專利名稱：污水污泥的處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及處理生活污水污泥的方法，以達到減少體積(重量)增強脫水、降低粘度、減少病原菌和增加生物穩(wěn)定性的目的。
據(jù)現(xiàn)行聯(lián)邦法令40CRF257款-固體廢物處置設置和慣常分類標準，本發(fā)明方法可以定義為“進一步減少病原體的方法”(PFRP)。據(jù)聯(lián)邦法令議案40CFR503款-污水污泥應用和處置技術標準，本發(fā)明方法可以使污水污泥達到A級病原菌降低指標，其中指示生物密度等于或低于(1)2log10糞性大腸菌數(shù)/克揮發(fā)性懸浮固體;和(2)2log10糞性鏈體菌數(shù)/克揮發(fā)性懸浮固體污水污泥的處理已在共同轉(zhuǎn)讓的第3，507，788號美國專利中討論過。在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利第3，687，646中披露了污水污泥通過部分氧化方法來氣化，在共同轉(zhuǎn)讓的第4，933，086號美國專利中介紹了不通過加熱而用剪切方法來對污水污泥含水泥漿進行濃縮，通過加熱來凝聚污水污泥含水泥漿中的有機物同時存在共同轉(zhuǎn)讓的第4，983，296號美國專利中作了披露。但是，無論其中任何一份公知技術，還是將上述公知技術綜合起來考慮，任何一份參考文獻都未對本發(fā)明的污水污泥含水泥漿的水熱處理和通過多級閃蒸進行脫水的方法給予教導或提示。
該發(fā)明涉及一項處理污水污泥的改進方法，該法包括以下步驟(1)在輸送固體含量約3-35wt%的含水污泥漿料同時，約預熱30秒至5分鐘使之達到約100°F-200°F的溫度。
(2)對由(1)中送入的污水污泥進行皺片。
(3)用往復式正排量泵將(2)送入的經(jīng)皺片的污水污泥送至一間接熱交換器中，停留8至10分鐘左右，使之達到400°F-600°F左右的溫度。
(4)在400°F-600°F的溫度范圍內(nèi)，在700-800psip(磅/平方英寸(表壓))的壓力下，在氮氣氛的密閉反應器中水熱處理從(3)來的加熱污泥15至45分鐘，在反應溫度的水蒸汽壓力之上，破壞污泥的纖維和凝膠結(jié)構(gòu)以釋放內(nèi)含的水。
(5)在第一個多級閃蒸區(qū)中，對從(4)送入的水熱處理過的污泥進行脫水和冷卻，在該區(qū)中經(jīng)2個或多個閃蒸步驟，把壓力從約700-800psig降至約25-75psig，飽和溫度降至約300-400°F，然后在第二個閃蒸區(qū)中，經(jīng)1個或多個閃蒸步驟，把壓力降至約10-50psig，飽和溫度降至約200-300°F。
(6)冷卻從第一和第二區(qū)中來的蒸氣，分離冷凝液體和不冷凝氣體。
(7)取出從(5)送入的固體含量約為5-50wt%，病原體數(shù)量下降的可泵送的已脫水污泥泥漿。
可用本發(fā)明的方法處置城市生活污水污泥，而不污染環(huán)境。
該方法中的污泥供料是經(jīng)傳統(tǒng)處理步驟和設備處理過的未處理的城市生活污水污泥。例如，通過隔網(wǎng)去除那些會堵塞管道或是毀壞泵的大塊石頭、木材、金屬和其它垃圾的城市污水網(wǎng)的污水。那些粗而重的不可燃無機物，如碎石、煤渣、沙子將通過沉砂槽被分離。干的污水污泥含約55-75wt%的可燃物，其余大體上為不可燃物質(zhì)。
