污泥处理系统及使用其处理污泥的方法与流程

本发明涉及污泥处理系统，更具体地涉及用于处理城镇污水处理厂脱水污泥的污泥处理系统。本发明还涉及使用该污泥处理系统处理污泥的方法。

背景技术

城镇污水处理厂脱水污泥是指城镇污水处理厂在处理过程中产生的污泥，经离心脱水机脱水后，得到一种含固率达到15％～20％的，由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。其特征是含水率高、寄生虫卵、病原微生物含量高，易腐烂，有强烈的臭味。如不加以妥善处理，易造成二次污染。目前污泥的处理技术包括干化、焚烧、填埋和农业利用等。其中水热碳化以其低能耗、有效提高污泥脱水性以及降低污泥生态危害性等优势，成为研究污泥减量化与资源化的热点。《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南(试行)》中也推荐高温高压热水解预处理(thermalhydrolysispre-treatment)。

在现有高温高压热水解预处理技术中，主要有2种路线，一种是60℃～170℃热水解+厌氧消化工艺。利用温度升高来进行微生物细胞破壁，释放有机物，从而提高厌氧消化效率，提供更多热能，从而加热污泥，实现能源循环利用。例如康碧(cambi)公司运用热水解+厌氧消化工艺，得到含固率40％左右的生物碳土。如果污泥最终焚烧处理，需要进一步干化。

另一种是基于美拉德反应的180℃以上温度的水热碳化(hydrothermalcarbonization)。研究发现，当温度超过175℃后，会大幅提高美拉德反应，促使水解的蛋白质的氨基和多糖的醛基发生缩聚反应，生成缩聚氨酸、氨氮及类黑素和腐殖酸等褐色物质，形成高附加值的多功能炭基材料(当前国际上流行的专业名称为水热炭)，可应用于燃料、土壤改良、co2固定、污染物吸附等诸多领域。因此出现了水热碳化(超过180度)+压滤相结合的工艺路线。但水热碳化技术发展时间较短，在工艺性能如处理效率、碳土含固率、产率、炭土性能、能量利用率，装置可靠性，自动化程度等上仍有很大的提升空间。

苏伊士国际公司发表的专利cn106103402a-具有高干燥度的污泥的连续热水解方法、专利cn106795024a-通过水热碳化和过滤干燥方法和干燥装置、cn201680002327-优化能源效率的水热碳化方法和装置，提出了污泥的水热碳化+过滤干燥方法，它是对脱水物料在0.6至3.5兆帕的碳化压力，和在140至300℃的碳化温度下的水热碳化和过滤干燥。其压力和温度范围宽，碳土性能和含固率有待提高，过滤干燥有待优化。

潍坊金原微生物肥料有限公司发表的专利cn201611104585-基于水热碳化的城市污泥处理方法，该方法高温加热后再低温保持，进行水热碳化反应，脱水后于焚烧炉内深度干化，制得干污泥颗粒。其与本发明技术路线、成品均不同。

深圳先进技术研究院发表的专利cn201621176805-一种基于水热碳化的污泥处理系统，该系统针对经脱水机脱水后污水厂污泥处理，先均质，再水热碳化釜反应，分离脱水机脱水，成型机压榨成形，最后干燥机干燥的系统路线。此专利系统与本专利系统原理相似，但技术路线不同。

湖南军信污泥处置有限公司发表的专利cn201611240853-一种污泥热水解产生的高浓度恶臭气体处理的方法与装置,使用s1：热水解臭气洗涤及换热；s2：焚烧除臭；s3：化学洗涤除臭；s4：生物除臭，最后臭气达标排放。与本工艺气体处理线不同。

北京顺鸿金建环境科技发展有限公司发表的专利cn201710151691-一种水热碳化处理污泥的方法、cn201710151692-一种水热碳化处理污泥制备肥料的方法、cn201710151693-一种水热碳化处理污泥制备燃料的方法，其特征在于加入酸催化剂，例如加入浓硫酸、浓硝酸等。浓硫酸和硝酸属于危险化学品，本发明不使用，更安全、经济。因此，本发明与其反应机理不同，工艺路线和装置不同。

技术实现要素：

本发明的目的是提供改进的解决上述问题和缺陷的污泥处理系统和方法。

根据本发明的一方面，提供一种污泥处理系统，包括：

蒸汽发生装置，用于输出蒸汽；一种污泥处理系统，其特征在于，包括：

蒸汽发生装置，用于输出第一压力及第一温度的蒸汽；

热水解装置，与蒸汽发生装置流体密封地连接，以利用蒸汽发生装置输出的蒸汽将热水解装置预热到第二温度，热水解装置还包括污泥接收开口，用于在热水解装置预热到第二温度后接收污泥，并且利用蒸汽发生装置输出的蒸汽使热水解装置内的污泥达到第二压力，温度达到第三温度，进行热水解反应。

通过利用蒸汽发生装置输出的蒸汽将热水解装置预热到第二温度，可使接收的污泥首先通过蒸汽稀释，提高流动性，促进与将接收的污泥加热到第三温度的蒸汽混合均匀，并且由于热水解装置被预热到第二温度，使得接收的污泥更易于被加热到第三温度，使得污泥热水解的温度更精确地控制。

优选地，热水解装置通过设置在底部的喷嘴与蒸汽发生装置流体密封地连接，通过设置在热水解装置中部的污泥接收开口接收污泥，并且在热水解装置内还包括搅拌器，用于在利用蒸汽发生装置输出的蒸汽使污泥达到第二压力，温度达到第三温度过程中，以及进行热水解反应过程中，搅拌热水解装置中的污泥。

