本實用新型屬于市政污泥處理領(lǐng)域，尤其涉及污水處理廠產(chǎn)生的污泥處理。

背景技術(shù)：

市政污泥是一種由各種微生物以及有機、無機顆粒組成的固液混合的絮狀物質(zhì)，主要來自于城市污水凈化處理過程，是城市污水處理廠的副產(chǎn)物；典型的城市污水廠基本工藝流程如圖1所示：城市污水通過城市排水系統(tǒng)進入污水處理廠，經(jīng)過格柵與沉砂池之后，污水中較大的懸浮物或漂浮物以及比重較大的無機顆粒(如泥沙，煤渣等)被去除；然后污水進入初沉池，污水中所含有的可沉降性物質(zhì)沉淀下來形成初沉污泥；污水繼續(xù)經(jīng)生物處理進入二沉池，其中一部分污泥回流用于生物處理，而剩余的活性污泥和初沉污泥一起形成的混合污泥再進一步經(jīng)過濃縮和脫水后產(chǎn)生機械脫水污泥。根據(jù)污水處理環(huán)節(jié)不同，各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生污泥的理化性質(zhì)不盡相同，以初始污泥和剩余污泥為例，其中的有機質(zhì)含量如下表1所示。

表1污泥中有機質(zhì)組成含量

污水處理廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)機械脫水后的含水率一般在75％～85％范圍，進一步降低含水率困難。水熱氧化技術(shù)是一種新型的污泥處理技術(shù)，在一定的溫度和壓力的水中，氧化劑將污泥中有機質(zhì)氧化，生成簡單無污染的二氧化碳氣體、灰渣和水；污泥有機質(zhì)轉(zhuǎn)化徹底，無NO_x、SO₂等污染氣體生成，重金屬處于穩(wěn)定態(tài)，液相產(chǎn)物生化性能良好。

為加速污水中懸浮顆粒聚集沉降，污水處理過程添加絮凝劑。絮凝劑使污泥呈膠團狀，大部分水分包裹其中，機械脫水只能去除表面水和間隙水，占水分80％左右的膠團內(nèi)包裹的水分和污泥細胞內(nèi)水脫不掉；污泥自身的膠團特性，導(dǎo)致其污泥粘度大、流動性差，污泥水熱氧化系統(tǒng)直接進料困難。

升高污泥溫度可以使包裹污泥水分的膜壁破裂，水解有機質(zhì)，釋放其中的水，從而降低粘度；攪拌使污泥發(fā)生剪切運動，拉扯打碎膠團，也起到粘度降低的作用；因此可采用預(yù)熱或攪拌等方式的預(yù)處理降低污泥粘度。

污泥預(yù)熱根據(jù)熱源是否與污泥接觸分為有直接加熱和間接加熱。直接加熱的熱源多為蒸汽或熱水；間接加熱的熱源為蒸汽或?qū)嵊?。預(yù)熱污泥所需熱量來自反應(yīng)后的高溫物料回收的余熱。由于粘度大，間接換熱方式預(yù)熱污泥容易造成壓損大、管路堵塞；與間接加熱相比，直接加熱的熱損失小，沒有管路壓損和堵塞問題，但蒸汽或水的加入，會使污泥含水率有一定提高。

采用直接加熱預(yù)熱污泥時，熱源多為高溫物料閃蒸產(chǎn)生的閃蒸汽；閃蒸汽不足以使污泥預(yù)熱到進反應(yīng)器前要求的溫度，需要在回收余熱的預(yù)熱后再進行別的方式的加熱，如反應(yīng)后高溫物料的間接換熱和電磁加熱等。反應(yīng)后液相物料中含有剩余的溶解氧，采用換熱器間接回收余熱將導(dǎo)致設(shè)備腐蝕，除此之外，換熱器、電磁加熱器設(shè)備的投入增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和設(shè)備投資。

