將所產生的沼氣、熱解油和熱解氣進行原位消化和利用，最終殘留產物為熱解炭，其殘留量僅為原汙泥量(以80%含水率計)的5% -10% ;3、二次汙染小，無害化程度高。本發明採用中溫快速熱解工藝對汙泥進行無氧熱處理，熱解過程中沒有或極少有諸如二惡英類化合物等有機有毒物質的生成；本發明將熱解溫度控制在500-600°C，在此溫度區域，汙泥中的絕大多數重金屬滯留在熱解固相產物熱解炭中(而不是存在於氣相產物中)，並以穩定的形式存在，降低了其後續非燃料化利用(如用作垃圾填埋場覆蓋材料)產生的環境危害風險；4、運行成本低。一般來說，汙泥的處理處置成本約佔整個汙水處理廠運營成本的30%-50%，其中能耗是汙泥處理處置成本的主要貢獻者。本發明通過燃燒汙泥厭氧消化所產生的沼氣和消化汙泥熱解所產生的熱解油，為汙泥的加工處理提供能量源，基本不需要提供外部能源，因此可顯著降低汙泥處理處置運行成本。另一方面，汙泥經厭氧消化、熱幹化和熱解處理後，體積大大減小，可節省後續貯存、運輸等費用；5、環境鼓益明顯。地球礦物燃料資源的耗竭和溫室效應是當前社會面臨的兩大難題，而開發與利用生物能等可再生能源和推進碳減排工作被公認為是解決這兩大難題的根本途徑。本發明將汙泥轉化為沼氣和熱解油，為汙泥處理提供能量源，從而降低對礦物燃料的依賴，由此也減少了碳排放。另一方面，本發明系統所產生的熱解炭中含有一定量的碳物質，並以穩定的形式存在，不論將其用 作垃圾填理場覆蓋材料或進行最終填埋處置，都可實現直接固碳。
具體實施例方式本發明下面結合實施例予以闡明:本汙泥綜合處理方法按如下步驟進行:(I)汙泥的厭氧消化:將汙水處理單元產生的汙泥漿(含水率95%左右)泵入厭氧消化反應器或土製沼氣池進行消化，產生的沼氣先通入脫硫裝置，再通入沼氣熱電聯產機組，轉化成電能與熱能；(2)消化汙泥的脫水幹化:經步驟(I)厭氧消化後所餘下的消化汙泥輸送到至機械脫水機進行脫水，隨後輸送至汙泥熱幹化機進行幹化至汙泥含水率為5% -10%的幹化汙泥；(3)幹化汙泥熱解:將幹化後的汙泥(固含率90-95% )輸送至熱解反應器進行熱解處理。為減免熱解過程中因熱解溫度過高、停留時間過長而導致熱解油產量下降和汙泥中重金屬的揮發，本發明採用中溫快速熱解方法對汙泥進行無氧或低氧熱解處理，具體操作過程與作業參數如下:啟動熱解反應器，設置加熱溫度500-600°C，待溫度升至設定溫度後，將幹化汙泥傳送至熱解反應器中，調控汙泥進料速度和載氣流速，分別維持汙泥和熱解揮發物在熱解反應器中的停留時間為10-40min和l_5s ；(4)熱解產物的分離與收集:汙泥經步驟(3)熱解處理後會產生以碳氫化合物、CO、CO2為主的熱氣相流和熱解炭。採用循環冷卻水處理器，冷凝液化熱氣相流中的碳氫化合物，形成液態的熱解油，產生的熱解油輸送到儲油器待用；餘下的co、co2氣體屬於不可冷凝性的熱解氣，移作它用；產生的熱解炭輸送至貯炭室待用。