一种污泥基陶粒制备及副产物循环降解的方法与流程

本发明涉及一种污泥基陶粒制备及副产物循环降解的方法，属于污泥资源化利用。

背景技术：

1、长期以来，污水处理行业普遍存在着“重水轻泥”问题，污泥处理和处置工艺主要包括好氧发酵、厌氧消化、干化、填埋、土地利用、污泥焚烧等，而这些工艺在实施过程中均存在一定的碳排放问题，因此，如何妥善处理污泥，使其稳定化、无害化、减量化、资源化，环源化，成为环境污染治理中亟待解决的问题。市政污泥的主要组成是生物质和粘土矿物，生物质热解时形成生物炭，粘土矿物是烧制陶粒的主要矿物成分，污泥经过适当调配后，能够用于制备生物炭陶粒，可广泛应用于生物滤池、人工湿地等水污染控制领域。

2、通常，污泥制备陶粒的过程包括预处理、混合、造粒、干燥与预热、焙烧、冷却6个步骤。污泥原料经一定的配比、混合和造粒成型后，在自然条件下或在105℃左右范围内进行烘干，干燥后的陶粒在300～600℃进行10～30min的预热，预热后在1000～1200℃下焙烧10～30min，具体的焙烧温度和时间根据原料的物质含量的不同有稍微变化，焙烧完毕后冷却一段时间便能得到烧制成型污泥陶粒。对制备过程进行成本核算发现，一般预热、焙烧的能耗及成本占到整个流程的85％以上，因此高温、高能耗成为制约污泥制备陶粒过程经济性推广的重要因素。

技术实现思路

1、本发明所要解决的一个技术问题是：陶粒焙烧温度一般在900～1300℃不等，高温焙烧将生物质中的炭大部分以挥发分的形式释放到空气中，不仅燃料消耗大、能耗高，碳排放也比较粗放，焙烧过程未能结合生物质热解的特性，充分发掘利用生物质能。

2、本发明所要解决的另一个技术问题是：污泥中生物质有氧热解过程的液相产物主要是焦油，焦油是一种粘性的、复杂的高分子量有机混合物，不进行处理会造成严重的危害，例如管道及机械的堵塞、结垢和腐蚀。焦油可以聚合形成更复杂的化合物，并且还会与粉尘颗粒相互作用，导致下游粉尘去除困难，影响设备的运行效率和使用寿命。此外，焦油附着在陶粒表面，其浸出液会释放出一定浓度的cod，对水环境造成新的污染，处理不当更会影响陶粒产品品质。

3、污泥基陶粒的制备方法，包括如下步骤：

4、s1：将市政污泥与基体粉料进行混合后进行造粒，再进行有氧热解反应，获得陶粒；

5、s2：有氧热解产物进行灼烧，去除陶粒表面焦油；

6、s3：灼烧产物进行水洗，去除陶粒孔隙内焦油，再进行自然养护。

7、所述的步骤s1中，基体粉料中包含工业粉料90-100％，以及成孔剂0-10％。

8、市政污泥含水率为50％～80％之间。

9、市政污泥与基体粉料的重量比范围是(30-70):(70-30)；所述的工业粉料选自粉煤灰、生石灰和水泥，重量比范围是：(30～40):(5～10):(10～15)。

10、所述的成孔剂选自碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸钠中的一种或几种的混合。

11、有氧热解反应中采用回转反应器，温度稳定在300～600℃之间，氧气浓度在5％～15％之间，颗粒总停留时间为30min～60min。

12、灼烧过程对陶粒表面进行瞬时灼烧，灼烧温度为1000～1300℃，持续时间为30～60s。

13、造粒方式可以为圆盘造粒、双螺杆挤出或对辊造粒成型，颗粒形状可以是块状、柱状、球状等，平均直径3mm～5cm，含水率10～40％之间。

14、水洗过程采用浸泡振荡，步骤包括：将颗粒置于水中颗粒与水体积比为1：5-15，进行水平振荡浸泡，振荡频率为110±30次/min、振幅为10-80mm，在室温下振荡5-15h后静置5-30h。

15、上述的污泥基陶粒在污水处理中的应用。

16、所述的应用中包括如下步骤：自然养护中得到的浸出液和/或灼烧产物进行水洗得到的清洗液送入到生物滤池里处理，生物滤池排出的废渣送至污泥调理阶段作为原料循环利用，使陶粒制备过程中的副产物形成生化处理中的降解循环。滤池填料为所述陶粒，吸附饱和的陶粒取出后进入有氧热解反应器内进一步处理。

17、有益效果

18、有氧热解过程是通过引入的部分氧气与固定碳的异相氧化反应，促进“自热热解”过程的进行，实现热解过程的能量自维持。对比传统惰性环境下的热解，有氧热解一定程度上促进了自由基的形成、降低了反应的活化能，同时氧气和有机物之间的反应将释放生物质热解的初级分解和后续次级反应所需的全部热量，以达成自热热解。同时，有氧热解过程通过控制温度或氧量，抑制了挥发分的均相氧化反应，并且保持热解过程燃料的空气过量系数小于气化过程，最终保留了热解过程的产物特征。本发明的方法中，根据污泥基陶粒物料的特点，采取低温限氧有氧热解，热解温度在300℃～500℃之间，氧气浓度在5～15％左右。有氧热解过程生物质颗粒被缓慢热解，限氧环境下生物质颗粒中的挥发分析出速率大大降低，焦炭被氧化的异相反应由氧的扩散过程控制，环境中的氧气可以通过扩散的方式到达颗粒的固体外表面甚至颗粒孔隙内部，氧气在低温下与生物质燃料直接发生异相的氧化反应，最大程度的保留生物质燃料形成生物质炭，低温、限氧环境不仅可以减少生物质颗粒的重量损失，更能降低焦油产量。

