專利名稱：一種污泥干化方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于環保技術領域，涉及一種固體廢棄物的干化處理技術，尤其涉及一種污泥干化方法。
背景技術：
據中國水網最近出爐的《中國污泥處理處置市場分析報告2011版》披露，截至2010年年底，全國城鎮污水處理量達到343億立方米，從各種污水處理中產生的污泥主要有城市污泥、造紙污泥、印染污泥等。脫水污泥產生量接近2200萬噸/每年，而且其中有80%沒有得到妥善 處理，其含水率普遍在80%，要進一步進行焚燒、堆肥、填埋等處理或者作為建材再利用時，必須對污泥進行干化處理。目前，污泥的干化工藝主要有烘干法、太陽能干燥法和生物干化技術。烘干法是利用烘干滾筒、流化床、干燥塔等，通過燃燒煤、礦物油等產生熱氣流，把熱氣流通入機器，把污泥的水分蒸發掉。這種工藝耗費大量的能源，而且會產生大量的廢氣,處理成本高。太陽能干燥法是在密封透明的太陽能溫室里，把污泥攤薄，利用太陽能的熱量，把污泥的水分蒸發掉。這種工藝占地面積大,處理量少,需密封的空間面積也大,建筑成本高，并且實際的密封效果也不好。不管是烘干工藝還是太陽能干化工藝，其實質都是通過外部熱源，把高含水率的污泥加溫，從而使里面的水分蒸發掉，這其中都有一個熱傳導的過程，也存在熱效率低下的問題，現在，大部分采用這兩種工藝的研究都在提高熱效率上探討，但無論怎么提高，烘干工藝耗費大量的能源，而且會產生大量的廢氣，處理成本高，從而制約了其發展，而太陽能的利用占地面積大，處理量少，需密封的空間面積也大，建筑成本高，并且實際的密封效果也不好，又受到地理和氣候的影響，同時熱效率也受到限制，而難以推廣，因此，在污泥的干化中，利用外熱源的工藝始終難以推廣。生物干化技術是利用污泥發酵時產生的熱能，把污泥的水分蒸發掉，從而達到干化。發酵是指在人工控制的條件下，通過微生物的作用，使有機物混合物不斷被降解，在這過程中產生出大量的生物熱能,把有機物混合物的水分不斷蒸發,并使有機物混合物穩定化的過程。目前采用生物干化技術干化污泥已有使用，但現有的生物干化技術仍停留在污泥本身產生發酵熱上面，大部分的研究是在如何保證發酵的外部條件上研究，比如:保證氧氣的供應而研究加氧系統，保證發酵的均勻性而研究翻堆機的效率，為改善工作條件而研究工藝的自動化和生產場地的密閉。沒有從發酵的源動力方面提供研究和解決方案。生物發酵過程中，要蒸發一定量的水分，必須要有一定量的熱能，要產生一定量的熱能，必須消耗一定量的能量，要提供一定量的能量就需要有一定量的能量物質；外部的通風、加氧、翻堆等操作都只能保證發酵能更充分進行，污泥本身的能量可以更充分地產生熱能，但如果污泥本身沒有足夠的能量，外部條件再好再充分也無法產生足夠的發酵熱能，就無法實現發酵過程的良性和持續的循環，最終無法實現污泥的干化目標。現在采用生物干化技術干化污泥的工廠，都需要就污泥本身先做大量的、復雜的發酵試驗，如果發酵能維持，就采用生物干化技術，如果不能維持，就只能采用其他干化方式，或者盲目加進一些其他物質增加發酵效果。通過實際的污泥發酵試驗來試探污泥的發酵提供熱量的情況，這使得現有的采用生物干化技術干化污泥存在很大的盲目性和偶然性，就發酵來說，大部分的污泥本身的能量是不夠的，包括造紙污泥、印染污泥、電鍍污泥等，由于其自身發酵能量不夠，不足以由自身發酵產生足夠的熱能把更多的水分蒸發掉，因此，很少見到成功采用生物干化技術干化所述污泥。即使有的工廠往污泥中添加能量物質提高發酵的程度，但也是憑經驗和沒有依據的試驗，盲目地摸索進行，沒有根據能量平衡的原理分析和創造性地提供精確科學的研究和解決技術方案。在利用污泥進行發酵中，影響發酵的各種參數可能發生很大的變化。如何根據能量平衡的原理分析計算和創造性地科學解決改善能量物質的構成、維持發酵、保證提供蒸發水分所需的熱量，并最終實現污泥的干化的技術問題，是本技術領域亟待解決的技術難題，也是環境保護對本技術領域提出的重要技術問題。
