申请日2015.09.23
公开(公告)日2017.05.31
IPC分类号C02F11/04; C02F11/06; C02F11/12; C02F11/16; C02F11/18; C02F1/52
摘要
本发明涉及一种用于污水处理的方法和系统，包含在污水(0)中的污泥的至少部分经受水解(8)。所述水解(8)作为热水解执行。在所述水解(8)的步骤之后进行干燥(19)。所述干燥(19)是以过压在蒸汽区域中工作的干燥。将在以过压在所述蒸汽区域中工作的干燥(19)中产生的蒸汽的至少部分输送(20)给在所述热水解(8)中的污泥的所述部分。
摘要附图
权利要求书
1.一种用于污水处理的方法，在该方法中，
使包含在污水(0)中的污泥的至少部分经受水解(8)，
水解(8)作为热水解执行，
在水解(8)的步骤之后进行干燥(19)，
其特征在于，
干燥(19)是以过压在蒸汽区域中工作的干燥，和
将在以过压在蒸汽区域中工作的干燥(19)中产生的蒸汽的至少部分输送(20)给在热水解(8)中的污泥的所述部分。
2.根据权利要求1所述的用于污水处理的方法，其特征在于，
以过压在蒸汽区域中工作的干燥(19)是流化床-干燥，和
在干燥(19)中，将通过流化床干燥产生的内含物借助蒸汽输送给在热水解(8)中的污泥的所述部分。
3.根据权利要求1或2所述的用于污水处理的方法，其特征在于，在污泥的所述部分经受热水解(8)的情况下随后进行腐化(5、11)。
4.根据权利要求3所述的用于污水处理的方法，其特征在于，在腐化(5、11)的步骤和干燥(19)的步骤之间对经受腐化的污泥进行机械脱水。
5.根据权利要求3或4之一所述的用于污水处理的方法，其特征在于，将一方面剩余泥浆和另一方面初级泥浆分开进行腐化(5、11)。
6.根据权利要求1或2之一所述的用于污水处理的方法，其特征在于，
污水处理无腐化(5、11)地设置，和
将干燥的污泥输送给单体燃烧，并且所产生的热值丰富的炉内气体在再燃烧中用于产生蒸汽以用于高温干燥。
7.根据上述权利要求之一所述的用于污水处理的方法，其特征在于，在干燥(19)中产生的蒸汽的部分用于从水解且腐化的污泥的分离出的水中汽提氨。
8.根据上述权利要求之一所述的用于污水处理的方法，其特征在于，在干燥(19)中产生的蒸汽的部分用于机械的污泥脱水和/或用于运行微型或小型涡轮机和/或用于浓缩含盐的水。
9.根据上述权利要求之一所述的用于污水处理的方法，其特征在于，从在脱水中提取的泥浆水中或从输送给脱水的污泥中进行磷回收。
10.一种用于污水处理的系统，
具有用于水解处理污泥的水解装置(8)，和
具有用于干燥污泥的干燥器(19)，
其特征在于，
干燥器(19)是以过压在蒸汽区域中工作的干燥器，
设有用于将在以过压在蒸汽区域中工作的干燥器(19)中产生的蒸汽输送至水解装置(8)的输送装置(20)，和
水解装置(8)构建为，使得水解装置将所输送的蒸汽与污泥混匀。
11.根据权利要求10所述的用于污水处理的系统，其特征在于，
干燥器(19)是流化床干燥器，和
在干燥器(19)中，将通过流化床干燥产生的内含物借助蒸汽输送给在热水解(8)中的污泥的所述部分。
12.根据权利要求10或11所述的用于污水处理的系统，其特征在于，设有至少一个腐化容器(5、11)、例如沼气池，所述腐化容器间接地或直接地连接到水解装置(8)上。
13.根据权利要求12所述的用于污水处理的系统，其特征在于，设有脱水级，脱水级与一个或多个腐化容器(5、11)间接地或直接地连接。
14.根据权利要求12或13之一所述的用于污水处理的系统，其特征在于，设有至少两个腐化容器(5、11)，所述腐化容器一方面设置用于剩余泥浆，并且另一方面设置用于初级泥浆。
15.根据权利要求10或11之一所述的用于污水处理的系统，其特征在于，
污水处理无腐化容器(5、11)地设置，和
将干燥的污泥输送给燃烧设施——尤其是单体燃烧设施或废料燃烧设施——或熔融气化设施，并且所产生的热值丰富的炉内气体在再燃烧中用于产生蒸汽以用于高温干燥和/或产生电流。
