本发明涉及污水处理厂污泥资源化利用领域，具体涉及污泥热水解、污泥热解炭化和能源的综合利用方法。
背景技术：
根据住房城乡建设部统计数据，截至2016年12月底，全国设市城市建成运行污水处理厂共计2248座，每年城镇污水处理厂湿污泥(含水率80％)产生量将达到4000多万吨，每天污泥产生量约9.5万吨，随着污水处理能力提升，污泥量还将大幅增加，预测到2020年，每年我国城镇污水处理厂污泥的产生量将达到6000～9000万吨。城市污水处理厂污泥含水率高，不但运输和集中处理处置难度大，而且污水中50％以上重金属会转移到污泥中，污泥中富集的cr、ni、cu、zn、pb、as、cd等重金属处置不当会污染土壤和地表水，此外，污泥中含有大量难降解的有机物、病原微生物容易腐败变质并发出恶臭性气味，污泥处理不当会造成二次污染，如何安全有效地处置污泥，解决污泥围城问题，成为环境保护及城市可持续发展的热点问题。
当前，污泥处理处置的方法有卫生填埋、污泥焚烧、污泥土地利用和农业利用等，从最终去向来看，垃圾填埋厂仍是我国当前城镇污泥的主要去向，约占到67％，其次是土地利用与建材利用等方式不到10％。污泥的土地卫生填埋简单易行，但存在占用大量的土地资源、可能造成填埋体变形或滑坡、渗滤液收集管线易堵塞、机械压实难，伴有恶臭对周边环境带来影响等。污泥焚烧具有快捷、集中、占地小、污泥减量化、稳定化等特点。目前，污泥焚烧技术在发达国家已成为主流污泥处置技术，但焚烧产生的飞灰为危险废物需安全处置，焚烧产生的二噁英极易造成二次污染，到2016年，美国的污泥焚烧占所有污泥处置技术的比例约22％，日本约68％，欧盟国家约20％-40％，而中国的污泥焚烧比例仅为3％，焚烧在中国推广应用较少的主要原因是焚烧设施建设和运营成本高、公众可接受性差。
为推动城镇污水处理厂污泥处理处置技术进步，明确城镇污水处理厂污泥处理处置技术发展方向和技术原则，最终实现污泥稳定化、无害化、减量化和资源化的处置目标，住房和城乡建设部、环境保护部和科学技术部联合制定了《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》，提出污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化和无害化，鼓励回收利用污泥中的能源和资源，坚持在安全、环保和经济的前提下实现污泥的处理处置和综合利用。
技术实现要素：
本发明提供了一种基于热水解-热解炭化的污泥资源化利用方法，克服了目前针对污水处理厂污泥炭化过程能耗高、污泥生物炭的资源化利用方法不规范的问题，以实现污水处理厂污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化综合利用。
一种基于热水解-热解炭化的污泥资源化利用方法，包括如下步骤：
(1)将污泥存储仓内的脱水污泥输送至污泥预热器；
(2)利用渣浆泵将预热后污泥送入污泥热水解反应釜进行热水解预处理；
(3)将热水解产物经高干污泥压滤机进行固液分离后得到热水解滤液和固体产物；
(4)固体产物经自然堆干、破碎、活化、造粒后经螺旋输送机输送到回转式可控热解炭化炉，经高温快速热解后得到生物炭、焦油和高温废气。
(5)热水解滤液经厌氧发酵产生的沼气作为热解炭化炉的燃料，热解后的高温废气通入污泥预热器预热脱水污泥后经布袋除尘后通入污水处理厂兼氧池脱臭后排放，生物炭可进行资源化综合利用。
污泥的资源化利用是污泥处理处置技术发展的最终趋势，一般以建材利用和土地利用为主，污泥的建材利用主要有制砖、制陶粒等形式，污泥土地利用主要包括污泥农用、园林绿化、林地利用、土壤修复及改良等。污泥热解是将污泥在密闭、无氧、非燃烧和高温条件下炭化，可将污泥中有毒有机物和重金属固定化和稳定化，在热解炭化过程中通过添加不同的活化剂可制备污泥基生物炭，含有大量碳酸根离子显碱性，且表面含有丰富的含氧有机官能团，使污泥生物炭呈负电性，具有一定的阳离子交换能力；污泥生物炭内部结构疏松多孔、比表面积大，是一种良好的吸附材料。因此，通过对污泥热解进而改性制备多功能生物炭，可用于制作多孔砖和吸水砖等建材，还可作为土壤修复剂改良酸性土壤等。
