申请日：2017.03.06
公开(公告)日：2017.05.10
IPC分类号：C02F11/08; C02F11/18
摘要
本发明公开了一种带产物返流预处理的污泥水热氧化反应系统及方法，属于市政污泥处理领域，水热氧化后生成的气相产物由反应器顶部引出，将其中反应后剩余的氧和生成的二氧化碳去除后，通入污泥预处理罐，直接与污泥接触将其预热;液相产物分流部分回流至污泥预处理罐;蒸汽和热水在搅拌作用下预热污泥，解决系统回收热量不足以预热污泥至进料温度的问题;剩余的液相产物减压闪蒸的方法，回收闪蒸汽送至预处理污泥进料管路伴热，同时闪蒸除氧后的液相进入下游换热设备回收余热。通过以上措施，可实现回收系统高温物料热量预热污泥、缓解溶解氧腐蚀换热器等问题，降低系统投资，提高系统能量利用率和经济性。
说明书
一种带产物返流预处理的污泥水热氧化反应系统及方法
技术领域
本发明属于市政污泥处理领域，尤其涉及污水处理厂产生的污泥处理。
背景技术
市政污泥是一种由各种微生物以及有机、无机颗粒组成的固液混合的絮状物质，主要来自于城市污水净化处理过程，是城市污水处理厂的副产物;典型的城市污水厂基本工艺流程如图1所示：城市污水通过城市排水系统进入污水处理厂，经过格栅与沉砂池之后，污水中较大的悬浮物或漂浮物以及比重较大的无机颗粒(如泥沙，煤渣等)被去除;然后污水进入初沉池，污水中所含有的可沉降性物质沉淀下来形成初沉污泥;污水继续经生物处理进入二沉池，其中一部分污泥回流用于生物处理，而剩余的活性污泥和初沉污泥一起形成的混合污泥再进一步经过浓缩和脱水后产生机械脱水污泥。根据污水处理环节不同，各环节所产生污泥的理化性质不尽相同，以初始污泥和剩余污泥为例，其中的有机质含量如下表1所示。
表1污泥中有机质组成含量
污水处理厂产生的污泥经机械脱水后的含水率一般在75%～85%范围，进一步降低含水率困难。水热氧化技术是一种新型的污泥处理技术，在一定的温度和压力的水中，氧化剂将污泥中有机质氧化，生成简单无污染的二氧化碳气体、灰渣和水;污泥有机质转化彻底，无NOx、SO2等污染气体生成，重金属处于稳定态，液相产物生化性能良好。
为加速污水中悬浮颗粒聚集沉降，污水处理过程添加絮凝剂。絮凝剂使污泥呈胶团状，大部分水分包裹其中，机械脱水只能去除表面水和间隙水，占水分80%左右的胶团内包裹的水分和污泥细胞内水脱不掉;污泥自身的胶团特性，导致其污泥粘度大、流动性差，污泥水热氧化系统直接进料困难。
升高污泥温度可以使包裹污泥水分的膜壁破裂，水解有机质，释放其中的水，从而降低粘度;搅拌使污泥发生剪切运动，拉扯打碎胶团，也起到粘度降低的作用;因此可采用预热或搅拌等方式的预处理降低污泥粘度。
污泥预热根据热源是否与污泥接触分为有直接加热和间接加热。直接加热的热源多为蒸汽或热水;间接加热的热源为蒸汽或导热油。预热污泥所需热量来自反应后的高温物料回收的余热。由于粘度大，间接换热方式预热污泥容易造成压损大、管路堵塞;与间接加热相比，直接加热的热损失小，没有管路压损和堵塞问题，但蒸汽或水的加入，会使污泥含水率有一定提高。
采用直接加热预热污泥时，热源多为高温物料闪蒸产生的闪蒸汽;闪蒸汽不足以使污泥预热到进反应器前要求的温度，需要在回收余热的预热后再进行别的方式的加热，如反应后高温物料的间接换热和电磁加热等。反应后液相物料中含有剩余的溶解氧，采用换热器间接回收余热将导致设备腐蚀，除此之外，换热器、电磁加热器设备的投入增加了系统复杂性和设备投资。