16.根据权利要求10至15之一所述的系统，其特征在于，设有氨的汽提装置(17)，所述汽提装置连接到干燥器(19)上。
17.根据权利要求10至16之一所述的用于污水处理的系统，其特征在于，设有磷回收级。
说明书
用于污水处理的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于污水处理的方法，在该方法中，使包含在污水中的污泥的至少部分经受水解，水解作为热水解执行，并且在水解步骤之后进行干燥。
本发明还涉及一种用于污水处理的系统，所述系统具有用于对污泥进行水解处理的水解装置和用于干燥污泥的干燥器。
背景技术
在污水处理时通常积聚污泥。污泥绝对不是只是不利的、必须被清除的副产物，相反，由于污泥的有机内含物是有价值的能量载体并且由于所含有的磷酸盐和氮，污泥构成植物营养载体。
污泥的能量含量一方面可以通过腐化并且再利用所积聚的含甲烷的沼气而得以使用，但是另一方面也可以通过燃烧已干燥的污泥并且再利用所产生的炉内气体而得以使用。在此，在一个场所腐化和脱水的组合以及在另一场所干燥和燃烧都提供非常高的初级能源使用。所述初级能源使用能够通过如下方式进一步提高：当干燥以过压在蒸汽区域中进行并且腐化污泥的可脱水性通过预处理措施、尤其通过热水解来改善时，在同一场所布设四种方法(腐化、脱水、干燥、燃烧)。所述组合能够因为弃用腐化装置和因为在同一场所使用单体燃烧而被再次明显改善。
“水解”理解为借助于水将化学化合物进行分离。由于是热水解，因此在对腐化污泥进行干燥时可蒸发较少的水。
污泥的热水解处理在约60℃至320℃的温度下并且在约10分钟至两小时的处理持续时间下改善污泥的可腐蚀性，使得在腐化时较大程度分解有机的污泥份额并且产生多气体产物。因此实现在腐化时较高的能量输出以及较小的待脱水的污泥质量流。
不同的建议已经从用于相应污水处理的现有技术中已知。因此已经在DE 43 33468 C2中描述一种用于处理源于生物的剩余材料(其中也包括污泥)的方法。在此，首先进行污泥的腐化。随后，借助于热压水解在例如300℃的温度下对腐化污泥进行处理，并且此后再次返回到腐化装置中。对于水解所需的热量间接地经由热交换器输送，其中，建议将水解气体本身或者也将生物气体的燃烧作为热源。
从DE 198 58 187 C5中已知一种用于处理污泥的方法。污泥在第一厌氧的腐蚀阶段中被处理之后输送到热分裂装置中。离开热分裂装置的泥浆随后要么在第二厌氧的腐蚀阶段中被腐蚀，要么返回到第一厌氧的腐化阶段中。用于水解的热量经由热交换器间接地输送并且在完成水解之后同样经由热交换器再次排出。
从EP 1 230 167 B1中已知一种用于处理来自动物加工工业的剩余材料的方法。所述剩余材料在添加碱性物质之后在20℃至160℃下经受热水解处理。在另外的加工步骤中此外也在环境压力下或者也在真空下对剩余材料的部分进行干燥，废气被排出到环境中。用于热水解的热输送间接地经由加热器进行。
在EP 1 320 388 B1中描述了一种用于处理有机材料的方法。首先将有机材料用石灰、CaO和/或Ca(OH)2在100℃至220℃之间的温度下在压力下蒸煮。间接地输送为此所需的热量。被蒸煮的有机材料随后被输送给汽提设施，其中，由于压力降低而汽提出氨并且同时析出溶解的邻磷酸盐。替选地，被蒸煮的材料能够在输送到汽提设施中之前在厌氧条件下部分地转换成生物气体。
在EP 1 527 022 B1中描述一种用于污泥处理的方法。在此，污泥经受至少一个预处理步骤，在所述预处理步骤中也在50℃至180℃下和位于2000hPa至40000hPa的压力下进行热水解。预处理的泥浆随后需氧地或厌氧地腐化。替选地，将在预处理之后留在泥浆中的固体分离并且输送给重新的热水解。热水解在压煮器中以小的规模进行，意即，间接地输送热量。
