本发明涉及一种污泥处理领域，特别涉及一种污水处理厂利用污水余温进行低温干化剩余污泥，随后焚烧产能、提磷(磷回收)的污泥终极处理技术。
背景技术：
城市污水经过一系处理工艺可实现污染物去除，可以达到净化目的。但在处理过程中产生的副产物——剩余污泥是一种含水率极高(≥99％)的微生物残留物，因此，其体积庞大，妥善处理、处置需考虑成本及技术问题。目前我国对污泥处理、处置主要遵循“四化”原则，即，减量化→稳定化→无害化→资源化。其中，填埋与土地利用为污泥的主流途径，应用比例高达76％。填埋与土地利用所需容纳空间以及产生的环境问题突出，这一主流途径应用已开始在欧洲、日本日益萎缩，并最终可能走向“死胡同”。因此，污泥处理、处置需另辟蹊径。在此方面，污泥厌氧消化转化甲烷(ch4)似乎可以实现能源化与减量化，因此，备受国内外学术界以及工程界推崇。然而，传统厌氧消化后的熟污泥仍然残存高达60～70％的有机质，如果无法“丢弃”，仍然需要进一步稳定处理并资源化。
我国污泥处理、处置现有技术主要以填埋、土地利用及厌氧消化为主。填埋与土地利用为最简单的传统污泥处置方式，主要是源于省事与较低的成本优势。然而，填埋与土地利用导致的环境污染问题日益严重，排放温室气体(ch4、nxo等)、污染地下/地表水、散发臭味等等。特别是因可利用土地空间匮乏以及污泥农用肥效限制，填埋与土地利已渐入“死穴”。另一方面，看似较为可持续的厌氧消化能源回收与污泥减量方式最后还得面临～70％有机质后续继续稳定处理及能源/资源化问题。因此，与其将污泥厌氧消化后再干化焚烧处置，不如越过厌氧消化，直接对污泥进行脱水、干化、焚烧处理，对污泥彻底稳定、最大化减量，同时提取全部污泥有机质能量(发电)，并对焚烧后无机灰分作提取磷处理(磷回收)。
技术实现要素：
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种成本低、效率高且节能环保的污泥处理方法。
本发明提供了一种污泥处理方法，包括以下步骤：
s1：对污泥采用机械脱水的方式进行机械脱水处理，并形成第一阶段污泥，所述第一阶段污泥的形状为泥饼状，其中，进行脱水处理前的污泥的含水率为≥99％，且经过脱水处理后的第一阶段污泥的含水率为≤80％；
s2：对经过脱水处理后形成的第一阶段污泥进行干化处理，以将污泥中的含水率进一步降低，并形成第二阶段污泥，且经过干化处理后的第二阶段污泥的目标含水率为40～65％；
s3：对经过干化处理后的第二阶段污泥进行焚烧处理。
所述步骤s1中对污泥采用机械脱水的方式进行机械脱水处理，具体为采用污泥脱水机对污泥进行脱水处理。
所述步骤s2中对经过脱水处理后形成的第一阶段污泥进行干化处理，具体为采用热媒干燥机对第一阶段污泥进行干化处理。
所述步骤s3中对经过干化处理后的第二阶段污泥进行焚烧处理，具体为采用焚烧炉对第二阶段污泥进行焚烧处理。
还包括水源热泵，所述水源热泵与所述热媒干燥机相连。
所述步骤s3中对经过干化处理后的第二阶段污泥进行焚烧处理，其中，在高温下，第二阶段污泥中的有机质直接燃烧，并形成高热烟道气体以及包括磷在内的无机成分最后残留并形成灰分，其中：所述有机质燃烧产生的高热烟道气体可用于热电联产，产生电力的同时还可提供高热水蒸气用于远距输送城市热力供应；所述灰分可用于灰分磷回收后用作建筑材料。
所述高温为超过800℃的温度。
所述高热烟道气体的温度为800～1000℃。
所述高热水蒸气的温度为120～140℃。
所述目标含水率取决于所述焚烧炉的类型和污泥中有机质的含量。
本发明具有以下优点和有益效果：
第一、原位利用污水热能转换的绿色低温能源干化污泥。
污水中蕴含极其丰富的热能，利用污水水源热泵技术可将其提取。但受限于低品位特性，提取的热能不能发电且因有限输送半径而难以成为市政热网热源。本专利申请技术将污水中提取的热能直接用于污泥低温干化，为低品位热能利用找到可靠应用场合；干化污泥焚烧后产生的高热可用以发电和余热远距离输送，相当于将低品位热量转化为高品质热能，间接扩大污水热能的利用范围。
第二、回收灰分中的磷、残留灰分用作建材。
