一种污泥资源化利用处理系统及方法与流程

本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种污泥资源化利用处理系统及方法。

背景技术：

目前，随着城市化进程的推进，城市污水厂污泥的处理、处置在比较短的时间内走过了从直接填埋、污泥有机肥资源化利用到各种减量化技术、焚烧技术，呈现了百家争鸣、百花齐放的现象，污泥热解技术是近年来快速发展起来的一种污泥热处理技术，它是将脱水干化后的污泥在缺氧的条件下，利用温度驱动力使污泥中有机物质转化为热解油、可燃气体以及具有多用途的固体产物污泥半焦。污泥热解技术具有减少二噁英排放、设备占地面积小、热解产物多元化等诸多优点而日益受到重视。

目前，污泥热解技术针对热解产物中的热解油进而热解气的研究较多，但是对于半焦的进一步研究则较少。而且大部分污泥半焦属于废弃物，并没有得到充分利用，同时污泥热解技术在对污泥进行热解之前需要对污泥进行脱水操作，现有技术中都是将污泥脱水产生的废水送入废水厂进行污水处理操作，增加成本投入。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种污泥资源化利用处理系统及方法，该方法对污泥进行资源化处理，并对污泥处理后产生的污泥半焦进行活化研究，通过活化过程将污泥半焦制备成为污泥活性炭，使其在污水处理领域发挥价值；同时使用资源化处理后得到的污泥活性炭来处理污泥脱水时产生的污水，使污泥处理厂形成了污泥、污水处理的良性循环系统，降低处理成本。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种污泥资源化利用处理系统，包括：

初步脱水单元，所述初步脱水单元适于将污泥进行初步脱水并将污泥压成饼状；

超声波脱水单元，所述超声波脱水单元设置有污泥进料口和污泥出料口，所述污泥进料口与所述初步脱水单元相连，所述超声波脱水单元适于将所述初步脱水后的污泥进行超声脱水，以实现深度脱水；

烘干单元，所述烘干单元适于将污泥进行烘干；

污泥热解单元，所述污泥热解单元设置有炭化进料口和炭化出料口，所述污泥热解单元与所述超声波脱水单元相连，所述污泥热解单元适于将充分脱水后的污泥进行热解，以便于得到半焦；

气液分离单元，所述气液分离单元与所述污泥热解活化单元相连，适于将所述热解气进行气液分离，以便得到燃气和焦油；

污泥活化单元，所述污泥活化单元分别与所述炭化出料口相连，适于将所述半焦供给至所述活化单元，使得所述半焦进行活化处理，以便于得到污泥活性炭；

酸洗单元，所述酸洗单元设置有酸液进口、活性炭进料口和物料出口，所述酸洗单元与所述污泥热解活化单元相连，所述酸洗单元适于与污泥活性炭中无机物质进行反应，使得污泥活性炭中的灰分含量减少，固定碳含量比例增大。

在本发明中，优选的，所述初步脱水过程中污泥会散发出臭气，在脱水处理装置上部设置引风罩并安装抽风机，将臭气送入吸附除臭装置。

在本发明中，优选的，所述污泥热解单元为旋转床，沿物料流动方向，所述污泥热解活化单元依次包括：

进料区，所述进料区设置有所述炭化进料口，所述炭化进料口与所述超声波脱水单元相连；

预热区，所述预热区设置有水蒸气排气口，所述水蒸气排气口与所述超声波脱水单元相连，所述水蒸气排气口适于将进行预热所得到的水蒸气供给至所述超声波脱水单元内；

过渡区：所述过渡区进行污泥的集中热解工作；

产气区，所述产气区设置有热解气排气口，所述热解气排气口与所述气液分离单元相连，适于将产生的热解气供给至所述气液分离单元内；

出料区，所述出料区设置有所述炭化出料口。

在本发明中，优选的，所述污泥活化单元为回转式火化炉，所述回转式火化炉包括：

加热区，所述加热区的进料端与所述炭化出料口相连，适于对所述半焦进行加热；

活化区，所述活化区与所述加热区相连，适于对经过所述加热后的半焦进行活化处理，以便得到活性炭；

降温区，所述降温区与所述活化区相连，适于将所述活性炭进行降温。

在本发明中，优选的，包括如下步骤：

步骤一、初步脱水：先将含水率为90％-99％的污泥泵入污泥调理池中，在搅拌的情况下投加污泥调理剂，投加方式可以是固体投加也可以是液态投加，但以液态投加为佳，投加量为污泥质量的5-30％，反应25-40分钟，再投加高分子有机絮凝剂，所述高分子有机絮凝剂为聚丙烯酰胺(pam)，以破坏污泥中的絮体结构，高分子有机絮凝剂的投加量为污泥总质量的5-20％，并进一步反应20-30分钟，调理后的污泥被依次泵入搅拌设备和压片设备，并在压片设备中被压成饼状

