一种生物质废物的处理系统及方法与流程

本发明涉及环保技术领域，尤其是一种粘稠流体或者半固体废物的处理技术领域，具体而言涉及一种生物质废物的处理系统及方法。

背景技术：

生物质废物是人类在利用生物质的过程中生产和消费产生的废弃物，其中最主要的污染成分为活体细胞以及有机物。按照其来源分为：（1）城市生物质废物主要包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾、城市粪便以及城镇污泥；（2）农作物废物，主要以玉米秸、麦秸和稻秸为主；（3）禽畜粪便。生物质废物对区域水环境、大气及土壤环境等均有潜在的威胁。易降解生物质废物在堆积条件下产生的大量恶臭气体也是其周边空气质量的重要影响因素之一；生物质废物的随意堆放也会造成严重的土壤环境污染，生物质废物的成分十分复杂，如畜禽粪便含有大量的病原微生物或寄生虫，一些工业生物质废物含有酸或重金属、城市污泥中含有多种有机物及cu、cr、zn等重金属，这些含有多种污染物的生物质废物若不加处理就进行堆放或填埋将会对土壤环境造成严重的污染。

生物质废物在造成环境污染的同时，也是重要的可再生资源和能源。合理高效地将生物质废物资源化不仅可以充分利用生物质能这一可再生清洁能源，而且对于co2减排也具有重要意义。废物的资源化主要有两个途径，即物质利用和能量回收，主要集中于能量回收，最常见的技术是厌氧消化。由于生物质废物粘稠度高，含砂率、微生物细胞含有率以及絮体含有率高等特点，导致其厌氧消化性能低，无害化以及资源化效果均不理想。

技术实现要素：

本发明的第一发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种生物质废物的处理系统，该系统对生物质废物进行多级处理，提高生物质废物的可脱水性和厌氧消化性能，从而提高其无害化和资源化效果。

本发明的第二发明目的在于，提供一种生物质废物的处理方法，该方法基于上述处理系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种生物质废物的处理系统，其包括流程控制单元以及依次连接的破乳罐、旋流分离器和水热反应单元；所述流程控制单元分别连接至所述破乳罐、旋流分离器和水热反应单元以对其工作过程进行控制；所述旋流分离器的内径由上至下依次减小，还分别设置有物料进口、液相出口和固相出口，所述物料进口设置于上方侧壁，与侧壁相切；所述固相出口设置于旋流分离器的底部，所述液相出口设置于旋流分离器的顶部。

由于采用了上述技术方案，生物质废物在破乳罐中经过高温破乳破胞，降低粘度后进入旋流分离器去掉其中大大颗粒泥沙，随后再进行水热反应，一方面能避免泥沙对水热反应单元的磨损，另一方面能有效降低水热反应的耗能。旋流分离器的特殊结构设置使得物料进入后顺着切线方向流动，利用渐开线导流原理自动形成向下旋流，在离心力的作用下物料中的泥沙颗粒被甩向器壁，并随向下旋流及自身重力作用沿内壁下沉，从而去除大颗粒泥沙；物料向下到一定位置后，中心因为负压形成向上旋流，利用向上旋流产生的离心力，再次对大颗粒泥沙进行分离。最后，沉积的大颗粒泥沙由底部固相出口输出，悬浮液相由顶部出口输出。旋流分离器中不需要借助转动部件形成旋流，无需维修，使用简便且节约成本。

本发明的一种生物质废物的处理系统，所述旋流分离器内部设置有引流罩，所述引流罩的一端连接至所述旋流分离器的顶部，与所述液相出口连通，另一端向所述旋流分离器的底部延伸，与所述旋流分离器的侧壁和底壁之间均间隔设置，留有空隙。

由于采用了上述技术方案，引流罩可将向上旋流和向下旋流相对分开，使下旋流和上旋流分别在不同区域独立运行，避免产生短流现象。

本发明的一种生物质废物的处理系统，所述引流罩的中间或中间网上部位设置有多个引流孔；所述引流孔上方设置有引流帽，所述引流帽设置于所述引流罩的外壁，并且向远离所述引流罩的一方凸出。

由于采用了上述技术方案，在离心力的作用下，部分物料可由向上旋流过程回到向下旋流过程，进行再次处理；同时，回流的物料含水率高，能够有效降低向下旋流物料的粘度，引流帽的阻挡，降低了物料回流的高度，缩短了循环时间，提高处理效率。