综上所述，目前公布的专利技术中，主要存在污泥预处理回收的系统热量不足、反应后液相产物溶解氧在高温下下腐蚀设备、需增加加热设备增加投资和系统复杂性等问题。
发明内容
本发明的目的在于：解决现有技术存在的污泥预处理回收的系统热量不足，需要增加加热设备增加投资和系统复杂性，以及反应后液相产物溶解氧在高温下下腐蚀设备等问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种带产物返流预处理的污泥水热氧化反应系统，其特征在于：包括污泥预处理装置、搅拌器、增压泵、水热氧化反应器、气相除氧装置、分流器和闪蒸罐，污泥预处理装置上设有污泥原料入口、反应器气相产物入口和反应器液相产物入口，以及预处理污泥出口，污泥预处理装置内设有用以搅拌污泥原料入口进入的污泥、和反应器气相产物入口进入的反应器气相产物、和反应器液相产物入口进入的携带部分固相颗粒的反应器气、液相产物的搅拌器，污泥预处理装置的污泥出口预处理污泥出口与水热氧化反应器的污泥入口之间的污泥输送管路上设有增压泵，水热氧化反应器上设有污泥入口、氧化剂入口、气相产物出口、排渣口和液相产物出口，水热氧化反应器的气相产物出口与污泥预处理装置的反应器气相产物入口通过设有气相除氧装置的管路连通，水热氧化反应器的液相产物出口通过分流器分别和污泥预处理装置的反应器液相产物入口以及闪蒸罐的污泥产物入口连通，闪蒸罐的污泥产物出口与后续处理装置连通。
作为选择，污泥预处理装置上没有其他间接和/或直接加热其内污泥原料的装置。
作为选择，污泥预处理装置的预处理污泥出口与水热氧化反应器的污泥入口之间的污泥输送管路上也没有间接和/或直接加热其内污泥原料的装置。
作为选择，污泥预处理装置的预处理污泥出口与水热氧化反应器的污泥入口之间的污泥输送管路上还设有套管加热器，套管加热器对污泥输送管路内的污泥间接加热，闪蒸罐的闪蒸汽出口与套管加热器的蒸汽入口连通。该方案中，回收闪蒸汽热量对污泥输送过程进行保温。
作为选择，污泥预处理装置包括污泥预处理罐以及其外设置的夹套，夹套上设有反应器气相产物入口和反应器液相产物入口，污泥预处理罐罐内壁上开有通至罐内的蒸汽孔和液相产物孔，夹套上的反应器气相产物入口与蒸汽孔相通，夹套上的反应器液相产物入口与液相产物孔相通。
作为选择，污泥预处理罐内的搅拌器带有用以刮除黏在罐内壁上的污泥的刮刀。
作为选择，后续污泥处理装置包括换热器、给水泵和沉降池，换热器设有给水入口和给水/蒸汽出口，以及污泥产物入口和污泥产物出口，闪蒸罐的污泥产物出口与换热器的污泥产物入口连通，给水泵与换热器的给水入口连通，换热器的污泥产物出口与沉降池连通。
一种带产物返流预处理的污泥水热氧化反应方法，依次包括以下步骤：
1)将污水处理厂经机械脱水后含水率质量百分比在75%～85%之间的市政污泥输送至污泥预处理装置内;
2)在污泥预处理装置内，返流的反应器气相产物和携带部分固相颗粒的反应器液相产物在搅拌作用下直接加热污泥，污泥温度升高至100℃～150℃，污泥含水率质量百分比调配至90%～93%，污泥粘度降至220mPa.s以下(最低可降至20mPa.s以下);
3)污泥预处理装置预处理后的污泥经加压输送至水热氧化反应器进行水热氧化反应，氧化剂保证1～1.4的过量系数，反应器内维持一定液位，自由液面以上为气相空间;控制反应器温度维持在250℃～300℃，压力维持在5～11MPa，污泥氧化有机质放出的热量恰好维持反应温度，反应停留时间控制在15～60min;