步骤二、超声波脱水：超声波预处理污泥，会对污泥微生物的细胞壁造成一定的破坏，使得污泥微生物细胞内的有机质溶出，释放到污泥上清液中，通过传送带将所述步骤一的饼状污泥送入超声波处理装置，所述超声波处理装置的超声频率为20-100khz，超声声能密度控制在0.1-2.0w/g，所述超声装置的处理时间为4-10分钟，超声波处理装置产生一定频率和功率的超声波对污泥进行处理，超声波处理后的污泥经过脱水设备进一步脱水，超声波处理后的污泥经过脱水设备进一步脱水，脱出的废水排入污水处理池，脱水后的污泥进入后期资源化处理；

步骤三、烘干至恒重：将所述步骤二中的污泥样品放入100-150℃烘箱中烘干至恒重，再将烘干的污泥放入螺旋进料器中并密封，使得经所述步骤三处理后的烘干污泥在密封的螺旋进料器中被输送至炭化炉中进行所述步骤四的污泥热解半焦反应，杜绝烘干后的污泥与空气进行接触，吸收空气中的水分；

步骤四、污泥热解半焦：将所述步骤三处理后污泥放入炭化炉进行热解反应，热解碳化反应温度为400-600℃，反应时间为20min-1h，得到热解气和半焦，将所述热解气供给至所述气液分离单元，所述气液分离单元为气液分离器，以便得到燃气和焦油，污泥热解半焦中碳元素含量较高，具有较丰富的孔隙结构。因此，污泥热解半焦活化可制备活性炭，作为污水处理的吸附剂，用于污水处理池中污水处理，从而使污泥处理厂形成一个废水与污泥处理的循环体系，热解气通过冷凝管，液体产物收集于集油瓶中。非冷凝性气体经过装有丙酮的洗瓶，目的是去除非冷凝气体中的焦油等有机物，随后气体排入通风橱；

步骤五、污泥活性炭的制备：采用化学活化法，所述化学活化法是将原料与一定浓度的活化剂溶液浸渍后，在高温无氧的环境下进行热解，该方法相比于物理活化法制备的活性炭具有较高比表面积，并且能同时进行碳化和活化，降低活化温度，减少能耗，将所述步骤四处理后的污泥与活化剂溶液按质量比2：1进行浸渍，所述活化剂的浓度为4-10mol/l，浸渍10-15h后过滤，将过滤后的半焦放入105-120℃烘箱内，烘干至恒重，然后将烘干的半焦放入高温反应釜中进行无氧活化，活化温度为750-950℃，活化时间为0.5-l.5h，反应结束后等待活化炉自然冷却，冷却后取出活化半焦

步骤六、双酸洗深度活化：采用6mol/l的hcl溶液对污泥半焦进行酸洗脱灰实验，常温下搅拌反应2-4h，再用6mol/l的hf溶液进行如上操作，之后用60-80℃的去离子洗涤，当滤出溶液的ph>5时，对滤饼进行干燥，即为目标产物，污泥活性炭，将所述污泥活性炭用于处理污泥脱水时产生的废水，首先盐酸与半焦中fe、feo和fe2o3等无机物质发生反应，使得污泥半焦中的灰分含量减少，固定碳含量比例增大，由于污泥半焦中含有一些二氧化硅等惰性矿物质，仅使用盐酸难以去除，而氢氟酸可以与sio2等惰性矿物质发生反应生成四氟化硅(sif4)，进一步去除污泥半焦中的灰分，使污泥半焦灰分含量降到最低，进而增大半焦中的空隙率，提高半焦中的固定碳比例，酸洗过程中硫元素含量将小幅度增大，而氮元素含量升高趋势明显，这主要是由于污泥中氮元素主要以大分子有机化合物形式存在，在酸洗过程中，这些含氮有机物不与酸溶液发生反应。因此，随着矿物质的脱除，半焦中含氮有机物含量比例增大，进而出现氮元素含量升高的现象。