所得的轉化物的循環利用方法包括下列途徑:(I)沼氣與熱解油的循環利用:經本發明的汙泥綜合處理方法步驟(I)的沼氣熱電聯產所產生的電和熱、步驟(4)的熱解油替代部分礦物油供燃油鍋爐燃燒產熱，用於供應厭氧消化反應器、汙泥機械脫水、汙泥熱幹化裝置、熱解反應器、以及物料傳送裝置；(2)熱解氣的循環利用:經本發明的汙泥綜合處理方法步驟(4)冷凝分離後以CO、CO2為主的熱解氣，一部分通過氣-氣熱交換器，與熱解反應器輸出的熱氣相流進行氣-氣熱交換後，再導入熱解反應器，為汙泥熱解反應創造無氧或缺氧的惰性環境，餘下的一部分熱解氣輸送到燃油鍋爐燃燒產熱用；(3)熱解碳的利用:經本發明的汙泥綜合處理方法步驟(4)產生的熱解炭，含有以穩定形式存在的碳物質，用作垃圾填埋場場的覆蓋材料，可達到碳封存的目的。需說明的是本發明各環節所採用的 設備均可通過市售或網購獲得。
權利要求
1.一種汙泥綜合處理方法，其特徵是包括下列步驟: (1)汙泥的厭氧消化:將汙水處理單元產生的汙泥漿泵入厭氧消化反應器或土製沼氣池進行消化，產生的沼氣先通入脫硫裝置，再通入沼氣熱電聯產機組，轉化成電能與熱能； (2)消化汙泥的脫水幹化:經步驟(I)厭氧消化後所餘下的消化汙泥輸送至機械脫水機進行脫水，隨後輸送至汙泥熱幹化機進行幹化至汙泥含水率為5% -10%的幹化汙泥； (3)幹化汙泥熱解:將幹化汙泥傳送至熱解反應器中，溫度控制在500-600°C，控制在此溫度中汙泥與熱解揮發物在熱解反應器中的停留時間分別為10-40min和l_5s ； (4)熱解產物的分離與收集:汙泥經步驟(3)熱解處理後會產生以碳氫化合物、C0、C02為主的熱氣相流和熱解炭，採用循環冷卻水處理器，冷凝液化熱氣相流中的碳氫化合物，形成液態的熱解油，產生的熱解油輸送到儲油器待用；餘下的CO、CO2氣體屬於不可冷凝性的熱解氣，移作它用；產生的熱解炭輸送至貯炭室待用。
2.如權利要求1所述的汙泥綜合處理方法，其特徵在於通過該處理方法所得的轉化物的循環利用方法包括下列途徑: (1)沼氣與熱解油的循環利用:經汙泥綜合處理步驟(I)的沼氣熱電聯產所產生的電和熱、步驟(4)的熱解油替代部分礦物油供燃油鍋爐燃燒產熱，用於供應厭氧消化反應器、汙泥機械脫水、汙泥熱幹化裝置、熱解反應器、以及物料傳送裝置； (2)熱解氣的循環利用:經汙泥綜合處理步驟(4)冷凝分離後以0)、0)2為主的熱解氣，一部分通過氣-氣熱交換器，與熱解反應器輸出的熱氣相流進行氣-氣熱交換後，再導入熱解反應器，為汙泥熱解反應創造無氧或缺氧的惰性環境，餘下的一部分熱解氣輸送到燃油鍋爐燃燒產熱用； (3)熱解碳的利用:貯於貯炭室中的熱解炭，`含有以穩定形式存在的碳物質，用作垃圾填埋場場的覆蓋材料，可達到碳封存的目的。
全文摘要
一種汙泥綜合處理及轉化物的循環利用方法，汙泥綜合處理方法接照汙泥厭氧消化、汙泥脫水幹化、汙泥中溫快速熱解、熱解產物分離與分集四個步驟進行；所得轉化物的循環利用方法有三種途徑一是沼氣與熱解油的循環利用，二是熱解氣的循環利用，三是熱解炭的循環利用。採用本方法對城鎮生活汙水處理廠所產的汙泥和造紙、皮革、印染等行業產生的工業汙泥進行處理，能對汙泥中的能量進行有效的轉化和利用，並顯著減小汙泥體積，減小了貯存、運輸等環節，是一種集約式的處理方式，具有能量回收利用率高、二次汙泥小、無害化程度高、運營成本低、環境效益明顯等優點。
文檔編號C02F11/04GK103224315SQ20131009299
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者曹玉成 申請人:曹玉成