申请日1993.03.30
公开(公告)日2002.01.23
IPC分类号C02F11/18; B01D35/18; C02F1/04
摘要
处理污水污泥的方法，其中固体物含量约为3～35wt%的污水污泥水浆被同时传送和预热，在皱片机中进行处理，在热交换器中加热，于约500、750Psig压力下、在有氮气氛的密闭容器中热液处理，在第一个多级闪蒸区中脱水和冷却，使压力从750psig降至50psig，接着在第二闪蒸区中压力降至25psig，冷却冷凝来自第一和第二区中的蒸气，排出固体含量为5-50wt%、病原菌减少了的脱水可泵送泥浆产品。
権利要求書
1.污水污泥处理方法，其特征是该方法包括以下步骤：
步骤(1)在一个预热-输送器中输送固体含量为3-35wt% 含水污泥水浆的同时并将其加热到100°F-200°F;
步骤(2)对经步骤(1)处理的污水污泥用皱片机进行处理;
步骤(3)用往复式正排量泵将步骤(2)送来的经皱片机处 理后的污水污泥泵送至一间接热交换器中，使所说污泥的温度升 到400°F-600°F;
步骤(4)在氮气氛和400-600°F的温度范围及700-800psig 的压力范围下在密闭容器中热液处理从步骤(3)来的加热污泥， 在反应温度的水蒸气压力之上，破坏污泥的纤维状凝胶状结构来 释放内含的水;
步骤(5)在第一个多级闪蒸区中将步骤(4)的经热液处理 的污泥脱水并冷却，在此闪蒸区中，经2个或多个闪蒸步骤使压 力从700-800psig降至25-75psig，饱和温度降至300-400°F; 接下来在第二个蒸发区中经一个或多个闪蒸步骤使压力降至10- 50psig，饱和温度降至200-300°F;
步骤(6)冷却从第一、第二闪蒸区中来的蒸气，并分离冷凝 液体和不冷凝气体;和
步骤(7)排放固体含量为5-50wt%，病原菌数量下降的经 步骤(5)处理的可泵送脱水泥浆。
2.根据权利要求1的方法，其特征是所说的污泥水浆进料于 步骤(1)中预热30秒至5分钟，在步骤(4)中热液处理15至45 分钟。
3.根据权利要求1的方法，其特征是步骤(5)中所说的第一 个多级闪蒸区中，所说压力下降经三个闪蒸步骤实现的，所说第 二个闪蒸区中，所说压力下降经一个步骤实现的。
4.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征为在步骤(1) 中，进入预热-输送器的污泥水浆粘度在180°F时测量为5000- 20000cP，输出时粘度在180°F时测量为2000-5000cP。
5.根据权利要求1-3项任一项的方法，其特征为在步骤(3) 中进入间接热交换器的所说污泥水浆温度约为100-200°F、在180 °F时测量粘度为2000-3000cP，输出时温度为400-600°F、在 180°F时测量粘度为1000-1500cP。
6.根据权利要求1-3项任一项的方法，其特征为在步骤(4) 热液处理过程中，旋转浆片以45至235转/分的转速徐徐搅拌污 泥浆。
7.根据权利要求1-3项任一项的方法，其特征为来自步骤(4) 的经热液处理的污泥，离开水热容器的污泥温度为400-600°F、 粘度为300-1000cP并在第(5)步骤中进入第一闪蒸区的第一个 容器，在该区中通过等熵绝热膨胀的方法来除去所说热液处理污 水污泥中仍存在的30-40wt%左右的水而对所说热液处理的污水 污泥进行脱水。
8.根据权利要求1-3项任一项的方法，其特征为在步骤(5) 中所说的第一多级闪蒸区中，在第一闪蒸容器中的每三个相继进 行的闪蒸步骤除去泥浆中存在的全部水的10-15wt%。
9.根据权利要求1-3项任一项的方法，其特征为该可泵送污 水污泥产品单独或与补充燃料混合后于部分氧化气化炉、普通炉、 锅炉和焚烧炉中燃烧。
10.根据权利要求1-3项任一项的方法，其特征为还包括用 所说可泵送污水污泥产物进行土地填理、复盖。
