技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，并涉及一种污泥的处理方法。更具体地，本发明涉及一种基于热水解的污泥处理及资源化利用方法及其应用。
背景技术：
脱水污泥是污水处理过程中产生的主要副产物，其不仅含丰富的水分、有机物和微生物，而且含有重金属等多种可导致环境污染的有害物质，因此污泥的不当处理很有可能造成二次环境污染。为避免上述问题的发生，目前已陆续研发出一些污泥处理方法和装置，以期望降低污泥中的有害物质含量，并通过污泥处理对其进行二次回收利用。其中，包含热水解处理、脱水处理和脱除液回用的污泥处理技术是一种有效的污泥处理方法。但现有的污泥处理方法主要存在以下不足：
(1)在热水解反应前需对待处理污泥进行如混合均质、预热浆化等预处理，该反应结束后需采用闪蒸汽降压和冷却；工艺复杂，且预处理和降压过程耗时多，导致处理效率受限；预处理和降压过程均涉及压力容器的使用，增加了设备投资成本和维护成本；
(2)通常在高于190℃的高温条件下进行长时间的水解反应，蒸汽消耗量大、能耗成本高，而且加热到190℃以上的高温所耗用的加热时间长；
(3)通常采用高压隔膜式压滤机进行脱水，导致脱水设备投资和维护成本增加，并导致能耗增加；
(4)机械脱水后得到的泥饼含水率仍高于55％，这种含水率的污泥热值低，无法自持燃烧，因此若用作生物质燃料则需经进一步脱水处理或其他处理工艺(例如添加热值高的添加剂)，降低了污泥处理的综合利用价值。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的污泥处理方法的能耗大、耗时长、处理效率低、设备成本高且脱水泥饼无法直接用作生物质燃料的缺陷，提供一种能耗小、耗时短、处理效率高、设备成本低且可最大限度实现污泥资源化利用的基于热水解的污泥综合处理方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案得以实现：提供一种基于热水解的污泥综合处理方法，所述方法包括以下步骤：
S1、热水解步骤：将含水率为75～90％的污泥注入反应釜，随后向反应釜内注入1.5-2.5MPa的饱和蒸汽，当污泥的温度达到150～185℃时，停止注入饱和蒸汽并保持0~25分钟后获得热水解的泥浆；
S2、机械脱水步骤：对所述泥浆进行机械脱水，得到脱除液和脱水泥饼；
S3、厌氧消化制沼气步骤：所述脱除液经厌氧消化反应制得沼气。
在上述基于热水解的污泥综合处理方法中，所述方法还包括：
S4、沼气回用步骤：将所述步骤S3中制得的沼气作为燃料返回给蒸汽锅炉制备饱和蒸汽。
在上述基于热水解的污泥综合处理方法中，在所述步骤S1中向反应釜内注入污泥的含水率为80～85％。
在上述基于热水解的污泥综合处理方法中，在所述步骤S1中，向反应釜内注入1.8～2.3Mpa的饱和蒸汽。
在上述基于热水解的污泥综合处理方法中，在所述步骤S1中，当所述污泥的温度达到160～170℃时，停止注入饱和蒸汽并保持10～15分钟。
在上述基于热水解的污泥综合处理方法中，在所述步骤S1中，所述污泥的温度为所述反应釜内低温区的温度。
在上述基于热水解的污泥综合处理方法中，所述反应釜内部装有搅拌装置，所述步骤S1还包括在注入所述污泥后启动所述搅拌装置搅拌污泥。搅拌操作可促进污泥与饱和蒸汽的充分接触，提高热交换效率、加速污泥的热水解反应。另外说明的是，虽然此处以及后续实施例中均在注入污泥后启动搅拌装置，但搅拌装置的使用控制并不受限于此方式。换言之，还可在注入污泥的过程中或开始注入饱和蒸汽后启动搅拌装置。
在上述基于热水解的污泥综合处理方法中，所述步骤S1和S2之间还包括以下步骤：
S11：排汽泄压并排出所述泥浆；以及
S12：使排出的所述泥浆冷却。
在上述基于热水解的污泥综合处理方法中，在所述步骤S2中，所述脱水污泥的含水率为30～50％。
根据本发明的一个方面，提供一种上述基于热水解的污泥综合处理方法在处理有机固体废弃物中的应用。这一类型的有机固体废弃物包括但不限于餐厨垃圾、动物粪便和/或食品加工厂废渣等。
