一种水热碳化处理污泥的方法与流程

本发明涉及城市生活污水处理领域，提供了一种水热碳化处理污泥的方法。

背景技术：

污泥吸纳了众多污水中的有害物质，是污染物的集中聚集地。污泥具有含水率高、易腐败、有恶臭，含有重金属、容易引起致癌致畸致突变等特点。作为城市运行中不可避免的产物，污泥隐患的长期存在，污染了环境的同时严重威胁民众身体健康。

我国的污水处理产业伴随着改革开放起步，历史不长，又受到经济发展水平和环境保护意识薄弱的约束。近年来，虽然污水处理率上有所改善，但“重污水处理，而轻污泥处理”的问题一直没有得到很好的解决：目前我国污水处理厂产生污泥的处理处置现状令人担忧。据环保部统计，我国污泥农用约占44.8％、陆地填埋约占31％、其它方式的处置约占10.5％，没有处置约占13.7％。而这些所谓的“处理”和“处置”基本上是直接施用或填埋，而不是真正意义上的安全处置，符合安全处理处置规定的数量估计不超过10％。污泥处理处置的种种乱象，在众多机构的调研中都得到证实。未规范处置的污泥已经成为土壤和水环境中一个新的环境污染源，很大程度上抵消了污水处理厂净化环境的功效，严重制约了污水处理事业的健康发展。

污泥组成、性质的复杂性决定了其处置的难度，尽管近年来国内外涌现出多种技术，但用“减量化、无害化、稳定化、资源化”四大基本原则衡量，目前各种不同的处理技术往往顾此失彼，很难达到合理的技术经济目标：以占用大量土地资源和几十年消纳周期的填埋、发酵堆肥等工艺很难成为污泥处理的适合选项；污泥热干化和焚烧等技术能源消耗巨大，且存在粉尘、二恶英等二次环境污染的技术风险；厌氧消化和石灰稳定技术仅为中间处理手段，占地面积较大且不能实现污泥“减量化”的最终目标。

水热碳化技术是一种新型的污泥全过程处理处置手段，在湿式环境中，在一定温度和压力下将生物质转化为可进一步用作燃料、肥料等用途的炭基材料，即生物炭。水热碳化技术解决了上述传统处理工艺的各种不足；对场地面积要求小，适合污水厂安装设备，反应周期短，运行稳定，相对效率高，能源消耗小。但水热碳化技术发展时间较短，在处理效率，产品含水率，生物炭性能，余热利用等方法仍有很大提升空间。

技术实现要素：

申请人在引入德国buttmann水热碳化处理技术建造设备，实际运行处理城市生活污水厂污泥(北京、兖州、济宁等地)的基础上中对水热碳化处理工艺进行了进一步优化。实验中，申请人发现，将现有的催化剂种类和添加方式(在进入反应器之前一次性加入浓硫酸)改为两次分步添加(在进入反应器之前加入浓硫酸，在反应进行到中途向反应器中加入浓硝酸)，能较大的改善产物含水率以实现更好的污泥减量效果，并提高有效氮磷含量，降低铬含量。

一方面，提供了一种水热碳化处理城市生活污水厂污泥的方法，包括步骤：

a.污泥收集；

b.将污泥泵送至反应器，期间加入浓硫酸；

c.在反应器中进行水热碳化反应，期间加入浓硝酸；

d.收集产生的生物碳浆。

进一步的方面，该方法中使用的浓硫酸为98％浓硫酸，浓硝酸为80％浓硝酸。

进一步的方面，该方法中使用的浓硫酸加入量为1-1.5％(v/v)，浓硝酸加入量为0.8-1％(v/v)。

进一步的方面，该方法中使用的浓硫酸加入量为1％(v/v)，浓硝酸加入量为1％(v/v)。

进一步的方面，水热碳化温度为150-200℃，压力为15-30bar，时间为60-150分钟。

进一步的方面，水热碳化温度为180℃，压力为25bar，时间为120分钟。

进一步的方面，水热碳化进行到预期反应时间四分之一时加入浓硝酸。

进一步的方法，步骤d中通过泄压系统在保障系统运行压力的条件下收集产生的生物碳浆，期间通过热交换系统接受生物碳浆的热量，所获热量用于通过前热交换系统在步骤b中预热污泥，碳浆通过卸压系统降压后留余压送至缓冲储罐。

进一步的方面，反应器中的压力由污泥泵提供。

进一步的方面，该方法还包括e.板压脱水步骤。

附图说明

附图1是污泥热水碳化处理技术的完整工艺流程框图。图中：1、进料漏斗，2、污泥加压泵，3、前热交换器系统，4、热回收，5、1#催化剂投加点，6、反应器，7、后热交换器系统，8、卸压系统，9、碳浆储仓，10、板框脱水装置，11、废水处理(选择项)，12、1#催化剂投加泵，13、2#催化剂投加泵，14、生物炭导热油炉，15、滤液储罐，16，污泥料仓，a、含水率80％的污泥，b、沉淀物回馈(可选)，c、处理后水返回工厂进水口，d、生物炭饼。

附图2是申请人建造的14000吨年处理能力水热碳化处理设备外观图。

具体实施方式

实施例1城市生活污水厂污泥处理

污泥样本来源：兖州市污水处理厂，生活污水沉淀污泥，含水率约80％。

本发明的处理过程：

a.使用封闭螺旋收集污泥；

b.将污泥泵送至反应器，期间加入98％浓硫酸1％(v/v)并以前热交换系统预热污泥；

c.在反应器中进行水热碳化反应，水热碳化温度为180℃，压力为25bar，时间为120分钟，反应进行到约30分钟时加入80％浓硝酸1％(v/v)，反应器中的压力由污泥泵提供；

d.通过泄压系统在保障系统运行压力的条件下收集产生的生物碳浆，期间通过后热交换系统降温并回收热量；

e.板压脱水得炭饼。

对照处理过程1：

基本处理过程同本发明的处理过程，其中不加入酸催化剂，并调整水热碳化温度至200℃，压力至30bar，时间至150分钟。

对照处理过程2：

基本处理过程同本发明的处理过程，其中仅在步骤b中加入98％浓硫酸2.5％作为单一一种催化剂。

对照处理过程3：

基本处理过程同本发明的处理过程，其中仅在步骤b中加入98％浓硫酸2.5％作为单一一种催化剂，并调整水热碳化温度至200℃，压力至30bar，时间至150分钟。

上述处理过程使用相同的设备，相同的污泥进样量(2.5吨)进行。

实施例2实施例1中各处理方法的效果比较

测定所得炭饼含水率，有效氮含量(碱扩散法)，有效磷含量(钼锑抗比色法)，浸出液中铬含量(六价铬，分光光度法)

结果表明，相比现有的水热碳化方法，本发明的方法能够更有效的降低污泥含水率以更好的实现污泥减量；缩短反应时间(效果好于反应时间较长的对照1和3)；有效提高了产品中有效氮和磷含量以实现更好的肥料效果(即使排除含水率的区别，本发明方法产物的有效氮和磷含量也明显高于对照，这可能是由分步加入两种酸产生的更好破壁分解过程引起)；此外，还发现本发明方法产物铬含量也低于对照(原理尚不明确，推测与不同的碳化聚合过程相关)。本发明的方法在建造和运行费用上与现有水热碳化处理技术并无明显区别(酸种类增多但总体积减少)。