说明书
污水污泥的处理
本发明涉及处理生活污水污泥的方法，以达到减小体积(重量) 增强脱水、降低粘度、减少病原菌和增加生物稳定性的目的。
据现行联邦法令40CRF 257款-固体废物处置设务和惯常分类 标准，本发明方法可以定义为“进一步减少病原体的方法” (PFRP)。据联邦法令议案40CRF 503款-污水污泥应用和处置 技术标准，本发明方法可以使污水污泥达到A级病原菌降低指标， 其中指示生物密度等于或低于
(1)2log10粪性大肠菌数/克挥发性悬浮固体;和
(2)2logl0粪性链球菌数/克挥发性悬浮固体。
污水污泥的处理已在共同转让的第3,507,788号美国专利 中讨论过。在共同转让的美国专利第3,687,646中披露了污水 污泥通过部分氧化方法来气化，在共同转让的第4,933,086号 美国专利中介绍了不通过加热而用剪切方法来对污水污泥含水泥浆 进行浓缩，通过加热来凝聚污水污泥含水泥浆中的有机物则在共同 转让的第4,983,296号美国专利中作了披露。但是，无论其中 任何一份公知技术，还是将上述公知技术综合起来考虑，任何一份 参考文献都未对本发明的污水污泥含水泥浆的热液处理和通过多级 闪蒸进行脱水的方法给予教导或提示。
该发明涉及一项处理污水污泥的改进方法，该法包括以下步 骤：
步骤(1)在一个预热-输送器中输送固体含量约3-35wt %的含水污泥浆料同时，将其预热约30秒至5分钟使之达到约100°F -200°F的温度。
步骤(2)对由步骤(1)送入的污水污泥用皱片机进行处理。
步骤(3)用往复式正排量泵将步骤(2)送入的经皱片机处 理后的污水污泥送至一间接热交换器中，停留8至10分钟左右，使 之达到400°F-600°F左右的温度。
步骤(4)在400°F-600°F的温度范围内，在700-800psig (磅/平方英寸(表压))的压力下，在氮气氛的密闭反应器中热液 处理从步骤(3)来的加热污泥15至45分钟，在反应温度的水蒸 汽压力之上，破坏污泥的纤维和凝胶结构以释放内含的水。
步骤(5)在第一个多级闪蒸区中，对从步骤(4)送入热液 处理过的污泥进行脱水和冷却，在该区中经2个或多个闪蒸步骤， 把压力从约700-800psig降至约25-75psig，饱和温度降至约300 -400°F，然后在第二个闪蒸区中，经1个或多个闪蒸步骤，把压 力降至约10-50psig，饱和温度降至约200-300°F。
步骤(6)冷却从第一和第二闪蒸区中来的蒸气，分离冷凝液 体和不冷凝气体。
步骤(7)取出从步骤(5)送入的固体含量约为5-50wt %，病原体数量下降的可泵送的已脱水污泥泥浆。
可用本发明的方法处置城市生活污水污泥，而不污染环境。
该方法中的污泥供料是经传统处理步骤和设备处理过的未净化 的城市生活污水污泥。例如，通过隔网去除那些会堵塞管道或是毁 坏泵的大块石头、木材、金属和其它垃圾的城市污水网的污水。那 些粗而重的不可燃无机物，如碎石、煤渣、沙子将通过沉砂槽被分 离。干的污水污泥含约55-75wt%的可燃物，其余大体上为不可 燃物质。
污水污泥接着被分为含水污水污泥悬浮体和液体。可以通过任 何适宜的传统方法将固体、液体分离。如重力沉降、过滤、离心、 水力旋流或其结合来对污泥进行浓缩。例如，一个较为适宜的预处 理步骤是将从沉砂槽中来的经过筛网的溢出物送入初级沉降槽，如 Perry化学工程师手册，McGraw-Hill，第四版，1963年，第19 -50页所示的连续澄清地，停留时间约为1至24小时，以能产生 固体含量约为1-10wt%的可泵送初级污泥水浆，初级沉降槽亦可 用做消除污泥成分不连续性的储存槽，也可用一个单独的储存槽。 在一优选实施方案中，次级可泵送污泥含水泥浆被送入沉降槽与初 级污水污泥混合，次级污水污泥固体含量约为0.5-5wt%，来源于前 面提到的初级沉降槽的液体溢出物。液体溢出物经传统方法处理， 以产生次级污水污泥，降低BOD和有机固体含量并对次级污水污 泥中分离来的废水净化和脱矿质。可据水的最终用途使用下列任何 步骤中或较为适宜的全部步骤，对自初级沉降槽的液体溢出物进行 处理，调节pH值、把固体和BOD含量降到约30ppm或更低、优 选用曝气生物化学处理、澄清、优选凝结、过滤或离心、脱矿质和 活性炭处理。