在本发明中，在热力和压力的作用下，污泥中的有机高分子结构、胶状体等固相物质的持水结构被破坏，使污泥由初始的粘稠固态转化为流动性极强的液态泥浆。另外，高温热水解处理可彻底杀灭污泥中的细菌和病原体，实现污泥的无害化。经热水解处理后，污泥的持水结构被破坏，污泥中的结合水被释放出来，脱水性能大为改善，为后续脱水处理创造有利条件；同时，污泥所含的微生物解体，微生物细胞的有机质充分释放出来并进一步水解，污泥中固体有机物的溶解和水解，使污泥的厌氧消化性能大为改善，为后续的厌氧消化处理创造有利条件。
在本发明中，采用普通压滤设备进行机械脱水；相比现有技术中采用高压隔膜压滤机的实施方式，普通压滤设备可节省30％以上的设备成本和20％以上的维护成本。该步骤所得到的脱水泥饼含水率为30-50％，富含有机物，因此可作为蒸汽锅炉的燃料，或制成生物质燃料外售，或作为有机肥料原料外售。该步骤所得到的脱除液则富含水解后的有机质，经厌氧消化可制得大量沼气，并可将制成的沼气用作蒸汽锅炉的燃料，实现系统自身热量平衡，大幅降低运行成本，也可对外销售，创造收益。
实施本发明可获得以下有益效果：(1)本发明的热水解处理方法适用于多种含水率的脱水污泥，且无需在热水解反应前对污泥进行任何预处理，流程简单；(2)停止注入饱和蒸汽的温度降低至150～185℃，蒸汽消耗量减少10-30％，加热时间缩短5-20分钟，停止注入饱和蒸汽后的保持时间缩短5-30分钟，处理效率提高15％以上，相应设备投资降低至少15％；(3)机械脱水后所得脱水泥饼可用作生物质燃料，而脱除液则可经厌氧消化制成沼气，将上述两者作为锅炉的燃料返回使用，不但可以完全省去外购能源成本，实现“以污治污”，降低运行成本，甚至还可以有富余能源外售，创造收益；(4)本发明的综合处理方法适用于处理其他有机固体废弃物，应用范围广泛。
附图说明
图1是根据本发明的基于热水解的污泥综合处理方法的流程图；
图2是根据本发明实施例1的基于热水解的污泥综合处理方法的流程图；
图3是根据本发明实施例2的基于热水解的污泥综合处理方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种基于热水解的污泥综合处理方法，该方法采用1.5-2.5MPa的饱和蒸汽对含水率为75-90％的污泥进行热水解处理，对热水处理得到的泥浆进行机械脱水处理制备可用作生物质燃料的脱水泥饼，以及采用机械脱水过程得到的脱除液进行厌氧消化制沼气；上述处理步骤不仅实现了污泥的减量化，更实现了污泥的无害化和资源化。
上述对待处理污泥进行加热的过程中，本发明通过污泥与饱和蒸汽(可称为加热源)的直接接触、以及污泥之间的热交换实现加热。本领域技术人员理解的是，目前用作污泥热水解处理的反应釜主要从其顶部注入饱和蒸汽，少数反应釜同时从其顶部和底部注入饱和蒸汽。由于热水解处理前的污泥呈粘稠状、热交换过程缓慢，且反应器内不同区域的污泥距离加热源的位置不等，加热过程中反应釜内不同位置的污泥温度并不相同。
在运用本发明所提供的热水解处理方法时，首先在反应器内部纵向取点，将反应釜按纵向三等分成上、中、下三部分，即靠近顶部的1/3为上部，靠近底部的1/3为下部，中间的1/3为中部。当饱和蒸汽从上部注入时，下部为低温区；当从上部和下部同时注入饱和蒸汽时，中部为低温区。换言之，本文所用的表达“低温区”意指在反应釜内距离加热源较远、且因此在加热过程中温度相对较低的污泥所在的区域。
在本发明的优选实施例中，测定低温区内污泥的温度，并以此温度值为标准判断是否需要继续注入饱和蒸汽。在低温区测定污泥温度的优点在于：可确保反应器的所有待处理污泥均达到进行有效热水解处理的必需温度，同时缩短处理时间、降低能耗且提高效率。