綜上所述，目前公布的專利技術(shù)中，主要存在污泥預(yù)處理回收的系統(tǒng)熱量不足、反應(yīng)后液相產(chǎn)物溶解氧在高溫下下腐蝕設(shè)備、需增加加熱設(shè)備增加投資和系統(tǒng)復(fù)雜性等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于：解決現(xiàn)有技術(shù)存在的污泥預(yù)處理回收的系統(tǒng)熱量不足，需要增加加熱設(shè)備增加投資和系統(tǒng)復(fù)雜性，以及反應(yīng)后液相產(chǎn)物溶解氧在高溫下下腐蝕設(shè)備等問題。

本實用新型目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種帶產(chǎn)物返流預(yù)處理的污泥水熱氧化反應(yīng)系統(tǒng)，包括污泥預(yù)處理裝置、攪拌器、水熱氧化反應(yīng)器和分流器，污泥預(yù)處理裝置上設(shè)有污泥原料入口、反應(yīng)器氣相產(chǎn)物入口和反應(yīng)器液相產(chǎn)物入口，以及預(yù)處理污泥出口，污泥預(yù)處理裝置內(nèi)設(shè)有用以攪拌污泥原料入口進入的污泥、和反應(yīng)器氣相產(chǎn)物入口進入的反應(yīng)器氣相產(chǎn)物、和反應(yīng)器液相產(chǎn)物入口進入的攜帶部分固相顆粒的反應(yīng)器液相產(chǎn)物的攪拌器，污泥預(yù)處理裝置的預(yù)處理污泥出口與水熱氧化反應(yīng)器的污泥入口之間通過污泥輸送管路連通，水熱氧化反應(yīng)器上設(shè)有污泥入口、氧化劑入口、氣相產(chǎn)物出口、排渣口和液相產(chǎn)物出口，水熱氧化反應(yīng)器的氣相產(chǎn)物出口與污泥預(yù)處理裝置的反應(yīng)器氣相產(chǎn)物入口連通，水熱氧化反應(yīng)器的液相產(chǎn)物出口通過分流器分別和污泥預(yù)處理裝置的反應(yīng)器液相產(chǎn)物入口以及后續(xù)處理裝置連通。

作為選擇，污泥預(yù)處理裝置上沒有其他間接和/或直接加熱其內(nèi)污泥原料的裝置。

作為選擇，污泥預(yù)處理裝置的預(yù)處理污泥出口與水熱氧化反應(yīng)器的污泥入口之間的污泥輸送管路上也沒有間接和/或直接加熱其內(nèi)污泥原料的裝置。

作為選擇，還包括閃蒸罐，水熱氧化反應(yīng)器的液相產(chǎn)物出口通過分流器分別和污泥預(yù)處理裝置的反應(yīng)器液相產(chǎn)物入口以及閃蒸罐的污泥產(chǎn)物入口連通，閃蒸罐的污泥產(chǎn)物出口與后續(xù)處理裝置連通。

作為進一步選擇，污泥預(yù)處理裝置的預(yù)處理污泥出口與水熱氧化反應(yīng)器的污泥入口之間的污泥輸送管路上還設(shè)有套管加熱器，套管加熱器對污泥輸送管路內(nèi)的污泥間接加熱，閃蒸罐的閃蒸汽出口與套管加熱器的蒸汽入口連通。該方案中，回收閃蒸汽熱量對污泥輸送過程進行保溫。

作為另一進一步選擇，后續(xù)處理裝置包括換熱器、給水泵和沉降池，換熱器設(shè)有給水入口和給水/蒸汽出口，以及污泥產(chǎn)物入口和污泥產(chǎn)物出口，閃蒸罐的污泥產(chǎn)物出口與換熱器的污泥產(chǎn)物入口連通，給水泵與換熱器的給水入口連通，換熱器的污泥產(chǎn)物出口與沉降池連通。

