申请日2013.03.21
公开(公告)日2013.07.31
IPC分类号C02F11/04; C02F11/12; C10G1/00; C10B53/00; C02F11/10
摘要
一种污泥综合处理及转化物的循环利用方法，污泥综合处理方法接照污泥厌氧消化、污泥脱水干化、污泥中温快速热解、热解产物分离与分集四个步骤进行;所得转化物的循环利用方法有三种途径：一是沼气与热解油的循环利用，二是热解气的循环利用，三是热解炭的循环利用。采用本方法对城镇生活污水处理厂所产的污泥和造纸、皮革、印染等行业产生的工业污泥进行处理，能对污泥中的能量进行有效的转化和利用，并显著减小污泥体积，减小了贮存、运输等环节，是一种集约式的处理方式，具有能量回收利用率高、二次污泥小、无害化程度高、运营成本低、环境效益明显等优点。
权利要求书
1.一种污泥综合处理方法，其特征是包括下列步骤：
(1)污泥的厌氧消化：将污水处理单元产生的污泥浆泵入 厌氧消化反应器或土制沼气池进行消化，产生的沼气先通入脱 硫装置，再通入沼气热电联产机组，转化成电能与热能;
(2)消化污泥的脱水干化：经步骤(1)厌氧消化后所余 下的消化污泥输送至机械脱水机进行脱水，随后输送至污泥热 干化机进行干化至污泥含水率为5%-10%的干化污泥;
(3)干化污泥热解：将干化污泥传送至热解反应器中，温 度控制在500-600℃，控制在此温度中污泥与热解挥发物在热 解反应器中的停留时间分别为10-40min和1-5s;
(4)热解产物的分离与收集：污泥经步骤(3)热解处理 后会产生以碳氢化合物、CO、CO2为主的热气相流和热解炭， 采用循环冷却水处理器，冷凝液化热气相流中的碳氢化合物， 形成液态的热解油，产生的热解油输送到储油器待用;余下的 C0、CO2气体属于不可冷凝性的热解气，移作它用;产生的热 解炭输送至贮炭室待用。
2.如权利要求1所述的污泥综合处理方法，其特征在于通 过该处理方法所得的转化物的循环利用方法包括下列途径：
(1)沼气与热解油的循环利用：经污泥综合处理步骤(1) 的沼气热电联产所产生的电和热、步骤(4)的热解油替代部分 矿物油供燃油锅炉燃烧产热，用于供应厌氧消化反应器、污泥机 械脱水、污泥热干化装置、热解反应器、以及物料传送装置;
(2)热解气的循环利用：经污泥综合处理步骤(4)冷凝分 离后以CO、CO2为主的热解气，一部分通过气-气热交换器，与 热解反应器输出的热气相流进行气-气热交换后，再导入热解反 应器，为污泥热解反应创造无氧或缺氧的惰性环境，余下的一部 分热解气输送到燃油锅炉燃烧产热用;
(3)热解碳的利用：贮于贮炭室中的热解炭，含有以稳定 形式存在的碳物质，用作垃圾填埋场场的覆盖材料，可达到碳封 存的目的。
说明书
污泥综合处理及转化物的循环利用方法
技术领域
本发明涉及一种城市生活污水处理厂所产污泥和造纸、皮 革、印染等行业产生的工业污泥的处理与利用方法。
背景技术
随着城市化的发展和水环境管理的重视与加强，城镇污水处 理规模和程度与日俱增。至2010年底，我国城镇污水处理规模 已达到12476万立方米/日。城镇污水处理厂污泥(简称污泥) 是污水处理过程中不可回避的副产物，主要来源于初次沉淀池、 二次沉淀池等工艺单元。每万m3污水经处理后将产生污泥5-10 吨(按含水率80%计)，以此估算，当前我国每年产生污泥量已 超过2200万吨。
污泥中含有大量的有机物和农作物生长所需的氮、磷、钾等 营养元素，但同时也含有众多种类有毒有害污染物，包括致病菌、 寄生虫(卵)等生物污染物，铜、锌、铬、汞等重金属，以及多 氯联苯、二噁英等持久性有机污染物，如果得不到妥善处理，容 易造成二次污染。
因此，如何安全、经济地处理污泥已成为全球共同关注的重 要环境问题，也是污水处理厂和市政管理部门面临的难题。
目前，我国城市污泥的处理主要采用以下三种技术途径：
途径A：机械脱水(含水率80左右)与稳定化处理+垃圾 填埋场填埋;
途径B：机械脱水与稳定化+还田利用;
途径C：机械脱水处理+焚烧(或干化后焚烧)。