喷嘴设置在热水解装置底板，污泥接收开口设置在热水解装置中部，可使得污泥从热水解装置中部的污泥接收开口下落过程中，与向上喷的蒸汽充分接触，促进污泥与蒸汽的混合均匀，促进污泥的加热，使得污泥热水解的温度更精确地控制。搅拌器可促进热水解装置底部的污泥与蒸汽的混合均匀，促进污泥的加热，使得污泥热水解的温度更精确地控制。喷嘴能够以湍流形式在一定速度下快速注入，并且在高速湍流作用下与脱水污泥快速均匀地混合，使污泥快速升温，进行热水解反应。

优选地，热水解装置还包括设置在内部且在喷嘴之上的导流筒，用于与搅拌器配合促进污泥与蒸汽混合均匀。

导流筒可将热水解装置底部的污泥及蒸汽向上循环，并且将热水解装置底部的污泥向下循环，由此促进污泥与蒸汽的上下混合，促进污泥的加热，使得污泥热水解的温度更精确地控制。

优选地，热水解装置还包括设置在内部的多个温度传感器，并且搅拌器的转速可调节，当多个温度传感器的温度不一致时，增大搅拌器的转速以促进污泥与蒸汽混合均匀。

温度传感器的设置可直观地了解热水解装置内污泥的温度分布，当温度分布不均匀时，说明污泥和蒸汽需要进一步混合，此时增大搅拌器的转速可促进污泥与蒸汽混合均匀，使得污泥热水解的温度更精确地控制。

优选地，热水解装置还包括喷嘴冲洗装置，用于在喷嘴被污泥堵塞时冲洗喷嘴。

设置在底部的喷嘴可能被污泥堵塞，喷嘴冲洗装置可及时进行喷嘴及蒸汽管路的清洗，不影响本发明的系统和方法的运行。

优选地，还包括在热水解装置上游的污泥预热罐，在污泥预热罐上游的污泥搅拌装置，以及分别与污泥预热罐及污泥搅拌装置流体密封地连接的低压蒸汽发生器，低压蒸汽发生器使用回收能量加热产生第三压力及第四温度的蒸汽，由此使污泥搅拌装置实现污泥的搅拌以及污泥与蒸汽的初次混合，使污泥预热装置实现污泥与蒸汽的二次混合。

低压蒸汽发生器利用回收能量产生蒸汽，预热污泥搅拌装置，使污泥易于搅拌和输送，低压蒸汽发生器产生的蒸汽也可预热污泥预热罐，使得污泥温度进一步提高，流动性增强，为后序在热水解装置中热水解做好准备，促进在热水解装置中蒸汽与污泥的均匀混合，易于快速达到热水解反应温度，易于热水解温度精确控制。

优选地，还包括在热水解装置下游与热水解装置流体密封连接的脱水干燥装置，用于将热水解后的污泥进行脱水压块，然后在负压下进一步冷却、干燥，得到含固率65％～78％的生物碳土。

热水解后的污泥脱水性能提高，卫生环保，通过脱水干燥装置将热水解后的污泥脱水可之间获得生物碳土产品，该产品可用作肥料，也可作为燃料直接焚烧。脱水干燥装置设置为负压，可使脱水后的生物碳土中的挥发分快速挥发，温度快速下降，有利于生物碳土的稳定，同时进一步去除水分，得到含固率65％～78％的生物碳土。

优选地，脱水干燥装置采用板框压滤机将热水解污泥脱水压块，得到块状泥饼，产生的泥饼掉入下面的冷却传输装置，冷却传输装置包括负压装置，在负压作用下，泥饼进一步冷却干燥。

优选地，还包括恶臭气体处理装置，包括高压管路和常压管路，高压管路一端流体密封地连接到热水解装置，另一端流体密封地连接到汽水分离塔，气体从气水分离塔的水封冒出后进入化学反应塔进行化学处理，常压管路一端流体密封地连接到污泥处理系统的处于常压或负压下的除热水解装置之外的装置流体密封地连接，负压装置将收集的臭气排放到气水分离塔，气体从气水分离塔的水封冒出后进入化学反应塔进行化学处理。

根据本发明的污泥处理系统和方法根据恶臭气体压力的不同分开处理，提高了恶臭气体处理效率，最大可能地消除了恶臭气体，改善了环境，减少了污染。

优选地，还包括能量回收装置，其用于从由热水解装置经管道输出的热水解的污泥回收能量。

优选地，能量回收装置包括串联连接的多级热交换网，每一级热交换网包括冷却水管，由此每一级提供具有不同温度的回收能量后的冷却水，所述回收能量后的冷却水能够根据其温度用于蒸汽发生装置、低压蒸汽发生器或冲洗水系统的供水，以节约能量及用水量。

优选地，在从热水解反应器输出热水解污泥的管道经过能量回收系统之后的位置处，还包括热水解污泥排放泵，用于将热水解污泥排放到下游的脱水干燥装置，所述排放泵设置为使从管道输送的污泥经过排放泵后压力降低。

优选地，所述排放泵包括高压侧和低压侧，该泵的高压侧与从热水解反应器输出热水解污泥的管道相连，其低压侧与脱水干燥装置相连。

通过将所述排放泵设置为高压侧与从热水解反应器输出热水解污泥的管道相连，其低压侧与脱水干燥装置相连，高温高压的热水解污泥经过排放泵之后压力下降，甚至达到负压力，使得生产更安全，促进排出的热水解污泥中挥发分的挥发，快速降温，有利于随后获得的生物碳土的稳定性。

优选地，所述污泥为城镇污水处理厂脱水污泥。

优选地，第一温度为230℃～250℃，第二温度为180℃～230℃，第三温度为180℃～230℃，所述第一压力为30bar～40bar，第二压力为15bar～28bar。