發明內容
本發明的一個目的是針對現有污泥生物干化技術的不足，提供了一種基于公式的污泥干化方法，簡單易行地確定生物干化關鍵因素的控制和調整，實現高水分含量污泥的干化。本發明的另一個目的是提供所述方法的應用。本發明的目的通過以下技 術方案予以實現:
提供一種基于公式的污泥干化方法，包括以下步驟:
(1)計算；確定待干化處理的污泥的總量R、原始含水率Q1、熱值M，明確干化處理后最終含水率Q2，計算出以下數值:
要蒸發的總水分T ;要蒸發T水分需要的總熱量K ;總量為R的污泥完全發酵后可以產生的熱量Kl ；
(2)比較Kl和K的大小，確定是否需要添加發酵所需的能量物質，得到發酵混合物的初始配方；
當Kl-K ^ O時，說明污泥的能量足夠，不需要添加能量，只需要調整C/N比、水分、氧氣的供給、菌種，就可以實現發酵和干化污泥，參照現有常規技術實現提高發酵效率，縮短干化時間等目的；
當Kl-K < O時，說明污泥的能量不夠，那就要添加能量物質，設K2為添加的能量物質所提供的熱量，需要添加能量物質滿足K1+K2-K ^ O。能量滿足后，再調整C/N比、水分、氧氣的供給、菌種，實現發酵效率的提高。(3)根據步驟(2)得到的發酵混合物初始配方計算混合物的C/N值，即能量平衡，在滿足能量要求的條件下，調整配方使得發酵混合物的C/N值在10 50之間，根據現有常規發酵技術輔以控制溫度和通氣要求(供氧)，發酵混合物持續發酵，產生熱能，蒸發水分，蒸發污泥中的水分至最終含水率值，達到干化污泥的目的。優選地，本發明提供的步驟(I)中各數值的優選的計算方法為:待干化處理的污泥的總量R (噸)、原始含水率Ql (百分數)、熱值M (大卡)，明確干化處理后最終含水率Q2 (百分數)；
要蒸發的總水分T:T=R-[RX (1- Ql) + (1-Q2)]，T的單位為:噸；
要蒸發T水分需要的總熱量K:K=TXk' X μ X δ，其中:
k/為水的蒸發熱，根據現有不同的發酵裝置、不同的物料而不同，為2500 350大
卡;
μ為熱能的能效比，不同的物料結構熱能的能效比不同，為O ο ； δ為氣候修正系數，不同的溫濕度的氣候修正系數不同，為0.01 I。總量為R的污泥完全發酵后可以產生的熱量Kl:K1=RX (1-Ql) XMXSl ;其中，SI為污泥的分解率，對于不同污泥，可以從手冊中查出平均值，根據常規的分析化驗可以準確獲得其分解率，約為O I ;
當Kl-K ^ O時，說明污泥發酵產生的熱量足以把含水率為Ql的R量的污泥干化到含水率為Q2的污泥，并在干化過程中，使污泥發生改變:小分子有機物分解，大分子有機物降解穩定化，使污泥減量化、穩定化、無害化、資源化。當Kl-K < O時，說明污泥發酵產生的熱量不足以把含水率為Ql的R量的污泥干化到含水率為Q2的污泥，這時，需要添加能量物質，使得Κ1+Κ2-Κ ^ 0，其中Κ2是添加的能量物質所提供的熱量；
其中，要添加的 能量物質的量為R1，檢測要添加的能量物質的含水率為Q3，熱值為Ml。當Q3 3Q2 時:
總量為R的污泥完全發酵后可以產生的熱量:
Kl=RX (1-Ql) XMXSl...............................................................(I)
總量為Rl的能量物質完全發酵后可以產生的熱量:
K2=R1 X (1-Q3) XM1XS2............................................................(2)
