一种污泥与废泡沫塑料混合制备污泥炭材料的方法及其系统

1.本发明涉及污泥资源综合利用技术领域，具体涉及一种污泥与废泡沫塑料混合制备污泥炭材料的方法及其系统。


背景技术：

2.近年来，随着社会经济的快速发展和城市化程度越来越高，净化工业生产废水、城乡生活污水时所产生的污泥量也逐渐增多。污泥作为污水处理的副产品，通常含有大量的有毒、有害和对环境产生负面影响的物质，若不加以安全处理和处置将会造成严重的二次污染。但同时污泥中含有大量的有机物、腐殖质等可利用资源。因此，实施城市污水厂污泥处理处置和资源化新途径，对解决污泥污染问题具有重要意义。传统污泥处置的最终去向可分为填埋法、海洋弃置、好氧堆肥、焚烧等。
3.（1）填埋法：由于土地资源日趋紧缺，土壤污染问题日趋严重，污泥的填埋处置受到限制；且污泥含水率高，填埋操作困难；污泥富含有害微生物，污染性强，会影响生态安全，危害居民健康。
4.（2）海洋弃置：污泥直接进入海洋会危害海洋生态系统，造成海洋环境恶化。
5.（3）好氧堆肥：将污泥与生活垃圾、木屑等膨松剂和调理剂结合，利用污泥中富含的微生物进行发酵，制成的肥料肥效与养分较低，重金属和有毒有机物无法控制，应用效果不佳。
6.（4）焚烧：将污泥放在焚化炉中焚烧，焚烧过程中会产生二噁英、含重金属的灰渣等二次污染问题，且投资运行费用较高，无法大规模应用。
7.聚苯乙烯泡沫塑料是由大量气体微孔分散于固体塑料中而形成的一类高分子材料，具有质轻、绝热、吸音、防震、耐潮、耐腐蚀、价格低廉等优点,被广泛用作家用电器、仪器仪表的防震包装材料和建筑保温隔音材料以及管道和容器等的保温材料等，因此产生了大量的废泡沫塑料。废聚苯乙烯泡沫塑料比较分散，其性质稳定，不易分解，容易污染生态环境。作为不可再生资源，一次性使用就被丢弃，也是对资源的巨大浪费。因此，选择合适的处理技术来解决废聚苯乙烯泡沫塑料形成的“白色垃圾”,发展循环经济，已成为当务之急。
8.生物炭目前已经广泛地应用在军工，医药，冶金，化工，环保等行业的生产和净化过程之中，而它作为一种具有多孔结构，选择性吸收能力强的炭基吸附材料，在使用过程中也体现了它的强大地功能性。市面上已经得到大范围推广并进行实际应用的生物炭，其原材料基本为木材和煤炭，但由于木材生长缓慢，煤炭资源越来越少，这就导致了生产成本较高。污泥中存在丰富的有机质，并且其所含有的炭元素占比较高，这为制备具有较高吸附性能的生物炭提供了可能。
9.针对污泥处理和生产污泥炭材料的技术，已有部分学者开展了相关探索。cn109647341a公开了一种利用污泥制备吸附材料的系统和方法，将污泥与高温水蒸气接触进行水热处理后再进行压滤脱水，再对其进行热解、活化。但其仅是对污泥进行处理制备污泥炭，并没有与其他材料结合来制备炭材料，还有待进一步改进。cn103396815a公开了一种
污泥制备炭材料的方法，将污泥进行水热法脱水后，用于厌氧发酵产生沼气或用于生产生物炭，该方法需要消耗外部能源，增加了污泥处理成本。cn105731752a公开了一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法， 其主要过程为：将市政污泥和榛子壳烘干、破碎，加入氯化锌溶液浸泡并烘干，继而真空热解，最后用稀盐酸进行酸洗，去离子水洗涤，烘干后得到生物炭。但其在材料选择上有待进一步改进，污泥与榛子壳等植物残体共存可能性较低，共热解的实际意义较弱。cn106732359a公开了一种掺杂塑料粉的污泥基生物炭制备方法，其方法是：将污泥烘干、破碎、研磨、过筛，塑料制品破碎、研磨、过筛成粉末状，两者按1-3:1的重量比充分混合，于400-600℃热解，随后盐酸浸洗，去离子水洗涤，烘干至恒重得到污泥基生物炭。该方法并未对塑料制品进行前处理，塑料粉末在制备生物炭时贡献不大。