一种用于有机物料深度脱水装置及其深度脱水方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于有机物料深度脱水装置及其深度脱水方法，属于污泥处理领域。
【背景技术】
[0002]传统污水处理厂生化污泥处理的方法，一般采用浓缩、稳定、脱水、干化/固化、裂解等处理方法，然后进行填埋、焚烧、堆肥及有效利用(多为园林或农用)等处置方法。一般污水处理厂的生化污泥重力沉淀后其含水率甚高，可达98至99%。污泥浓缩后含水率可降为约91%至97%间。浓缩可以实现污泥的减量化。现行不加絮凝剂的污泥的浓缩方法有重力浓缩法、机械浓缩法、气浮浓缩法、离心浓缩法等。重力浓缩法用于污泥处理是广泛采用的一种方法，已有超过半世纪历史。机械浓缩方法出现在20世纪30年代的美国，此方法占地面积小，造价低，但运行费用与机械维修费用较高。气浮浓缩于1957年出现在美国。此法运行中与前述诸法均有臭味问题，动力费用也高。离心浓缩法效果较好，操作也较简便；但投资较高，动力费用也相对高，维护复杂。不管用何种浓缩法，脱水的效果均非常有限。因浓缩后污泥含固率仅为3%至9%，必须经适当的再脱水处理才可处置。
[0003]上述的污泥再脱水处理，一般可经由二途径:污泥稳定法、及加絮凝剂后用机械脱水。前者可将生化污泥脱水至约90%含水率。而后者则可脱水至约80%含水率。中国迄今大部分的污水处理厂一般采用后者，处理后才达约80%含水率。稳定法处理的目的为降解污泥中的部分有机物质(此在污水厂的生化污泥一般指好氧菌细胞内细胞质的降解)，进一步减少污泥含量及含水量，杀灭污泥中的部分细菌、病原体等，消除臭味。污泥稳定化的方法主要有厌氧消化、好氧消化、堆肥化、石灰干燥等法。厌氧消化法过程中产生大量甲烷可为能源用途，但产生臭气如硫化氢、氨、硫醇等则可能造成二次公害，须处理。其运行管理要求高，消化池需密闭、池容大、池数多。而且厌氧消化的处理周期甚长，且处理后沼液及沼渣问题严重。沼液及沼渣因数量大，溶解及固态性的易降解有机物浓度仍甚高，目前尚缺经济有效的方法处理。好氧消化法降解程度相对较高，无臭，较易再脱水，其肥分也较高，运行管理简单，基建费用较低。但处理周期也长，运行费用较高，降解程度随温度波动大。堆肥作为污泥直接的稳定法成效不彰，因含水率高空气不易打入以增发酵及腐熟效率。故堆肥之法常在用其他脱水法脱水至45至50%，再用堆肥法作为污泥的资源化法。石灰稳定技术在污泥的稳定已行之六、七十年，在投加石灰的条件下，保持一定pH值及一定时间，可以杀灭传染病菌，并防腐与抑制臭气的产生。该技术操作简单、成本较低，处理后较容易脱水。但污泥最终处置也因此受限，一般采用卫生填埋或焚烧制砖，此法无法进行较高经济价值的资源化。
[0004]污泥加絮凝剂后用压滤的机械法脱水是目前国内一般污水厂的生化污泥常采用的脱水法。此法一般仅能脱水至约80%含水率。其他如加絮凝剂后用滚压带式及真空吸滤的机械法也可使用，其效果常在含水率80%或更高。加絮凝剂后的高速离心脱水效果一般低于压滤，同时能耗也较高。
[0005]目前中国污水处理厂产生的污泥很少进行资源化，原因之一为仅脱水至80%含水率。此高含水率在以往法规不严时仍采取填埋或焚烧处置。为了避免含水率80%的脱水污泥增加卫生填埋场操作困难及渗滤液产生的问题，以及焚烧处置含热值不足的问题，目前政府规定处置前含水率应少于60%含水率。但现行的方法中，很少工艺技术能脱水到少于60%含水率的处置要求，甚至少于45%含水率的多数资源回收法的要求。
[0006]污泥脱水至适当含水率是后续再处理、处置、及资源化的必要举措，也是污泥能否资源化有效利用的关键步骤。污泥脱水可以是整个污泥处理处置资源化工艺的一个最重要环节。其目的是使固体富集，减少污泥体积，使后续的处理处置资源化可进行。
[0007]为了解有机小颗粒污泥难脱水原因，必须先了解其水分存在的现象。一般有机或生化污泥中含有下述存在的水分:(I)重力水，(2)间隙水，(3)毛细水，(4)吸附水，及(5)生化水。上述重力水是靠重力即可脱离之水，一般重力浓缩法可去此类水，至约97% -98%含水率。而一般气浮浓缩(可达95% -97% )、框式离心(可达91 % -92% )、转鼓离心(可达92% -95% )则可去除间隙水(即污泥颗粒间游离态水)。部分毛细水的去除则需加絮凝剂及较高的机械力才可达到。既使如此，加絮凝剂的机械去除法一般仅能去除生化污泥至约80%含水率！国内近数年来也有超过上百件的污泥机械或电极脱水的专利申请。在这些专利中大部分采用污泥改性(一般为加絮凝剂)后再板式压滤、带式压滤、螺旋压滤、叠螺式压滤、或隔膜压滤等等。仅有少数专利在压力增加(即压榨)情况下含水率可脱水至60%的报导。
