CN103224315B - 污泥综合处理及转化物的循环利用方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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、印染等行业所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，包括致病茵、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被公认为是一和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；
2.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)热解炭的利用：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、环境效益明显。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***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埋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。
2.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)热解炭的利用：经本发明的污泥综合处理步骤(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荻得。
Claims (2)
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。
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，步骧(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)热解炭的利用：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。
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