cn113955755a公开了一种用市政污泥与废弃塑料制备的生物炭及制备方法，对市政污泥和废弃塑料进行干燥、破碎、筛分，按（4-50）：1的质量比混合，并加入氯化镁溶液搅拌，烘干，在300-700℃进行炭化，去离子水洗涤后干燥，得到市政污泥与废弃塑料共热解制备的生物炭。cn214400192u公开了一种市政污泥热解处理系统，污泥经脱水预处理后送入全程密闭微正压、绝氧燃烧的立式热解机内热解炭化，产物热解气被分离净化，净化后的可燃气部分送入燃烧器中燃烧作为回用热源。该方法处理污泥工艺复杂，成本较高，对机械设备要求高。


技术实现要素：

10.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种污泥与废塑料混合制备污泥炭材料的方法及其系统；本发明利用污泥作为制备生物炭的原材料，符合无害化，减量化，稳定化和资源化的处置原则；利用废泡沫塑料碳氢含量高，并且挥发份含量大的特点，将废泡沫塑料掺入污泥中制备炭材料，有效地改善了污泥热解炭孔结构分布，提高了污泥炭的吸附性能；本发明装置投资及运行成本低，运行稳定可靠，在实现超低污染排放的过程中能产生有价值的污泥炭材料，其制备的污泥炭吸附性能指标高；本发明能实现污泥和废泡沫塑料的高附加值利用，充分体现清洁生产与循环经济理念，节能与环保效益显著。本发明的技术方案具体介绍如下。
11.一种污泥与废泡沫塑料混合制备污泥炭材料的系统，其包括污泥储存装置、浓缩装置、调理储存装置、机械脱水装置、干化机、废泡沫塑料储存装置、破碎装置、磺化釜、混合装置、炭化炉、分离室、燃烧室、冷却室、炭仓、蒸汽发生器、冷凝水泵和烟气处理系统；污泥储存装置依次和浓缩装置、调理储存装置、机械脱水装置、干化机连接，干化机包括两个入口和两个出口：分别为固液物料入口和出口，气体入口和出口；干化机的固液物料入口和机械脱水装置相连，固液物料出口和混合装置的入口连接；废泡沫塑料储存装置依次和破碎装置、磺化釜连接后和混合装置的入口连接；混合装置出口和炭化炉的输入端相连，炭化炉的输出端和分离室的入口相连，分离室有两个出口，其中一个依次和冷却室、炭仓相连，另一个和燃烧室相连，燃烧室的出口和用于给炭化炉加热的炭化炉加热室的入口相连，炭化炉加热室的出口和蒸汽发生器的入口相连，蒸汽发生器的出口和干化机的气体入口相连，干化机的气体出口经过冷凝水泵后，依次和蒸汽发生器、烟气处理系统相连；工作时，存储在污泥储存装置的污泥依次经浓缩装置、调理储存装置、机械脱水装置、干化机处理，存储在废泡沫塑料储存装置的废泡沫塑料依次经破碎装置、磺化釜处理；
处理后的污泥和废泡沫塑料进入混合装置混合后进入炭化炉炭化，再由分离室气固分离，固体样品为污泥炭材料，气态部分进入燃烧室燃烧后用作炭化炉加热室的热源，从炭化炉加热室出来的余热烟气进入蒸汽发生器作为热源，蒸汽发生器吸热后得到的蒸汽进入干化机放热，为污泥干燥提供热源，产生的蒸汽冷凝水再经过冷凝水泵送入蒸汽发生器吸热，得到的低温烟气进入烟气处理系统。
12.本发明中，污泥储存装置中存储的污泥的含水率在95-99.5wt%之间，浓缩装置处理后污泥的含水率低于95wt%，机械脱水装置处理后的污泥的含水率低于60wt%之间，干化机处理后的污泥的含水率低于20wt%。
13.本发明中，机械脱水装置为板框压滤机、隔膜压滤机或钢带式压滤机。
14.本发明中，破碎装置为塑料撕碎机或塑料剪切式破碎机。
15.本发明中，磺化釜中装贯穿到底部的磁力搅拌器、自热系统及温度监测设备。
16.本发明中，混合装置为搅拌式混料机、转筒式混料机、犁刀式混料机或耙式混料机。
17.本发明中，辅助燃料储存装置和燃料室相连，用于提供辅助燃料，使得燃料室达到一定温度；辅助燃料为生物质燃料、天然气或合成气。
