本發(fā)明屬于市政污泥處理領域，尤其涉及污水處理廠產生的污泥處理。

背景技術：

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，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進入污水處理廠，經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沉淀下來形成初沉污泥；污水繼續(xù)經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過濃縮和脫水后產生機械脫水污泥。根據污水處理環(huán)節(jié)不同，各環(huán)節(jié)所產生污泥的理化性質不盡相同，以初始污泥和剩余污泥為例，其中的有機質含量如下表1所示。

表1污泥中有機質組成含量

污水處理廠產生的污泥經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。水熱氧化技術是一種新型的污泥處理技術，在一定的溫度和壓力的水中，氧化劑將污泥中有機質氧化，生成簡單無污染的二氧化碳氣體、灰渣和水；污泥有機質轉化徹底，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％左右的膠團內包裹的水分和污泥細胞內水脫不掉；污泥自身的膠團特性，導致其污泥粘度大、流動性差，污泥水熱氧化系統直接進料困難。

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，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；因此可采用預熱或攪拌等方式的預處理降低污泥粘度。

污泥預熱根據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導熱油。預熱污泥所需熱量來自反應后的高溫物料回收的余熱。由于粘度大，間接換熱方式預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。

采用直接加熱預熱污泥時，熱源多為高溫物料閃蒸產生的閃蒸汽；閃蒸汽不足以使污泥預熱到進反應器前要求的溫度，需要在回收余熱的預熱后再進行別的方式的加熱，如反應后高溫物料的間接換熱和電磁加熱等。反應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致設備腐蝕，除此之外，換熱器、電磁加熱器設備的投入增加了系統復雜性和設備投資。

綜上所述，目前公布的專利技術中，主要存在污泥預處理回收的系統熱量不足、反應后液相產物溶解氧在高溫下下腐蝕設備、需增加加熱設備增加投資和系統復雜性等問題。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于：解決現有技術存在的污泥預處理回收的系統熱量不足，需要增加加熱設備增加投資和系統復雜性，以及反應后液相產物溶解氧在高溫下下腐蝕設備等問題。

本發(fā)明目的通過下述技術方案來實現：

一種帶產物返流預處理的污泥水熱氧化反應系統，其特征在于：包括污泥預處理裝置、攪拌器、增壓泵、水熱氧化反應器、氣相除氧裝置、分流器和閃蒸罐，污泥預處理裝置上設有污泥原料入口、反應器氣相產物入口和反應器液相產物入口，以及預處理污泥出口，污泥預處理裝置內設有用以攪拌污泥原料入口進入的污泥、和反應器氣相產物入口進入的反應器氣相產物、和反應器液相產物入口進入的攜帶部分固相顆粒的反應器氣、液相產物的攪拌器，污泥預處理裝置的污泥出口預處理污泥出口與水熱氧化反應器的污泥入口之間的污泥輸送管路上設有增壓泵，水熱氧化反應器上設有污泥入口、氧化劑入口、氣相產物出口、排渣口和液相產物出口，水熱氧化反應器的氣相產物出口與污泥預處理裝置的反應器氣相產物入口通過設有氣相除氧裝置的管路連通，水熱氧化反應器的液相產物出口通過分流器分別和污泥預處理裝置的反應器液相產物入口以及閃蒸罐的污泥產物入口連通，閃蒸罐的污泥產物出口與后續(xù)處理裝置連通。

作為選擇，污泥預處理裝置上沒有其他間接和/或直接加熱其內污泥原料的裝置。

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

作為選擇，污泥預處理裝置的預處理污泥出口與水熱氧化反應器的污泥入口之間的污泥輸送管路上還設有套管加熱器，套管加熱器對污泥輸送管路內的污泥間接加熱，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。

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

作為選擇，污泥預處理罐內的攪拌器帶有用以刮除黏在罐內壁上的污泥的刮刀。

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

一種帶產物返流預處理的污泥水熱氧化反應方法，依次包括以下步驟：

1)將污水處理廠經機械脫水后含水率質量百分比在75％～85％之間的市政污泥輸送至污泥預處理裝置內；

2)在污泥預處理裝置內，返流的反應器氣相產物和攜帶部分固相顆粒的反應器液相產物在攪拌作用下直接加熱污泥，污泥溫度升高至100℃～150℃，污泥含水率質量百分比調配至90％～93％，污泥粘度降至220mPa.s以下(最低可降至20mPa.s以下)；

3)污泥預處理裝置預處理后的污泥經加壓輸送至水熱氧化反應器進行水熱氧化反應，氧化劑保證1～1.4的過量系數，反應器內維持一定液位，自由液面以上為氣相空間；控制反應器溫度維持在250℃～300℃，壓力維持在5～11MPa，污泥氧化有機質放出的熱量恰好維持反應溫度，反應停留時間控制在15～60min；