针对污水处理厂机械脱水后的湿污泥(含水率约75-85％)普遍采用的填埋或焚烧等方式处置后容易造成二次污染，本发明为固定化和稳定化污泥中有毒有害物质，回收污泥中的有用物质和能源，实现污泥资源化综合利用，解决污泥的环境隐患问题，采用先进的污泥热水解、高干压榨脱水、热解炭化的工艺技术体系，首先，将污水处理厂经机械脱水后的湿污泥转移到污泥存储仓内，通过带式输送机将湿污泥输送至污泥预热器利用热解炭化炉的高温废气的余热进行预热，进而与高温热水解滤液进行热量交换后预热，然后，用渣浆泵将预热后污泥送入污泥热水解反应釜进行污泥破壁降低粘度，最后，将热水解产物通过螺杆泵输送到高干污泥压滤机进行固液分离后得到热水解滤液和固体产物。
污泥热水解处理能够使污泥的胶体结构和毛细结构破坏，大大改善污泥的沉降性能和脱水性能，通过深度脱水和厌氧消化等后续处理后能实现污泥的稳定化和减量化，厌氧产生的沼气可实现能源利用。
优选地，所述的脱水污泥的含水率约为75～85％，污泥预热器利用高温热水解滤液和热解炭化炉的高温废气与脱水污泥进行热交换来预热污泥，预热后污泥的温度在80～90℃。
优选地，所述的污泥热水解反应釜的反应温度为180～220℃，反应压力为0.4～2.4mpa，反应时间为0.5～4h。进一步优选地，污泥热水解反应釜的反应温度为185～210℃，反应压力为1.8～2.2mpa，反应时间为1～2h。
优选地，热水解反应釜带有螺带螺杆式搅拌器，搅拌速度为50～200rpm。进一步优选地，搅拌速度为80～120rpm。
优选地，所述的热水解产物经高干污泥压滤机脱水后的含水率为30～40％。
优选地，高干污泥压滤机脱水后的污泥经自然堆干后含水率为20～30％。
优选地，回转式可控热解炭化炉的热解温度为600～1050℃，升温速率为5-10℃/min，热解炭化停留时间为0.5-1.5h。进一步优选地，热解温度为800～1000℃，升温速率为7-8.5℃/min，热解炭化停留时间为0.5-1h。
更进一步优选地，污泥热水解反应釜的反应温度为180～190℃，反应压力为1.8～1.9mpa，反应时间为1～1.2h；搅拌速度为80～90rpm；热解温度为800～850℃，升温速率为7-8.5℃/min，热解炭化停留时间为0.5～0.6h。
最优选地，污泥热水解反应釜的反应温度为185℃，反应压力为1.8.mpa，反应时间为1.2h；搅拌速度为80rpm；热解温度为850℃，升温速率为7℃/min，热解炭化停留时间为0.6h。
优选地，所述的活化为堆干后的污泥中投加化学活化剂氢氧化钾和碳酸钾后进行化学活化处理。
优选地，所述的生物炭的资源化利用可根据污泥中重金属的浓度和市场需求等进行二次加工，通过对生物炭与黏土等混合造粒可烧制陶粒，用于陶粒混凝土等建材利用；通过对生物炭蒸气扩孔和酸洗处理后可用于土壤的改良剂和吸附材料；通过将生物炭、骨料和固化剂混合压制可生产免烧结透水炭砖。
作为最优选，所述污泥资源化利用的途径需综合考虑污泥中的污染物成分、污泥农林利用的主要污染物浓度限值、污泥生物炭作为建材原料的经济价值和市场需求等进行二次加工，对于重金属和有毒有害物质不高的污泥，经自然堆干、破碎后，优选地，添加氢氧化钾和碳酸钾等活化剂后，经螺旋输送机输送到回转式可控热解炭化炉进行热解炭化，通过检测分析能满足林地和绿化等环境标准限值的污泥生物炭，可用稀盐酸浸泡清洗后作为废水和废气处理的吸附材料，也可直接用于土壤的改良剂等；对于污泥中重金属含量较高，不能满足土地利用条件，需对污泥中重金属进一步稳定化、固定化，污泥经回转式可控热解炭化炉制备得到污泥生物炭后，可将污泥生物炭作为新型建材的原料，通过与黏土等混合造粒后用于烧制陶粒，可通过生产陶粒混凝土等建材对污泥进行资源化综合利用，还可将污泥生物炭、骨料和固化剂等混合压制生产免烧结透水炭砖，用于海绵城市建设道路的人行道地砖。