污水污泥接著被分為含水污水污泥懸浮體和液體?？梢酝ㄟ^任何適宜的傳統(tǒng)方法將固體、液體分離。如重力沉降、過濾、離心、水力旋流或其結(jié)合來對污泥進行濃縮。例如，一個較為適宜的預處理步驟是將從沉砂槽中來的經(jīng)過篩網(wǎng)的溢出物送入初級沉降槽，如Perry化學工程師手冊，McGraw-Hill，第四版，1963年，第19-50頁所示的連續(xù)澄清池，停留時間約為1至24小時，以能產(chǎn)生固體含量約為1-10wt%的可泵送初級污泥水漿，初級沉降槽亦可用做消除污泥成分不連續(xù)性的存儲槽，也可用一個單獨的儲存槽。在一優(yōu)選實施方案中，次級可泵送污泥含水泥漿被送入沉降槽與初級污水污泥混合，次級污水污泥固體含量約為0.5-5wt%，來源于前面提到的初級沉降槽的液體溢出物。液體溢出物經(jīng)傳統(tǒng)方法處理，以產(chǎn)生次級污水污泥，降低BOD和有機固體含量并對次級污水污泥中分離來的廢水凈化和脫礦質(zhì)?？蓳?jù)水的最終用途使用下列任何步驟中或較為適宜的全部步驟，對自初級沉降槽的液體溢出物進行處理，調(diào)節(jié)PH值，把固體和BOD含量降到約30ppm或更低、優(yōu)選用曝氣生物化學處理、澄清、優(yōu)選凝結(jié)、過濾或離心、脫礦質(zhì)和活性炭處理。
如果需要更濃的含水污水污泥，從初級沉降槽排出的含初級污水污泥濃漿或初級儲存槽來的與20-60wt%(以總的污水污泥為基準)的次級污水污泥混合的初級污水污泥濃漿還可進一步脫水，該污泥是一種纖維狀物質(zhì)，其粒度大部分在500-1000μ的范圍內(nèi)，還有一些長的頭發(fā)。
在該方法中，將于環(huán)境溫度下的，固體含量約為3-35wt%、粘度在5000-20，000CP(厘泊)范圍內(nèi)(如10000CP)的脫水城市污水污泥，經(jīng)30秒至5分鐘，預熱至約100-200°F，(如180°F)同時被輸送至皺片區(qū)。所有這里記載的粘度均為180°F下測定的，單位為厘泊。在該預熱-輸送步驟中，污水污泥粘度下降至2000-50000CP左右?？蓮氖袌鲑I到的普通傳熱介質(zhì)如油或水可以通過的帶空心鏈板的螺旋輸送器是非常適宜的熱傳送器。在一實施方案中，螺旋輸送器-加熱器向上傾斜15°角，以節(jié)省空間和提供良好的排水和通網(wǎng)。有利的是，傳熱介質(zhì)可以通過與該方法下游產(chǎn)生的熱污水污泥產(chǎn)品和蒸氣進行間接熱交換而被預熱。
加熱的污水污泥通過一可將其切割成最大尺寸約1/4″×1/2″×2″小片的傳統(tǒng)皺片器。因而保護了下游設備不受大體積雜物的破壞，經(jīng)皺片的污水污泥被雙推運螺旋送料器送入個雙活塞、正排量水力驅(qū)動泵的送料槽，在大約700-900psig的壓力下，把已預熱的污水污泥泵入間接熱交換器，如套管或螺旋型，熱油通過間接熱交換方法加熱污水污泥，進入間接熱交換器的污水污泥溫度約為100-200°F范圍(如180°F)，粘度約為2000-3000CP。離開熱交換器的污水污泥溫度約400-600°F(如約500°F)。粘度約為1000-1500CP(如1200CP)。在該雙壁加熱器中的停留時間為2至10分鐘左右，如約3.5分鐘。氮氣被用來維持飽和壓力，并保護下一步中的水熱反應器。氮氣與熱污水污泥混合后送入水熱反應器的底部，氮氣還可用來快速恢復水熱器和第一閃蒸器中的壓力。氮氣不是象我們預計的那樣直接進入蒸氣空間，而是通入水熱反應器的液平面之下。從這個部位注入可以從下列三個方面增加氮的容積效率(1)液體向氣體的傳熱效率好，這保證了氣體的快速加熱;(2)使干燥的氮氣得到濕潤;(3)使上開的氮氣帶走污泥中的任何氣體。該方法較之冷的氮氣通入蒸氣空間，能節(jié)省多達40倍的氮氣。
