一种带产物返流预处理的污泥水热氧化反应系统及方法与流程

本发明属于市政污泥处理领域，尤其涉及污水处理厂产生的污泥处理。

背景技术：

市政污泥是一种由各种微生物以及有机、无机颗粒组成的固液混合的絮状物质，主要来自于城市污水净化处理过程，是城市污水处理厂的副产物；典型的城市污水厂基本工艺流程如图1所示：城市污水通过城市排水系统进入污水处理厂，经过格栅与沉砂池之后，污水中较大的悬浮物或漂浮物以及比重较大的无机颗粒(如泥沙，煤渣等)被去除；然后污水进入初沉池，污水中所含有的可沉降性物质沉淀下来形成初沉污泥；污水继续经生物处理进入二沉池，其中一部分污泥回流用于生物处理，而剩余的活性污泥和初沉污泥一起形成的混合污泥再进一步经过浓缩和脱水后产生机械脱水污泥。根据污水处理环节不同，各环节所产生污泥的理化性质不尽相同，以初始污泥和剩余污泥为例，其中的有机质含量如下表1所示。

表1污泥中有机质组成含量

污水处理厂产生的污泥经机械脱水后的含水率一般在75％～85％范围，进一步降低含水率困难。水热氧化技术是一种新型的污泥处理技术，在一定的温度和压力的水中，氧化剂将污泥中有机质氧化，生成简单无污染的二氧化碳气体、灰渣和水；污泥有机质转化彻底，无NO_x、SO₂等污染气体生成，重金属处于稳定态，液相产物生化性能良好。

为加速污水中悬浮颗粒聚集沉降，污水处理过程添加絮凝剂。絮凝剂使污泥呈胶团状，大部分水分包裹其中，机械脱水只能去除表面水和间隙水，占水分80％左右的胶团内包裹的水分和污泥细胞内水脱不掉；污泥自身的胶团特性，导致其污泥粘度大、流动性差，污泥水热氧化系统直接进料困难。

升高污泥温度可以使包裹污泥水分的膜壁破裂，水解有机质，释放其中的水，从而降低粘度；搅拌使污泥发生剪切运动，拉扯打碎胶团，也起到粘度降低的作用；因此可采用预热或搅拌等方式的预处理降低污泥粘度。

污泥预热根据热源是否与污泥接触分为有直接加热和间接加热。直接加热的热源多为蒸汽或热水；间接加热的热源为蒸汽或导热油。预热污泥所需热量来自反应后的高温物料回收的余热。由于粘度大，间接换热方式预热污泥容易造成压损大、管路堵塞；与间接加热相比，直接加热的热损失小，没有管路压损和堵塞问题，但蒸汽或水的加入，会使污泥含水率有一定提高。

采用直接加热预热污泥时，热源多为高温物料闪蒸产生的闪蒸汽；闪蒸汽不足以使污泥预热到进反应器前要求的温度，需要在回收余热的预热后再进行别的方式的加热，如反应后高温物料的间接换热和电磁加热等。反应后液相物料中含有剩余的溶解氧，采用换热器间接回收余热将导致设备腐蚀，除此之外，换热器、电磁加热器设备的投入增加了系统复杂性和设备投资。

综上所述，目前公布的专利技术中，主要存在污泥预处理回收的系统热量不足、反应后液相产物溶解氧在高温下下腐蚀设备、需增加加热设备增加投资和系统复杂性等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于：解决现有技术存在的污泥预处理回收的系统热量不足，需要增加加热设备增加投资和系统复杂性，以及反应后液相产物溶解氧在高温下下腐蚀设备等问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种带产物返流预处理的污泥水热氧化反应系统，其特征在于：包括污泥预处理装置、搅拌器、增压泵、水热氧化反应器、气相除氧装置、分流器和闪蒸罐，污泥预处理装置上设有污泥原料入口、反应器气相产物入口和反应器液相产物入口，以及预处理污泥出口，污泥预处理装置内设有用以搅拌污泥原料入口进入的污泥、和反应器气相产物入口进入的反应器气相产物、和反应器液相产物入口进入的携带部分固相颗粒的反应器气、液相产物的搅拌器，污泥预处理装置的污泥出口预处理污泥出口与水热氧化反应器的污泥入口之间的污泥输送管路上设有增压泵，水热氧化反应器上设有污泥入口、氧化剂入口、气相产物出口、排渣口和液相产物出口，水热氧化反应器的气相产物出口与污泥预处理装置的反应器气相产物入口通过设有气相除氧装置的管路连通，水热氧化反应器的液相产物出口通过分流器分别和污泥预处理装置的反应器液相产物入口以及闪蒸罐的污泥产物入口连通，闪蒸罐的污泥产物出口与后续处理装置连通。