S2為添加的能量物質的分解率，對于不同的能量物質，可以從手冊中查出分解率的平均值，根據常規的分析化驗可以準確獲得其分解率。把含水率為Ql的R量污泥和含水率為Q3的Rl量的能量物質混合，通過發酵干化到含水量為Q2的混合物所需要的能量:
K= { [R-RX (1-Ql) + (1-Q2)]+ [Rl-Rl X (1-Q3) + (1-Q2)] } Xk'.........(3)
當Q3 < Q2時:
K2=R1 X (1-Q3) XM1XS2............................................................(4)
要通過生物發酵把含水率為Ql總量為R的污泥干化到含水率為Q2的物料，需要滿足:
K1+K2 彡 K...........................................................................(5)
由此，我們可以計算出需要添加多少含水率為Q3、熱值為Ml的能量物質Rl的重量。如果添加多種能量物質，K2可以是不同的物質的熱值的和，也就是:K2=K3+K4+K5+…+Kn。所述能量物質優選高熱值的有機能量物質，其熱值大于1000大卡/公斤，優選地可為動植物、動植物殘體、動植物加工物、動植物加工后廢物及其衍生物、動植物排泄物及其加工物和衍生物，例如可選用動植物油脂、淀粉或糖等。優選地，本發明步驟(3)為保證混合物良好的通氣狀況，可根據需要加入結構物質，使得發酵過程需要的氧氣足夠，當所加進去的結構物質具有發酵能量時，依據步驟
(I) 步驟(3)計算C/N值、能量平衡，參照本技術領域現有常規技術調整整個發酵必須的條件和物質平衡。所述結構物質為原狀或經過加工后粒徑大于0.1mm的粒狀、塊狀或片狀物質，例如優選為木糠、樹碎、米糠等。本發明同時提供了所述污泥干化方法的應用，具體是應用于污泥，如城市污泥、造紙污泥或印染污泥的干化處理方面。優選地，本發明提供了一種新的應用，將所述干化方法應用于干化處理不含發酵熱值和發酵能力的物質。即，如果R的物質不是污泥，也沒有熱值Ml，產生不了熱量Kl，但根據本發明方法，添加進去能量物質R1，保證Rl具有足夠的熱值M1，能產生足夠的熱量K2，使得K1+K2-K彡0，并且按照前述步驟(2)和步驟(3)方法調整能量物質以及結構物質，那么，就可以實現通過添加的能量物質進行生物發酵干化任何其他物質的方式，把總量為R的物質從Ql水分含量干化到Q2水分含量。本發明方法優選可應用于任何高水分含量的固體廢棄物的干化處理方面，而不要求所述高水分含量的固體廢棄物本身是否具有發酵能力。本發明的有益效果是:
本技術領域長久以來研究的重點在于如何提高污泥本身的發酵效率方面，但效果不佳。這是因為本技術領域沿襲的是生物發酵的原理和技術手段，在原來的生物發酵領域，用來發酵的物料的發酵能量是足夠的，只需要滿足合適的C/N比、溫度、水分、通氣的條件就可以實現持續發酵。因此，當生物發酵的原理應用于污泥的時候，遇到了發酵技術難題。因為污泥本身與以往的發酵有機物料是不同的，污泥通常沒有足夠的發酵能量，當污泥本身發酵能量不夠時，再怎么調整溫度通風條件都無法進一步提高發酵效率，所謂“巧婦難為無米之炊”。本發明基于對污 泥處理和發酵的長期研究，提供了一種計算方法，結合常規的數學計算公式從能量的角度去分析污泥干化的工藝調整技術手段，在建立了污泥能量理論和計算方法后，針對污泥的提高發酵效率和其他技術手段技術才真正能起到作用。