优选地，第四温度为60℃～90℃，第三压力为常压压力。

优选地，所述蒸汽发生装置产生高温高压蒸汽或者接入外部蒸汽。

根据本发明另一方面，提供一种使用前述权利要求中任一项所述的系统处理污泥的方法，包括以下步骤：

启动蒸汽发生装置，使其能够输出第一压力及第一温度的蒸汽；

将蒸汽发生装置与热水解反应器流体密封地连接，利用蒸汽发生装置输出的蒸汽预热热水解反应器至第二温度，热水解装置还包括污泥接收开口，用于在热水解装置预热到第二温度后接收污泥，并且利用蒸汽发生装置输出的蒸汽使热水解装置内的污泥达到第二压力，温度达第三温度，进行热水解反应。

优选地，热水解装置通过设置在底部的喷嘴与蒸汽发生装置流体密封地连接，通过设置在热水解装置中部的污泥接收开口接收污泥，并且在热水解装置内还包括搅拌器，用于在利用蒸汽发生装置输出的蒸汽使污泥达到第二压力，温度达第三温度过程中，以及进行热水解反应过程中，搅拌热水解装置中的污泥。

优选地，使用导流筒与搅拌器配合促进污泥与蒸汽混合均匀。

优选地，利用设置在内部的多个温度传感器监测温度，并且搅拌器的转速可调节，当多个温度传感器的温度不一致时，增大搅拌器的转速以促进污泥与蒸汽混合均匀。

优选地，设置喷嘴冲洗装置，用于在喷嘴被污泥堵塞时冲洗喷嘴。

优选地，还包括在热水解装置上游设置污泥预热罐，在污泥预热罐上游设置污泥搅拌装置，以及设置分别与污泥预热罐及污泥搅拌装置流体密封地连接的低压蒸汽发生器，低压蒸汽发生器使用回收能量加热产生第三压力及第四温度的蒸汽，由此使污泥搅拌装置在搅拌污泥时通入第三压力及第四温度的蒸汽，实现污泥与蒸汽的初次混合，使污泥预热装置通入第三压力及第三温度的蒸汽实现污泥与蒸汽的二次混合。

优选地，还包括使用脱水干燥装置将热水解后的污泥进行脱水压块，然后在负压下进一步冷却、干燥，得到含固率65％～78％的生物碳土。

优选地，脱水干燥装置采用板框压滤机将热水解污泥脱水压块，得到块状泥饼，产生的泥饼掉入下面的冷却传输装置，冷却传输装置包括负压装置，在负压作用下，泥饼进一步冷却干燥。

优选地，还包括使用恶臭气体处理装置将热水解装置排出的恶臭气体流体密封地连接到汽水分离塔，气体从气水分离塔的水封冒出后进入化学反应塔进行化学处理，将污泥处理系统的处于常压或负压下的除热水解装置之外的装置排出的恶臭气体利用负压装置收集并排放到气水分离塔，气体从气水分离塔的水封冒出后进入化学反应塔进行化学处理。

优选地，使用能量回收装置从由热水解装置经管道输出的热水解污泥回收能量。

优选地，能量回收装置包括串联连接的多级热交换网，每一级热交换网包括冷却水管，由此每一级提供具有不同温度的回收能量的冷却水，所述回收能量后的冷却水能够根据其温度用于蒸汽发生装置、低压蒸汽发生器或冲洗水系统的供水，以节约能量及用水量。

优选地，在从热水解反应器输出热水解污泥的管道经过能量回收系统之后的位置处，设置热水解污泥排放泵，用于将热水解污泥排放到下游的脱水干燥装置，所述排放泵设置为使从管道输送的污泥经过排放泵后压力降低。

优选地，所述排放泵包括高压侧和低压侧，该泵设置为高压侧与从热水解反应器输出热水解污泥的管道相连，低压侧与脱水干燥装置相连。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明提供了一种污泥处理系统和方法，可以把含固率15％～20％的脱水污泥处理成含固率65％～78％的黑褐色生物碳土，由此：

1)使体积缩小为原来的1/3到1/4，减少了运输量，降低了污泥处理费用；

2)湿漉漉的脱水污泥有异味，特别是发酵后，异味更大，运输时，泥和气味容易漏出，造成周边环境污染。处理成黑褐色生物碳土后，是干燥的土，运输方便，不泄露，而且通过臭气处理后，气味小，微生物彻底杀死，卫生性好；

3)含固率大于65％的生物碳土可以使用回转窑等直接燃烧，不需要二次干化；

4)生物碳土的有机物含量高，当重金属不超标时，是一种很好的农业肥料。

(2)热水解反应器的加热没有采用直接加热，而是使用蒸汽混合加热，虽然增加了水解污泥的含水量，但在热水解反应器的作用下，使得水解污泥更容易搅拌，流动性更好，分布更均匀，温度更好控制。

(3)本发明由于热水解反应器的设计使得热水解反应能够充分完全进行，无需使用强酸作为催化剂，安全，环保，减少了系统的腐蚀，降低了泥线的材质要求，降低了材料费用。

(4)相对于二次干化装置，本发明通过四级能量回收，能耗降低为二次干化装置的1/3，节约了能源，虽然低于二次干化装置产品90％的含固率，但本发明的碳土已经达到燃烧要求。

(5)本发明中压滤机出来的生物碳土通过搅碎运输装置，输送到运输车。同时，产生的气体借助负压风机产生的负压，输送到恶臭气体处理系统进行处理。此过程具有以下特征：温度较高(50℃～60℃)的生物碳土在传送装置上与负压风机作用下的空气对流蒸发，降到常温，加快了生物碳土挥发份的挥发，降低了生物碳土残留的挥发份，有利于生物碳土的稳定。挥发出的恶臭气体和蒸汽在密闭的传送装置上，不会泄露，不危害环境；出来的生物碳土挥发份少，恶臭气体少，有利于恶臭气体的运输，减少环境污染，同时含固率进一步提高，增加1％左右。