[0008]为使生化污泥的含水率低于80%，必须继续克服部分的毛细水、吸附水、甚至细胞颗粒外及其内存于有机质中的“生化水”的释放。最近在“2013年第五届上海水业热点论坛”中，有许多较为新型的污泥深度脱水至或小于60%含水率的技术实际示范应用的工程，举例如下:上海市奉贤区污水处理厂的“电渗透脱水机”、苏州江远热电厂的污泥“蒸汽干化”再焚烧项目，南京龙潭污水处理厂的“低温真空脱水干化”、美华盛顿特区的“热水解再气炸”的污泥深度脱水处理厂、浙江宁海县八座污水厂污泥处理的“滚筒式通气发酵技术”、嘉兴联合污水处理厂的“圆盘式污泥热干燥技术”、武汉市汤逊湖污水厂的“圆筒干燥”加“污泥碳化技术”、深圳上洋污水厂的污泥“薄层蒸发再带式干化”技术、及众多的日本污水厂污泥的“熔炉干化”及“水泥窑干化”处理技术等。一般干化法可去除含水率至低於60%，但能源费用高昴。
[0009]使生化污泥的含水率降至或低于60%的困难，大致与污泥中的部分毛细水、吸附水及生化水无法被释出有关。迄今的专利技术或已应用的工程案例一般很少触及上述问题。在现行的深度脱水方法中，清华大学的水热干化法是一个最为典型的触及释放毛细水、吸附水及部分生化水的技术。水热干化法用高温热水解，在约170至200°C间，30至90分钟污泥热处理后，再进行压滤，其含水率可降至约50% (参考东莞市污水处理厂污泥水热干化示范工程)。
【发明内容】
[0010]本发明涉及一种用于有机物料深度脱水装置及其深度脱水方法，以实现有机颗粒物料深度脱水。
[0011]为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案:一种用于有机物料深度脱水方法，包括如下步骤:
[0012](a)预处理:搅拌有机颗粒物料，并调节有机颗粒物料的含水率与温度；视资源化情况需要则加入有机质添加剂。
[0013](b)热水解:将步骤(a)中预处理后的有机颗粒物料放入水解釜中，有机颗粒物料进行热水解、热酸水解、或热碱水解以破坏有机颗粒物料外的粘稠有机物，降低污泥比阻，减少污泥中的吸附水及生化水，破坏生化污泥的细胞壁颗粒外壁，释放出颗粒内含生化水有机物，以进行水解颗粒内所含生化水的有机质；
[0014](c)热氧化:将步骤(b)中热水解产物放入氧化釜中，热水解产物进行热氧化以释出生化水；
[0015](d)固液分离:将步骤(C)中热氧化产物放入固液分离装置中，热氧化产物进行固液分离，获得深度脱水产物。
[0016]进一步的，来源于浓缩槽、厌氧消化槽或好氧消化槽内的有机颗粒物料，以及含水率超过90%的有机物料，在步骤(a)之前，需要对有机颗粒物料进行初步脱水，以实现有机颗粒物料含水率达到85% -90%。
[0017]在根据本发明的污泥脱水方法中，其中所述预处理的步骤还包括在所述物料中加入有机质(例如秸杆、木肩等)、及其他添加剂等。有机物料中的污泥一般有机质甚低，加入有机质添加剂的需求是符合产品作为有机肥的国家标准的规定。加入其他添加剂例如褐煤或泥碳等，亦可增进有些产品资源化的品质。预处理步骤的搅拌操作可将物料充分混合。而预处理步骤中物料的预提温可高至约90°C，一方面可避免预处理设备成为昴贵的压力容器，另一方面则可回收由热氧化步骤产生的能源，达到节能，并让物料在进入热水解步骤后的反应可加速启动。
[0018]物料由预处理步骤后进行一系列不同有机物的水解。为了增进水解速率或降低能源需求，催化剂亦可加入热水解釜中。这些物料的热水解可将所述污泥或泥浆物料的颗粒外的粘稠有机物，或颗粒内含生化水有机物包括蛋白质，脂肪、糖类等水解。所述水解的步骤，可将蛋白质在120°C _230°C之间在2小时内几乎完全水解，而在140°C _180°C之间的温度范围约30分钟内可大部分水解而获得蛋白质的水解产物。所述水解的步骤也可在80°C _180°C之间的温度将预处理后的脂肪产物水解数分钟至约2小时，获得水解产物。且所述水解的步骤包括在140°C _230°C之间的温度可将预处理后的所述肝糖或淀粉等糖类水解数分钟至约2小时，获得水解产物。
[0019]进一步的，所述水解步骤(b)包括提温热水解、加温加酸水解、加温催化剂水解、加温碱水解、或加入酸化催化剂的水解，将预处理后的所述物料进行水解，获得水解产物；所述酸化催化剂包括弱碱强酸盐，所述弱碱强酸盐包括氯化铝、硝酸铝、硫酸铝、氯化钙、硝酸钙、硫酸钙、氯化镁、硝酸镁和硫酸镁中一种或多种；所述催化剂还包括金属氧化物，所述金属氧化物包括氧化铝、氧化铁、二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化镁、氧化锆中的一种或多种。
[0020]进一步的，步骤(b)中，水解温度为120°C -160°C，水解时间为2min-60min ;所述的热水解的步骤亦可包括在140°C _180°C之间的温度将预处理后的所述物料水解2分钟至30分钟，获得水解产物。
[0021]进一步的，步骤(b)中，所述有机颗粒物料外围绕有粘稠有机物，有机颗粒物料内含生化水有机物，粘稠有机物和含生化水有机物包括蛋白质，水解温度为120°C _230°C，水解时间为