具體地，本發明創造性地分析污泥生物干化機制，建立了一種基于能量平衡的先決條件下，干化污泥的一種配方計算方法，并基于計算方法結合發酵條件要求建立了生物發酵系統原料的配置問題，徹底改變了憑經驗和盲目地試驗摸索進行污泥生物干化操作的現狀，本發明科學地解決了改善能量物質的構成、維持發酵、保證提供蒸發水分所需熱量的技術問題，并最終成功采用生物干化方法將污泥干燥至目標要求，方法簡單易行，實用性高，為污泥的生物發酵干化、添加能量物質、維持體系持續發酵提供重要的技術依據。基于本發明設計思想，本發明為生物干化技術領域提供了一種新的技術思路，SP采用添加能量物質的方法干化不具有發酵能力的廢棄物，徹底改變了現有技術基于物料自身發酵的技術定勢和技術偏見，為生物發酵干燥技術領域開辟新的技術領域。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。除非特別說明，本發明采用的原料和設備均為本技術領域常規的原料和設備，原料的簡單替代應視為沒有超出本發明的實質思想范圍。
實施例1
本實施例向污泥中加入有機能源劑并調整物料組成，確定適宜組成比例，使其有機質的C/N比例和水分含量在合適的范圍，通過持續發酵的方法使污泥脫水干化。所述的污泥干化方法，包括以下步驟:
(I)計算；
(A)確定待干化處理的污泥的總量R、原始含水率Q1、熱值M，明確干化處理后最終含水率Q2 ；
本實施例采用城市污泥(來源廣州市污水處理廠)，R為100噸，原始含水率Ql為80%(重量百分比含量)，采用分析方法檢測計算知其熱值M為1700大卡(絕干質)，需要干化處理至含水率為30% (Q2)；
(B)計算出要蒸發的總水分T :T=R-[RX (I — Ql) + (1-Q2)]；
計算得T為:71429kg水。(C)計算出要蒸發T的水分，需要的總熱量:K=TXk' X μ X δ，其中:
k'為水的蒸發熱，本實施例為一般污泥采用高槽式的發酵裝置的水的蒸發熱量，k' =1900 大卡；
μ為熱能的能效比，μ =5 ; δ為氣候修正系數，δ=0.25，
計算得K為:169643875大卡。(D)計算出R的污泥完全發酵后可以產生的熱量:K1=RX (1-Ql) XMXSl ；
其中，Si為城市污泥的分解率，采用分析方法檢測知本實施例城市污泥的分解率
0.25 ；
計算得Kl為:8500000o(E)計算要蒸發T的水分，所需的熱量:169643875大卡。當Kl-K ^ O時，說明污泥發酵產生的熱量足以把含水率為Ql的R量的污泥干化到含水率為Q2的污泥，并在干化過程中，使污泥發生改變:小分子有機物分解，大分子有機物降解穩定化，使污泥減量化、穩定化、無害化、資源化。當Kl-K < O時，說明污泥發酵產生的熱量不足以把含水率為Ql的R量的污泥干化到含水率為Q2的污泥，這時，需要添加能量物質，使得Κ1+Κ2-Κ ^ 0，其中Κ2是添加的能量物質所提供的熱量；
計算可知，Kl-K < 0，本實施例采用廢動物油作為有機能量物質，通過分析方法檢測知其分解率S2為I ;首先設要添加的能量物質的量是Rl ;廢動物油的含水率Q3為0，熱值Ml為6500，比較得知:Q3 ^ Q2，
根據式(5)K1+K2 ^ K，則 8500000+Κ2 ^ 169643875，
根據式(4)計算得知:R1 ^ 24791kg,
即要把100噸熱值為1700大卡，含水率為80%的廣州污泥通過發酵干化，干到含水率為30%的物料，需要添加含水率為0，熱值為6500大卡的動物油脂24791公斤，否則怎么發酵也不能達到干化的目的。(2)那么K1+K2-K ^ 0，可保證發酵的能量條件，使污泥系統發酵產生的熱能足夠把污泥干化；若不夠能量，可依據步驟(I)計算和添加能量物質；得到發酵混合物的初始配方范圍值:R為100噸，Rl為24.791噸；