18.本发明还提供一种基于上述系统制备污泥炭材料的方法，包含如下步骤：（1）将废泡沫塑料送入破碎装置进行破碎处理，随后将废泡沫塑料送入磺化釜，用浓硫酸对其进行磺化处理，得到略带弹性、淡褐色至黑色的浆糊状物质；（2）污水处理厂含水率95-99.5wt%的污泥经浓缩装置后得到含水率低于95wt%的泥浆，将泥浆输送至污泥调理储存装置，添加药剂以便后续挤压脱水，将调理后的污泥送入机械脱水装置脱水，污泥含水率降至60wt%以下，将含水率60wt%以下的污泥送入干化机，将含水率降至20%以下，脱除的污水通过污水泵进入污水处理系统，处理达标后排放；（3）将含水率20wt%以下的污泥和步骤（1）处理好的废泡沫塑料均匀混合，之后送入炭化炉进行炭化，炭化炉的热解产物包括热解气和及固态污泥炭材料，热解产物进入分离室；（4）分离室分离出的热解气进入燃烧室燃烧，产生的高温烟气进入炭化炉加热室作为热源，从炭化炉加热室出来的余热烟气进入蒸汽发生器作为热源，蒸汽发生器吸热后得到的蒸汽进入干化机放热，为污泥干燥提供热源，产生的蒸汽冷凝水再经过冷凝水泵送入蒸汽发生器吸热，得到的低温烟气进入烟气处理系统；分离室分离出的固态污泥炭材料部分经冷却室冷却后进入炭仓，最终得到污泥炭材料。
19.本发明中，步骤（1）中，废泡沫塑料为聚苯乙烯泡沫塑料，废泡沫塑料破碎后粒度范围控制为《30mm，废泡沫塑料与浓硫酸的质量比为1:3-1:5。
20.本发明中，步骤（2）中，药剂包括铁盐和石灰。
21.本发明中，步骤（3）中，含水率20wt%以下的污泥和步骤（1）处理好的废泡沫塑料的质量比5:1-1:1，炭化温度控制为500℃-650℃，炭化时间控制在30min-150min。
22.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：1.本发明将废泡沫塑料引入到污泥制备炭材料技术领域，实现了城市生活垃圾中废泡沫塑料资源化与能源化高效利用，避免了污泥和废泡沫塑料给环境带来的二次污染问题；
2. 本发明利用了碳氢含量高、挥发份含量大的废泡沫塑料，能有效改善污泥热解炭孔结构分布，提高污泥炭材料的吸附性能，改善了污泥炭材料性能指标；3.本发明制备出的污泥炭材料相较于单一污泥或单一泡沫塑料制备出的炭材料而言，有较大的比表面积，具有一定的吸附性能，可应用于污水处理领域；4. 本发明将炭化过程产生的热解气体燃烧作为炭化的外部热源，余热烟气用于污泥的干燥脱水，体现了清洁生产与循环经济理念，节能与降成本效益显著。
附图说明
23.图1是本发明工艺装置流程图。
24.图中标号：1-污泥储存装置，2-浓缩装置，3-调理储存装置，4-机械脱水装置，5-干化机，6-污水处理系统，7-废泡沫塑料储存装置，8-破碎装置，9-磺化釜，10-储酸罐，11-混合装置，12-炭化炉加热室，13-炭化炉，14-分离室，15-冷却室，16-炭仓，17-辅助燃料储存装置，18-燃烧室，19-冷凝水泵，20-蒸汽发生器，21-烟气处理系统。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
26.实施例：请参阅图1，一种污泥与废泡沫塑料混合制备污泥炭材料的方法，其实现步骤包括：（1）泡沫塑料中的炭含量要远高于污泥，大约是污泥的4倍以上，在污泥中添加泡沫塑料可以弥补城市污泥中碳含量不足的缺点。将废聚苯乙烯泡沫塑料废聚苯乙烯泡沫塑料送入塑料撕碎机进行破碎处理，随后将废泡沫塑料送入磺化釜，用储酸罐中的浓硫酸对其进行磺化处理，废泡沫塑料与浓硫酸的质量比为1:3-1:5，得到略带弹性、淡褐色至黑色的浆糊状物质。聚苯乙烯在通常的炭化条件下是不能被转化为炭化物料的，进一步发现在聚苯乙烯上引入极性基团有助于其想成炭转化，因此对废聚苯乙烯泡沫塑料进行磺化处理再进行炭化；（2）污泥处理一般经历4个过程：污泥脱水浓缩，即污泥初步脱水；污泥调理，改变污泥的絮体结构；污泥深度脱水，减少污泥体积；污泥最终处理处置。