途径A被公认为是一种最不可持续的污泥处理方式。其不可 持续性主要表现为：减量化程度低，仅脱去20%左右的水;填埋 处置需要占用大量土地，同时造成污泥中有益成分(N、P等) 和能量的流失，又以多种方式向环境中输送污染物(如填埋气和 渗沥液);由于污泥与生活垃圾性质差异较大，填埋场中污泥的 引入，给填埋作业和填埋管理带来困难。因此，许多国家和地区 已经非常慎重地采用此种方式处理污泥，如欧盟许多成员国已逐 渐淘汰污泥填埋处置(2010年欧盟填埋处置所占比例为14%，预 计2020约为7%)，美国环保署计划在今后的20年内关闭80%的 污泥填埋场。鉴于我国当前国情，国家《城镇污水处理厂污泥处 理处置技术规范》将污泥填埋视为“我国一定时间内是一种过渡 性的处理处置措施”。但随着我国经济的发展和环境保护要求的 日益严格，我们有理由相信，在不久的将来这种污泥处理途径在 我国也将成为历史。
将污泥机械脱水、稳定化处理后(如石灰稳定化、堆肥化等) 还田利用(途径B)，可实现对污泥中氮、磷等养分资源的部分 回收利用，是当前包括我国在内的众多国家解决污泥出路的主要 途径。然而，这种方式也伴随着向土壤中输入生物污染物、重金 属和持久性有机污染物，长期的污泥回田极有可能导致土壤污 染，危及农产品质量安全。许多发达国家和地区也因此对施入污 泥的性质和数量、受纳土地类型等方面作了严格要求和管控。考 虑到当前我国土壤污染形势已相当严峻，以及污泥产生量日趋增 加与适合对污泥进行消纳的土地面积日益减小的矛盾，污泥还田 利用必将受到更为严格的控制。
途径C(污泥原位机械脱水处理+焚烧或干化后焚烧)具有 完全灭绝致病菌、污泥减量化彻底、并可部分回收污泥中的能量 等优点，近年来日益受到重视，是解决低质污泥(特别是有毒有 害物质含量较高的污泥)出路的重要替代技术。但是，由于污泥 焚烧产生有大量的有毒有害气体(包括二恶英类等致癌物)，而 这些气体的有效清除和净化需要大量的设施投入与资金投入，这 种污泥消纳方式面临着“运营成本高和公共可接受性差”两大挑 战。因此，尽管技术上相当成熟和存在诸多优势，污泥焚烧技术 一直以来未能实现大规模的工业化应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有污泥处理技术存在的 上述不足，提供一种污泥综合处理及转化物的循环利用方法。
解决上述技术问题的技术方案是本污泥的综合处理方法按 如下步骤进行：
(1)污泥的厌氧消化：将污水处理单元产生的污泥浆泵入 厌氧消化反应器或土制沼气池进行消化，产生的沼气先通入脱硫 装置，再通入沼气热电联产机组，转化成电能与热能;
(2)消化污泥的脱水干化：经步骤(1)厌氧消化后所余下 的消化污泥输送到至机械脱水机进行脱水，随后输送至污泥热干 化机进行干化至污泥含水率为5%-10%的干化污泥;
(3)干化污泥热解：将干化污泥传送至热解反应器中，温 度控制在500-600℃，控制在此温度中污泥与热解挥发物在热 解反应器中的停留时间分别为10-40min和1-5s;
(4)热解产物的分离与收集：污泥经步骤(3)热解处理后 会产生以碳氢化合物、CO、CO2为主的热气相流和热解炭，采用 循环冷却水处理器，冷凝液化热气相流中的碳氢化合物，形成液 态的热解油，产生的热解油输送到储油器待用;余下的CO、CO2气体属于不可冷凝性的热解气，移作它用;产生的热解炭输送至 贮炭室待用;
通过上述污泥综合处理所得的转化物的循环利用方法包括 下列途径：
(1)沼气与热解油的循环利用：经污泥综合处理步骤(1) 的沼气热电联产所产生的电和热、步骤(4)的热解油替代部分 矿物油供燃油锅炉燃烧产热，用于供应厌氧消化反应器、污泥机 械脱水、污泥热干化装置、热解反应器、以及物料传送装置;
(2)热解气的循环利用：经污泥综合处理步骤(4)冷凝分 离后以CO、CO2为主的热解气，一部分通过气-气热交换器，与 热解反应器输出的热气相流进行气-气热交换后，再导入热解反 应器，为污泥热解反应创造无氧或缺氧的惰性环境，余下的一部 分热解气输送到燃油锅炉燃烧产热用;
(3)热解碳的利用：贮于贮炭室中的热解炭，含有以稳定 形式存在的碳物质，用作垃圾填埋场场的覆盖材料，可达到碳封 存的目的。
本发明的有益效果是：
1、能量转化与利用效率高。本发明组合了厌氧消化和快速 热解两种技术对污泥进行能量转化，可将污泥中70%-80%左右的 能量转化为具有较高能量密度的生物质能(沼气和热解油);本 发明以所产沼气为燃料进行热、电联产，并将所产热、电原位供 应于污泥厌氧消化、干化以及热解等作业工序所需能量，提高了 沼气能量利用效率;此外，本发明利用热解作业所输出的高温气 相流对热解载气(也就是部分循环热解气)进行预热，可节省热 解作业所需能量;