从DE 10 2011 112 780 A1已知用于处理污泥的另一方法。首先将泥浆在热水解或化学热水解中处理。随后，将溶解的邻磷酸盐从泥浆中分离。此后，将剩余的泥浆在腐化容器中厌氧地腐化。在此，用于热水解的热输送可以间接地经由热交换器和/或直接地借助于蒸汽注入来进行。泥浆在水解之后并且在分离磷酸盐之前经由冷却设备进行冷却。
从DE 10 2009 014 776 A1中已知一种用于热水解有机物的方法。用于热水解的热量间接地经由热交换器传递或提取，即经由加热和冷却元件传递或提取。在此，介质在加热元件和冷却元件之间在循环中输送。在此，对于水解所需的热量间接地传递到介质上。
对于所有已经已知的方法，在热水解时附加地需要热能。在此，通常也已经考虑，将所述热能从多气体产物的部分中、从腐化装置中或者从在内燃机中燃烧的沼气中抽取，即最终从在方法本身中产生的热能中抽取。然而经常可行的是，所述热能还可在其它方面使用并且对如下存在相当大的兴趣：用于热水解的附加热能至少高效地得以使用。
在此，间接的热传递实际上不应是优选的，尽管间接的热传递在全部在先提及的建议中提及。以间接的途径进行热传递是明显不利的并且是效果较差的，并且还具有下述缺点：其严重限制了在污泥中的最大可能的固体浓度。如果将在间接的热传递中的固体浓度选择为较高的，那么热传递还会更差，因为泥浆的粘度在固体浓度升高时增大。
为了避免这些缺点，在DE 10 2008 013 980 B3中已经提出，在用于污泥处理的方法中，对于水解所需的热量要么间接地借助于热交换器要么然而借助于蒸汽注入装置注入水蒸气来直接输送。所述建议此外已经包含下述构思：借助热水解仅对污泥的所谓的剩余泥浆进行处理，并且随后在腐化容器中使其厌氧地腐化。经水解的剩余泥浆因此单独地腐化。
在从EP 0 784 504 B1中已知的用于水解有机材料的方法中，同样借助于水蒸气对有机材料例如污水泥浆进行热水解。除了经由热交换器间接地加热有机材料，还描述了在压力容器中直接处理，在直接处理时水蒸气从底部引入到压力容器中并且升高温度。
也在EP 1 198 424 B1中建议了在用于处理污泥的方法中直接将蒸汽输送到水解反应器中。在此，首先将有机材料加热到近似100℃的温度，随后将有机材料在10000hPa至4000hPa的绝对压力下借助蒸汽在混合器中混合并且导入预加热罐中，随后使其达到3000hPa至10000hPa的绝对压力并且引入水解反应器中。在完成水解之后，将减压罐中的压力减压到1000hPa至4000hPa。在该压力下进行蒸汽和泥浆的分离，随后同样进行泥浆的进一步冷却。热量在该方法中为了预加热到约100℃而间接地经由热交换器输送，并且为了进一步加热到高于100℃而直接借助于蒸汽注入装置来输送。为了减小热量需求或蒸汽需求，将蒸汽从减压罐中分离，并且向回输送至第一热交换器和/或在混合器中与泥浆混合。
设有借助蒸汽注入装置而工作的水解装置的该建议为了产生蒸汽而分别需要蒸汽锅炉。这是非常不利的，因为待蒸发的水必须满足高的纯度要求，从而避免在蒸汽锅炉中的沉积和蒸汽锅炉的损坏。满足该纯度要求的这种水质通常仅能经由饮用水的附加水净化或者借助于良好净化的工业用水来确保并且因此导致附加的成本和风险，并且当然也导致在例如仍产生损坏时蒸汽锅炉的附加失效。此外，待蒸发的水必须留在泥浆中并且因此必须持续地保持可用。尽管在污水处理时在热水解的步骤中直接进行蒸汽注入是有利的，但这些建议始终遇到实践上的问题，并且这些建议没有以所期望的程度执行。不变的是，借助经证实的传统间接热量输送来工作以进行热水解，并且必须容忍上面概述的缺点。
从DE 10 2008 045 289 A1中已知一种用于同时在能源和材料方面再利用废料的方法。在该方法中，冶金方法用于在一个方法步骤中在回收材料的同时，通过产生能量丰富的气体而同时在能源方面和材料方面利用无级和/或有机废料。在以约2000℃产生的热值丰富的具有10.5%H2和19%CO的炉内气体进行单体燃烧时，能够经由再燃烧来生成蒸汽以进行高温干燥。