在約400°F的溫度范圍內(nèi)，約700-800psig的壓力下，該反應溫度下的水蒸氣壓力上，污水污泥在一密閉的垂直式園柱型容器中進行水熱反應約15分鐘至45分鐘。在該處理過程中，污水污泥的纖維狀和凝膠結(jié)構(gòu)被破壞，內(nèi)含水被釋放。
在水熱處理過程中，旋轉(zhuǎn)槳以約45-235轉(zhuǎn)/分的速度沿反應器中軸緩慢轉(zhuǎn)動來攪拌污泥以保證固體處于懸浮狀態(tài)。主要含水蒸氣、氮氣和有機氣體的蒸氣可以從水熱處理單元的頂端排出。一部分蒸氣被引入第一閃蒸容器的頂部以加壓該容器，余下的蒸氣被冷卻，不冷凝氣體可冷凝液體中相分離。在氣體凈化操作中，不冷凝氣體用水洗滌后再排入大氣。冷凝物在從系統(tǒng)中排放之前要送入一水凈化設備處理。
水熱處理后的固體含量約為3-35wt%，溫度約400-600°F，壓力約700-800psig，粘度約300-1000CP，可泵送污水污泥從水熱器的頂端離開后，進入含1個或多個(如1-4)脫水容器的多級閃蒸區(qū)的第一閃蒸區(qū)第一個容器，經(jīng)此水熱處理的污水污泥中殘存的30-45wt%左右的水，在第一多步閃蒸區(qū)中，通過此可泵送污水污泥泥漿的等熵絕熱膨脹而被除除去。接下來，在至少有一個容器(如1-4)和最好有一個容器的第二閃蒸區(qū)中，從第一閃蒸區(qū)排出的污水污泥中存在的另外5-10wt%的水，將由閃蒸，等熵絕熱膨脹的方法被去除，經(jīng)閃蒸脫水的污泥產(chǎn)品被儲存起來。
同單級閃蒸步驟相比，本發(fā)明的多級閃蒸是一個重要的改進，有利的是，在我們運用傳統(tǒng)的減壓閥，僅通過一個節(jié)流步驟而讓壓力下降時，使用該方法，不會有閥門堵塞的現(xiàn)象發(fā)生，如污水污泥泥漿只經(jīng)過一次閃蒸步驟處理，揮發(fā)物形式的浮渣和固形物沉積于閥門口并引起閥門阻塞，本申請人注意到了此現(xiàn)象而由此提出了本發(fā)明的方法，也由于該方法中，蒸氣相中夾帶的污水污泥水漿中固體和BOD的減少而使這個問題得以避免。
大部分閃蒸是按下述方法進行的，即把一批已處理的污泥隔離于第一閃蒸區(qū)中的容器中并連續(xù)不斷地降低壓力，如將壓力從約700psig降至300psig，再降至100psig左右，最后至40psig。分批處理將減少連續(xù)處理時引起的管口的磨損。第一閃蒸容器相對于水熱處理容器或其后的第二閃蒸區(qū)中的第二閃蒸器都要小，由此有利于能減少第一閃蒸容器熱量散失快的操作。進一步說，在水熱處理器中壓力波動范圍寬的現(xiàn)象避免了。一旦第一區(qū)中壓力降至約40psig，根據(jù)連續(xù)的基本原理，另外的閃蒸將在不激烈的條件下在第二閃蒸區(qū)中相繼的閃蒸容器中進行，第二閃蒸區(qū)中相繼閃蒸容器的連續(xù)性處理保證了從該過程中穩(wěn)定的排放產(chǎn)品。例如，對于第一、第二閃蒸區(qū)各自的一個蒸發(fā)容器而言，第二閃蒸區(qū)中容器的體積要比第一閃蒸區(qū)中容器大2-4倍(如125加倉對42加倉)，從而提供了調(diào)節(jié)能力。
在該方法優(yōu)選實施方案中，第一閃蒸區(qū)中的污水污泥將在一個容器中經(jīng)三步脫水。例如，第一閃蒸容器中的相繼三個步驟能除去該容器中污泥大約全部殘存水量的10-15wt%。在第一步中，將第一閃蒸器頂部排氣管的一個傳流節(jié)流閥部分打開，使得污水污泥的壓力從進入時的約700-800psig降至約200-500psig，溫度從約400-600°F降至與相應壓力下的飽和溫度約380°-470°F。該過程持續(xù)的約0-30秒，接著閥門第二次進一步打開，使壓力降至約75-300psig，溫度降至300-420°F。該過程亦持續(xù)0至30秒后，第二次再將閥門打開一點。此第一容器中的壓力降至75-300psig左右。溫度降至相應壓力下的飽和溫度，即約300-420°F。持續(xù)0-30秒左右后，第三次再將節(jié)流閥門打開一點，此第一容器的壓力降至25-75psig，溫度降至相應壓力下的飽和溫度，即約240-310°F。