作为选择，污泥预处理装置上没有其他间接和/或直接加热其内污泥原料的装置。

作为选择，污泥预处理装置的预处理污泥出口与水热氧化反应器的污泥入口之间的污泥输送管路上也没有间接和/或直接加热其内污泥原料的装置。

作为选择，污泥预处理装置的预处理污泥出口与水热氧化反应器的污泥入口之间的污泥输送管路上还设有套管加热器，套管加热器对污泥输送管路内的污泥间接加热，闪蒸罐的闪蒸汽出口与套管加热器的蒸汽入口连通。该方案中，回收闪蒸汽热量对污泥输送过程进行保温。

作为选择，污泥预处理装置包括污泥预处理罐以及其外设置的夹套，夹套上设有反应器气相产物入口和反应器液相产物入口，污泥预处理罐罐内壁上开有通至罐内的蒸汽孔和液相产物孔，夹套上的反应器气相产物入口与蒸汽孔相通，夹套上的反应器液相产物入口与液相产物孔相通。

作为选择，污泥预处理罐内的搅拌器带有用以刮除黏在罐内壁上的污泥的刮刀。

作为选择，后续污泥处理装置包括换热器、给水泵和沉降池，换热器设有给水入口和给水/蒸汽出口，以及污泥产物入口和污泥产物出口，闪蒸罐的污泥产物出口与换热器的污泥产物入口连通，给水泵与换热器的给水入口连通，换热器的污泥产物出口与沉降池连通。

一种带产物返流预处理的污泥水热氧化反应方法，依次包括以下步骤：

1)将污水处理厂经机械脱水后含水率质量百分比在75％～85％之间的市政污泥输送至污泥预处理装置内；

2)在污泥预处理装置内，返流的反应器气相产物和携带部分固相颗粒的反应器液相产物在搅拌作用下直接加热污泥，污泥温度升高至100℃～150℃，污泥含水率质量百分比调配至90％～93％，污泥粘度降至220mPa.s以下(最低可降至20mPa.s以下)；

3)污泥预处理装置预处理后的污泥经加压输送至水热氧化反应器进行水热氧化反应，氧化剂保证1～1.4的过量系数，反应器内维持一定液位，自由液面以上为气相空间；控制反应器温度维持在250℃～300℃，压力维持在5～11MPa，污泥氧化有机质放出的热量恰好维持反应温度，反应停留时间控制在15～60min；

4)反应生成的气相产物自水热氧化反应器顶部气相空间引出，经气相除氧装置后送入污泥预处理装置内；

反应后的液相产物中分散着固相颗粒，固相大颗粒沉降在反应器底部，由底部设置的排渣口定期排放；液相携带着固相小颗粒自水热氧化反应器自由液面以下引出后，经分流装置返流部分至污泥预处理装置，剩余的液固产物流进入闪蒸罐绝热降压，除氧后的液固产物进入后续污泥处理装置。

作为选择，污泥预处理装置的污泥出口与水热氧化反应器的污泥入口之间的污泥输送管路上还设有套管加热器，套管加热器对污泥输送管路内的污泥间接加热用以维持污泥预热温度，套管加热器的热源为来自闪蒸罐的闪蒸汽。

作为选择，污泥预处理装置内污泥预热温度为120℃～150℃，水热氧化反应器反应温度为250℃，反应停留时间为30～45min，氧气做氧化剂，氧气过量系数为1.1～1.2；所述预热温度、反应温度下的污泥含水率质量百分比为90％～93％。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明方案中，水热氧化反应器中污泥水热氧化后生成的气相产物由反应器顶部引出，通过气相除氧装置将其中多余的氧和生成的二氧化碳去除后，通入污泥预处理装置，同时液相产物分流部分回流至污泥预处理装置，气相产物和液相产物同时直接与污泥接触预热污泥，此时蒸汽和热水在搅拌作用下预热污泥，解决现有技术系统回收热量不足以预热污泥至进料温度的问题——本发明只需要前述产物返流的方式即可实现对污泥的充分预热，而不需要现有技术中额外的加热/预热装置，而且本发明的预热方式还可以得到比现有技术更高的预热温度(可高至120℃～150℃)，能更大地降低污泥粘度。

同时，在预热污泥的过程中，蒸汽和热水会增加污泥的含水率(从75％～85％增加至90％～93％)，通过此方法将预热污泥和污泥浓度调配有机结合，而且，通过增加含水率的方式，本发明相对现有技术含水率更高，使得水热氧化反应器中污泥中有机质含量正好能维持氧化反应进行温度而无需额外的吸热面(现有技术中含水率较低，需要额外的吸热面吸收反应中额外的热量控制反应温度)，同时含水率更高能够强化进料污泥在高温高压水中的分散效果，缩短氧化反应完成的时间(可只需30～45，乃至15min)。