在本发明中，优选的，所述污泥调理剂选自三氯化铁、聚合硫酸铁、聚丙烯酰胺、生石灰中的一种或至少两种的组合。

在本发明中，优选的，所述步骤二调节超声波处理装置中ph值为10、超声频率为40khz以及超声时间为10min。

在本发明中，优选的，所述活化剂为zncl2或h3po4或naoh中的一种。

在本发明中，优选的，所述步骤四中热解终温为500℃，热解时间为20min。

在本发明中，优选的，所述步骤五中，使用的活化剂为zncl2，所述zncl2具有很强的吸水性，使污泥半焦有脱水、脱羟基作用，有利于污泥半焦中的氢、氧及部分以水蒸气或气体形式放出，而不形成含氧有机物或碳氢化合物，避免它们在高温下产生焦油类物质而堵塞空隙，此时zncl2在炭化时留在小孔中，孔壁不易坍塌，这些因素均有利于形成发达的空隙结构，所述zncl2的浓度为8mol/l，将所述半焦与zncl2溶液按质量比2:l进行浸渍，活化温度为800℃，活化时间为1h。

污泥中的水分按其存在的状态可分为间隙水、毛细水、吸附水和内部水四种，间隙水，是指游离在污泥固体颗粒周围的水份，它并不与污泥固体直接接触，因而更容易实现固液分离。污泥含水量的70％来自于污泥的间隙水，借助自然重力场或者机械产生的人工力场使用较小的力就可以将其分离。毛细水，又称结合水是指在高度密集的细小污泥固体颗粒接触的表面，毛细结合水约占含水量的20％，一般采用真空过滤机、离心分离机和电渗析等有较高机械作用力和能量的方法，吸附水是指由于张力的原因粘附在细小污泥或者小颗粒表面的水，只有加入电解质或者絮凝剂等才可以辅助其进行分离，同时还需要借助于外界机械产生的较大压力差或者机械力场进行分离吸附水；内部水是指包含在污泥微生物细胞体内的液体，要除去这部分水，通常情况下会采用厌氧消化、好氧氧化、冷冻冻融和高温加热等措施使污泥微生物细胞壁破裂，从而使细胞液释放，吸附水和内部水共占污泥总水分的10％。

本发明在初步脱水之后加入超声波脱水操作，以去除污泥的内部水，超声波预处理污泥时会在液体内部产生大量的空化气泡，随着超声时间的增加，空化气泡会逐渐收缩当达到一定程度后会发生瞬间的破裂，产生强烈的冲击波和高射流，在发生瞬间爆裂的同时会释放大量的热能使周围环境处于一个高温高压的状态，因此超声波在预处理液体时可以有效地将微生物的细胞壁破坏，使细胞内的有机物得到释放，由固相进入到液相。超声/碱预处理可以强化对污泥微生物细胞的破解，之后再将超声波处理后的污泥经过脱水设备进一步脱水，即可实现深度脱水，减少后续在进行污泥热解时，污泥中水分对热能的消耗，降低处理成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明充分对半焦，及污泥半焦，进行活化研究，通过活化过程将污泥半焦制备成为污泥活性炭，使其在污水处理领域发挥价值；

本发明使用资源化处理后得到的污泥活性炭来处理污泥脱水时产生的污水，使污泥处理厂形成了污泥、污水处理的良性循环系统，有效降低处理成本；

本发明对泥资源化利用处理系统进行改进及完善，整个处理系统包括7个单元，如初步脱水单元、超声波脱水单元、烘干单元、污泥热解单元、气液分离单元、污泥活化单元和酸洗单元，利用超声波本身具有的机械和空化作用来破坏污泥中菌胶团结构，脱除其包含的水分，达到良好的污泥脱水效果，以降低后期进行热解的能耗；

本发明通过对整个系统的合理设计，可实现各个操作的系统利用，产气区产生的热解气供给至气液分离单元内进行使用，预热区将进行预热所得到的水蒸气供给至所述超声波脱水单元内，通过资源循环利用，以降低处理成本。

附图说明

图1为一种污泥资源化利用处理系统及方法的工业流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种污泥资源化利用处理系统，包括：初步脱水单元、超声波脱水单元、烘干单元、污泥热解单元、气液分离单元、污泥活化单元和酸洗单元，共七个单元；

初步脱水单元，所述初步脱水单元适于将污泥进行初步脱水并将污泥压成饼状；

超声波脱水单元，所述超声波脱水单元设置有污泥进料口和污泥出料口，所述污泥进料口与所述初步脱水单元相连，所述超声波脱水单元适于将所述初步脱水后的污泥进行超声脱水，以实现深度脱水；

烘干单元，所述烘干单元适于将污泥进行烘干；

污泥热解单元，所述污泥热解单元设置有炭化进料口和炭化出料口，所述污泥热解单元与所述超声波脱水单元相连，所述污泥热解单元适于将充分脱水后的污泥进行热解，以便于得到半焦；