(6)本发明提供了不同恶臭气体收集处理系统。其针对高温高压恶臭气体a和一般恶臭气体b的不同特点，区别对待,分开处理。汽水分离后，再混合。

本发明的高温高压恶臭气体收集处理管线包括汽水分离塔、化学反应塔、生物反应塔、活性炭吸附装置、烟囱及其管路和阀门。

本发明的常温常压恶臭气体处理管线包括负压收集风机、汽水分离塔、化学反应塔、生物反应塔、活性炭吸附装置、烟囱及其管路和阀门。

由此具有以下特点：

1)利用汽水分离塔中的水截留大部分的污染物，使污染物溶解到水中，然后排出浓液，其与压滤机滤液污染种类相同。因此，可以与滤液一起处理。当进气量或恶臭气体量增加时，增加进水量即可。此方法成本低，效果好，控制方便；

2)汽水分离塔、化学反应塔和生物反应塔，三塔联合处理，能有效去除污染物，使气体达标排放。为保证可靠性，排放前，设置活性炭吸附。特别是，事故状态时，能短时吸收大量污染物，提高了系统可靠性。

(7)本发明提供了冷却水系统和冲洗水系统。冷却水便于设备的能量回收、水解污泥的逐步冷却。冲洗水系统对于装置的停机清洗，意义重大，清除了装置内残留的污泥，避免了装置的堵塞，减少了系统的腐蚀，延长了装置的寿命，为下次的启动提供了保障，为机器的安全运行创造了条件。

(8)本发明的污泥处理系统和方法自动化程度高，运行控制简单，连续性好，便于工业化生产，污泥泄露点少，污泥不易堵塞，厂区清洁性高。而且结构紧凑，占地小，能耗低(相对于干化)，性价比高。

(9)本发明提供的污泥处理系统和方法通过电动和气动阀门来实现自动化控制，节约了人力资源，运行操作简单。

附图说明

图1为本发明的工艺原理图；

图2为污泥储存和预热系统、污泥热水解系统和能量回收系统工艺流程图；

图3为脱水干燥系统工艺流程图；

图4为污泥排放泵的放大图；

图5为根据本发明的实施例的系统得到的生物碳土产品，为破碎的薄生物碳饼；

图6为根据本发明的实施例的系统生产的产品：含固率78％的生物碳饼。

图7为根据本发明的实施例的恶臭气体处理系统的示意性框图。

具体实施方式

图1为根据本发明的污泥处理系统的示意图。从图1中可见，污泥处理系统包括5个工艺子系统,分别是污泥水解系统、能量回收系统、脱水干燥系统、恶臭气体处理系统和冲洗水系统，下面参照图1分别进行介绍。

污泥水解系统：包括污泥存储池11、污泥输送泵12、污泥搅拌机13、污泥预热罐14、污泥进料泵15及热水解装置21。

含固率15％～20％的污水处理厂脱水污泥储存到污泥储存池，使用专业密封污泥车运输到污泥储存池11，通过污泥储存池底部搅拌器进行搅拌混合，然后经污泥输送泵12输送到高位的污泥搅拌机13，其中，污泥搅拌机13为动力污泥搅拌机，使用带有双螺旋轴、反向切割的斜面和可调整的螺旋桨可使得污泥搅拌均匀。污泥搅拌机13安装有蒸汽进管，污泥与蒸汽在此初次混合，预热到60℃～90℃，然后污泥掉入污泥预热罐14，与蒸汽二次混合(主要混合)，通过手动进汽阀控制出口污泥温度到t0(60℃～90℃)，用污泥进料泵15输送泥水混合物到热水解装置21，同时，蒸汽发生器装置22或外部热源来的高温高压蒸汽(例如热电厂)，从底部进入热水解反应器21，在热水解装置21中使用蒸汽进一步加热到180℃～230℃，压力达到15bar～28bar，通过泥汽混合加热，进行热水解，在热水解之后形成温度t1(180℃～230℃)，压力p1(15～28bar)的水解污泥。

能量回收系统：是为了对污泥水解系统进行冷却降温，回收污泥水解系统的能量。能量回收装置的管内走水解污泥，管外走冷却水。能量回收装置主要进行热交换和热回收，分为四级回收，换热设备均为管式换热器，水解后的泥水经四段能量回收装置31,32,33,34和35进行降温，最终降到70℃～80℃，压力小于0.5bar，含固率在10％左右的水解污泥，储存于水解污泥储存罐中。水解污泥先进入一级热交换网31，水解污泥温度t2＝t1-10左右，压力p2≈p1。然后，进入蒸发器32，继续换热降温，出口温度t3＝t2-50左右，压力p3＝p2-0.1左右。蒸发器32为低压蒸汽发生器，本文特指用高温水解泥作为热源供低压系统使用的蒸汽发生装置。然后进入二级热交换网33，继续冷却降温，出口温度t4＝t3-25左右，压力p4＝p3-0.1左右。进入34三级热交换网a，继续冷却降温，出口温度t5＝t4-10左右，压力p5＝p4-0.1左右。进入35三级热交换网b，出口温度t6＝t5-25左右，小于100度，压力p6＝p5-0.1左右。