磷是人类赖以生存不可缺或的营养物之一，主要以磷矿形式存在，是一种难以再生的非金属矿产资源。磷在地球上以“陆地→海洋”直线形式流动，从磷矿开采后主要(＞80％)用于磷肥生产；大部分(通常＞50％)未被作物吸收的磷因雨水冲刷会形成地表径流，食物中未被人和动物吸收的磷则随排泄物进入地表水体(无污水处理情况下)；磷最后随“条条江河通大海”的自然规律进入海洋。被人类开采利用的磷(化肥)只有进入污水/动物粪尿中部分方能人工回收，而进入污水中的磷则主要存在于剩余污泥之中。因此，从焚烧污泥灰分中回收磷将使污水磷回收这一热点话题变得简便，直接采用化工工艺即可实现。磷回收后的灰分可用作水泥、制砖等建筑材料，彻底解决污泥的归宿问题。
第三、缩短污泥处理、处置流程，一步到位彻底实现污泥“四化”。
填埋与土地利用行将成为“死穴”的情况下，“污泥脱水+厌氧消化+干化焚烧”(图2)似乎已成为欧美等发达国家的标配，也是我国开始模仿的路线。这一路线不仅单元多，投资大，而且厌氧转化能源并不一定合算，并存在较大的危险性。因此，本专利申请技术可有效避免这些弊端，将污泥处理、处置“四化原则(减量化→稳定化→无害化→资源化)”一劳永逸且完全统一。
第四、降低运行能耗、投资与运行成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的污泥处理方法的工艺流程图。
图2为欧美标配的污泥处理工艺流程图。
图3为欧美标配的污泥处理工艺中能量衡算的示意图。
图4为本发明实施例提供的污泥处理方法中能量衡算的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示：本发明实施例的一种污泥处理方法，包括以下步骤：
s1：对污泥采用机械脱水的方式进行机械脱水处理，并形成第一阶段污泥，所述第一阶段污泥的形状为泥饼状，其中，进行脱水处理前的污泥的含水率为≥99％，且经过脱水处理后的第一阶段污泥的含水率为≤80％。具体为：对收集的体积庞大的含水率≥99％的原生剩余污泥(初沉池与二沉池污泥)采用机械脱水方式将含水率降至80％，可减少污泥体积约20倍。所述步骤s1中对污泥采用机械脱水的方式进行机械脱水处理，具体为采用污泥机械脱水机对污泥进行脱水处理。原则上，通用机械脱水方式(带式、板框、真空吸滤和离心等)均可凑效。另外，所述焚烧炉不可为水泥窑、电厂锅炉等，否则将会永固磷于固体中而无法回收。
s2：对经过脱水处理后形成的第一阶段污泥进行干化处理，以将污泥中的含水率进一步降低，并形成第二阶段污泥，且经过干化处理后的第二阶段污泥的含水率为≤40％。机械脱水处理后的第二阶段污泥呈泥饼状(含水率为≤80％)，需进一步干化将含水率降低至40～65％(污泥热值达到14.5gj/tds，含水率可仅降至65％，节约干化能量输入)，方可实现自持燃烧。现存污泥干化技术通过输入外部热量加热干化污泥(污泥中水分汽化、溢出)，进一步降低含水率。污泥热干化分热对流干燥技术(全干化，含水率可降至15％)和热传导干燥技术(半干化，含水率可降至35％～50％)。从投资、运行成本以及自持焚烧角度考虑，本发明专利采用涉及热传导干燥技术，将含水率≤80％脱水污泥半干化至目标含水率40～65％即可。
s3：对经过干化处理后的第二阶段污泥进行焚烧处理。所述焚烧炉不可为水泥窑，电厂锅炉等，否则将会永固磷于固体中而无法回收。
所述目标含水率(40～65％)取决于所述焚烧炉的类型和污泥中有机质的含量。对于流化床和回转式焚烧炉其需要污泥呈现流态特征，较高含水率则有利于反应器工作，亦可减少污泥干化所需能耗。对于普通机械炉排焚烧炉，因污泥呈颗粒聚集态，与空气接触面积减少，较难实现自持燃烧，必须依靠降低含水率实现自持燃烧。同样，有机质含量越高，其污泥热值也高，自持燃烧能力则强，可一定程度提高含水率，进而减少污泥干化所需能耗。当有机质含量低时，其污泥热值较低，必然要通过降低含水率来实现自持燃烧。
干化处理过程所需热源选择是该专利的核心理念与保护技术。传统上，干化能量一般利用煤、石油、天然气等化石燃料发电提供，这将加剧温室气体(co2)排放，对实施全球控温的《巴黎气候协定》极为不利。
本发明专利申请以污水余温作为绿色能源，通过水源热泵予以转化为低温干化所需低温热量。居家生活过程向污水中可输入较多热量，使其往往较环境温度要高(冬季)或低(夏季)。污水余温一般在30℃以下，因量大而蕴含丰富的热，其蕴含总热量占城市废热总排放量约40～65％。因污水四季温差变化不大、且流量稳定，所以，具有冬暖夏凉的特点，特别适合于水源热泵交换予以回收。然而，从污水中所提取的热量温度较低(40～80℃)，为低品位热能，不能发电，即使用于市政供热也常因输送半径过小(≤5km)而受到应用限制。相反，污水源热泵从污水中交换出的热能量非常接近污泥低温干化(20～80℃)所需热量，可以就近用于污泥低温干化，不仅避免了干化污泥使用化石燃料的问题，而且同时解决污水余温利用受限的问题。