作為選擇，污泥預(yù)處理裝置包括污泥預(yù)處理罐以及其外設(shè)置的夾套，夾套上設(shè)有反應(yīng)器氣相產(chǎn)物入口和反應(yīng)器液相產(chǎn)物入口，污泥預(yù)處理罐罐內(nèi)壁上開有通至罐內(nèi)的蒸汽孔和液相產(chǎn)物孔，夾套上的反應(yīng)器氣相產(chǎn)物入口與蒸汽孔相通，夾套上的反應(yīng)器液相產(chǎn)物入口與液相產(chǎn)物孔相通。

作為選擇，污泥預(yù)處理罐內(nèi)的攪拌器帶有用以刮除黏在罐內(nèi)壁上的污泥的刮刀。

作為選擇，還包括氣相除氧裝置，水熱氧化反應(yīng)器的氣相產(chǎn)物出口與污泥預(yù)處理裝置的反應(yīng)器氣相產(chǎn)物入口通過設(shè)有氣相除氧裝置的管路連通。

作為選擇，還包括增壓泵，污泥預(yù)處理裝置的預(yù)處理污泥出口與水熱氧化反應(yīng)器的污泥入口之間的污泥輸送管路上設(shè)有增壓泵。

前述本實用新型主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本實用新型可采用并要求保護的方案；且本實用新型，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實用新型方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，均為本實用新型所要保護的技術(shù)方案，在此不做窮舉。

本實用新型方案中，水熱氧化反應(yīng)器中污泥水熱氧化后生成的氣相產(chǎn)物由反應(yīng)器頂部引出，通過氣相除氧裝置將其中多余的氧和生成的二氧化碳去除后，通入污泥預(yù)處理裝置，同時液相產(chǎn)物分流部分回流至污泥預(yù)處理裝置，氣相產(chǎn)物和液相產(chǎn)物同時直接與污泥接觸預(yù)熱污泥，此時蒸汽和熱水在攪拌作用下預(yù)熱污泥，解決現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)回收熱量不足以預(yù)熱污泥至進料溫度的問題——本實用新型只需要前述產(chǎn)物返流的方式即可實現(xiàn)對污泥的充分預(yù)熱，而不需要現(xiàn)有技術(shù)中額外的加熱/預(yù)熱裝置，而且本實用新型的預(yù)熱方式還可以得到比現(xiàn)有技術(shù)更高的預(yù)熱溫度(可高至120℃～150℃)，能更大地降低污泥粘度。

同時，在預(yù)熱污泥的過程中，蒸汽和熱水會增加污泥的含水率(從75％～85％增加至90％～93％)，通過此方法將預(yù)熱污泥和污泥濃度調(diào)配有機結(jié)合，而且，通過增加含水率的方式，本實用新型相對現(xiàn)有技術(shù)含水率更高，使得水熱氧化反應(yīng)器中污泥中有機質(zhì)含量正好能維持氧化反應(yīng)進行溫度而無需額外的吸熱面(現(xiàn)有技術(shù)中含水率較低，需要額外的吸熱面吸收反應(yīng)中額外的熱量控制反應(yīng)溫度)，同時含水率更高能夠強化進料污泥在高溫高壓水中的分散效果，縮短氧化反應(yīng)完成的時間(可只需30～45，乃至15min)。

水熱氧化反應(yīng)器剩余的攜帶細小灰渣顆粒的液相產(chǎn)物通過閃蒸罐減壓閃蒸的方法，除去溶解氧，減輕對下游換熱設(shè)備的腐蝕，從而實現(xiàn)剩余高溫物料熱量回收。

通過以上措施，可實現(xiàn)回收系統(tǒng)高溫物料熱量預(yù)熱污泥、緩解溶解氧腐蝕換熱器等問題，降低系統(tǒng)投資，提高系統(tǒng)能量利用率和經(jīng)濟性。