发明内容
在实践中希望提出另外的用于改善污水处理的建议，这些建议能够实现有效地工作和/或开发其它应用领域。
所述目的在同类型方法中借助于本发明如下实现：干燥是以过压在蒸汽区域中工作的干燥，并且将在以过压在蒸汽区域中工作的干燥中产生的蒸汽的至少部分输送给在热水解中的污泥的所述部分。
在一种同类型的设置方式中，借助于本发明如下实现所述目的：干燥器是以过压在蒸汽区域中工作的干燥器，设有用于将在以过压在蒸汽区域中工作的干燥器中产生的蒸汽输送至水解装置的输送装置，并且所述水解装置构建为，使得所述水解装置将所输送的蒸汽与污泥混匀。
根据本发明提出，在传统方法中也已经通常设有的干燥步骤通过蒸汽干燥进行。然后将在所述蒸汽干燥时产生的废气传导到水解级中。在此，污泥能够通过废气被加热和水解。废气的至少部分在此被冷凝进而引起将污泥直接加热到期望的水解温度。
因为是蒸汽干燥，所以泥浆内含物也进入废气中。因此，来自蒸汽干燥的冷凝物包含附加的内含物，所述内含物对水解有影响。该影响与下述情况明显不同：将不具有这种内含物的水蒸气用于所设有的热水解，如这在传统方法中设有的干燥步骤中在不进行根据本发明的蒸汽干燥的情况下发生。
这种全新的通过本发明产生的影响促使水解的效率由于借助于蒸汽干燥而提取的内含物而得以明显改善。相比于将常规的经水解的泥浆腐化，获得更快速的或更高的气体或甲烷产量。在实验中已经发现，这种改善完全能够在七天的腐化时间中例如达到15%。
此外，从干燥中排出的蒸汽(在此具体为具有已提及的附加内含物的废气)能够有利地压缩到对于在热水解时进行蒸汽注入所需要的压力。替选地，下述可行性是适宜的：在增大的压力下实施蒸汽干燥并且在没有附加压缩的情况下进行直接的蒸汽注入。
特别优选地，所提出的目的根据本发明如下实现：以过压在蒸汽区域中进行的干燥是涡流干燥。在该优选的实施形式中存在由热水解与流化床-蒸汽干燥构成的新型组合。从流化床-蒸汽干燥中排出的蒸汽被导入水解反应器中。蒸汽量以及压力和温度水平能够在需要的情况下经由附加条件附加地匹配于水解的相应存在的条件。
由于废气的与传统水蒸气不同的组分而对水解的上面已经阐述的改善在沼气产量方面约为15%或者在腐化容器的所需体积方面减小约50%。因此特别有利的是，在适应的干燥条件下使用来自优选使用的封闭的流化床蒸发干燥器的废气。
在干燥方法中在封闭的蒸汽循环中和在过压下所能够获得的蒸汽态废气的组分意想不到地显示出这些优点。在流化床蒸发干燥器中的温度约为150℃，从而附加地对在干燥期间蒸发的水的内含物进行水解。这相对于大气压的或者说不在过压下运行的蒸发干燥器(在这些蒸发干燥器下不进行这样的水解)发生了明显变化。
流化床蒸发干燥引起蒸汽组分的有目的的变化，所述蒸汽组分能够实现改善的热水解用以提高能量获取并且是传统方法所不能比的。
水蒸气不像常规描述的那样被直接传导到热水解中，而是首先传导到流化床蒸发干燥中，以便所述水蒸气与从污泥中提取的内含物一起随后输送给热水解。因此，根据本发明的方法也包含双重利用水蒸气，其优点可以仅通过以这种形式使用流化床蒸发干燥来实现。
特别有利的是，不再需要蒸汽发生器。这意味着省去显著的设备耗费。此外也不再需要用于产生蒸汽的纯净水净化。这意味着，污水净化设施的运营者无须再考虑用于纯净水净化的高前提条件。运营者既不必准备所述设施，也不必维护所述设施，运营者也不被强制以任何形式一开始就考虑由于维护和修理引起的可能的停机时间。
另一优点在于，不再发生工业用水消耗。这节省了成本，并且也省去维持和管理相应的生产能力。
也可以无替代地省去用于冷凝排出的蒸汽的热交换器，所述热交换器通常必须在传统设施中使用。
同样地，既不需要预热式热交换器，也不需要冷却式热交换器。由此总体上也产生更简单的运行和更少的设备技术。