能量回收装置中的冷却水来源于厂区工业水。一路工业水经低温冷却水泵66加压，进入35三级热交换网b，经换热后，温度达到60度左右，进入热水箱67，作为冲洗水源。

一路工业水经除盐水制备装置61除盐，储存于除盐水箱62。一部分除盐水经中温补给水泵64加压，进入34三级热交换网a，经逆流换热后，出口水温上升到95度以上，作为蒸发器32冷却水的进水，继续换热升温，超过100度，产生大量蒸汽，进入污泥搅拌机13和污泥预热罐14，给脱水污泥预热。多余的水进入热水箱67。另一部分除盐水经锅炉补给水泵63打压，进入二级热交换网33，出水再进入一级热交换网31,经换热后，其出口水温接近t2，温度很高，进入蒸汽发生器装置22，作为22的水源，减少加热的能量。

冷却水经过四段不同的利用后，对能量进行了有效回收和充分利用。

水解污泥经过能量回收系统后排出进入下面的脱水干燥系统。

脱水干燥系统：把水解污泥储罐中的水解污泥输入压滤机，进行压滤脱水，得到50℃～60℃左右的热生物碳土，再经过负压降温蒸发，最终得到含固率65％～78％的黑褐色生物碳土。其可以用作燃料、建筑原料、农业肥料等。能量回收系统来的水解污泥经输出水解污泥的管道出口排出时温度小于100度，压力约p6＝p1-2，经污泥排放泵40降压至小于0.5bar以后进入水解污泥储存塔41。水解污泥储存塔41中水解污泥温度在70℃～80℃，p7为常压，含固率ds在10％左右。用板框压滤机进料泵42输送进压滤装置43，一段时间压榨后，得到50℃～60℃左右的热生物碳土，滤液进入滤液处理系统进行处理(不在本发明范围)。本发明选用板框压滤机，得到块状泥饼。产生的泥饼掉入下面的冷却搅碎传输装置44，在负压和动力搅碎作用下，加快了泥饼中水分和恶臭气体的挥发，使泥饼冷却、进一步干燥，然后输送到储存斗，可以得到含固率65％～78％的生物碳土。为了进一步处理，进入下面的运输车，可以运输到电厂作为燃料，运到水泥厂作为建筑原料、运到农田作为肥料等。

其中，污泥排放泵40经过特殊设计，除输送水解污泥外，还起到降压作用，把泵出口压力降到0.5bar以下。图4是污泥排放泵40的放大图，如图4中所示，污泥排放泵40包括污泥进口401和污泥出口402，该污泥排放泵40是正常泵的倒置，污泥进口401为正常泵的出口，即高压侧，而污泥出口402为正常泵的进口，即低压侧，污泥进口401连接到输出水解污泥的管道出口连接，污泥出口402与脱水干燥系统连接。经能量回收后的热水解污泥通过该排放泵40排出，出口402侧的压力降到0.5bar，由此可使排出的热水解污泥中的挥发分快速挥发，降到常温，降低了生物碳土残留的挥发份，有利于生物碳土的稳定。

冷却搅碎传输装置44是在密封、负压的环境下，使用带有双螺旋轴、反向切割的斜面和可调整的螺旋桨来搅碎泥饼，从而加快了泥饼中水分和恶臭气体的挥发，使得生物碳土的无恶臭气味，同时，干燥度进一步提高。

热水解、脱水干燥系统的材质全部采用304l不锈钢，以降低腐蚀和磨损。

恶臭气体处理系统：用于去除处理过程中的恶臭气体，包括a线和b线，a线用于去除热水解反应器22在反应过程中产生的高温(大于100度)高压(压力大于15bar)高浓度的的恶臭气体，b线用于去除其他系统产生低温、低压、低浓度的一般恶臭气体b。图7中示出了根据本发明的实施例的恶臭气体处理系统的示意性框图。

热水解过程中，产生大量刺激性恶臭气体，其主要成分为硫化氢、氨、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳，为了处理这些气体，需要收集、处理。因为本发明系统有高温高压气体和常温常压气体(常温常压气体)，针对这2种气体的特点，提出了先区分，再综合的处理路线，如图7中所示。

其中，一般恶臭气体先通过负压收集风机51收集，再鼓入汽水分离塔52进行汽水分离和溶解吸收；高温高压恶臭气体直接鼓入汽水分离塔52进行汽水分离、溶解吸收和降温(20～40℃)，然后汇合进入化学反应塔53、生物反应塔54进行反应去除。最后经过活性炭吸附装置55的安全保证，使出来的气体达到《恶臭污染物排放标准》gb14554-1993中排气筒高度为15米时排放限值及厂界为一级标准，和《大气污染综合排放标准》(gb16297-1996)中排气筒高度为15米时对应的一级标准。

对于a线，压力大于15bar,温度大于100度，含有大量水蒸汽，因此，可以在管内压力下进入汽水分离塔52-a进行汽水分离，使气体从水封上冒出，进入化学反应塔53。此时，出来的恶臭气体温度降到20℃～50℃。同时，利用流动的水，去除恶臭气体中污染物。

对于b线，我们使用负压收集风机51产生负压，来收集所有其他恶臭气体，恶臭气体温度低，含有水分，但湿度比线a低很多，因此，进入汽水分离塔52-b，除汽水分离外，主要是利用流动的水，去除恶臭气体中污染物。气体从顶上冒出，也进入化学反应塔53。

此时，留在汽水分离塔52中的水截留了大部分的污染物，变成白色，乳状，有强烈刺激性气味的液体。因此，需要一边进恶臭气体，一边进工业水，一边排出高浓度废液，废液与滤液污染种类相同，因此，把这些废液排入滤液处理系统，和滤液一起处理(不在本发明范围)。

进入化学反应塔53的恶臭气体与化学药剂进行反应，生成各种不溶性的沉淀和可溶解的盐类，达到一定比例，定时排入滤液处理系统。经过汽水分离塔52的分离和化学反应塔53的反应，所含的刺激性成分去除了95％以上，为后续处理减轻了负担。