19、有氧热解后的颗粒先经过表面灼烧，去除一部分的表面焦油，然后对陶粒在室温下进行振荡浸泡，进一步去除颗粒孔隙内部附着的焦油，同时浸泡过程使生物质颗粒中的粉煤灰、生石灰或水泥等具有火山灰活性的组分，在碱激发效果的作用下形成陶粒强度，最终经一段时间的自然养护后对外产出生物炭陶粒；浸泡产生的废水进入生物滤池中处理，滤池填料为产品陶粒，吸附饱和的陶粒取出后进入有氧热解反应器内进一步处理，形成污染物的内部循环降解。

20、在污泥调配的过程中，首先将污泥的ph值控制在接近于7左右，通过引入成孔剂，可以实现在低温有氧热解的过程中使得陶粒内部原位生成大量微气孔，微气孔的生成促进了焦油的析出，通过表面的多孔性促进了在后续的灼烧和清洗的过程中焦油的更多的被去除。

21、低温有氧热解的限氧环境下，氧气主要被生物质焦炭的异相氧化反应所消耗，挥发分与氧气的均相燃烧程度很小，甚至在较低空气过量系数的工况下与氧气不反应，这样生物质可以持续的实现自热热解，生物质燃料中的碳大部分的被保留下来形成生物质焦炭中，而不是以挥发分的形式转移到空气中，这样大大降低了碳排放量，实现了碳减排。另外，有氧热解得益其“自热热解”过程的进行，实现热解过程的能量自维持，大大降低了陶粒常规高温焙烧过程中的燃料消耗，实现了节能降耗的目标，减少了陶粒制备成本。陶粒品质高、性能好：根据有氧热解过程特点设置了低温、限氧热解过程，最大程度的保留污泥中的生物质炭，在增加生物质炭产量的同时减少了液相产物焦油的产生量，经过表面灼烧、振荡浸泡两道工序去除残余焦油后，自然养护出的陶粒浸出液cod浓度低，陶粒产品品质好，可应用于水处理滤料等领域。

技术特征：

1.污泥基陶粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤s1中，基体粉料中包含工业粉料90-100％，以及成孔剂0-10％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，市政污泥含水率为50％～80％之间。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，市政污泥与基体粉料的重量比范围是(30-70):(70-30)；所述的工业粉料选自粉煤灰、生石灰和水泥，重量比范围是：(30～40):

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，有氧热解反应中采用回转反应器，温度稳定在300～600℃之间，氧气浓度在5％～15％之间，颗粒总停留时间为30min～60min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，灼烧过程对陶粒表面进行瞬时灼烧，灼烧温度为1000～1300℃，持续时间为30～60s。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，造粒方式为圆盘造粒、双螺杆挤出或对辊造粒成型，颗粒形状可以是块状、柱状、球状等，平均直径3mm～5cm，含水率10～40％之间；水洗过程采用浸泡振荡，步骤包括：将颗粒置于水中，颗粒与水体积比为1：5-15，进行水平振荡浸泡，振荡频率为110±30次/min、振幅为10-80mm，在室温下振荡5-15h后静置5-30h。

8.权利要求1-8任一项所述的制备方法得到的污泥基陶粒在污水处理中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，滤池填料为所述陶粒，并且自然养护中得到的浸出液和/或灼烧产物进行水洗得到的清洗液送入到生物滤池里处理，使陶粒制备过程中的液相副产物在系统内形成生物处理和吸附降解循环；所述生物滤池包括曝气生物滤池、厌氧生物滤池和滴滤池等。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将生物滤池定期冲洗排出的废渣经污泥调理后继续造粒，使陶粒制备过程中的固相副产物在系统内形成固废循环利用；生物滤池将浸泡后的污水处理达标后出水回用至前端用于补充浸泡液，实现废水的循环利用。

技术总结本发明涉及一种污泥基陶粒制备及副产物循环降解的方法，属于污泥资源化利用技术领域。根据污泥基陶粒物料特性，采取低温限氧有氧热解，温度在300℃～500℃，氧气浓度在5～15％。在有氧热解过程中，生物质颗粒缓慢热解，限氧环境下挥发分析速率降低，焦炭被氧化的反应由氧的扩散控制。氧气在低温下与生物质燃料直接发生氧化反应，最大程度保留生物质形成生物质炭，减少重量损失和焦油产量。有氧热解后的颗粒经表面灼烧去除部分表面焦油，然后在室温下振荡浸泡去除颗粒孔隙内部附着的焦油。浸泡过程形成陶粒强度，最终产出生物炭陶粒。浸泡产生的废水进入生物滤池中处理，滤池填料为产品陶粒，吸附饱和的陶粒进入有氧热解反应器内进一步处理，滤池废渣送前端造粒，处理达标后的污水回用于前端浸泡，形成污染物的内部循环降解。技术研发人员：陈梦雪,黄勇,申朝阳受保护的技术使用者：南京高科环境科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29