也在其它类型的蒸汽干燥器中产生所述优点，然而流化床-蒸汽干燥器被证实为是特别有效的并且其提供其它优点。以可适配的形式的流化床-蒸汽干燥例如从EP 2 457649 A1中已知。所述流化床-蒸汽干燥在该处结合尤其是在制糖工业中糖颗粒的流化来描述，但是也可在相应地匹配参数的情况下用于干燥污泥。在试制规模中，这已经经过测试并且出色地运转。通过与热水解的组合获得出色的工作方式。
在DE 10 2009 049 181 A1中描述了一种用于组合流化床干燥、在此结合潮湿燃料的汽化的另一方法。在此，作为潮湿燃料而描述由对废料和具有较高纤维素含量的剩余材料以及初次和二次产生的生物量进行净化而获得的特定馏分。为了能够使用流化床干燥器，必须首先将液态燃料间接地经由热交换器进行预加热，因为冷凝物的直接接触会引起燃料含水量的不期望的提高。在再处理污水中的污泥时使用流化床干燥器是以这种已知的方法既没有考虑过的也是不可行的。
在本发明的一个特别有利的实施形式中，可完全弃用通过热交换器间接地预加热待水解的污泥。这尤其在存在足够量的蒸汽并且所述蒸汽不做另外用途时是尤其适用的。因此能够省去所有附加设备如热交换器、管道和泵。由此显著减少投入和运行成本。
此外，所提出的所述方法也可更稳健并且在运行操作技术方面更简单地操作。这尤其在于，借助于蒸汽注入而引入的蒸汽的直接冷凝避免了通常出现的问题，例如生物污损、结垢、泄露以及额外工作例如热交换器表面的清洁。
特别有利的也是，根据本发明的方法不需要新鲜水。因此不仅如上面已经提到那样省去下述要求：单独储备有蒸汽锅炉或其它蒸汽发生设施，而且此外也通过节约水来获得运营和资源节约的优点。
另一优点是，除了污泥的所期望的水解之外，也进行废气的至少部分的冷凝。通过所述冷凝来释放蒸发焓并且回收在蒸汽干燥时预先消耗的热能的大部分。此外，以这种方式也实现能量节约或替选于此实现等效的CO2节约。
然后，所产生的冷凝的废气也能够有利地保留在厌氧的腐化物中进而集成地进一步处理。在此，冷凝的废气的有机内含物至少同样部分地腐化并且转换成附加能量。
在一系列实施形式中提出，在污泥的所述部分经受热水解的情况下随后进行腐化。
为此尤其可设有腐化容器。腐化容器和腐化级如开始描述的那样在现有技术中本身已知，并且优选地，这样的腐化也在本发明的变形形式中提供。然而也可行的是，本发明的实施形式在热水解之后无腐化容器并且无腐化地实施。
在另一优选的实施形式中提出，从在脱水中输送的污泥中进行磷回收。
所述措施具有下述优点：包含在污泥中的植物营养物质也提供有意义的和有效的使用。所述植物营养物质能够通过磷酸盐沉淀和从污泥水中分离氮来回收，以及但是也在污泥灰的回收方法中、意即从燃烧污泥的残留物中回收。此外也可行的是，将在高温-单体燃烧中获得的含磷酸盐的炉渣用作为肥料。
从DE 10 2012 014 357 B3中已知这样的实施形式，所述实施形式借助于在冶金竖炉中熔融气化来提供含磷的污泥在材料方面和/或能量方面的利用。在此，达到气相的磷化合物被离析并且借助于冶金的、材料的循环利用而可用。
在另一实施形式中，处于压力下的废气的散热能够如下灵活化，即，其能够用于水净化、工业用水的蒸汽汽提、用于机械脱水、用于运行微涡轮机和蒸馏浓缩含盐的水。
在一个附加的实施形式中，能量流在一个污水净化设施中和在多个污水净化设施之间灵活化，使得产生呈干燥污泥形式的可储存和可运输的储存介质。在此，干燥的污泥能够由较小的污水净化设备经济地运输并且一起在较大的污水净化设施现场燃烧。
本发明的一个实施形式在于用于污水处理的系统，在该系统中未设置腐化容器。在此，干燥的污泥被输送给燃烧设施、尤其单体燃烧设施或废料燃烧设施，或者被输送给熔融气化设施。所产生的热值丰富的炉内气体可以在再燃烧中用于产生蒸汽以用于高温干燥和/或用于产生电流。可行的是，也在水泥厂或在燃煤发电厂或其它设施中使用。在干燥和燃烧构成的组合中，电流是对于经济性特别具有决定性的产物。该实施形式引起方法转变，这最终提高电流产量。
在其它实施形式中，根据本发明的原理不仅应用于污泥，而且也应用于粪肥和沼渣。
在从属权利要求中以及在附图的下述说明中给出本发明的其它优点。