本发明的一种生物质废物的处理系统，所述破乳罐中设置有搅拌器，所述搅拌器包括搅拌轴，连接至所述搅拌轴并驱动其转动的电机以及设置于搅拌轴的桨叶；所述桨叶自上而下两层直叶桨和一层折叶桨，所述搅拌轴连接至所述破乳罐的顶部；相邻两层桨叶之间设置有螺旋叶片，螺旋叶片的直径小于直叶桨和折叶桨；所述破乳罐的顶部还设置有药剂进口和热源进口，所述热源进口连接至所述水热反应单元。

由于采用了上述技术方案，底部折叶桨的循环作用大于剪切作用，使破乳罐底部物料不断沿轴向进行循环，防止了物料的沉积，上面两层平直桨不仅具备良好的循环作用，也具备较好的剪切作用，使底部向上不断循环的物料获得了更好的混合分散作用，增强破乳效果。中心布置的螺旋叶片，对物料产生侧向剪切作用，加强了中心流体的搅拌流动混合，进一步提高破乳效果。由于生物质废物中含有大量的乳滴颗粒，生物活细胞和絮体，其粘度较大，在高温和药剂的辅助下更容易将其破裂，将结合水溶出，降低物料粘度。热源来自水热反应单元产生的乏汽，有利于节约能耗。

本发明的一种生物质废物的处理系统，所述水热反应单元设置有多个串联和/或并联的水热反应器和一个闪蒸反应器，所述闪蒸反应器连接至末位的水热反应器；每个所述水热反应器均在顶部设置有蒸汽出口，底部设有出料口，侧壁上部设有进料口、侧壁下部设有蒸汽入口；每个入口、出口处均设置有相应的阀门。

本发明的一种生物质废物的处理系统，所述水热反应单元包括传热管道，所述传热管道包括原蒸汽管、闪蒸蒸汽管和循环蒸汽管，所述原蒸汽管和所述循环蒸汽管的一端分别连接至所述蒸汽入口；所述原蒸汽管的另一端入口连接至外部的蒸汽供应装置，所述闪蒸蒸汽管一端连接至所述闪蒸反应器，另一端连接至所述破乳罐；所述循环蒸汽管的另一端通过所述闪蒸蒸汽管连接至所述闪蒸反应器；所述水热反应器的蒸汽出口与所述闪蒸汽管连通。

本发明的一种生物质废物的处理系统，所述流程控制单元控制所述水热反应装置的各水热反应器按设计的时间顺序工作，形成梯次闪蒸换热。

由于采用了上述技术方案，各水热反应器之间用共同的闪蒸蒸汽管连通，利用蒸汽作为换热介质，可以充分利用和回收处理过程的所产生的闪蒸蒸汽。利用蒸汽压差作为推动力，实现水热反应器之间的多级均压，提高了系统内的对数温差，提高了换热效率，降低了原蒸汽消耗量。除此之外，多级闪蒸，使系统对原蒸汽消耗更为连续，减小了外部蒸汽供应装置负荷。

一种生物质废物的处理方法，其包括如下步骤：在流程控制单元的自动控制下，生物质废物首先经过高温破乳，降低粘度，然后在两次旋流作用下，实现除去大颗粒泥沙；随后含有高浓度油脂和细沙的悬浊液依次进行多级水热反应，末级水热反应之后进行闪蒸反应；高温破乳处理的热源来自水热反应和/或闪蒸反应过程中泄压排除的蒸汽。

本发明的一种生物质废物的处理方法，高温破乳过程加入破乳剂，所述破乳剂由按质量份数计的环氧丙烷90-120份、三乙醇胺30-40份、十二烷基磺酸钠25-40份、c2-c6羧酸20-28份、乙二醇单丁醚18-25份、氯化铵12-15份组成。

由于采用了上述技术方案，该破乳剂在高温辅助下，能够有效破裂生物质废物中乳滴颗粒，还对各种生物活细胞以及絮体有破裂作用，有效提高结合水溶出率，降低物料粘度，从而促进固液分离。