如果需要更浓的含水污水污泥，从初级沉降槽排出的含初级污 水污泥浓浆或从初级储存槽来的混有20-60wt%(以总的污水污 泥为基准)次级污水污泥的初级污水污泥浓浆还可进一步脱水，该 污泥是一种纤维状物质，其粒度大部分在500-1000微米的范围 内，还有一些长的头发。
在该方法中，将于环境温度下的，固体含量约为3-35wt%、 粘度在5000-20,000cP(厘泊)范围内(如10000cP)的脱水城 市污水污泥，经30秒至5分钟，预热至约100-200°F，(如180°F) 同时被输送至皱片机。所有这里记载的粘度均为180°F下测定的， 单位为厘泊。在该预热-输送步骤中，污水污泥粘度下降至2000- 5000cP左右。可从市场买到的普通传热介质如油或水可以通过的带 空心链板的螺旋输送器是非常适宜的预热-输送器。在一实施方案 中，螺旋预热-输送器向上倾斜15°角，以节省空间和提供良好的 排水和通网。有利的是，传热介质可以通过与该方法下游产生的热 污水污泥产品和蒸气进行间接热交换而被换热。
加热的污水污泥通过一可将其切割成最大尺寸约1/4英寸×1/2 英寸×2英寸小片的传统皱片机。因而保护了下游设备不受大体积 杂物的破坏，经皱片机处理的污水污泥被双螺旋送料器送入个双活 塞、正排量水力驱动泵的送料槽，在大约700-900psig的压力下， 把已预热的污水污泥泵入间接热交换器，如套管或螺旋型，热油通 过间接热交换方法加热污水污泥，进入间接热交换器的污水污泥温 度约为100-200°F范围(如1800°F)，粘度约为2000-3000cP。 离开热交换器的污水污泥温度约400-600°F(如约500°F)。粘 度约为1000-1500cP(如1200cP)。在该双壁加热器中的停留时 间为2至10分钟左右，如约3.5分钟。氮气被用来维持饱和压力， 并保护下一步中的热液反应器。氮气与热污水污泥混合后送入热液 反应器的底部，氮气还可用来快速恢复热液器和第一闪蒸器中的压 力。氮气不象我们预计的那样直接进入蒸气空间，而是通入热液反 应器的液平面之下。从这个部位注入可以从下列三个方面增加氮的 容积效率：(1)液体向气体的传热效率好，这保证了气体的快速 加热;(2)使干燥的氮气得到湿润;(3)使上升的氮气带走污 泥中的任何气体。该方法较之冷的氮气通入蒸气空间，能节省多达 40倍的氮气。
在约400°F的温度范围内，约700-800psig的压力下，该反 应温度下的水蒸气压力上，污水污泥在一密闭的垂直式圆柱型容器 中进行热液反应约15分钟至45分钟。在该处理过程中，污水污泥 的纤维状和凝胶结构被破坏，内含水被释放。
在热液处理过程中，螺旋桨以约45-235转/分的速度沿反应 器中轴缓慢转动来搅拌污泥以保证固体处于悬浮状态。主要含水蒸 气、氮气和有机气体的蒸气可以从热液处理单元的顶端排出。一部 分蒸气被引入第一闪蒸容器的顶部以加压该容器，余下的蒸气被冷 却，不冷凝气体与可冷凝液体中分离。在气体净化操作中，不冷凝 气体用水洗涤后再排入大气。冷凝物在从系统中排放之前要送入一 水净化设备处理。
热液处理后的固体含量约为3-35wt%，温度约400-600°F， 压力约700-800psig，粘度约300-1000cP，可泵送污水污泥从 热液处理器的顶端离开后，进入含1个或多个(如1-4)脱水容 器的多级闪蒸区的第一闪蒸区第一个容器，经此热液处理的污水污 泥中残存的30-45wt%左右的水，在第一多步闪蒸区中，通过此 可泵送污水污泥泥浆的等熵绝热膨胀而被除去。接下来，在至少有 一个容器(如1-4)和最好有一个容器的第二闪蒸区中，从第一 闪蒸区排出的污水污泥中存在的另外5-10wt%的水，将由闪蒸， 等熵绝热膨胀的方法被去除，经闪蒸脱水的污泥产品被储存起来。