離開第一閃蒸區(qū)閃蒸容器的蒸汽經(jīng)節(jié)流閥釋出，如主要含H2O-10wt%，CO2-60wt%，N2-30wt%，可溶性物質(zhì)＜1wt%?？扇苄晕镔|(zhì)包含非甲烷烴類，這些蒸氣與從第二閃蒸區(qū)中單個閃蒸器釋出的蒸氣混合，并通過一冷卻器，可冷凝液體與不冷凝蒸氣在一單獨區(qū)中被分離。蒸氣通過一氣體凈化區(qū)后再排放至大氣。冷凝物被送入一水凈化區(qū)后再予排放。
固體含量約4-40wt%，壓力約25-75psig、相應壓力下的飽和溫度約240-310°F的、于第一閃蒸區(qū)閃蒸器底部排出的部分脫水可泵送污水污泥，被送入第二區(qū)以進一步脫水、貯存。此閃蒸器中壓力約10-30psig，這樣污水污泥的一進入容器就立即進行閃蒸，已脫水可泵送污水污泥產(chǎn)品從閃蒸區(qū)底部排出，其固體含量約為5-50wt%，粘度約500-1200CP壓力約5-50psig、相應壓力下的飽和溫度約200-300psig。
主要含水和一些可溶性物質(zhì)的蒸氣，通過第二閃蒸區(qū)閃蒸器頂部的排氣管排走。如前面所述，該蒸氣與來自第一閃蒸區(qū)閃蒸器的塔頂引出蒸氣混合，并被通入一氣體凈化單元，污水污泥產(chǎn)品可不加燃料而予燃燒或與添加燃料混合后用部分氧化氣化器，爐、鍋爐或焚燒爐中燃燒而被處置掉。而且，該產(chǎn)品符合聯(lián)邦法令40CFR257款和503款的要求，可用諸如土地填埋或復蓋予以處置。
參照說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的附圖
，將全面地理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于我們所描述的特定方法或材料。
在管線1的已脫水的城市的生活污水被送入進料口2，并從此進入熱輸送器3，熱油從管線4進入輸送器3的中空軸和螺旋葉片，從而提供必需的熱量，冷卻油從管線5排出，加熱污水污泥通過皺片器6被切成4片，此法可使得該過程后面的設備不被過大的垃圾物質(zhì)破壞。污水污泥通過螺旋進料口7填充活塞槽8，活塞9向前運動時即施壓于污水污泥加壓并使之通過管道10、間接熱交換器11和管道12。在管線13的熱油為污水污泥提供熱量使之達到容器23中水熱反應所需的溫度。冷卻油從管線14排出。水熱容器23和第一閃蒸器30用氮氣加壓，該加壓過程由打開閥門18，21和32以及關閉閥門26，36，40和44來完成，來自管線15的氮氣經(jīng)壓縮機16壓縮，接著經(jīng)過管線17，閥門18和管線19。來自管線12的溫度約500°F的熱污水污泥與來自管線19的氮氣在管線20中混合，氮氣與污水污泥混合物通過閥門21和管線22一直到水熱反應器23底部，水熱反應器23被填充至要求的泥漿時，將閥門18和閥門32關閉。在水熱反應過程中維持溫度如500°F，壓力超過該溫度下的水蒸氣壓力如680psig條件下由馬達25帶動的慢速葉片型攪拌機24攪拌密閉容器23中的物質(zhì)。排氣閥26位于管線27、28上，通常情況下是關閉的。緊急情況時，將閥門26打開，通過管線29、38、39，冷卻器50，管線51和分離槽52來排放容器23中的蒸氣，第一閃蒸器30是通過管線27，31，閥門32和管線33、34的氮氣來預加壓的，所需壓力由管線41的閥門40控制，容器30通過管線34、41，閥門40，管線42、38，39，冷卻器50，管線51和分離器52來排氣。