本實用新型的有益效果：

(1)僅通過回收氣相產(chǎn)物、部分液相產(chǎn)物預(yù)熱污泥，即可保證系統(tǒng)回收熱量滿足污泥預(yù)熱需求。

(2)相對現(xiàn)有技術(shù)污泥預(yù)處理后粘度降低、流動性好，在高溫高壓液相水中分散效果好，縮短氧化反應(yīng)停留時間。

(3)解決現(xiàn)有技術(shù)污泥經(jīng)產(chǎn)物預(yù)熱后還需要進一步加熱帶來的設(shè)備增加和投資增加的問題。

(4)采用減壓閃蒸的方式除氧，保證余熱回收設(shè)備的工作環(huán)境。

(5)污泥經(jīng)過氧化后，不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)；氣相產(chǎn)物可直接排放，液相生化性能好，可回流至污水處理廠，固相脫水性且重金屬性質(zhì)穩(wěn)定好，脫水后可直接填埋。

附圖說明

圖1是城市污水處理廠工藝流程圖；

圖2是本實用新型實施例的裝置流程示意圖；

其中1-污泥料倉 2-螺桿泵 3-污泥預(yù)處理罐 4-攪拌器 5-增壓泵 6-套管加熱器 7-反應(yīng)器 8-氣相除氧裝置 9-分流器 10-閃蒸罐 11-換熱器 12-給水泵 13-沉降池。

具體實施方式

下列非限制性實施例用于說明本實用新型。

參考圖2所示，帶產(chǎn)物返流的污泥水熱氧化系統(tǒng)包括：污泥預(yù)處理裝置(污泥預(yù)處理罐3)、攪拌器4、增壓泵5、水熱氧化反應(yīng)器7、氣相除氧裝置8、分流器9和閃蒸罐10，以及換熱器11、給水泵12、沉降池13等。具體方案如下：

(1)污泥輸送：利用螺桿泵2，將含水率質(zhì)量百分數(shù)約80％的污泥，自污泥料倉1轉(zhuǎn)移至污泥預(yù)處理罐3。

(2)污泥預(yù)處理：污泥預(yù)處理罐3內(nèi)設(shè)有攪拌器4和刮刀，在攪拌污泥提供剪切力的同時，刮除黏在罐內(nèi)壁上的污泥；水熱氧化反應(yīng)器7反應(yīng)生成的氣相產(chǎn)物和攜帶部分固相顆粒的部分液相產(chǎn)物回流至污泥預(yù)處理罐3，在攪拌作用下強化污泥預(yù)熱效果，降粘、調(diào)配污泥含水率；預(yù)處理后的污泥含水率提高至90％以上。污泥預(yù)處理罐3外設(shè)有夾套，夾套上有反應(yīng)器氣相產(chǎn)物入口(蒸汽入口)和反應(yīng)器液相產(chǎn)物入口(熱水入口)；污泥預(yù)處理罐罐內(nèi)壁上開有蒸汽孔，通入夾套的蒸汽經(jīng)蒸汽孔進入污泥內(nèi)部；污泥預(yù)處理罐內(nèi)壁上對稱開有液相產(chǎn)物孔(熱水孔)，返流液相產(chǎn)物通過熱水孔進入污泥內(nèi)部；

(3)污泥加壓輸送：預(yù)處理后的污泥通過高壓泵加壓送入水熱氧化反應(yīng)器7。

(4)水熱氧化反應(yīng)：經(jīng)預(yù)熱的污泥送入水熱氧化反應(yīng)器7后，與氧氣等氧化劑在高溫高壓水中發(fā)生水熱氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為250～300℃、反應(yīng)壓力在5～11MPa，生成氣體、水、灰渣等產(chǎn)物并釋放反應(yīng)熱維持反應(yīng)溫度。

(5)氣相產(chǎn)物除氧氣和二氧化碳：氧化反應(yīng)后的氣相產(chǎn)物主要組成是水蒸氣、二氧化碳和富余的氧氣，氣相產(chǎn)物通過氣相除氧裝置8中生石灰等堿性氧化物和海綿鐵，將其中的二氧化碳和氧氣分離出來，除去氧氣和二氧化碳后的蒸汽送入污泥預(yù)處理罐3反應(yīng)器氣相產(chǎn)物入口(蒸汽入口)。