水热氧化反应器剩余的携带细小灰渣颗粒的液相产物通过闪蒸罐减压闪蒸的方法，除去溶解氧，减轻对下游换热设备的腐蚀，从而实现剩余高温物料热量回收。

通过以上措施，可实现回收系统高温物料热量预热污泥、缓解溶解氧腐蚀换热器等问题，降低系统投资，提高系统能量利用率和经济性。

本发明的有益效果：

(1)仅通过回收气相产物、部分液相产物预热污泥，即可保证系统回收热量满足污泥预热需求。

(2)相对现有技术污泥预处理后粘度降低、流动性好，在高温高压液相水中分散效果好，缩短氧化反应停留时间。

(3)解决现有技术污泥经产物预热后还需要进一步加热带来的设备增加和投资增加的问题。

(4)采用减压闪蒸的方式除氧，保证余热回收设备的工作环境。

(5)污泥经过氧化后，不产生有毒有害物质；气相产物可直接排放，液相生化性能好，可回流至污水处理厂，固相脱水性且重金属性质稳定好，脱水后可直接填埋。

附图说明

图1是城市污水处理厂工艺流程图；

图2是本发明实施例的装置流程示意图；

其中1-污泥料仓 2-螺杆泵 3-污泥预处理罐 4-搅拌器 5-增压泵 6-套管加热器 7-反应器 8-气相除氧装置 9-分流器 10-闪蒸罐 11-换热器 12-给水泵 13-沉降池。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

参考图2所示，带产物返流的污泥水热氧化系统包括：污泥预处理装置(污泥预处理罐3)、搅拌器4、增压泵5、水热氧化反应器7、气相除氧装置8、分流器9和闪蒸罐10，以及换热器11、给水泵12、沉降池13等。具体方案如下：

(1)污泥输送：利用螺杆泵2，将含水率质量百分数约80％的污泥，自污泥料仓1转移至污泥预处理罐3。

(2)污泥预处理：污泥预处理罐3内设有搅拌器4和刮刀，在搅拌污泥提供剪切力的同时，刮除黏在罐内壁上的污泥；水热氧化反应器7反应生成的气相产物和携带部分固相颗粒的部分液相产物回流至污泥预处理罐3，在搅拌作用下强化污泥预热效果，降粘、调配污泥含水率；预处理后的污泥含水率提高至90％以上。污泥预处理罐3外设有夹套，夹套上有反应器气相产物入口(蒸汽入口)和反应器液相产物入口(热水入口)；污泥预处理罐罐内壁上开有蒸汽孔，通入夹套的蒸汽经蒸汽孔进入污泥内部；污泥预处理罐内壁上对称开有液相产物孔(热水孔)，返流液相产物通过热水孔进入污泥内部；

(3)污泥加压输送：预处理后的污泥通过高压泵加压送入水热氧化反应器7。

(4)水热氧化反应：经预热的污泥送入水热氧化反应器7后，与氧气等氧化剂在高温高压水中发生水热氧化反应，反应温度为250～300℃、反应压力在5～11MPa，生成气体、水、灰渣等产物并释放反应热维持反应温度。

(5)气相产物除氧气和二氧化碳：氧化反应后的气相产物主要组成是水蒸气、二氧化碳和富余的氧气，气相产物通过气相除氧装置8中生石灰等碱性氧化物和海绵铁，将其中的二氧化碳和氧气分离出来，除去氧气和二氧化碳后的蒸汽送入污泥预处理罐3反应器气相产物入口(蒸汽入口)。

(6)液相产物回流：氧化反应后，液相中大颗粒沉积在反应器7底部，定期从反应器7底部排渣口排出；液相中细小灰渣随液相产物经过分流器9(例如三通分流装置)，部分返流至污泥预处理罐3反应器液相产物入口(热水入口)。

(7)闪蒸除氧：液相产物未返流部分经过闪蒸罐10减压后闪蒸除氧，溶解其中的氧气气化释放出来，与液固产物分离；闪蒸罐10闪蒸汽返流至套管加热器6内维持污泥预热温度。

(8)产物余热回收：除氧后的产物余热经换热器11与给水泵12的给水换热回收，产热水或蒸汽。

(9)产物液固分离：液固产物流入沉降池13，上清液可返回污水处理厂；经氧化处理后的颗粒脱水性能好，可利用压滤机等设备机械脱水，脱水滤饼含水率<50％，可直接填埋。