经低温干化后的污泥含水率可降至40～65％，能实现污泥自持燃烧(无需辅助助燃剂)。在高温(超过800℃)条件下，第二阶段污泥中有机质直接燃烧、被稳定至co2(生源碳，不计入碳排放清单)，并形成高热烟道气体以及包括磷/p在内的无机成分最后残留并形成灰分；有机质燃烧产生的高热(800～1000℃)烟道气可用于热电联产(chp)，不仅可发电而且可提供高热水蒸气(100℃左右)用于远距输送城市热力供应；包括磷/p在内的无机成分最后残留并形成灰分可用于灰分磷回收后用作建筑材料(如，水泥、制砖)。
本发明专利具有的突出优点如下：
第一、原位利用污水热能转换的绿色低温能源干化污泥。
污水中蕴含极其丰富的热能，利用污水水源热泵技术可将其提取。但受限于低品位特性，提取的热能不能发电且因有限输送半径而难以成为市政热网热源。本专利申请技术将污水中提取的热能直接用于污泥低温干化，为低品位热能利用找到可靠应用场合；干化污泥焚烧后产生的高热可用以发电和余热远距离输送，相当于将低品位热量转化为高品质热能，间接扩大污水热能的利用范围。
第二、回收灰分中的磷、残留灰分用作建材。
磷是人类赖以生存不可缺或的营养物之一，主要以磷矿形式存在，是一种难以再生的非金属矿产资源。磷在地球上以“陆地→海洋”直线形式流动，从磷矿开采后主要(＞80％)用于磷肥生产；大部分(通常＞50％)未被作物吸收的磷因雨水冲刷会形成地表径流，食物中未被人和动物吸收的磷则随排泄物进入地表水体(无污水处理情况下)；磷最后随“条条江河通大海”的自然规律进入海洋。被人类开采利用的磷(化肥)只有进入污水/动物粪尿中部分方能人工回收，而进入污水中的磷则主要存在于剩余污泥之中。因此，从焚烧污泥灰分中回收磷将使污水磷回收这一热点话题变得简便，直接采用化工工艺即可实现。磷回收后的灰分可用作水泥、制砖等建筑材料，彻底解决污泥的归宿问题。
第三、缩短污泥处理、处置流程，一步到位彻底实现污泥“四化”。
填埋与土地利用行将成为“死穴”的情况下，“污泥脱水+厌氧消化+干化焚烧”(图2)似乎已成为欧美等发达国家的标配，也是我国开始模仿的路线。这一路线不仅单元多，投资大，而且厌氧转化能源并不一定合算，并存在较大的危险性。因此，本专利申请技术可有效避免这些弊端，将污泥处理、处置“四化原则(减量化→稳定化→无害化→资源化)”一劳永逸且完全统一。
第四、降低运行能耗、投资与运行成本。
与图2所示的欧美标配工艺相比，本发明专利申请技术(图1)对有机质能源综合利用效率最高，投资及运行成本也为最低。
图3所示为欧美标配工艺中能量衡算的示意图，其中，以通用设备(即污泥脱水采用带式压滤机、污泥干化采用转盘式干燥机以及污泥焚烧采用鼓泡式流化床)、污泥有机质含量53％为例进行能量衡算，且经过干化处理后的第二阶段污泥的含水率取40％。图4所示为本发明实施例提供的污泥处理方法的能量衡算的示意图，以通用设备(即污泥脱水采用带式压滤机、污泥干化采用转盘式干燥机以及污泥焚烧采用鼓泡式流化床)、污泥有机质含量53％、厌氧消化有机物降解率取40％为例进行能量衡算，且经过干化处理后的第二阶段污泥的含水率取40％。通过图3和图4的能量衡算结果显示，即使不采用水源热泵技术，本发明工艺也比欧美标配工艺节省能量，而本发明工艺进一步通过采用水源热泵弥补低温干化能耗，不仅可以实现该工艺的完全能量平衡，而且可以富余大量的能量用于发电/供热，而因建设单元减少，投资成本和运行成本均降低。
本发明实施例提供的污泥处理方法，不仅适用于污泥单独焚烧处理，亦可与其有机固废(如，垃圾、动物粪便等)协同焚烧，但不可进入水泥窑或热电厂焚烧。
本发明实施例提供的污泥处理方法，利用水源热泵回收污水余温热能，直接进行污泥低温干化后焚烧，进而实现高品质能量输出的技术均属于本发明专利的范围。
本发明实施例提供的污泥处理方法，采用的热源(用于污泥干化)不仅局限于市政污水，其他工业废水、废热、地源热亦属于被专利保护内容。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。