申请日2017.12.14
公开(公告)日2018.04.06
IPC分类号C10L5/46; C10L5/44; C10L9/10; C10L9/12
摘要
本发明公开了一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法;该方法是将城镇生活污泥、谷壳、锯末、浮石及微生物菌剂采用犁刀混粉机搅拌均匀，得到混合物料;所述混合物料采用多层立式混翻发酵塔进行生物干化处理，得到生物干化物料;所述生物干化物料与助燃剂混合，造粒，干燥，即得生物质燃料颗粒。该方法简单、成本低，制备的生物质燃料具有起火快、燃烧火力强和耐烧时间长等优点。
权利要求书
1.一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将城镇生活污泥、谷壳、锯末、浮石及微生物菌剂采用犁刀混粉机搅拌均匀，得到混合物料;
2)所述混合物料采用多层立式混翻发酵塔进行生物干化处理，得到生物干化物料;
3)所述生物干化物料与助燃剂混合，造粒，干燥，即得生物质燃料颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：
城镇生活污泥、谷壳与锯末的质量比为75～85:12～20:3～5;所述城镇生活污泥的含水率为75～85%;
所述浮石质量为城镇生活污泥质量的5～15%;
所述微生物菌剂的用量为城镇生活污泥、谷壳、锯末和浮石总质量的0.05～0.1%。
3.根据权利要求2所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：所述微生物菌剂由高温放线菌、枯草芽孢杆菌、白腐菌、啤酒酵母菌、地衣芽孢杆菌和高产淀粉酶枯草芽孢杆菌组成。
4.根据权利要求3所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：高温放线菌、枯草芽孢杆菌、白腐菌、啤酒酵母菌、地衣芽孢杆菌和高产淀粉酶枯草芽孢杆菌的组成质量比例为0.5～1.5:2.5～3.5:0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5。
5.根据权利要求2所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：所述浮石的孔隙率为73～82%，粒径在10～20mm之间。
6.根据权利要求1所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：所述助燃剂占生物质燃料颗粒重量的0.3～0.5%。
7.根据权利要求6所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：所述助燃剂由碳粉、高锰酸钾、次氯酸钠和硝酸钡组成。
8.根据权利要求7所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：碳粉、高锰酸钾、次氯酸钠和硝酸钡组成质量比例为10:1～3:1～3:0.5～1.5。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：所述生物干化过程中混合物料在多层立式混翻发酵塔内制成1.2～1.8米高堆体，生物干化处理64～84h。
10.根据权利要求1～8任一项所述的一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，其特征在于：所述生物干化物料与助燃剂混合，造粒，在70～80℃温度下干燥至物料含水率在30%以下，即得生物质燃料颗粒。
说明书
一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法
技术领域