同单级闪蒸步骤相比，本发明的多级闪蒸是一个重要改进，有 利的是，在我们运用传统的减压阀，仅通过一个节流步骤而让压力 下降时，使用该方法，不会有阀门堵塞的现象发生，如污水污泥泥 浆只经过一次闪蒸步骤处理，挥发物形式的浮渣和固形物沉积于阀 门口并引起阀门阻塞，本申请人注意到了此现象而由此提出了本发 明方法，也由于该方法中，蒸气相中夹带的污水污泥水浆中固体和 BOD的减少而使这个问题得以避免。
大部分闪蒸是按下述方法进行的，即把一批已处理的污泥隔离 于第一闪蒸区中的容器中并连续不断地降低压力，如将压力从约 700psig降至300psig，再降至100psig左右，最后至40psig。分批 处理将减少连续处理时引起的管口的磨损。第一闪蒸容器相对于热 液处理容器或其后的第二闪蒸区中的第二闪蒸器都要小，由此有利 于能减少第一闪蒸容器热量散失快的操作。进一步说，在热液处理 器中压力波动范围宽的现象避免了。一旦第一区中压力降至约 40psig，根据连续的基本原理，另外的闪蒸将在不激烈的条件下在 第二闪蒸区中相继的闪蒸容器中进行，第二闪蒸区中相继闪蒸容器 的连续性处理保证了从该过程中稳定的排放产品。例如，对于第一、 第二闪蒸区各自的一个蒸发容器而言，第二闪蒸区中容器的体积要 比第一闪蒸区中容器大2-4倍(如125加仑对42加仑)，从而提 供了调节能力。
在该方法优选实施方案中，第一闪蒸区中的污水污泥将在一个 容器中经三步脱水。例如，第一闪蒸容器中的相继三个步骤能除去 该容器中污泥大约全部残存水量的10-15wt%。在第一步中，将 第一闪蒸器顶部排气管的一个传流节流阀部分打开，使得污水污泥 的压力从进入时的约700-800psig降至约200-500psig，温度从 约400-600°F降至与相应压力下的饱和温度约380°-470°。该过 程持续约0-30秒，接着阀门第二次进一步打开，使压力降至约75 -300psig，温度降至300-420°F。该过程亦持续0-30秒后， 第二次再次将阀门打开一点。此第一容器中的压力降至75-300psig 左右。温度降至相应压力下的饱和温度，即约300-420°F。持续0 -30秒左右后，第三次再将节流阀门打开一点，此第一容器的压力 降至25-75psig，温度降至相应压力下的饱和温度，即约240- 310°F。
离开第一闪蒸区闪蒸容器的蒸汽经节流阀释出，如主要含： H2O-10wt%，CO2-60t%，N2-30wt%，可溶性物质<1wt %。可溶性物质包含非甲烷烃类，这些蒸气与从第二闪蒸区中单个 闪蒸器释出的蒸气混合，并通入一冷却器，可冷凝液体与不冷凝蒸 气在一单独区中被分离。蒸气通过一气体净化区后再排放至大气。 冷凝物被送入一水净化区后再予排放。
固体含量约4-40wt%，压力约25-75psig、相应压力下的 饱和温度约240-310°F的、于第一闪蒸区闪蒸器底部排出的部分 脱水可泵送污水污泥，被送入第二区以进一步脱水、贮存。此闪蒸 器中压力约10-30psig，这样污水污泥一进入容器就立即进行闪 蒸，已脱水可泵送污水污泥产品从闪蒸区底部排出，其固体含量约 为5-50wt%，粘度约500-1200cP，压力约5-50psig、相应 压力下的饱和温度约200-300psig。
主要含水和一些可溶性物质的蒸气，通过第二闪蒸区闪蒸器顶 部的排气管排走。如前面所述，该蒸气与来自第一闪蒸区闪蒸器的 塔顶引出蒸气混合，并被通入一气体净化单元，污水污泥产品可不 加燃料而予燃烧或与添加燃料混合后用部分氧化气化器，炉、锅炉 或焚烧炉中燃烧而被处置掉。而且，该产品符合联邦法令40CPR 257 款和503款的要求，可用诸如土地填埋或复盖予以处置。