与现有污泥热水解、炭化和焚烧工艺相比，本发明具有如下有益效果：
本发明充分发掘了污泥自身储存的潜在能源，并使得污泥得到资源最大化利用，基本实现了依靠污泥自身热值达到能量平衡，热解废气余热得到了回收利用，对废气除尘后通入污水处理厂兼氧池对硫化氢、一氧化碳等气体生物净化后排放。
污泥在热水解反应釜内通过在高温高压条件下能对污泥中的菌胶团进行水解破坏、杀灭病原菌、稳定化污泥中的重金属，通过释放细胞内的水分和有机物，可改善污泥厌氧消化性能和脱水性能，可使得污泥热水解产物在不投加污泥调理剂的情况下利用高干污泥压滤机脱水到含水率30％以下，能提高脱水后污泥的能源利用效率，因而克服了污泥含水率过高和热值低的缺点，减少后续热解炭化所需的燃料消耗。因此，本发明提出的污泥热水解、高干压榨脱水、热解炭化的工艺技术体系具有污泥能源化利用水平高、运行成本低、重金属固定化率高、污泥资源化产品附加值高的优势，能够实现污泥处置过程中稳定化、无害化、减量化和资源化的目标，具有良好的推广应用前景。
附图说明
图1污泥热水解-热解炭化工艺流程图。
具体实施方式
按照城镇污水处理厂污泥处理处置过程的稳定化、无害化、减量化和资源化的目标，为杀灭污泥中病原菌，固定有毒有害重金属，回收利用污泥中的能源，提高污泥最终产品的经济价值，本发明采用污泥热水解、高干压榨脱水、热解炭化的工艺技术体系，通过对污水处理厂脱水后的污泥采用热水解预处理方法来改善污泥脱水性能和厌氧消化性能，对热水解产物利用高干污泥压滤机在不投加污泥调理剂的情况下实现高干脱水，在下一阶段污泥热解炭化中可充分利用热水解后滤液厌氧产生的沼气和低含水率污泥的能源，从而降低热解炭化过程中的能耗和运行成本，进而对热解产物进行二次开发生产污泥生物炭、土壤改良剂、陶粒混凝土和免烧结透水炭砖等。
污泥热水解-热解炭化工艺流程图见图1，首先，将污水处理厂经机械脱水后含水率约80％的湿污泥转移到污泥存储仓内，通过带式输送机将湿污泥输送至污泥预热器，利用高温热水解滤液和热解炭化炉的高温废气与脱水污泥进行热交换来预热污泥使得温度达到80～90℃。
然后，用渣浆泵将预热后污泥送入污泥热水解反应釜，并通过螺带螺杆式搅拌器在搅拌速度为50～200rpm范围内对污泥进行搅拌混合，根据污泥的性状不同将热水解反应釜的反应温度控制在180～220℃，反应压力控制在0.4～2.4mpa，反应时间为0.5～2h，热水解使得污泥中微生物破壁降低粘度，螺带式贴壁搅拌避免物料受热不均导致污泥粘结到热水解筒体内壁的问题，热水解产物经高干污泥压滤机脱水后滤液经厌氧发酵产生沼气，沼气收集并净化后补充作为热解炭化炉的燃料，脱水后的固体产物含水率可降低到30～40％，进一步自然堆干干化后含水率可降到20～30％，然后把干化后的固体产物破碎，添加氢氧化钾和碳酸钾等活化剂混合均匀造粒后经螺旋输送机输送到回转式可控热解炭化炉，控制炭化炉升温速率为5-10℃/min，根据污泥的性质和资源化的途径设定最终的热解温度为600～1050℃，污泥在炭化炉停留0.5-1.5h后得到污泥生物炭，炭化炉排出的高温废气通入污泥预热器预热脱水污泥，然后经布袋除尘后通入污水处理厂兼氧池脱臭后排放。