处理后的恶臭气体进入生物反应塔54。利用微生物对恶臭气体中的硫化氢、氨、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳等进行转化。确保排放的恶臭气体达到《恶臭污染物排放标准》gb14554-1993中排气筒高度为15米时排放限值及厂界标准，和《大气污染综合排放标准》(gb16297-1996)中排气筒高度为15米时对应的一级标准。最后，为保证恶臭气体事故达标排放，使用活性炭吸附装置55进行吸附。

冲洗水系统是为了保证系统和装置的干净、清洁，防止堵塞和腐蚀，而对系统冲洗。主要包括放空管线和水解泥线上的进水管线。一种是为了压滤装置和运输装置的清洗；另一种是为了停机后的清洗。因为泥容易污染、堵塞，因此建议使用热水作为冲洗水，当热水不够时，可以先使用冷水冲洗，然后使用热水冲洗。高压冲洗水泵69的出水只去热水解反应器。其他冲洗都使用低压冲洗水泵68的出水。

由此我们可看出，本发明没有使用强酸作为催化剂，安全，环保。反应器的加热也没有采用直接加热，而是使用蒸汽作为热源，虽然增加了水解污泥的含水量，但在热水解反应器21的作用下，使得水解污泥更容易搅拌，流动性更好，分布更均匀。相对于二次干化装置，本发明通过四级能量回收，能耗降低为二次干化装置的1/3，节约了能源，虽然低于二次干化装置产品90％的含固率，但本发明的碳土已经达到燃烧要求。

图2为污泥储存和预热系统、污泥热水解系统和能量回收系统工艺流程图；图3为脱水干燥系统工艺流程图，下面参照图2和图3详细描述根据本发明的污泥处理系统的生产过程及操作方法。本系统的运行一般包括三个阶段：启动预热阶段、生产阶段和停机冲洗阶段。为了清楚的表示本发明工艺的优越性、工业化生产特性、厂区的清洁性和能源的高效利用，下面分别从这三个工艺阶段进行描述。

启动预热阶段：

检查整个系统，确保阀门、设备的正确性、可操作性。

进行启动预热。

首先，让蒸汽发生器装置22产生高温高压蒸汽或者接入外部蒸汽，保持压力在30bar，温度在230度到250度。然后，打开冲洗水系统，进入热水解反应器21，此时，打开气动阀门v114和v115。当水位到既定液位后，打开蒸汽阀v212、v213、v215、v217，注入蒸汽，进行升温，直到180℃～230℃。

然后打开v211、v314、v315、v318、排放泵40-a和40-b和v413，排入管沟。一方面，可以清洗管路，另一方面，可以检查设备完整性和控制系统的可操作性。

打开冷却水系统，打开阀门v312和v111、v112，利用蒸发器32产生蒸汽，预热污泥，当出口污泥温度到t0(60℃～90℃)后，关闭热水解反应器21的进水，关闭气动阀门v114和v115。

启动预热阶段结束，可以进入生产阶段。

生产阶段：

本发明按运行生产顺序介绍，因此，按照5个子系统、管道和阀门进行介绍。

首先进行储存与预热。污泥储存池11中的脱水污泥一般含固率ds(dryness)为15％～20％。开启搅拌器m11和m12，对污泥储存池11底部污泥进行搅拌，然后开启污泥输送泵12输送污泥到高位的污泥搅拌机13，污泥搅拌机13装有蒸汽进管p113，蒸汽进管p113与蒸发器32相通，保持v111开启，污泥与蒸汽初次混合，从污泥搅拌机13的最前端孔洞进入污泥预热罐14，污泥预热罐14也有蒸汽进管p114，蒸汽进管p114与蒸发器32相通，保持v112开启，搅拌器m14和m15开启，污泥与蒸汽进行二次混合，二次混合是主要混合，升温设备。通过手动进汽阀v111、v112控制出口污泥温度到60℃～90℃，启动污泥进料泵15，打开阀门v113和v115，通过p115管道输送泥水混合物到热水解反应器21，进行热水解。

泥水从中部位置进入热水解反应器21。同时，来自蒸汽发生装置22的高温高压蒸汽一直从底部位置进入热水解反应器21，与泥水混合，打开搅拌器m21搅拌，热水解反应器21内的污泥最终压力达到15～28bar,温度达到180℃～230℃，提高了污泥的美拉德反应，形成水解污泥。热水解反应完成后，打开气动阀v211，在热水解反应器21内压力(15～28bar)下,水解污泥从管道p211进入能量回收装置。

如图2中21所示，热水解反应器21为圆柱形装置，中间有搅拌装置。根据本发明的热水解反应器21能够使污泥和蒸汽混合均匀，并且能够精确控制热水解温度，这通过以下的一个或多个特征的组合实现：

1)热水解反应器21的搅拌器m21安装在热水解反应器21的顶部，桨叶设置在反应器内部中下部位置，而且在反应器内部中下部位置；

2)与搅拌器m21的桨叶相邻配置有圆形导流筒(图中未示出)；

3)蒸汽从底部两处喷嘴进入，进入点在导流筒底部之下；

4)脱水污泥从热水解反应器21的中部一侧进入；

5)利用搅拌器的搅动和推流通过导流筒，实现一定强度的上下循环流动，从而使反应器中部进入的脱水污泥与从底部进入的高压蒸汽混合均匀；

6)高压蒸汽通过喷嘴进入热水解反应器21，该喷嘴能够以湍流形式在一定速度下快速注入，并且在高速湍流作用下与脱水污泥快速均匀地混合，使污泥快速升温，进行热水解反应；