本发明涉及一种城镇生物污泥处理方法，具体涉及一种利用城镇污水处理厂污泥制成生物质燃料，以实现污泥的资源化、无害化、稳定化和减量化处理的工艺;属于污泥处理处置技术领域。
背景技术
污泥是污水处理的必然产物，它是城市污水处理厂将生活废水、工业废水等进行处理后产生的固定半固态的废弃物。随着我国城镇化水平的不断提高，城市人口快速膨胀，相应的污水处理设施建设高速发展。截止2016年9月，城镇污水处理厂已建成3976座，污水处理能力已达到1.7×108m3/d。城镇污水处理厂污泥是污水处理后附加产物，其产生量受污水处理量、处理工艺等因素的影响，随着污水处理设施的普及、处理程度的提高，污泥产生量将与日俱增。目前，污泥的出路问题几乎困扰着全国所有的污水处理厂。
由于城市污泥通常含水率较高，经浓缩脱水处理后仍高达80%左右，具有体积庞大、不利运输、性质不稳定等特点。直接填埋将会占用大量土地，同时会产生渗滤液污染地下水;土地利用则因运输量大、分散困难、容易污染地下水而受到很大限制;直接焚烧也会因为含固率低而导致热值太低，无法维持有效自燃而需耗费大量辅助燃料，使处置成本明显增加。因此，对城市污泥进行干化处理、降低污泥含水率，是解决目前在污泥处置过程中所遇到的许多问题的关键。
传统的污泥干化法采用污泥干化场的形式，将污泥堆积在室外的干化场，通过自然通风和重力作用对污泥进行干化。现代化的干化工艺主要为热干化，即通过外加热源将污泥中水分蒸发的一种工艺，它具有占地面积小、减量化明显、产品用途灵活等优点。但是热干化工艺也存在很多问题，主要是投资和运行费用高、设备运行能耗高，并且具有粉尘爆炸安全隐患，难以在我国进行大面积推广应用。因此，发展一种更经济、更节能的干化技术成为我国城市污泥处理的迫切需要。
生物干化技术基于堆肥化方法发展而来，具有能耗低、反应周期短、系统安全性高、设备投资和运行费用少等优点。污泥生物干化的主要机制为对流蒸发，通过微生物对污泥自身的好氧生物降解产热和强制通风等多因素的综合作用脱除污泥中水分。生物干化的目的是在尽可能短的时间内去除尽可能多的水分，实现污泥的脱水干化和减容减量。其产物作为生物质燃料，能充分利用污泥的热值，做到真正的资源化、减量化、无害化和稳定化的污泥处理处置要求。
目前有报道污水处理中产生的污泥用于制造生物质燃料的方法，如中国专利(CN105695033A)公开了将污泥加入生石灰搅拌，再加第二批污泥搅拌均匀作为低层污泥并加入生物质发酵料，最后再加入第三批污泥、生物质发酵料和污泥发酵剂，发酵后的上层污泥种植速生植物;将所种植的植物和污泥一起搅拌加入生物质发酵料;发酵得到发酵污泥生物质混合物;再加入焦煤粉、生石灰制成生物燃料块;该方法涉及多次发酵效率低，且利用种植植物来提高污泥生物质，处理周期长，占地面积大，不利于推广应用。中国专利(CN103387324A)公开了一种污泥干化生物质燃料技术，具体是把生化污泥、植物性废弃物与适量生物复合菌种进行均匀混合;在常温下经过若干天发酵和蒸发，得到生物质燃料，其制备的生物质燃料热值不高，仅为1500kcal/kg。中国专利(CN106281560A)公开了一种污泥环保燃料，具体以工业污泥为主要原料，混入硫磺粉和碳质材料，将污泥均匀搅拌后堆积发酵数天，然后通过烘干、风干方式进行干燥处理。该方法采用了大量的硫磺，不利于环保。
发明内容
针对现有技术中城镇污泥在制备生物质燃料存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种利用城镇生活污泥采用生物干化技术制备生物质燃料的方法，该方法简单、高效，能获得起火快、燃烧火力强、灰尘少、高热值、无二次污染的环保型生物质燃料，真正实现了污泥的资源化、无害化、稳定化和减量化。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种利用城镇生活污泥制备生物质燃料的方法，该方法包括以下步骤：
