申請(qǐng)日2014.10.29

　　公開(公告)日2015.02.18

　　IPC分類號(hào)C02F11/00

　　摘要

　　本發(fā)明涉及一種基于亞臨界水熱處理的污泥高效資源化處理工藝。首先將含固率10~25%污水處理廠的污泥置于水熱反應(yīng)釜中，在200~300℃(1.6~8.6MPa)亞臨界高溫高壓狀態(tài)下保持5~30min，使污泥中胞內(nèi)物質(zhì)充分溶出、固態(tài)有機(jī)物充分溶解、水解和部分分解;并使污泥中結(jié)合水和表面水的釋放有利于提高污泥的脫水性能。水熱改性后的污泥進(jìn)行脫水，使脫水后污泥含固率不高于60%，繼而進(jìn)行好氧堆肥化穩(wěn)定處理。污泥脫水所得的富含溶解性有機(jī)質(zhì)的濾液進(jìn)入高速厭氧消化系統(tǒng)充分回收沼氣。該技術(shù)高效實(shí)現(xiàn)了污泥的為生化、資源化和穩(wěn)定化，由于亞/超臨界反應(yīng)速率快、后續(xù)高效厭氧消化水力停留時(shí)間短、水熱改性脫水后產(chǎn)生的固態(tài)殘?jiān)�少，本發(fā)明水熱環(huán)節(jié)、厭氧環(huán)節(jié)和好氧環(huán)節(jié)均可采用小容量反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的城市污泥處理量。

 

　　權(quán)利要求書

　　1.一種基于亞臨界水熱處理的污泥高效資源化處理工藝，其特征在于具體步驟如下：

　　(1) 將含固率10~25%污水處理廠的污泥置于水熱反應(yīng)釜中，在亞臨界高溫高壓狀態(tài)下保持5~30min，或者將污水處理廠的污泥以高壓泵連續(xù)進(jìn)入水熱反應(yīng)釜中，控制進(jìn)料速度以保證污泥在水熱反應(yīng)釜中停留5~30min;所述亞臨界水熱反應(yīng)條件為：溫度200~300℃，壓力為1.6~8.6MPa;所得污泥含固率降低20%~40%;

　　(2) 水熱反應(yīng)結(jié)束后，水熱改性后的污泥進(jìn)行脫水;脫水后污泥含固率不高于60%;

　　(3) 污泥脫水所得的濾液進(jìn)入高速厭氧消化系統(tǒng)充分回收沼氣;

　　(4) 步驟(2)中脫水后的污泥殘?jiān)�收集輸送進(jìn)行好氧堆肥化處理。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于亞臨界水熱處理的污泥高效資源化處理工藝，其特征在于，步驟(3)高效厭氧消化系統(tǒng)為UASB、AFB、EGSB、IC、厭氧MBR中任一種或與上述構(gòu)造具有相似功能的工藝構(gòu)造。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于亞臨界水熱處理的污泥高效資源化處理工藝，其特征在于，步驟(1)中所述污泥為初沉污泥、剩余污泥或兩者混合物，濃縮污泥或脫水污泥均可。

　　說(shuō)明書

　　一種基于亞臨界水熱處理的污泥高效資源化處理工藝

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于固廢資源化領(lǐng)域，涉及一種基于亞臨界水熱處理的污泥高效資源化處理工藝。

　　背景技術(shù)

　　城市污水處理廠因凈化生活污水而產(chǎn)生的脫水污泥量巨大，目前全年的可收集量在3000萬(wàn)噸左右，傳統(tǒng)的污泥處理方法，如土地填埋、露天堆放和外運(yùn)等方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)日趨嚴(yán)格的污泥處理處置標(biāo)準(zhǔn)，近年來(lái)，全球能源結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷以礦物能源為主向多種能源并存的方向的轉(zhuǎn)變，糧食安全和環(huán)境惡化等問(wèn)題也日益突出，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)回收污泥中的非糧生物質(zhì)能源——沼氣逐漸得到重視。