参照说明本发明的优选实施方案的附图，将全面地理解本发 明，但本发明并不局限于我们所描述的特定方法或材料。
在管线1的已脱水的城市的生活污水被送入进料口2，并从此 进入预热-输送器3，热油从管线4进入预热-输送器3的中空轴 和螺旋叶片，从而提供必需的热量，冷却油从管线5排出，加热污 水污泥通过皱片机6被切成4片，此法可使得该过程后面的设务不 被过大的垃圾物质破坏。污水污泥通过螺旋进料口7填充活塞槽8， 活塞9向前运动时即施压于污水污泥加压并使之通过管道10、间接 热交换器11和管道12。在管线13的热油为污水污泥提供热量使之 达到容器23中热液反应所需的温度。冷却油从管线14排出。热液 容器23和第一闪蒸器30用氮气加压，该加压过程由打开阀门18， 21和32以及关闭阀门26，36，40和44来完成，来自管线15的 氮气经压缩机16压缩，接着经过管线17，阀门18和管线19。来 自管线12的温度为约500°F的热污水污泥与来自管线19的氮气在 管线20中混合，氮气与污水污泥混合物通过阀门21和管线22一直 到热液反应器23底部，热液反应器23被填充至要求的泥浆时，将 阀门18和阀门32关闭。在热液反应过程中维持温度如500°F，压 力超过该温度下的水蒸气压力如680psig条件下由马达25带动的慢 速叶片型搅拌机24搅拌密闭容器23中的物质。排气阀26位于管线 27、28上，通常情况下是关闭的。紧急情况时，将阀门26打开， 通过管线29、38、39，冷却器50，管线51和分离槽52来排放 容器23中的蒸气，第一闪蒸器30是通过管线27，31，阀门32和 管线33、34的氮气来预加压的，所需压力由管线41的阀门40控 制，容器30通过管线34、41，阀门40，管线42、38，39，冷 却器50，管线51和分离器52来排气。
热液处理后的污水污泥通过管线35、阀门36，从容器23的上 部排出，经管线37通入第一闪蒸器30，经过三个独立的脱水，闪 蒸步骤后，阀门48和63预置于一特定压力下，此时阀门44打开， 容器30中的污水污泥经其底部的管道43、阀门44和管道45进入 第二闪蒸容器46，通过调节阀门40，容器30中的压力要高于容器 46中，因此污水污泥进入容器46，同时被脱水和闪蒸。关闭阀门 44，容器46中的闪蒸步骤停止，容器46中的压力使热污水污泥经 管道60排出。污水污泥在热交换器61中与如水等冷却剂进行间接 热交换而予冷却，冷却剂由管道65进入，从管道66排出，容器46 中的塔顶蒸气经过管道47，阀门48，管道49，在管道39中与来 自第一闪蒸器30和热液反应器23的蒸气混合。管道39中的混合蒸 气被通入冷却器50，管道51和气液分离器52，冷水是冷却器50 中的冷却剂。非冷凝气体通过管道53并在管道54中与来自管道68 的油介质预热-输送器3的蒸气混合。管道54中气体蒸气组合物主 要含：N2-33wt%;CO2-67wt%，含水冷凝物经分离器52底 部的管道55排出。冷凝物经管道57，阀门58和管道59被泵56泵 出，最好是送入一传统的水回收单元。
经管道60，热交换器61、管道62、阀门63和管道64，已脱 水的城市污水污泥产品从第二闪蒸器46底部排出，该可泵送污水污 泥产品可以用作部分氧化气化炉、炉、锅炉、焚烧炉的燃料，亦可 用诸如土地填埋或复盖予以处理。
关闭阀门44，打开阀门18和32及关闭阀门36，用氟气加压 该系统进行下一个新的循环。
有利的是，在管道70和/或管道65中的水或油经与管道39中 的气体和/(或)管道60中的污水污泥产品进行间接热交换而被加 热。该已加热热交换液与管道1中的初级污水污泥一起通入间接热 交换器，用来预热管道4中的油或通入预热-输送器3之前的污水 污泥。
尽管可以在不违背本发明精神和不超出本发明范围的情况下对 该发明进行修改和各种变更，但是这些均在中请待批的权利要求保 护范围之内。