本发明的一种生物质废物的处理方法，多级水热反应的热源均采用蒸汽热源，并且由原蒸汽和循环蒸汽组成；原蒸汽由外部的蒸汽供应装置提供，循环蒸汽是利用两个水热反应器之间的蒸汽压力差，由已完成水热反应的水热反应器中的高压高温蒸汽进入到相对低压低温的另一个或多个未进行水热反应的水热反应器中的回收蒸汽；换热完成后，两个所述水热反应器的蒸汽实现均压均温。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明将生物质废物经过高温破乳后进行旋流分离，除去其中的大颗粒泥沙后进行水热反应，一方面能避免泥沙对水热反应单元的磨损，另一方面能有效降低水热反应的耗能。旋流分离器利用渐开线导流原理自动形成向下和向上两级旋流，在离心力的作用下进行固液分离，只要存在密度差即可，分离效果优于传统的重力沉淀分离。旋流分离器中不需要借助转动部件形成旋流，无需维修，使用简便且节约成本。本发明将生物质废物进行多级处理，有效提高了生物质废物的可脱水性和厌氧消化性能，从而提高其无害化和资源化效果。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明实施例1提供的生物质废物的处理系统的组成示意图；

图2是本发明实施例1提供的生物质废物的处理系统的旋流分离器的结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的生物质废物的处理系统的旋流分离器的渐开线原理示意图；

图4是本发明实施例1提供的生物质废物的处理系统的旋流分离器的引流罩的示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种生物质废物的处理系统，其包括流程控制单元，以及依次连接的破乳罐1、旋流分离器2和水热反应单元3。破乳罐1、旋流分离器2和水热反应单元3分别连接至流程控制单元以便于流程控制单元对其工作过程进行控制。

本实施例中，流程控制单元为可编程控制器（plc），为本领域技术人员可理解的现有技术，本文中不在进行赘述。

破乳罐1包括罐体11，罐体11内部设置有搅拌器，搅拌器在电机13的驱动下转动，电机13设置于罐体11外部顶部。搅拌器13包括搅拌轴121，搅拌轴121一端连接至罐体11顶部，并与电机13相连，另一端向罐体11底部延伸并不接触罐底部。破乳罐1顶部还设置有药剂进口14和热源进口15，热源进口15连接至水热反应单元3。

搅拌轴121上分设置有成上下分布的三层桨叶，三层桨叶间隔设置，之间留有空隙。其中上两层桨叶为第一直叶桨122和第二直叶桨123，下层桨叶为折叶桨124。相邻两灯桨叶之间还设置有螺旋叶片125，螺旋叶片125的直径小于第一直叶桨122、第二直叶桨123以及折叶桨124的直径。

如图2-图3所示，旋流分离器2包括外壳21，外壳21的内径由上至下依次减小。外壳21上方设置有进料口22，进料口22与外壳21的内壁相切。外壳21的顶部设置有液相出口23，外壳底部设置有固相出口24。

外壳21内部设置有引流罩25，引流罩25，引流罩25一端连接至外壳21的顶部，与液相出口23连通，另一端向外壳21的底部延伸，并且与外壳21的侧壁和底部之间均间隔设置，留有空隙以形成物料通道。如图4所示，引流罩25的中间和/或中间网上部位设置有多个引流孔251，每个引流孔251上方对应设置有引流帽252，引流帽252设置于引流罩25的外壁，并且向远离引流罩25的一方凸出。

水热反应单元3包括多个串联和/或并联的水热反应器31和一个闪蒸反应器32，闪蒸反应器32连接至末位的水热反应器31。水热反应器可采用n个×m组的形式设置，即一共设置m组水热反应器，每组设置有n个。优选地，2≤n≤8，m≥1，各组反应器的工作时序相互错开，可实现多反应器系统连续进料连续出料，使多反应器系统的配套设备实现连续工作，提高工作效率，节约成本。

水热反应器31分别设置有进料口、出料口、蒸汽入口和蒸汽出口，每个进口和出口处均设置有相应的阀门。进料口设置于水热反应器的侧壁的上部，出料口设置于底部，蒸汽入口设置于侧壁下部，蒸汽出口设置于顶部。

水热反应单元3还包括热源传送管道，传热管道包括原蒸汽管33、闪蒸蒸汽管34和循环蒸汽管35。原蒸汽管道33的一端分别与每个水热反应器31的蒸汽入口连通，另一端连接至外部的蒸汽供应装置已向水热反应器中通入原蒸汽。闪蒸蒸汽管34一端连接至闪蒸反应器32，另一端连接至破乳罐1的热源进口，水热反应器31的蒸汽出口与闪蒸蒸汽管34连通。循环蒸汽管35的一端连接至通过闪蒸蒸汽管34连接至闪蒸反应器31，另一端连接至水热反应器31的蒸汽入口，以将循环蒸汽与原蒸汽一起作为水热反应的热源。