　　傳統(tǒng)的厭氧消化工藝首先用來(lái)處理生活污水，繼而用于處理污水廠剩余污泥。在上個(gè)世紀(jì)五十年代之前，厭氧消化工藝的運(yùn)行溫度、停留時(shí)間(SRT)和有機(jī)負(fù)荷(OLR)未經(jīng)控制，厭氧消化裝置內(nèi)不具備攪拌設(shè)施，厭氧微生物在反應(yīng)器里的停留時(shí)間(SRT)與污水/廢水的停留時(shí)間(HRT)是相同的，因此厭氧微生物在反應(yīng)器里濃度較低，因而具有HRT較長(zhǎng)(30-90天)，處理效率較低，處理效果不好，臭味嚴(yán)重等特點(diǎn)，稱為低速厭氧消化系統(tǒng)或常速厭氧消化系統(tǒng)，現(xiàn)在也通稱為“第一代厭氧消化工藝”。 進(jìn)入上世紀(jì)50、60年代，特別是70年代的中后期，通過(guò)維持厭氧微生物在系統(tǒng)中的停留時(shí)間，增加厭氧微生物量，相繼出現(xiàn)了一批被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應(yīng)器的處理工藝，稱為“第二代厭氧生物反應(yīng)器”，它們的主要特點(diǎn)有：HRT大大縮短，有機(jī)負(fù)荷大大提高，處理效率大大提高;HRT與SRT分離，SRT相對(duì)很長(zhǎng)，HRT則可以較短，反應(yīng)器內(nèi)生物量很高。主要包括：厭氧接觸法、厭氧濾池(AF)、上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器、厭氧流化床(AFB)、厭氧附著膜膨脹床(AAFEB)、厭氧生物轉(zhuǎn)盤(ARBC)和擋板式厭氧反應(yīng)器等。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著以顆粒污泥為主要特點(diǎn)的UASB反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上又發(fā)展起來(lái)了同樣以顆粒污泥為根本的顆粒污泥膨脹床(EGSB)反應(yīng)器和厭氧內(nèi)循環(huán)(IC)反應(yīng)器。這些高速反應(yīng)器又被統(tǒng)稱為“第三代厭氧生物反應(yīng)器”。

　　第二代和第三代高效厭氧消化工藝之所以能夠有效提高厭氧消化效率，主要由于污水和廢水中的有機(jī)污染物是以溶解態(tài)存在的，而厭氧微生物是固態(tài)懸浮的，因此能夠通過(guò)分別控制水力停留時(shí)間和固體停留時(shí)間的方式提高微生物濃度，降低污染物停留時(shí)間，從而提高處理效率。然而，城市污泥富含微生物殘?bào)w，固態(tài)有機(jī)污染物的比例較高，這導(dǎo)致污泥采用厭氧消化技術(shù)進(jìn)行資源化和無(wú)害化過(guò)程中存在如下問(wèn)題：第一，污泥中的有機(jī)物大部分以固態(tài)方式存在，與厭氧微生物混合在一起，無(wú)法分別控制厭氧微生物和污染物的停留時(shí)間，因此傳統(tǒng)的高速厭氧消化工藝未在污泥厭氧消化領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用;第二，相比污水中的溶解性有機(jī)物，污泥中的固態(tài)有機(jī)物在厭氧消化過(guò)程中需增加一步“溶解”過(guò)程，另外，污泥中有機(jī)物多為微生物殘?bào)w，較為復(fù)雜，溶解、水解速率較低，這兩方面特征均降低了污泥厭氧消化的效率。

　　水熱技術(shù)是在密封的壓力容器中，以水為溶劑，在高溫高壓的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的各種技術(shù)的統(tǒng)稱，在化工、冶金等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在水熱反應(yīng)體系中，水的性質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈改變，蒸汽壓變高、密度變低、表面張力變低、粘度變低、電離常數(shù)增大，離子積變高。利用水的這些性質(zhì)變化，無(wú)須添加藥劑即可對(duì)污泥進(jìn)行改性。污泥經(jīng)水熱改性后：第一，污泥中原先無(wú)法通過(guò)機(jī)械脫水去除的結(jié)合水和表面水大量釋放，固態(tài)有機(jī)物溶解、水解，高分子有機(jī)物向小分子方向轉(zhuǎn)化，因此污泥脫水性能顯著提高;第二，固體有機(jī)物大量溶解、水解以及部分有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物，有利于污泥后續(xù)厭氧消化效率提高。

　　污泥水熱技術(shù)為污泥的高效資源化處理奠定了基礎(chǔ)。水熱改性對(duì)污泥脫水性能和有機(jī)物溶解方面的作用有利于將污泥中富含溶解性有機(jī)污染物的液體分離出來(lái)，進(jìn)行高速厭氧消化處理。已有的污泥高效資源化方法或工藝多為厭氧、好氧、熱解、建材利用、提取可商業(yè)化物質(zhì)，或通過(guò)物化改性進(jìn)一步提高工藝效率，均有別于本發(fā)明的技術(shù)路線。本發(fā)明將公開一種污泥高效資源化處理工藝。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于提供一種基于亞臨界水熱處理的污泥高效資源化處理工藝，所述工藝將污泥中的有機(jī)質(zhì)在亞臨界水熱條件下充分水解液化，并實(shí)現(xiàn)固相與液相有機(jī)質(zhì)高效資源化利用的處理工藝。