4)反应生成的气相产物自水热氧化反应器顶部气相空间引出，经气相除氧装置后送入污泥预处理装置内;
反应后的液相产物中分散着固相颗粒，固相大颗粒沉降在反应器底部，由底部设置的排渣口定期排放;液相携带着固相小颗粒自水热氧化反应器自由液面以下引出后，经分流装置返流部分至污泥预处理装置，剩余的液固产物流进入闪蒸罐绝热降压，除氧后的液固产物进入后续污泥处理装置。
作为选择，污泥预处理装置的污泥出口与水热氧化反应器的污泥入口之间的污泥输送管路上还设有套管加热器，套管加热器对污泥输送管路内的污泥间接加热用以维持污泥预热温度，套管加热器的热源为来自闪蒸罐的闪蒸汽。
作为选择，污泥预处理装置内污泥预热温度为120℃～150℃，水热氧化反应器反应温度为250℃，反应停留时间为30～45min，氧气做氧化剂，氧气过量系数为1.1～1.2;所述预热温度、反应温度下的污泥含水率质量百分比为90%～93%。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案;且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明方案中，水热氧化反应器中污泥水热氧化后生成的气相产物由反应器顶部引出，通过气相除氧装置将其中多余的氧和生成的二氧化碳去除后，通入污泥预处理装置，同时液相产物分流部分回流至污泥预处理装置，气相产物和液相产物同时直接与污泥接触预热污泥，此时蒸汽和热水在搅拌作用下预热污泥，解决现有技术系统回收热量不足以预热污泥至进料温度的问题——本发明只需要前述产物返流的方式即可实现对污泥的充分预热，而不需要现有技术中额外的加热/预热装置，而且本发明的预热方式还可以得到比现有技术更高的预热温度(可高至120℃～150℃)，能更大地降低污泥粘度。
同时，在预热污泥的过程中，蒸汽和热水会增加污泥的含水率(从75%～85%增加至90%～93%)，通过此方法将预热污泥和污泥浓度调配有机结合，而且，通过增加含水率的方式，本发明相对现有技术含水率更高，使得水热氧化反应器中污泥中有机质含量正好能维持氧化反应进行温度而无需额外的吸热面(现有技术中含水率较低，需要额外的吸热面吸收反应中额外的热量控制反应温度)，同时含水率更高能够强化进料污泥在高温高压水中的分散效果，缩短氧化反应完成的时间(可只需30～45，乃至15min)。
水热氧化反应器剩余的携带细小灰渣颗粒的液相产物通过闪蒸罐减压闪蒸的方法，除去溶解氧，减轻对下游换热设备的腐蚀，从而实现剩余高温物料热量回收。
通过以上措施，可实现回收系统高温物料热量预热污泥、缓解溶解氧腐蚀换热器等问题，降低系统投资，提高系统能量利用率和经济性。
本发明的有益效果：
(1)仅通过回收气相产物、部分液相产物预热污泥，即可保证系统回收热量满足污泥预热需求。
(2)相对现有技术污泥预处理后粘度降低、流动性好，在高温高压液相水中分散效果好，缩短氧化反应停留时间。
(3)解决现有技术污泥经产物预热后还需要进一步加热带来的设备增加和投资增加的问题。
(4)采用减压闪蒸的方式除氧，保证余热回收设备的工作环境。
(5)污泥经过氧化后，不产生有毒有害物质;气相产物可直接排放，液相生化性能好，可回流至污水处理厂，固相脱水性且重金属性质稳定好，脱水后可直接填埋。