水熱處理后的污水污泥通過管線35、閥門36，從容器23的上部排出，經(jīng)管線37通入第一閃蒸器30，經(jīng)過三個獨立的脫水，閃蒸步驟后，閥門48和63預置于一特定壓力下，此時閥門44打開，容器30中的污水污泥經(jīng)其底部的管道43、閥門44和管道445進入第二閃蒸容器46，通過調(diào)節(jié)閥門40，容器30中的壓力要高于容器46中，因此污水污泥進入容器46，同時被脫水和閃蒸蒸。關閉閥門44，容器46中的閃蒸步驟停止，容器46中的壓力使熱污水污泥經(jīng)管道60排出。污水污泥在熱交換器61中與如水等冷卻劑進行間接熱交換而予冷卻，冷卻劑由管道65進入，從管道66排出，容器46中的塔頂蒸氣經(jīng)過管道47，閥門48，管道49，在管道39中與來自第一閃蒸器30和水熱反應器23的蒸氣混合。管道39中的混合蒸氣被通入冷卻器50，管道51和氣液分離器52，冷水是冷卻器50中的冷卻劑。非冷凝氣體通過管道53并在管道54中與來自管道68的油熱輸送器3的蒸氣混合。管道54中氣體蒸氣組合物主要含N2-33wt%;CO2-67wt%，含水冷卻物經(jīng)分離器52底部的管道55排出。冷凝物經(jīng)管道57，閥門58和管道59被泵56泵出，最好是送入一傳統(tǒng)的水回收單元。
經(jīng)管道60，熱交換器61、管道62、閥門63和管道64，已脫水的城市污水污泥產(chǎn)品從第二閃蒸器46底部排出，該可泵送污水污泥產(chǎn)品可以用做部分氧化氣化爐、爐、鍋爐、焚燒爐的燃料，亦可用諸如土地填埋或復蓋予以處理。
關閉閥門44，打開閥門18和32及關閉閥門36，用氟氣加壓該系統(tǒng)進行下一個新的循環(huán)。
有利的是在管道70和/或管道65中的水或油經(jīng)與管道39中的氣體和/(或)管道60中的污水污泥產(chǎn)品進行間接熱交換而被加熱。該已知熱交換液與管道1中的初級污水污泥一起通入間接熱交換器，用來預熱管道4中的油或通入熱輸送器3之前的污水污泥。
盡管可以在不違背本發(fā)明精神和不超出本發(fā)明范圍的情況下對該發(fā)明進行修改和各種變更，但是這些均在申請待批的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.污水污泥處理方法，其特征是該方法包括以下步驟(1)輸送固體含量為3-35wt%含水污泥水漿的同時并將其加熱到100°F-200°F；(2)對經(jīng)(1)處理的污水污泥進行皺片；(3)用往復式正排量泵經(jīng)(2)處理的皺片的污水污泥泵送至一間接熱交換器中，使所說污泥的溫度升到約400°F-600°F；(4)在氮氣氛和約400-600°F的溫度范圍級700-800Psig的壓力范圍下在密閉容器中水熱處理從(3)來的加熱污泥，在反應溫度的水蒸氣壓力之上，破壞污泥的纖維狀凝膠狀結(jié)構(gòu)來釋的內(nèi)含的水；(5)在第一個多級閃蒸區(qū)中將(4)的徑水熱處理的污泥脫水并冷卻，在此閃蒸區(qū)中，經(jīng)2個或多個閃蒸步驟使壓力從約700-800Psig降至約25-75Psig，飽和溫度降至300-400°F；按下來在第二個蒸發(fā)區(qū)中經(jīng)一個或多個閃蒸步驟使壓力降至約10-50Psig，飽和溫度降至約200-300°F；(6)冷卻從第一、第二區(qū)中來的蒸氣，并分離冷凝水和不冷凝氣體；和(7)排放固體含量約為5-50wt%，病原菌數(shù)量下降經(jīng)(5)處理的可泵送脫水泥漿