7)该喷嘴及与其相连的进汽管路还包括污堵清洗装置，其包括高压泵和冲洗管，在根据本发明的污泥处理系统运转过程中，当蒸汽喷嘴产生污堵时，进汽量会减小，因此热水解反应器21温度低于设定值，这时需要冲洗蒸汽进汽管路及喷嘴，首先开启高压泵，使冲洗管内压力达到30bar，然后打开气动阀v215，冲洗进汽管路和喷嘴，冲洗完成后，关闭阀门v215；

8)为实现精确控温及泥汽充分混合，在反应器内不同高度/位置还设置有3个温度传感器，若3个温度传感器数值不一样，则需要调大搅拌器转速，搅拌器的转速在50-200rpm范围内；

9)圆柱形热水解反应器的高径比优选设置为4-5，该高径比更适于污泥与蒸汽均匀混合，能够精确控制温度，有利于热水解反应的充分进行。

在热水解装置中，由于使用蒸汽与污泥充分混合进行污泥加热，使得水解污泥流动性更好，通过将污泥从热水解反应装置中部进入，并且设置搅拌器，并且从热水解反应装置底部通入蒸汽，加之导流筒所带来的上下循环流动效果，使得污泥与蒸汽的混合更均匀，污泥的温度更均匀，污泥热水解温度精确控制，热水解反应充分，无需加入化学试剂，安全，环保，成本效益高。污泥在进入热水解反应装置中之前在污泥存储罐中使用蒸汽进行预热以及在污泥搅拌装置中利用回收能量的预热，也提高了污泥的流动性及搅拌性，促进了污泥在热水解反应装置中的充分热水解。通过将热水解装置经由蒸汽发生装置预热，使得接收的污泥被稀释，更易于与蒸汽混合均匀达到热水解温度，通过使用蒸汽与污泥混合进行污泥加热，使得水解污泥流动性好，分布均匀，温度控制精确，热水解反应充分，无需加入化学试剂，安全，环保，成本效益高。

污泥在热水解反应器21中充分反应之后，从热水解反应器21排出，经过能量回收系统。水解污泥从管道p311进入一级热交换网的管式换热器31，进行换热，然后进入蒸发器32。其中水解污泥走管内，冷却水管p318走管外，冷却水出水升温到180度以上，作为蒸汽发生器水源，节约蒸汽发生器能量。冷却水来自二级热交换网33的冷却水管p318。

然后，水解污泥经蒸发器32换热降温后，出口温度下降50度左右，经管p319进入二级热交换网33的管式换热器33-1。其中水解污泥走蒸发器管内，冷却水走管外，冷却水来自三级热交换网34的冷却水，冷却水被加热到100度以上，产生蒸汽，进入污泥搅拌机13和污泥预热罐14，剩余部分冷却水进入热水箱67。

然后，水解污泥经管p319进入二级热交换网33的管式换热器33-2。继续冷却降温，从入口到出口下降25度左右，进入三级热交换网34。其中，水解污泥走管内，冷却水管p318走管外，冷却水来自蒸汽发生器补水泵63，经换热后，作为一级热交换网31冷却水的进水。

保持v314全开状态，水解污泥经管p321进入34三级热交换网a的管式换热器34-1、34-2。水解污泥继续冷却降温，下降10度左右，进入35三级热交换网b。其中，水解污泥走管内，冷却水管p315走管外，冷却水来自中温冷却水泵64，换热后，冷却水管p315出水进入蒸发器32。

保持v315全开状态，水解污泥经管p322进入35三级热交换网b的管式换热器35-1、35-2。水解污泥继续冷却降温，下降25度左右，出口温度小于100度。其中，水解污泥走管内，冷却水走管外，冷却水来自低温冷却水泵66，换热后，出水进入蒸发器32。

再下来，经能量回收的污泥进行脱水干燥。保持v318和v413全开状态，开启污泥排放泵40-a和40-b开启状态，经管p322、p323、p324、p325和p412进入水解污泥储存塔41。水解污泥温度由90℃左右降到70℃～80℃，压力通过污泥排放泵由15bar以上降到0.2bar左右，含固率ds在10％左右。开启阀门v415和压滤机进料泵42，输送水解污泥进压滤装置43，压榨完成后，得到50℃左右的热生物碳土，滤液经管道p414排入滤液处理系统，进行处理(不在本发明范围)。本发明选用板框压滤机，得到块状泥饼。产生的泥饼掉入下面的冷却传输装置44，在负压作用下，加快了泥饼中水分和气体的挥发，使泥饼冷却、进一步干燥，然后输送到储存斗，可以得到含固率65％～78％的生物碳土。为了进一步处理，掉入下面的运输车，拉走进行再利用。每批次泥饼收集后，压滤机43和运输装置44需要高压水冲洗，如图4所示，利用高压冲洗水泵69来的热水，冲洗压滤机43和运输装置44，清洗效果好，废水排入滤液处理系统。

根据本发明该实施例的污泥处理系统还包括恶臭气体处理装置，用于在生产过程中进行恶臭气体处理阶段，该恶臭气体处理装置包括高温高压的恶臭气体管线a线和常温常压的恶臭气体处理管线b线。对于高温高压恶臭气体处理关系a线，只来源于污泥水解反应器21的管p214，其压力大于15bar,温度大于100度，含有大量水蒸汽和有机物，因此，可以在管内压力下进入汽水分离塔52进行汽水分离，打开v501，气体从水封上冒出，经管p512进入化学反应塔53。此时，出来的气体温度降到20℃～50℃。

对于常温常压恶臭气体处理管线b线，我们使用负压收集风机51产生负压，通过管p118和p415来收集所有其他气体，常温常压气体温度低，含有较少水分，因此，也需要进入汽水分离塔52，除汽水分离外，主要是利用水，去除气体中污染物。然后，打开v501，气体从水封上冒出，经管p512进入化学反应塔53。