1)将城镇生活污泥、谷壳、锯末、浮石及微生物菌剂采用犁刀混粉机搅拌均匀，得到混合物料;
2)所述混合物料采用多层立式混翻发酵塔进行生物干化处理，得到生物干化物料;
3)所述生物干化物料与助燃剂混合，造粒，干燥，即得生物质燃料颗粒。
优选的方案，城镇生活污泥、谷壳与锯末的质量比为75～85:12～20:3～5;所述城镇生活污泥的含水率为75～85%。本发明采用谷壳和锯末搭配使用来为微生物发酵提供有机质。谷壳含水率低、热值较高，可为污泥生物干化提供良好的初始发酵条件，增加污泥内部自由空域、降低污泥初始含水率、提高生物燃料热值。但由于谷壳存在的缺陷是其成分主要为纤维素，其内碳源较难被污泥利用，而采用锯末可以弥补谷壳存在的缺陷，锯末不但可以降低污泥含水率，而且可以调节混合物料有效C/N，为微生物提供足够碳源。
优选的方案，所述浮石质量为城镇生活污泥质量的5～15%。
优选的方案，所述微生物菌剂的用量为城镇生活污泥质量的0.05～0.1%。
较优选的方案，所述微生物菌剂由高温放线菌、枯草芽孢杆菌、啤酒酵母菌、白腐菌、地衣芽孢杆菌和高产淀粉酶枯草芽孢杆菌组成。微生物菌剂中白腐菌、高温放线菌、枯草芽孢杆菌、啤酒酵母菌、地衣芽孢杆菌和高产淀粉酶枯草芽孢杆菌均为常规的市售产品，可以购买至中国微生物研究所、洛阳欧科拜克生物技术股份有限公司、普通微生物菌种保存中心等单位)。本发明的微生物菌剂将各种菌株通过培养液(以菜籽饼为唯一碳源)进行分别培养，接种量为培养液的10%左右。将各菌株两两接种，发现菌株间可以共存，不存在生态位重叠的现象;最后将各菌液按一定的重量比例混合制成复合微生物菌剂。
进一步优选的方案，高温放线菌、枯草芽孢杆菌、白腐菌、啤酒酵母菌、地衣芽孢杆菌和高产淀粉酶枯草芽孢杆菌的组成质量比例为0.5～1.5:2.5～3.5:0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5。复合菌剂中高温放线菌、地衣芽孢杆菌和高产淀粉酶枯草芽孢杆菌为高温菌，可以延长干化高温时间;白腐菌可以加快堆体中有机质的降解，释放更多热量，提高干化效率，且白腐菌对谷壳中半纤维素、纤维素的降解没有影响，不响应生物质燃料的燃烧热值;枯草芽孢杆菌和啤酒酵母菌可控干化肥过程中臭气的产生，减少臭气产生量。各种菌种之间起到协同增效作用，可以大大提高污泥中可利用有机质含量，提高热值，改善燃烧性能。
优选的方案，所述浮石的孔隙率为73～82%，粒径在10～20mm之间。浮石的主要成分为SiO2。浮石的使用主要用于提高堆体孔隙率，且浮石为多孔结构，孔隙率高，可增加堆体的透气性，保证前期微生物的迅速生长，提高干化效率。干化过程中浮石投加比例最好为湿污泥重量的10%，浮石干化完成后可以过筛重复利用。
优选的方案，所述助燃剂占生物质燃料颗粒重量的3～5‰。
较优选的方案，所述助燃剂由碳粉、高锰酸钾、次氯酸钠和硝酸钡组成。本发明针对固化成型燃料密度大，不易点燃的问题，利用碳棒粉碎后的碳粉作为主要原料，并辅以高锰酸钾、次氯酸钠和硝酸钡，配置助燃剂，并通过长时间轮碾均匀加入生物质燃料中，能够有效提高其燃烧性能。采用的组合助燃剂可促使燃料充分燃烧，起到助燃、增能的作用，采用碳粉、高锰酸钾、次氯酸钠和硝酸钡配制助燃剂，成本低、效果明显，使用时仅需添加生物质燃料重量的3～5‰左右，实验结果证明用于生物质燃料的锅炉燃烧可节约20%。
进一步优选的方案，碳粉、高锰酸钾、次氯酸钠和硝酸钡组成质量比例为10:1～3:1～3:0.5～1.5。
优选的方案，所述生物干化过程中混合物料在多层立式混翻发酵塔内制成1.2～1.8米高堆体，生物干化处理64～84h。