2、减量化程度高。本发明组合了厌氧消化、机械脱水、热 干化以及快热热解等技术对污泥进行加工处理，并将所产生的沼 气、热解油和热解气进行原位消化和利用，最终残留产物为热解 炭，其残留量仅为原污泥量(以80%含水率计)的5%-10%;
3、二次污染小，无害化程度高。本发明采用中温快速热解 工艺对污泥进行无氧热处理，热解过程中没有或极少有诸如二恶 英类化合物等有机有毒物质的生成;本发明将热解温度控制在 500-600℃，在此温度区域，污泥中的绝大多数重金属滞留在热 解固相产物热解炭中(而不是存在于气相产物中)，并以稳定的 形式存在，降低了其后续非燃料化利用(如用作垃圾填埋场覆盖 材料)产生的环境危害风险;
4、运行成本低。一般来说，污泥的处理处置成本约占整个 污水处理厂运营成本的30%-50%，其中能耗是污泥处理处置成本 的主要贡献者。本发明通过燃烧污泥厌氧消化所产生的沼气和消 化污泥热解所产生的热解油，为污泥的加工处理提供能量源，基 本不需要提供外部能源，因此可显著降低污泥处理处置运行成 本。另一方面，污泥经厌氧消化、热干化和热解处理后，体积大 大减小，可节省后续贮存、运输等费用;
5、环境鼓益明显。地球矿物燃料资源的耗竭和温室效应是 当前社会面临的两大难题，而开发与利用生物能等可再生能源和 推进碳减排工作被公认为是解决这两大难题的根本途径。本发明 将污泥转化为沼气和热解油，为污泥处理提供能量源，从而降低 对矿物燃料的依赖，由此也减少了碳排放。另一方面，本发明系 统所产生的热解炭中含有一定量的碳物质，并以稳定的形式存 在，不论将其用作垃圾填理场覆盖材料或进行最终填埋处置，都 可实现直接固碳。
具体实施方式
本发明下面结合实施例予以阐明：
本污泥综合处理方法按如下步骤进行：
(1)污泥的厌氧消化：将污水处理单元产生的污泥浆(含 水率95%左右)泵入厌氧消化反应器或土制沼气池进行消化，产 生的沼气先通入脱硫装置，再通入沼气热电联产机组，转化成电 能与热能;
(2)消化污泥的脱水干化：经步骤(1)厌氧消化后所余下 的消化污泥输送到至机械脱水机进行脱水，随后输送至污泥热干 化机进行干化至污泥含水率为5%-10%的干化污泥;
(3)干化污泥热解：将干化后的污泥(固含率90-95%)输 送至热解反应器进行热解处理。为减免热解过程中因热解温度过 高、停留时间过长而导致热解油产量下降和污泥中重金属的挥 发，本发明采用中温快速热解方法对污泥进行无氧或低氧热解处 理，具体操作过程与作业参数如下：启动热解反应器，设置加热 温度500-600℃，待温度升至设定温度后，将干化污泥传送至 热解反应器中，调控污泥进料速度和载气流速，分别维持污泥和 热解挥发物在热解反应器中的停留时间为10-40min和1-5s;
(4)热解产物的分离与收集：污泥经步骤(3)热解处理后 会产生以碳氢化合物、CO、CO2为主的热气相流和热解炭。采用 循环冷却水处理器，冷凝液化热气相流中的碳氢化合物，形成液 态的热解油，产生的热解油输送到储油器待用;余下的CO、CO2气体属于不可冷凝性的热解气，移作它用;产生的热解炭输送至 贮炭室待用。
所得的转化物的循环利用方法包括下列途径：
(1)沼气与热解油的循环利用：经本发明的污泥综合处理 方法步骤(1)的沼气热电联产所产生的电和热、步骤(4)的热 解油替代部分矿物油供燃油锅炉燃烧产热，用于供应厌氧消化反 应器、污泥机械脱水、污泥热干化装置、热解反应器、以及物料 传送装置;
(2)热解气的循环利用：经本发明的污泥综合处理方法步 骤(4)冷凝分离后以CO、CO2为主的热解气，一部分通过气- 气热交换器，与热解反应器输出的热气相流进行气-气热交换后， 再导入热解反应器，为污泥热解反应创造无氧或缺氧的惰性环 境，余下的一部分热解气输送到燃油锅炉燃烧产热用;
(3)热解碳的利用：经本发明的污泥综合处理方法步骤(4) 产生的热解炭，含有以稳定形式存在的碳物质，用作垃圾填埋场 场的覆盖材料，可达到碳封存的目的。
需说明的是本发明各环节所采用的设备均可通过市售或网 购获得。