污泥生物炭除了较高的炭含量外，其内部结构疏松多孔、比表面积大，含有丰富的co32-离子和含氧有机官能团，使得污泥生物炭呈负电性，具有一定的阳离子交换能力，可作为吸附材料和功能材料用于园林绿化、建材原料和水处理吸附材料等。对于重金属和有毒有害物质不高，符合农林用泥质相关的环境标准限值的污泥生物炭，可用于林地和园林绿化的土壤改良剂等；还可对污泥生物炭用稀盐酸浸泡清洗生物炭微孔内的杂质，作为吸附剂用于吸附去除水中的重金属，还作为废气吸收塔的填料用于废气除臭等；对于污泥中重金属含量较高，不能满足土地利用条件，从环境安全角度需对污泥中重金属进一步稳定化、固定化，将污泥生物炭与高岭土等黏土混合造粒后用于烧制陶粒，可作为骨料生产新型的轻质陶粒混凝土；还可将污泥生物炭、砂子和粘结剂等混合压制生产免烧结透水炭砖，用于海绵城市建设道路的人行道地砖。
实施例1
某城镇污水处理厂污泥经机械脱水后含水率为78％，将湿污泥通过预热器预热后温度达到83℃，将预热后污泥送入污泥热水解反应釜，在反应温度为185℃，压力为1.8mpa，反应釜内螺带螺杆式搅拌器在80rpm条件下搅拌反应1.2h放料得到热水解产物，经高干污泥压滤机后含水率降到37％，进一步自然堆干2天后含水率降到28％，然后把干化后的固体产物破碎，添加污泥绝干重量0.2％的氢氧化钾和0.85％的碳酸钾活化剂混合均匀造粒，送入回转式可控热解炭化炉，控制炭化炉升温速率为7℃/min，热解温度为850℃，污泥在炭化炉停留0.6h后得到污泥生物炭，污泥和污泥炭重金属含量检测结果见表1，均满足《城镇污水处理厂污泥处置土壤改良用泥质(gb/t24600-2007)》的要求。此外，对污泥和热水解-热解炭化后制得的生物炭按照《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法(hj/t299-2007)》的方法提取出的浸出液测定了重金属浓度，检测结果见表2，污泥经热水解-热解炭化后浸出重金属浓度有较大幅度下降，其浸出毒性明显降低，表明对污水处理厂污泥通过热水解-热解炭化的处理工艺能实现污泥中重金属的固定化、稳定化和无害化的处置目标，生产的生物炭可作为土壤改良剂用于园林绿化。
表1污泥和污泥炭重金属含量单位：mg/kg
表2污泥和污泥炭浸出液中重金属含量单位：mg/l
实施例2
某城镇和工业混合污水处理厂污泥经机械脱水后含水率为82％，将湿污泥通过预热器预热后温度达到88℃，将预热后污泥送入污泥热水解反应釜，在反应温度为210℃，压力为2.2mpa，反应釜内螺带螺杆式搅拌器在120rpm条件下搅拌反应1.4h放料得到热水解产物，经高干污泥压滤机后含水率降到32％，进一步自然堆干2天后含水率降到26％，然后把干化后的固体产物破碎，添加污泥绝干重量0.1％的氢氧化钾和0.25％的碳酸钾活化剂混合均匀造粒，送入回转式可控热解炭化炉，控制炭化炉升温速率为8.5℃/min，热解温度为990℃，污泥在炭化炉停留1.1h后得到污泥生物炭，将污泥生物炭、砂子和粘结剂按照质量比1：3：0.5的比例混合后压制生产免烧结透水炭砖测定主要重金属的含量，见表3，测试结果表明用污泥制备的免烧结透水炭砖的重金属含量符合城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质(cj/t289-2008)标准。此外，对免烧结透水炭砖按照《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法(hj/t299-2007)》的方法提取出的浸出液测定了重金属浓度，检测结果见表4，相比于污泥生物炭，其浸出毒性也明显降低，表明污水处理厂污泥生产的污泥生物炭与砂子混合压制生产的免烧结透水炭砖能进一步对污泥中重金属进行固定化和稳定化，为实现污泥的资源化提供了可行的技术路线。
表3免烧结透水炭砖重金属含量单位：mg/kg
表4免烧结透水炭砖浸出液中重金属含量单位：mg/l
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。