本实施中，流程控制单元控制水热反应器3的各水热反应器31按设计的时间顺序工作，形成梯次闪蒸换热。具体地，水热反应器可选用2-6个水热反应器，每个水热反应器向另一个水热反应器排出1次蒸汽进行换热；或者水热处理采用3-6个水热反应器，每个水热反应器向其中2个水热反应器依次排出2次蒸汽进行闪蒸换热；或者水热处理采用6个水热反应器，每个水热反应器向其中3个水热反应器依次排出3次蒸汽进行换热；或者水热处理采用7个水热反应器，每个水热反应器向其中4个水热反应器依次排出4次蒸汽进行闪蒸换热；或者水热处理采用8个水热反应器，每个水热反应器向其中5个水热反应器依次排出5次蒸汽进行闪蒸换热；或者水热处理采用2组2、3或4个水热反应器，每个水热反应器向同组的其中1个水热反应器依次排出1次蒸汽进行闪蒸换热。

需要说明的是，本实施例提供的生物质废物的处理系统还包括一些需要使用的泵、阀门、管道等辅助性设备，文中并没有一一指出，应是本领域技术人员所理解的现有技术。

实施例2

本实施例提供一种生物质废物的处理方法，该方法基于实施例1中的生物质废物处理系统，其包括如下步骤：

步骤一：在流程控制单元的控自动制下，将物料输送至破乳罐，利用闪蒸处理产生的闪蒸蒸汽进行预热，升温至60-100℃，并在破乳剂的作用下破乳，同时破裂部分生物活细胞以及絮体，促进结合水溶出，降低物料粘度后进入旋流分离器。

步骤二：液相物料沿旋流分离器内壁的切线方向进入，进入旋流分离器的液相物料由于其特殊结构设置，物料利用渐开线原理在旋流分离器中形成先向下后向上的两级旋流，在离心力的作用下，根据固液之间的密度差，物料中的大颗粒泥沙沉积在旋流分离器底部，含有高浓度油脂和细沙的悬浊液由旋流分离器顶部输出，随后进入水热反应单元。

步骤三：在水热反应单元中，依次通入不同温度等级的循环蒸汽，温度最终升至110-180℃；继续通入原蒸汽，加热至反应温度为160-220℃，并保持15-120min。

步骤四：完成水热反应后，开启所述水热反应器顶部的排汽阀进行闪蒸或多级闪蒸，以蒸汽作为换热介质、蒸汽压差作为推动力，将高温高压蒸汽依次排至其它水热反应器，完成与其它1个或多个水热反应器的蒸汽的均压均温。

步骤五：完成上述闪蒸换热的水热反应器内压力降至0.15-0.4mpa，经过水热处理的物料进入闪蒸处理器，闪蒸降压，降温至90-120℃后排出至后续处理单元。

实施例3

本实施例提供一种破乳剂，该破乳剂可应用于实施例2中的理解过程，尤其适用于生物质废物的理解，用于促进生物质废物中的固液分离，降低其粘度。

本实施例提供的破乳剂由按质量份数计的环氧丙烷90-120份、三乙醇胺30-40份、十二烷基磺酸钠25-40份、c2-c6羧酸20-28份、乙二醇单丁醚18-25份、氯化铵12-15份组成。

取环氧丙烷100份、三乙醇胺40份、十二烷基磺酸钠30份、正己酸25份、乙二醇单丁醚20份、氯化铵12份，均匀混合后得到破乳剂。

取某生物质废物，粘稠污泥，19℃，平均分成四份，放入透明玻璃杯内；分别编号为1、2、3、4。1-2号常温下磁力搅拌，其中1号按照6g/100g污泥的条件加入上述破乳剂，2号不加。3-4号在105℃蒸汽处理下磁力搅拌，其中3号按照6g/100g污泥的条件加入上述破乳剂，4号不加，其他实验条件保持平行。8min后，停止加热和搅拌，静置2h，观察1-4号玻璃杯内分层情况。并检测上层清液状况。具体结果如表1所示：

表1经不同处理后污泥的状态比较

根据表1，由编号1-2与编号3-4对比可知，高温能够促进粘稠污泥的固液分离。由1于2对比，3与4对比可知，本发明提供的破乳剂能够有效促进粘稠污泥的固液分离。综上，本发明提供的破乳剂在高温辅助下，更好地发挥其促进固液分离的作用，可能与其能够有效破坏其中的乳滴颗粒以及部分生物细胞和絮体有关，从而促进结合水的溶出。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。