一种采用前述系统的带产物返流预处理的污泥水热氧化反应方法，具体包括：

污水处理厂经机械脱水后污泥(含固率质量百分数在15％～25％之间)，经螺杆泵2转移至污泥预处理罐3内。

在污泥预处理罐3内，水热氧化反应器7返流的气相产物和部分液相产物在搅拌作用下直接加热污泥；污泥温度升高至100℃～150℃，优选为120℃～150℃，污泥含水率质量百分数调配至90％～93％，污泥粘度降至220mPa.s以下(最低可降至20mPa.s以下)，污泥输送阻力减小。

污泥经增压泵5输送至水热氧化反应器7，污泥加压输送管外设套管加热器6，闪蒸罐10闪蒸汽返流至套管加热器6内维持污泥预热温度。

水热氧化反应器7内氧气做氧化剂，经加压装置进入反应器；氧气保证一定的过量系数，氧气过量系数为1～1.4，优选为1.1～1.2；水热氧化反应器7内维持一定液位，自由液面以上为气相空间；控制反应器温度维持在250℃～300℃，优选为250℃，压力维持在5～11MPa；温度、压力的选择与污泥调配浓度有关，污泥氧化有机质放出的热量恰好维持反应温度；反应停留时间控制在15～60min，优选为30～45min。

反应生成的气相产物自反应器顶部气相空间引出，经气相除氧装置8后送入污泥预处理罐3内，气相产物中二氧化碳预热污泥后，直接排放。

反应后的液相产物中分散着固相颗粒，自反应器自由液面以下引出后，经分流器9返流至预处理罐，返流量由反应条件所需的污泥浓度决定；在返流液相产物中可以添加化学分散剂、稳定剂、氧化剂等化学试剂，提高预处理罐内的降粘效果，缩短预处理时间。剩余的液固产物流进入闪蒸罐10绝热降压，部分水气化，溶解于其中的氧气和二氧化碳等气体析出；闪蒸汽返流至套管加热器6内，除氧后的液固产物进入换热器，回收余热。

反应后的大颗粒灰渣沉积在水热氧化反应器7底部，水热氧化反应器7底部设置排渣口定期排渣。

应用示例：

以含水率约80％的污泥为原料，以纯氧为氧化剂，在具有自由液面的反应器中进行污泥水热氧化反应。污泥的工业分析和元素分析结果见表2：

表2某污水处理厂污泥工业分析与元素分析结果

表中，工业分析为质量百分浓度，M为水分含量，A为灰分含量，V为挥发分含量，FC为固定碳含量。

污泥处理量为1t/h，过氧系数为1.2。污泥(20℃，1MPa，1000kg/h，含水率质量百分数82.21％)由污泥料仓经螺杆泵转移到污泥预处理罐内，预处理罐内设搅拌桨，罐体外设有夹套，罐体周围开孔；蒸汽和热水通入夹套，在搅拌的同时由夹套经过孔口进入污泥中预热，预热后的污泥温度达到150℃、含水率达到92.8％、在剪切速率35s^-1的条件下表观粘度降低至100mPa.s以下，流动性好。预热后的污泥2492kg/h输送至反应器，反应器中反应氧气来源于液氧站，存储于液氧槽内的液氧经液氧泵加压、经汽化器气化后送入反应器内，在高温高压水中与污泥中有机质反应。

反应温度维持在250℃、反应压力5MPa、停留时间半小时；在考虑到有机质不完全反应和反应器散热损失的前提下，进反应器时污泥内有机质含量能维持反应温度。反应生成的气相产物在自由液面顶部空间聚集，为了维持反应器内压力稳定，将气相产物不断的从反应器顶部抽出；气相产物的摩尔组成79％H₂O+5％O₂+1％N₂+15％CO₂；气相产物(250℃，5MPa，595kg/h)送至预处理罐夹套的蒸汽入口。液固产物中溶解有剩余的O₂和生成的CO₂，自反应器出来后经过分流装置，控制质量流量1130kg/h的产物流返流至污泥预处理罐夹套的热水入口，另一部分980kg/h进入减压闪蒸除氧装置，在绝热条件下牺牲约4MPa的压力，将溶解气释放出来，产生的闪蒸汽(97.5％水蒸气+2.44％CO₂+10^-4氧，179℃，1MPa，222kg/h)回流至污泥加压输送管外的套管内，维持预热污泥的温度不低于150℃。除氧后的物料通过换热器，被冷却水吸收余热后冷却至约60℃后，排放到沉降池；冷却水吸热产成饱和蒸汽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。