应该说明的是，为提高加热速度且因此进一步提高处理效率，本发明优选使用卧式构造的反应釜；在该类型反应装置中，使用同等压力的饱和蒸汽时热传质速度更快且效率更高，因而反应釜内污泥的热水解反应也更为迅速。以下的具体实施例也均结合卧式反应釜(在实施例中简称为反应釜)展开详细描述。但本发明并不限于使用这一构造的反应装置，任何采用其他构造的热水解反应装置的变形和等同替换均在本发明的保护范围之内。
以下将结合具体实施例进一步详细说明本发明的基于热水解的污泥综合处理方法。
实施例1：
如图2所示，将含水率为75-80％的污泥注入反应釜，关闭反应釜进料口，并启动反应釜内的搅拌装置；从蒸汽锅炉由反应釜上部向其内注入1.5-1.7MPa的饱和蒸汽，对反应釜内的污泥进行加热；检测反应釜下部污泥的实时温度，当污泥温度达到185℃时，停止注入饱和蒸汽并保持5-10分钟；随后打开泄压阀开始排汽泄压，当反应釜内的压力降至0.05MPa以下时打开排料阀，排出热水解处理得到的泥浆；泥浆冷却后进入压滤机进行机械脱水，分别得到脱除液和含水率为45-50％的脱水泥饼；脱除液进一步经厌氧消化产生沼气。此时完成对含水率为75-80％的污泥的综合处理，所制得的脱水泥饼可用作生物质燃料，而产生的沼气是目前公知的绿色能源。
实施例2：
如图3所示，将含水率为80-85％的污泥注入反应釜，关闭反应釜进料口，并启动反应釜内的搅拌装置；从蒸汽锅炉由反应釜上部向其内注入1.8-2.0MPa的饱和蒸汽，对反应釜内的污泥进行加热；检测反应釜下部污泥的实时温度，当污泥温度达到170℃时，停止注入饱和蒸汽并保持15-20分钟；随后打开泄压阀开始排汽泄压，当反应釜内的压力降至0.05MPa以下时打开排料阀，排出热水解处理得到的泥浆；泥浆冷却后进入压滤机进行机械脱水，分别得到脱除液和含水率为40-45％的脱水泥饼；脱除液进一步经厌氧消化反应产生沼气，随后将产生的沼气用于加热蒸汽锅炉。此时完成对含水率为80-85％的污泥的综合处理，所制得的脱水泥饼可用作生物质燃料，而产生的沼气作为蒸汽锅炉的燃料，降低外购能源需求，节约处理成本。
实施例3：
将含水率为85-90％的污泥注入反应釜，同时启动反应釜内的搅拌装置，关闭反应釜进料口；从蒸汽锅炉同时由反应釜上部和下部向其内注入2.1-2.3MPa的饱和蒸汽，对反应釜内的污泥进行加热；检测反应釜中部污泥的实时温度，当污泥温度达到165℃时，停止注入饱和蒸汽并保持0-5分钟；随后打开泄压阀开始排汽泄压，当反应釜内的压力降至0.05MPa以下时打开排料阀，排出热水解处理得到的泥浆；泥浆冷却后进入压滤机进行机械脱水，分别得到脱除液和含水率为43-48％的脱水泥饼；脱除液进一步进入厌氧消化设备，并经厌氧消化产生沼气。此时完成对含水率为85-90％的污泥的综合处理，所制得的脱水泥饼可用作生物质燃料，而产生的沼气是目前公知的绿色能源。
实施例4：
将含水率为83-88％的污泥注入反应釜，关闭反应釜进料口，并启动反应釜内的搅拌装置；从蒸汽锅炉由反应釜上部向其内注入2.2-2.5MPa的饱和蒸汽，对反应釜内的污泥进行加热；检测反应釜下部污泥的实时温度，当污泥温度达到160℃时，停止注入饱和蒸汽并保持5-12分钟；随后打开泄压阀开始排汽泄压，当反应釜内的压力降至0.05MPa以下时打开排料阀，排出热水解处理得到的泥浆；泥浆冷却后进入压滤机进行机械脱水，分别得到脱除液和含水率为45-50％的脱水泥饼；脱除液进一步经厌氧消化反应产生沼气，随后将产生的沼气用于加热蒸汽锅炉。此时完成对含水率为83-88％的污泥的综合处理，所制得的脱水泥饼可用作生物质燃料，而产生的沼气作为蒸汽锅炉的燃料，降低外购能源需求，节约处理成本。
实施例5：
将含水率为80-85％的污泥注入反应釜，关闭反应釜进料口，并启动反应釜内的搅拌装置；从蒸汽锅炉由反应釜上部向其内注入2.0-2.1MPa的饱和蒸汽，对反应釜内的污泥进行加热；检测反应釜下部污泥的实时温度，当污泥温度达到150℃时，停止注入饱和蒸汽并保持15-20分钟；随后打开泄压阀开始排汽泄压，当反应釜内的压力降至0.05MPa以下时打开排料阀，排出热水解处理得到的泥浆；泥浆冷却后进入压滤机进行机械脱水，分别得到脱除液和含水率为30-35％的脱水泥饼；脱除液进一步经厌氧消化反应产生沼气，随后将产生的沼气用于加热蒸汽锅炉。此时完成对含水率为80-85％的污泥的综合处理，所制得的脱水泥饼可用作生物质燃料，而产生的沼气作为蒸汽锅炉的燃料，降低外购能源需求，节约处理成本。