　　本發(fā)明的技術(shù)方案是：通過(guò)亞臨界水熱技術(shù)，使污泥中的有機(jī)物最大限度往溶解態(tài)、易降解和小分子方向轉(zhuǎn)化，并充分將溶解性有機(jī)物富集在液相中，殘留的固態(tài)有機(jī)物存留在固相中，通過(guò)固液兩相的分離，富含溶解性有機(jī)質(zhì)的液體進(jìn)行高速厭氧消化回收沼氣，含有殘留固態(tài)有機(jī)質(zhì)的固態(tài)部分進(jìn)行高溫好氧發(fā)酵處理制肥，以區(qū)別于傳統(tǒng)污泥進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間(HRT=20天)厭氧消化后，再進(jìn)行脫水后沼渣的好氧穩(wěn)定的資源化方式。

　　本發(fā)明提出的基于亞臨界水熱處理的污泥高效資源化處理工藝，具體步驟如下：

　　(1) 將含固率10~25%污水處理廠的污泥置于水熱反應(yīng)釜中，在高溫高壓狀態(tài)下保持5~30min，或者將污水處理廠的污泥以高壓泵連續(xù)進(jìn)入水熱反應(yīng)釜中，進(jìn)料速度以保證污泥在水熱反應(yīng)釜中停留5~30min，達(dá)到所需的亞臨界高溫高壓水熱反應(yīng)條件為200~300℃， 1.6~8.6MPa，污泥含固率降低20%~40%;在該步驟中，具有肽鍵結(jié)合體結(jié)構(gòu)的微生物細(xì)胞壁因熱振動(dòng)而不穩(wěn)定，并發(fā)生水解反應(yīng)而生成單糖、氨基酸或它們的低聚物，使得胞內(nèi)物質(zhì)充分溶出、固態(tài)有機(jī)物充分溶解、水解和部分分解;污泥中結(jié)合水和表面水的釋放有利于提高污泥的脫水性能。經(jīng)水熱改性后污泥的物化特征為：亞臨界反應(yīng)條件為200~300℃(1.6~8.6MPa)，污泥含固率降低20%~40%;

　　(2) 水熱反應(yīng)結(jié)束后，水蒸氣可回收熱量用于污泥預(yù)熱，水熱改性后的污泥可采用板框壓濾等傳統(tǒng)脫水技術(shù)進(jìn)行脫水，使脫水后污泥含固率不高于60%;

　　(3) 步驟(2)中污泥脫水所得的濾液進(jìn)入高速厭氧消化系統(tǒng)充分回收沼氣，高效厭氧消化系統(tǒng)指：傳統(tǒng)的用于高濃度污水/廢水處理領(lǐng)域、能夠通過(guò)微生物截留或附著等手段使微生物停留時(shí)間和水力停留時(shí)間分開，因而在較短的水力停留時(shí)間下快速降解有機(jī)污染物而回收沼氣能源的厭氧消化工藝構(gòu)造，如UASB、AFB、EGSB、IC以及厭氧MBR等。

　　(4) 步驟(2)中脫水后的污泥殘?jiān)�收集輸送進(jìn)行好氧堆肥化處理。

　　本發(fā)明中，步驟(1)中所述污泥為初沉污泥、剩余污泥或兩者混合物，濃縮污泥或脫水污泥均可。

　　該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1. 該工藝從以下兩方面提高液相有機(jī)質(zhì)濃度，有利于污泥中有機(jī)污染物的富集及高效能源化利用：第一、采用水熱技術(shù)作為該方法的第一步，進(jìn)料污泥濃度可提高至10~25%;第二、水熱反應(yīng)進(jìn)一步提高液相有機(jī)物濃度。

　　2. 水熱改性后，污泥中微生物EPS被水解破壞，污泥脫水性能顯著提高，脫水后含水率不高于60%，相比傳統(tǒng)脫水污泥(含水率75~80%)，已呈松散狀，可不添加輔料進(jìn)行好氧堆肥化處理。與傳統(tǒng)厭氧消化后沼渣相比，水熱后脫水的泥渣含有未穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)，容易發(fā)酵升溫實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化，而傳統(tǒng)的沼渣則往往存在發(fā)酵過(guò)程難以啟動(dòng)的問(wèn)題。

　　3. 水熱改性環(huán)節(jié)反應(yīng)溫度高，污泥首先實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)生化，后續(xù)濾液的厭氧處理和殘?jiān)�的堆肥化處理充分�?shí)現(xiàn)了資源化和無(wú)害化。

　　4. 由于亞臨界反應(yīng)速率快、后續(xù)高效厭氧消化水力停留時(shí)間短、水熱改性脫水后產(chǎn)生的固態(tài)殘?jiān)�少，因此，該方法水熱環(huán)節(jié)、厭氧環(huán)節(jié)和好氧環(huán)節(jié)均可采用小容量反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的城市污泥處理量。