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是所說的污泥水漿進料于(1)中預熱約30秒至5分鐘，在(4)中水熱處理約15至45分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是(4)中所說的第一個多級閃蒸區(qū)中，所說壓力下降經(jīng)三個閃蒸步驟實現(xiàn)的，所說第二個蒸發(fā)區(qū)中，所說壓力下降經(jīng)一個步驟實現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的方法，其特征為在(1)中，進入預熱-輸送器的污泥水漿粘度約為5000-20000CP(180°F時測量)，輸出時粘度約為2000-50000CP(180°F時測量)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3項任一項的方法，其特征為在(3)中進入間接熱交換器的所說污泥水漿溫度約為100-200°F、粘度約為2000-3000CP(180°F時測量)，輸出時溫度約為400-600°F、粘度約為1000-15000CP(180°F時測量);
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3項任一項的方法，其特征為在(4)水熱處理過程中，旋轉(zhuǎn)漿片以45至235轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速徐徐攪拌污泥漿;
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3項任一項的方法，其特征為來自(4)的經(jīng)水熱處理的污泥，離開水熱容器的污泥溫度約為400-600°F＊、粘度約為300-1000CP并進入第一個閃蒸區(qū)的第一個容器。在冷區(qū)中通過等熵絕熱膨脹的方法來除去所說水熱處理污水污泥中仍存在的30-40°wt%左右的水而對所說水熱處理的污水污泥進行脫水。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3項任一項的方法，其特征為在(5)中所說的第一多級閃蒸區(qū)中，在第一閃蒸容器中的每三個相繼進行的閃蒸步驟除去泥漿中存在的全部水的約10-15wt%;
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3項任一項的方法，其特征為該可泵送污水污泥產(chǎn)品即可不加燃料又可與補充燃料混合后于部分氧化氣化爐、普通爐、鍋爐和焚燒爐中燃燒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3項任一項的方法，其特征為可用諸如土地填埋復蓋對所說可泵送污水污泥進行處理。
全文摘要
使固體物含量增加、粘度下降和病原菌減少的生活污水污泥的處理方法。污水污泥水漿被同時傳送和預熱、皺片，在熱交換器中加熱，于約500、750Psig和高于此溫度的水蒸汽壓下、在有氮氣氛的密閉容器中水熱處理，在第一個多級閃蒸區(qū)中脫水和冷卻，接著第二閃蒸區(qū)中壓力降至25Psig，冷卻冷凝來自第一和第二區(qū)中的蒸氣，排出固體含量為5—50wt％、病原菌減少了的脫水的可泵送泥漿產(chǎn)品。
文檔編號C02F1/02GK1082007SQ93103530
公開日1994年2月16日 申請日期1993年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月1日
發(fā)明者R·B·臧, M·R·卡恩 申請人:德士古發(fā)展公司