(6)液相產(chǎn)物回流：氧化反應(yīng)后，液相中大顆粒沉積在反應(yīng)器7底部，定期從反應(yīng)器7底部排渣口排出；液相中細小灰渣隨液相產(chǎn)物經(jīng)過分流器9(例如三通分流裝置)，部分返流至污泥預(yù)處理罐3反應(yīng)器液相產(chǎn)物入口(熱水入口)。

(7)閃蒸除氧：液相產(chǎn)物未返流部分經(jīng)過閃蒸罐10減壓后閃蒸除氧，溶解其中的氧氣氣化釋放出來，與液固產(chǎn)物分離；閃蒸罐10閃蒸汽返流至套管加熱器6內(nèi)維持污泥預(yù)熱溫度。

(8)產(chǎn)物余熱回收：除氧后的產(chǎn)物余熱經(jīng)換熱器11與給水泵12的給水換熱回收，產(chǎn)熱水或蒸汽。

(9)產(chǎn)物液固分離：液固產(chǎn)物流入沉降池13，上清液可返回污水處理廠；經(jīng)氧化處理后的顆粒脫水性能好，可利用壓濾機等設(shè)備機械脫水，脫水濾餅含水率<50％，可直接填埋。

一種采用前述系統(tǒng)的帶產(chǎn)物返流預(yù)處理的污泥水熱氧化反應(yīng)方法，具體包括：

污水處理廠經(jīng)機械脫水后污泥(含固率質(zhì)量百分數(shù)在15％～25％之間)，經(jīng)螺桿泵2轉(zhuǎn)移至污泥預(yù)處理罐3內(nèi)。

在污泥預(yù)處理罐3內(nèi)，水熱氧化反應(yīng)器7返流的氣相產(chǎn)物和部分液相產(chǎn)物在攪拌作用下直接加熱污泥；污泥溫度升高至100℃～150℃，優(yōu)選為120℃～150℃，污泥含水率質(zhì)量百分數(shù)調(diào)配至90％～93％，污泥粘度降至220mPa.s以下(最低可降至20mPa.s以下)，污泥輸送阻力減小。

污泥經(jīng)增壓泵5輸送至水熱氧化反應(yīng)器7，污泥加壓輸送管外設(shè)套管加熱器6，閃蒸罐10閃蒸汽返流至套管加熱器6內(nèi)維持污泥預(yù)熱溫度。

水熱氧化反應(yīng)器7內(nèi)氧氣做氧化劑，經(jīng)加壓裝置進入反應(yīng)器；氧氣保證一定的過量系數(shù)，氧氣過量系數(shù)為1～1.4，優(yōu)選為1.1～1.2；水熱氧化反應(yīng)器7內(nèi)維持一定液位，自由液面以上為氣相空間；控制反應(yīng)器溫度維持在250℃～300℃，優(yōu)選為250℃，壓力維持在5～11MPa；溫度、壓力的選擇與污泥調(diào)配濃度有關(guān)，污泥氧化有機質(zhì)放出的熱量恰好維持反應(yīng)溫度；反應(yīng)停留時間控制在15～60min，優(yōu)選為30～45min。

反應(yīng)生成的氣相產(chǎn)物自反應(yīng)器頂部氣相空間引出，經(jīng)氣相除氧裝置8后送入污泥預(yù)處理罐3內(nèi)，氣相產(chǎn)物中二氧化碳預(yù)熱污泥后，直接排放。