(3)根據步驟(2)得到的發酵混合物配方范圍值，并加進一定的結構調理劑，調整C/N值在10 50之間，根據現有常規發酵技術輔以控制溫度和通氣要求(供氧)，發酵混合物持續發酵，產生熱能，蒸發水分，蒸發污泥中的水分至最終含水率值30%，達到干化污泥的目的。優選地，步驟(2)為保證混合物良好的通氣狀況，可根據需要加入結構物質木糠，使得發酵過程需要的氧氣足夠，當所加進去的結構物質有發酵能量時，依據步驟(I)計算能量和步驟(3 )調整C/N值，完成整個發酵必須的條件和物質平衡。以城市污泥100噸、油脂24.791噸、木糠充分混合，調整C/N比為25:1，并調整含水率至60% ;將混合物放進發酵槽中發酵，使其產生熱量；當發酵混合物的溫度達到65°C時，混合物中的水分發生蒸發；利用布置于槽底的風道鼓風，加進氧氣，排出水分，發酵360小時后，檢測發酵混合物的含水率為30%。按照本發明思想和方法，本發明進行了大量的實驗，均獲得了穩定而效果顯著的實驗結果，但不能在此一一贅述。以下以3個實施例給出實驗結果:
權利要求
1.一種污泥干化方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)計算；確定待干化處理的污泥的總量R、原始含水率Q1、熱值M，明確干化處理后最終含水率Q2，計算出以下數值:要蒸發的總水分T ;要蒸發T水分需要的總熱量K ;總量為R的污泥完全發酵后可以產生的熱量Kl ； (2)比較Kl和K的大小，確定是否需要添加發酵所需的能量物質，得到發酵混合物的初始配方； 當Kl-K彡O時，不需要添加能量，只需要調整C/N比、水分、氧氣的供給、菌種，就可以實現發酵和干化污泥； 當Kl-K < O時，添加能量，設K2為添加的能量物質所提供的熱量，并使需要添加能量物質滿足K1+K2-K ^ O，能量滿足后，再調整C/N比、水分、氧氣的供給、菌種，實現發酵效率的提聞; (3)根據步驟(2)得到的發酵混合物初始配方計算混合物的C/N值，在滿足能量要求的條件下，調整配方使得發酵混合物的C/N值在10 50之間，控制溫度和供氧使發酵混合物持續發酵，產生熱能，蒸發水分，蒸發污泥中的水分至最終含水率值，使干化污泥。
2.根據權利要求1所述的污泥干化方法，其特征在于，所述能量物質為有機物質。
3.根據權利要求2所述的污泥干化方法，其特征在于，所述能量物質為熱值大于1000大卡/公斤的有機物質。
4.根據權利要求2所述的污泥干化方法，其特征在于，所述能量物質為動植物、動植物殘體、動植物加工物、動植物加工后廢物及其衍生物、動植物排泄物及其加工物和衍生物。
5.根據權利要求1所述的污泥干化方法，其特征在于，在步驟(3)的混合物中加入結構物質，使得發酵過程需要的氧氣足夠，當所加進去的結構物質具有發酵能量時，依據步驟(I) 步驟(3)計算C/N值，調整整個發酵必須的條件和物質平衡。
6.根據權利要求1至5任一項所述的污泥干化方法在污泥的干化處理方面的應用。
全文摘要
本發明涉及固體廢棄物的干化處理技術，尤其涉及一種污泥干化方法，包括以下步驟(1)計算；確定待干化處理的污泥的總量R、原始含水率Q1、熱值M，明確干化處理后最終含水率Q2，計算出以下數值要蒸發的總水分T；要蒸發T水分需要的總熱量K；總量為R的污泥完全發酵后可以產生的熱量K1；(2)比較K1和K的大小，確定是否需要添加發酵所需的能量物質，得到發酵混合物的初始配方；(3)根據步驟(2)得到的發酵混合物初始配方計算混合物的C/N值，在滿足能量要求的條件下，調整配方使得發酵混合物的C/N值在10～50之間，控制溫度和供氧使發酵混合物持續發酵，產生熱能，蒸發水分，蒸發污泥中的水分至最終含水率值，最終達到干化污泥的目的。
文檔編號C02F11/02GK103172246SQ201310075620
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者麥行 申請人:麥行