气液分离单元，所述气液分离单元与所述污泥热解活化单元相连，适于将所述热解气进行气液分离，以便得到燃气和焦油；

污泥活化单元，所述污泥活化单元分别与所述炭化出料口相连，适于将所述半焦供给至所述活化单元，使得所述半焦进行活化处理，以便于得到污泥活性炭；

酸洗单元，所述酸洗单元设置有酸液进口、活性炭进料口和物料出口，所述酸洗单元与所述污泥热解活化单元相连，所述酸洗单元适于与污泥活性炭中无机物质进行反应，使得污泥活性炭中的灰分含量减少，固定碳含量比例增大。

在本发明中，优选的，所述初步脱水过程中污泥会散发出臭气，在脱水处理装置上部设置引风罩并安装抽风机，将臭气送入吸附除臭装置。

在本发明中，优选的，所述污泥热解单元为旋转床，沿物料流动方向，所述污泥热解活化单元依次包括：

进料区，所述进料区设置有所述炭化进料口，所述炭化进料口与所述超声波脱水单元相连；

预热区，所述预热区设置有水蒸气排气口，所述水蒸气排气口与所述超声波脱水单元相连，所述水蒸气排气口适于将进行预热所得到的水蒸气供给至所述超声波脱水单元内；

过渡区：所述过渡区进行污泥的集中热解工作；

产气区，所述产气区设置有热解气排气口，所述热解气排气口与所述气液分离单元相连，适于将产生的热解气供给至所述气液分离单元内；

在本发明中，优选的，所述污泥活化单元为回转式火化炉，所述回转式火化炉包括：

加热区，所述加热区的进料端与所述炭化出料口相连，适于对所述半焦进行加热；

活化区，所述活化区与所述加热区相连，适于对经过所述加热后的半焦进行活化处理，以便得到活性炭；

降温区，所述降温区与所述活化区相连，适于将所述活性炭进行降温。

取堆积密度为939m³/kg，含水率为95％的天津污水厂污泥进行本发明的污泥资源化利用处理，该污泥初步检测数据如下表1；

表1

注：以上数据均采用《城市污泥处理厂污泥检验方法》cj/t221-2005标准进行检测；

实施例1：

步骤一、初步脱水：先将含水率为90％-99％的污泥泵入污泥调理池中，在搅拌的情况下投加三氯化铁，以液态投加为佳，投加量为污泥质量的10％，反应25分钟后投加高分子有机絮凝剂聚丙烯酰胺(pam)进一步反应20分钟，pam为污泥总质量的5％，以破坏污泥中的絮体结构，调理后的污泥被依次泵入搅拌设备和压片设备，并在压片设备中被压成饼状；

步骤二、超声波脱水：通过传送带将所述步骤一种的饼状污泥送入超声波处理装置，超声波处理后的污泥经过脱水设备进一步脱水，脱出的废水排入污水处理池，脱水后的污泥进入后期资源化，所述超声波处理装置的超声频率为40khz，超声声能密度控制在1.0w/g，所述超声装置的处理时间为10分钟；

步骤三、烘干至恒重：将所述步骤二中的污泥样品放入105℃烘箱中烘干至恒重，之后将烘干的污泥放入螺旋进料器中并密封；

步骤四、污泥热解半焦：首先将热解炉反应器进行加热，升温至设定温度，热解终温分别设定为500℃。当热解炉达到设定温度后，将所述步骤三处理后的污泥通过螺旋进料，污泥在热解炉中的停留时间分别为20min，得到热解气和污泥热解炭，将所述热解气供给至所述气液分离单元，进行气液分离，以便得到燃气和焦油，污泥热解炭在集料箱自然冷却后取出，即为污泥半焦，用于制备吸附废水中有机物的活性炭。

步骤五、污泥活性炭的制备：将所述步骤四处理后的污泥浓度为8mol/l的zncl2按质量比2：l进行浸渍，浸渍15h后进行过滤，将过滤后的污泥半焦放入105℃烘箱内，烘干至恒重。然后在高温反应釜中进行无氧活化，活化温度分别设定为800℃，达到活化温度后保温一定时间进行活化活化时间分别为lh。反应结束后等待活化炉自然冷却，冷却后取出活化半焦。最后进行酸洗，所得产品即为污泥活性炭；

步骤六、双酸洗深度活化：采用6mol/l的hcl溶液对污泥半焦进行酸洗脱灰实验，常温下搅拌反应4h，再用6mol/l的hf溶液进行如上操作，采用80℃的去离子洗涤，滤出溶液的ph>5时视为滤饼中不再残留h⁺，对滤饼进行干燥，即为目标产物。