反應(yīng)后的液相產(chǎn)物中分散著固相顆粒，自反應(yīng)器自由液面以下引出后，經(jīng)分流器9返流至預(yù)處理罐，返流量由反應(yīng)條件所需的污泥濃度決定；在返流液相產(chǎn)物中可以添加化學(xué)分散劑、穩(wěn)定劑、氧化劑等化學(xué)試劑，提高預(yù)處理罐內(nèi)的降粘效果，縮短預(yù)處理時間。剩余的液固產(chǎn)物流進入閃蒸罐10絕熱降壓，部分水氣化，溶解于其中的氧氣和二氧化碳等氣體析出；閃蒸汽返流至套管加熱器6內(nèi)，除氧后的液固產(chǎn)物進入換熱器，回收余熱。

反應(yīng)后的大顆粒灰渣沉積在水熱氧化反應(yīng)器7底部，水熱氧化反應(yīng)器7底部設(shè)置排渣口定期排渣。

應(yīng)用示例：

以含水率約80％的污泥為原料，以純氧為氧化劑，在具有自由液面的反應(yīng)器中進行污泥水熱氧化反應(yīng)。污泥的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表2：

表2某污水處理廠污泥工業(yè)分析與元素分析結(jié)果

表中，工業(yè)分析為質(zhì)量百分濃度，M為水分含量，A為灰分含量，V為揮發(fā)分含量，F(xiàn)C為固定碳含量。

污泥處理量為1t/h，過氧系數(shù)為1.2。污泥(20℃，1MPa，1000kg/h，含水率質(zhì)量百分數(shù)82.21％)由污泥料倉經(jīng)螺桿泵轉(zhuǎn)移到污泥預(yù)處理罐內(nèi)，預(yù)處理罐內(nèi)設(shè)攪拌槳，罐體外設(shè)有夾套，罐體周圍開孔；蒸汽和熱水通入夾套，在攪拌的同時由夾套經(jīng)過孔口進入污泥中預(yù)熱，預(yù)熱后的污泥溫度達到150℃、含水率達到92.8％、在剪切速率35s^-1的條件下表觀粘度降低至100mPa.s以下，流動性好。預(yù)熱后的污泥2492kg/h輸送至反應(yīng)器，反應(yīng)器中反應(yīng)氧氣來源于液氧站，存儲于液氧槽內(nèi)的液氧經(jīng)液氧泵加壓、經(jīng)汽化器氣化后送入反應(yīng)器內(nèi)，在高溫高壓水中與污泥中有機質(zhì)反應(yīng)。

反應(yīng)溫度維持在250℃、反應(yīng)壓力5MPa、停留時間半小時；在考慮到有機質(zhì)不完全反應(yīng)和反應(yīng)器散熱損失的前提下，進反應(yīng)器時污泥內(nèi)有機質(zhì)含量能維持反應(yīng)溫度。反應(yīng)生成的氣相產(chǎn)物在自由液面頂部空間聚集，為了維持反應(yīng)器內(nèi)壓力穩(wěn)定，將氣相產(chǎn)物不斷的從反應(yīng)器頂部抽出；氣相產(chǎn)物的摩爾組成79％H₂O+5％O₂+1％N₂+15％CO₂；氣相產(chǎn)物(250℃，5MPa，595kg/h)送至預(yù)處理罐夾套的蒸汽入口。液固產(chǎn)物中溶解有剩余的O₂和生成的CO₂，自反應(yīng)器出來后經(jīng)過分流裝置，控制質(zhì)量流量1130kg/h的產(chǎn)物流返流至污泥預(yù)處理罐夾套的熱水入口，另一部分980kg/h進入減壓閃蒸除氧裝置，在絕熱條件下犧牲約4MPa的壓力，將溶解氣釋放出來，產(chǎn)生的閃蒸汽(97.5％水蒸氣+2.44％CO₂+10^-4氧，179℃，1MPa，222kg/h)回流至污泥加壓輸送管外的套管內(nèi)，維持預(yù)熱污泥的溫度不低于150℃。除氧后的物料通過換熱器，被冷卻水吸收余熱后冷卻至約60℃后，排放到沉降池；冷卻水吸熱產(chǎn)成飽和蒸汽。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。