本发明的生物干化技术解决了传统好氧发酵装置发酵速率慢、周期长、热效率低等关键技术难题。传统好氧发酵装置存在干化速率慢、热效率低、占地面积大和场地臭气污染严重等多种问题。本发明技术方案采用多层立式混翻发酵塔(CN 103387324A)，利用发酵床进行面通风，解决了干化速率慢、热效率低、占地面积大和臭气污染严重等关键技术难题。使干化时间缩短1倍，热效率提高20%、占地面积减少了50%，场地无明显臭气。采用生物干化的另一个特点是加入了精准的人为的过程控制策略。根据微生物生化活动产生的反应热、料堆升温吸热、空气升温吸热、水分蒸发潜热和辐射损失热建立热量平衡模型，通风量同时满足有机物氧化(微生物供氧)所需通风量、去除水分所需通风量和除热需气量，并且与微生物产热达到动态的热平衡。
式中：mOM有机质降解量，kg;m物料的质量，Kg;Hc生化反应放热，KJ·kg-1;ρg空气密度，Kg·m3;w0出口单位干空气中饱和空气含湿量，Kg·kg-1;Cv温度T0时水蒸气定压比热，KJ·kg-1·℃;Cs堆体比热容，KJ·kg-1·℃;Cg空气比热容，KJ·kg-1·℃;Ts堆体温度μ装置总传热系数，KJ·m-2·℃-1;A传热面积，m2;Hw温度T0时水的汽化潜热，KJ·kg-1。采用生物干化技术的优势表现在以下几方面。1)利用微生物生长代谢产生的热能充分降低污泥含水率(间隙水、毛细结合水和表面粘附水);2)生物干化过程中微生物代谢可降低污泥中内部水;3)生物干化降低污泥的粘性，使成团的污泥变得松散，利用后续水分的低温热干化。
优选的方案，所述生物干化物料与助燃剂混合，造粒，在70～80℃温度下干燥至物料含水率在30%以下，即得生物质燃料颗粒。生物干化物料与助燃剂经过搅拌轮碾后粘性增强，且污泥本身具有较强的粘结性，因此无需外加粘合剂，便可制成燃料颗粒，减少了制备成本，且所制备产品具有抗碎强度高、易于装运储存等特点。干燥温度在70～80℃之间，采用低温干化可最大程度的保留生物质燃料中有机质成分，提高物料的单位热值。
本发明提供一种利用城镇污水处理厂污泥制备环保型生物质燃料的方法。该方法实现了污泥的无害化、稳定化、减量化和资源化处理要求，最终的生物质燃料产品具有起火快、燃烧火力强、灰尘少等优点。整个工艺过程见图1，包括：原料制备、生物干化、试剂调理和造粒干燥工艺。
步骤一：原料制备
所需原辅材料：城镇生活污泥(80%含水率)75～85份、谷壳12～20份、锯末3～5份、适量微生物菌剂和浮石。将原辅材料按一定比例加入犁刀混粉机中，搅拌5～8min后出料;
步骤二：污泥生物干化
将混合后的物料送入生物干化塔，制成1.5米高堆体。生物干化塔采用多层、立式和翻混装置，快速干化72h后出料;
步骤三：试剂调理
生物干化后的混合物料加入一定比例的助燃剂，搅拌轮碾30-45min，使得助燃剂与物料充分混合，促进原料纤维素及浆素等物质产生，其后进入下一步工序;
步骤四：造粒干燥工艺
调理后的物料，水分含量约50%左右，将其制成小颗粒(平均粒径小于8mm)后送入低温干燥设备中，待水分含量降至30%以下后装包制成生物质燃料颗粒。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
现有技术中的城镇污水处理厂污泥有机质含量较高(占污泥干物质总量的30%以上，部分地区甚至高达70%)，热值较高，但由于其含水率高、水分难以脱除，限制了污泥的热值利用。本发明的技术方案利用生物干化技术来干化污泥，很好地解决了现有技术中的问题，并且通过采用合适的发酵原料及微生物菌剂，能够通过高温发酵来实现污泥的干化处理，同时获得高热值的生物干化物料，可以进一步与助燃剂等配合使用，获得高热值、起火快、燃烧火力强、灰尘少、无二次污染的生物质燃料，真正实现了污泥的资源化、无害化、稳定化和减量化。
本发明采用特殊的微生物菌剂对污泥进行生物干化，各菌剂之间协同作用明显，生物干化效率高，获得的生物干化污泥热值高，可以用于制备燃烧性能好的生物质燃料。