由以上实施例1-5可知，本发明的基于热水解的污泥综合处理方法可适用于多种含水率的污泥(脱水污泥)，应用范围广泛；并且在处理前无需对待处理污泥进行任何前处理，不仅节约处理时间，而且有利于成本控制。停止注入饱和蒸汽的温度降低至150～185℃，可有效缩短加热时间，降低能耗；停止注入饱和蒸汽后的保持时间缩短，显著提高了处理效率，使得总运行成本降低。这样，在同等的能耗和时间条件下可处理更多的污泥，有效提升总的处理效率。仅需采用普通的压滤设备进行机械脱水，大幅节省设备投资成本和维护成本。通过本发明的方法可使污泥最终转化为可用作生物质燃料的脱水泥饼和用作绿色能源的沼气，作为蒸汽锅炉的燃料，降低外购能源需求，节约处理成本。实现了污泥的减量化、无害化和资源化。
本发明的基于热水解的污泥综合处理方法可应用于处理有机固体废弃物，优选处理高含水率的有机固体废弃物，更优选处理含水率为75-90％的有机固体废弃物。这一类型的有机固体废弃物包括但不限于餐厨垃圾、动物粪便和/或食品加工厂废渣等。以下将通过具体示例详细说明该处理方法的应用，但应该理解的是，以下具体示例仅用于解释本发明，而不对本发明的范围构成任何限制。
示例1：
将含水率为75-80％的餐厨垃圾注入反应釜，关闭反应釜进料口，并启动反应釜内的搅拌装置；从蒸汽锅炉由反应釜上部向其内注入1.5-1.7MPa的饱和蒸汽，对反应釜内的餐厨垃圾进行加热；检测反应釜下部餐厨垃圾的实时温度，当餐厨垃圾的温度达到185℃时，停止注入饱和蒸汽并保持20-25分钟；随后打开泄压阀开始排汽泄压，当反应釜内的压力降至0.05MPa以下时打开排料阀，排出热水解处理得到的浆状餐厨垃圾；浆状物冷却后进入压滤机进行机械脱水，分别得到脱除液和含水率为45-50％的脱水产物；脱除液进一步经厌氧消化产生沼气。此时完成对含水率为75-80％的餐厨垃圾的综合处理，所制得的脱水产物可用作生物质燃料，而产生的沼气是目前公知的绿色能源。
示例2：
将含水率为80-85％的动物粪便注入反应釜，关闭反应釜进料口，并启动反应釜内的搅拌装置；从蒸汽锅炉由反应釜上部向其内注入1.8-2.0MPa的饱和蒸汽，对反应釜内的动物粪便进行加热；检测反应釜下部动物粪便的实时温度，当动物粪便温度达到170℃时，停止注入饱和蒸汽并保持15-20分钟；随后打开泄压阀开始排汽泄压，当反应釜内的压力降至0.05MPa以下时打开排料阀，排出热水解处理得到的浆状动物粪便；浆状物冷却后进入压滤机进行机械脱水，分别得到脱除液和含水率为40-45％的脱水产物；脱除液进一步经厌氧消化反应产生沼气，随后将产生的沼气用于加热蒸汽锅炉。此时完成对含水率为80-85％的动物粪便的综合处理，所制得的脱水产物可用作生物质燃料，而产生的沼气作为蒸汽锅炉的燃料，降低外购能源需求，节约处理成本。
示例3：
将含水率为85-90％的食品加工厂废渣注入反应釜，同时启动反应釜内的搅拌装置，关闭反应釜进料口；从蒸汽锅炉同时由反应釜上部和下部向其内注入2.1-2.3MPa的饱和蒸汽，对反应釜内的食品加工厂废渣进行加热；检测反应釜中部食品加工厂废渣的实时温度，当食品加工厂废渣的温度达到165℃时，停止注入饱和蒸汽并保持10-15分钟；随后打开泄压阀开始排汽泄压，当反应釜内的压力降至0.05MPa以下时打开排料阀，排出热水解处理得到的浆状食品加工厂废渣；浆状物冷却后进入压滤机进行机械脱水，分别得到脱除液和含水率为43-48％的脱水产物；脱除液进一步进入厌氧消化设备，并经厌氧消化产生沼气。此时完成对含水率为85-90％的食品加工厂废渣的综合处理，所制得的脱水产物可用作生物质燃料，而产生的沼气是目前公知的绿色能源。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。