污水处理厂含水率99%的污泥经工业用叠螺式污泥浓缩机后得到含水率95%的泥浆，将泥浆输送至污泥调理储存装置，添加铁盐和石灰等药剂以便后续挤压脱水，将调理后的污泥送入板框压滤机等机械脱水装置脱水，污泥含水率降至60%以下，将含水率60% 以下的污泥送入污泥干化机，将含水率降至20%以下，污水通过污水泵进入污水处理系统，处理达标后可排放。板框压滤机脱水主要依靠过滤介质两边的压力差，强制水分通过过滤介质，污泥固体颗粒被截留，实现泥水分离。干化机利用热源对污泥进行整体性的加热处理，对干化处理的固体颗粒进行二次回收，节约资源和减少能耗。每种污泥脱水技术均有各自的优势与不足，因此，综合各种技术的优势，采用多种技术联合处理是污泥脱水发展的趋势；（3）将含水率为质量百分含量小于等于20%的污泥和处理好的废泡沫塑料按质量比5:1-1:1均匀混合，将混合后的物料送入炭化炉进行炭化，炭化温度控制在500℃-650℃，炭化时间控制在30min-150min，炭化炉的热解产物进入分离室，分离出的气态部分进入燃烧室燃烧，产生的高温烟气进入炭化炉的加热室作为热源，当温度不能达到设定值时，调节
辅助燃料投加量，辅助燃料可以为生物质燃料、天然气、合成气等，从炭化炉加热室出来的余热烟气进入蒸汽发生器作为热源，蒸汽发生器吸热后得到的蒸汽进入干化机放热，为污泥干燥提供热源，产生的蒸汽冷凝水再经过冷凝水泵送入蒸汽发生器吸热，得到的低温烟气进入烟气处理系统；（4）分离出的固态部分经冷却室冷却后进入炭仓，最终得到污泥炭材料，本发明制备出的污泥炭材料相较于单一污泥或单一泡沫塑料制备出的炭材料而言，有较大的比表面积、孔隙度、含碳量，具有一定的吸附性能，可应用于污水处理领域。
27.本发明具体实施例的加工流程步骤如下：1）废聚苯乙烯泡沫塑料从废泡沫塑料储存装置7进入破碎装置8进行破碎处理，所述废泡沫塑料经破碎处理后粒度范围控制为《30mm，随后进入磺化釜9与储存罐10输送过来的酸进行磺化反应，处理后的泡沫塑料进入混合装置11。
28.2）污水处理厂含水率99%的污泥从污泥储存装置1进入浓缩装置2后，得到含水率小于95%的泥浆，将泥浆输送至污泥调理储存装置3，添加铁盐和石灰等药剂以便后续挤压脱水，将调理后的污泥送入机械脱水装置4脱水，污泥含水率降至小于60%，将含水率小于60%的污泥送入干化机5，将含水率降至20%以下，污水通过污水泵进入污水处理系统6，处理达标后可排放；3）将含水率为质量百分含量小于等于20%的污泥和处理好的废泡沫塑料按质量比5:1-1:1送入混合装置11，将混合后的物料送入炭化炉13进行炭化，炭化温度控制在500℃-650℃，炭化时间控制在30min-150min，炭化炉的热解产物进入分离室14，分离出的气态部分进入燃烧室18燃烧，产生的高温烟气进入炭化炉的加热室12作为热源，当温度不能达到设定值时，通过辅助燃料储存装置17送入一定的燃料，从炭化炉加热室12出来的余热烟气进入蒸汽发生器20作为热源，蒸汽发生器吸热后得到的蒸汽进入干化机5放热，为污泥干燥提供热源，产生的蒸汽冷凝水再经过冷凝水泵19送入蒸汽发生器20吸热，得到的低温烟气进入烟气处理系统21；4）分离出的固态部分经冷却室15冷却后进入炭仓16，最终得到污泥炭材料，本发明制备出的污泥炭材料相较于单一污泥或单一泡沫塑料制备出的炭材料而言，有较大的比表面积、孔隙度、含碳量，具有一定的吸附性能，可应用于污水处理领域。
29.上述描述仅是对本发明技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本发明所做的任何变更、修饰，均属于权利要求的保护范围。