实验测得，双酸洗污泥半焦比表面为1879m²/g，碘吸附值为896mg/g，对苯酚的吸附容量为314mg/g。

实施例2：

超声波脱水：所述超声波处理装置的超声频率为80khz，超声声能密度控制在0.5w/g，所述超声装置的处理时间为15分钟；

污泥热解半焦：首先将热解炉反应器进行加热，升温至设定温度，热解终温分别设定为600℃。当热解炉达到设定温度后，将所述步骤三处理后的污泥通过螺旋进料，污泥在热解炉中的停留时间分别为50min，得到热解气和污泥热解炭；

将所述步骤四处理后的污泥浓度为10mol/l的zncl2按质量比2：l进行浸渍，浸渍15h后进行过滤，将过滤后的污泥半焦放入105℃烘箱内，烘干至恒重，然后在高温反应釜中进行无氧活化，活化温度分别设定为900℃，达到活化温度后保温一定时间进行活化活化时间分别为lh。

其他操作与实施例1相同。

实验测得，双酸洗污泥半焦比表面为1653m²/g，碘吸附值为798mg/g，对苯酚的吸附容量为295mg/g。

实施例3：

初步脱水：先将含水率为90％-99％的污泥泵入污泥调理池中，在搅拌的情况下投加生石灰，投加方式可以是固体投加也可以是液态投加；

超声波脱水：所述超声波处理装置的超声频率为20khz，超声声能密度控制在1.0w/g，所述超声装置的处理时间为20分钟；

污泥热解半焦：首先将热解炉反应器进行加热，升温至设定温度，热解终温分别设定为400℃。当热解炉达到设定温度后，将所述步骤三处理后的污泥通过螺旋进料，污泥在热解炉中的停留时间分别为1h，得到热解气和污泥热解炭；

将所述步骤四处理后的污泥浓度为4mol/l的zncl2按质量比2：l进行浸渍，浸渍15h后进行过滤，将过滤后的污泥半焦放入105℃烘箱内，烘干至恒重，然后在高温反应釜中进行无氧活化，活化温度分别设定为700℃，达到活化温度后保温一定时间进行活化活化时间分别为l.5h。

其他操作与实施例1相同。

实验测得，双酸洗污泥半焦比表面为1756m²/g，碘吸附值为825mg/g，对苯酚的吸附容量为308mg/g。

实施例4：本实施例中活化剂使用naoh，其他步骤和实施例1相同。

实验测得，双酸洗污泥半焦比表面为1832m²/g，碘吸附值为819mg/g，对苯酚的吸附容量为289mg/g。

对比例1：没有步骤六、双酸洗深度活化，其他步骤和实施例1相同。

实验测得，污泥半焦比表面为1123m²/g，碘吸附值为546mg/g，对苯酚的吸附容量为158mg/g。

对比例2：在步骤五中、污泥活性炭的制备过程中未添加活化剂，其他步骤和实施例1相同。

实验测得，双酸洗污泥半焦比表面为1056m²/g，碘吸附值为532mg/g，对苯酚的吸附容量为178mg/g。

经过实施例1-实施例4、对比例1和对比例2的处理，对双酸洗污泥半焦进行检测，数据如表2：

表2

实施例1-实施例4处理污泥后，得到的双酸洗污泥半焦性质优良，比表面为大于1500m²/g，碘吸附值为798-896mg/g，对苯酚的吸附容量为289-314mg/g；

对比例1中没有步骤六、双酸洗深度活化，未能进一步去除污泥半焦中的灰分，使污泥半焦灰分含量降到最低，进而增大半焦中的空隙率，提高半焦中的固定碳比例，因此，测得污泥半焦比表面仅为1123m²/g，碘吸附值仅为546mg/g，对苯酚的吸附容量仅为158mg/g。

对比例2中在步骤五、污泥活性炭的制备中未添加活化剂，活化剂如zncl2，一方面具有很强的吸水性，使污泥半焦有脱水、脱羟基作用，有利于污泥半焦中的氢、氧及部分以水蒸气或气体形式放出，而不形成含氧有机物或碳氢化合物，另一方面避免它们在高温下产生焦油类物质而堵塞空隙，此时zncl2在炭化时留在小孔中，孔壁不易坍塌，这些因素均有利于形成发达的空隙结构，因此，在不添加的活化剂的情况下，测得双酸洗污泥半焦比表面为1056m²/g，碘吸附值为532mg/g，对苯酚的吸附容量为178mg/g。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。