此时，留在汽水分离塔52中的水截留了大部分溶解污染物，变成了白色，乳状，有强烈刺激性气味的液体。因此，需要一边进气体，一边进工业水，一边排出废液，其与滤液污染种类相同。因此，把这些废液排入滤液处理系统，和滤液一起处理(不在本发明范围)。

经管p512进入化学反应塔53的气体，与化学药剂进行反应，生成各种不溶性的沉淀和可溶解的盐类，达到一定比例，定时定量排出。经过汽水分离塔52的分离和化学反应塔53的反应，所含的刺激性成分去除了95％以上，为后续处理减轻了负担。

打开v502，气体经管p515进入生物反应塔54。利用微生物对气体中的硫化氢、氨、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳等进行转化。然后，打开v503，经管p518进入活性炭吸附装置55进行吸附，最后，经p519管和风机56，通过烟囱达标排放。

停机冲洗阶段：

当我们需要停机检修时，还需要进行停机冲洗阶段，确保本装置内洁净，不堵塞。

停机即停运装置，保持所有设备关闭状态，关闭阀门。在此之前，保证设备内污泥和水解污泥排空。

在停机冲洗阶段中，首先，打开气动阀v116，冲洗污泥储存池11，再开启污泥输送泵12和污泥进料泵15、搅拌器m11、m12和m13，冲洗水进入污泥搅拌机13，污泥预热罐14，然后从p116排出，清洗完成后，关闭阀门和设备，排空残留液体。此过程清洗了冲洗污泥储存池11、污泥搅拌机13和污泥预热罐14。

打开气动阀v114、v115，关闭v113，保持进蒸汽阀关闭，清洗热水解反应器21，打开气动阀v211，从p331排出。清洗完成后，关闭阀门和设备，排空残留液体。此过程清洗了热水解反应器21。

打开阀v311，关闭v314和v211，清洗一级热交换网31，从p331排出。清洗完成后，反向冲洗，不从p331排出，打开v314和v315，从p337排出，清洗蒸发器32、二级热交换网33和三级热交换网a34。清洗完成后，关闭阀门和设备，排空残留液体。此过程清洗了一级热交换网31、蒸发器32、二级热交换网33和三级热交换网a34。

打开阀v316、v315、v318、v413，开启排放泵40，从p432排出。清洗完成后，关闭阀门和设备，排空残留液体。此过程清洗了三级热交换网b35、排放泵40、水解污泥储存塔41。

打开阀v415、压滤机进料泵42，从p414排入滤液系统。清洗完成后，关闭阀门和设备，排空残留液体。此过程清洗了压滤机管路。

至此，所有设备均冲洗干净，停机冲洗过程结束。

从这三个工艺阶段控制的描述，我们可以看出本工艺自动化程度高，运行控制简单，连续性好，便于工业化生产，污泥漏出点极少，厂区清洁性高。

下面为根据本发明的该优选方法和装置在实际中的应用实例。

实例1:河北省某污水处理厂脱水污泥水热碳化(htc)及脱水干燥项目

污泥样本来源：河北省某污水处理厂脱水污泥，含固率ds:16％左右，挥发性固体vs(volatilesolid):70％左右。

处理过程：按本发明装置处理。控制反应温度185℃～210℃，反应压力16bar～23bar,得到污泥储存罐中水解污泥的含固率ds为8.5％～9.5％。经板框压滤，冷却蒸发，最终得到的生物碳土的ds为65％～78％。

表1为该工程不同温度下的运行记录。

图5为该装置得到的生物碳土产品，为破碎的薄生物碳饼。

图6为该装置产品：含固率78％的生物碳饼。

表1.该工程在不同反应温度下的运行记录

应注意的是，所述的实施方式仅是示例性的，不应为是对本发明的限制，在多个实施方式中的特征可组合使用来获得本发明的更多的实施方式，本发明的范围仅由所附权利要求限定。可对所述的实施方式作出多种变形形式和改进形式而不偏离本发明的范围。

附图标记说明

储存和预热装置有：11是脱水污泥储存池，12是污泥输送泵，13是污泥搅拌机，14是污泥预热罐，15是污泥进料泵；

热水解装置有：21是热水解反应器，22是蒸汽发生器装置；

能量回收装置有：31是一级热交换网，32是蒸发器，33是二级热交换网，34是三级热交换网a，35是三级热交换网b；

脱水干燥装置有：40是污泥排放泵，41是水解污泥储存塔，42是压滤机进料泵，43是压滤装置，44是冷却传输装置；

恶臭气体收集处理装置有：51是负压收集风机，52是汽水分离塔，53是化学反应塔，54是生物反应塔，55是活性炭吸附装置，56是烟囱；

附属装置有：61是除盐水制备装置，62是除盐水箱，63是蒸发器补给水泵，64是中温冷却水泵，65是药剂输送泵，66是低温冷却水泵，67是热水箱，68是低压冲洗水泵，69是高压冲洗水泵。

图2/3/4中除以上标号外，其他标号说明：31是一级热交换网；

33-1是二级热交换网的第1个管式热交换器，33-2是第2个管式热交换器；

34-1是三级热交换网a的第1个管式热交换器，34-2是第2个管式热交换器；

35-1是三级热交换网b的第1个管式热交换器，35-2是第2个管式热交换器；

图2/3/4中的p***为管道号，v***为阀门编号，且图中阀门仅为帮助说明工艺控制过程所加的阀门，并不代表真实阀门。图中管线上的矩形斜线仅为帮助说明注意保温，不包含所有保温管道。