4)反應生成的氣相產物自水熱氧化反應器頂部氣相空間引出，經氣相除氧裝置后送入污泥預處理裝置內；

反應后的液相產物中分散著固相顆粒，固相大顆粒沉降在反應器底部，由底部設置的排渣口定期排放；液相攜帶著固相小顆粒自水熱氧化反應器自由液面以下引出后，經分流裝置返流部分至污泥預處理裝置，剩余的液固產物流進入閃蒸罐絕熱降壓，除氧后的液固產物進入后續(xù)污泥處理裝置。

作為選擇，污泥預處理裝置的污泥出口與水熱氧化反應器的污泥入口之間的污泥輸送管路上還設有套管加熱器，套管加熱器對污泥輸送管路內的污泥間接加熱用以維持污泥預熱溫度，套管加熱器的熱源為來自閃蒸罐的閃蒸汽。

作為選擇，污泥預處理裝置內污泥預熱溫度為120℃～150℃，水熱氧化反應器反應溫度為250℃，反應停留時間為30～45min，氧氣做氧化劑，氧氣過量系數為1.1～1.2；所述預熱溫度、反應溫度下的污泥含水率質量百分比為90％～93％。

前述本發(fā)明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，均為本發(fā)明可采用并要求保護的方案；且本發(fā)明，(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。本領域技術人員在了解本發(fā)明方案后根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

本發(fā)明方案中，水熱氧化反應器中污泥水熱氧化后生成的氣相產物由反應器頂部引出，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，通入污泥預處理裝置，同時液相產物分流部分回流至污泥預處理裝置，氣相產物和液相產物同時直接與污泥接觸預熱污泥，此時蒸汽和熱水在攪拌作用下預熱污泥，解決現有技術系統回收熱量不足以預熱污泥至進料溫度的問題——本發(fā)明只需要前述產物返流的方式即可實現對污泥的充分預熱，而不需要現有技術中額外的加熱/預熱裝置，而且本發(fā)明的預熱方式還可以得到比現有技術更高的預熱溫度(可高至120℃～150℃)，能更大地降低污泥粘度。

同時，在預熱污泥的過程中，蒸汽和熱水會增加污泥的含水率(從75％～85％增加至90％～93％)，通過此方法將預熱污泥和污泥濃度調配有機結合，而且，通過增加含水率的方式，本發(fā)明相對現有技術含水率更高，使得水熱氧化反應器中污泥中有機質含量正好能維持氧化反應進行溫度而無需額外的吸熱面(現有技術中含水率較低，需要額外的吸熱面吸收反應中額外的熱量控制反應溫度)，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，縮短氧化反應完成的時間(可只需30～45，乃至15min)。

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

通過以上措施，可實現回收系統高溫物料熱量預熱污泥、緩解溶解氧腐蝕換熱器等問題，降低系統投資，提高系統能量利用率和經濟性。

本發(fā)明的有益效果：

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

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

(3)解決現有技術污泥經產物預熱后還需要進一步加熱帶來的設備增加和投資增加的問題。

(4)采用減壓閃蒸的方式除氧，保證余熱回收設備的工作環(huán)境。

(5)污泥經過氧化后，不產生有毒有害物質；氣相產物可直接排放，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是本發(fā)明實施例的裝置流程示意圖；

其中1-污泥料倉 2-螺桿泵 3-污泥預處理罐 4-攪拌器 5-增壓泵 6-套管加熱器 7-反應器 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發(fā)明。

參考圖2所示，帶產物返流的污泥水熱氧化系統包括：污泥預處理裝置(污泥預處理罐3)、攪拌器4、增壓泵5、水熱氧化反應器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，將含水率質量百分數約80％的污泥，自污泥料倉1轉移至污泥預處理罐3。

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

(3)污泥加壓輸送：預處理后的污泥通過高壓泵加壓送入水熱氧化反應器7。

(4)水熱氧化反應：經預熱的污泥送入水熱氧化反應器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，反應溫度為250～300℃、反應壓力在5～11MPa，生成氣體、水、灰渣等產物并釋放反應熱維持反應溫度。

(5)氣相產物除氧氣和二氧化碳：氧化反應后的氣相產物主要組成是水蒸氣、二氧化碳和富余的氧氣，氣相產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處理罐3反應器氣相產物入口(蒸汽入口)。

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

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

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

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

一種采用前述系統的帶產物返流預處理的污泥水熱氧化反應方法，具體包括：

污水處理廠經機械脫水后污泥(含固率質量百分數在15％～25％之間)，經螺桿泵2轉移至污泥預處理罐3內。

在污泥預處理罐3內，水熱氧化反應器7返流的氣相產物和部分液相產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℃，污泥含水率質量百分數調配至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。

污泥經增壓泵5輸送至水熱氧化反應器7，污泥加壓輸送管外設套管加熱器6，閃蒸罐10閃蒸汽返流至套管加熱器6內維持污泥預熱溫度。

水熱氧化反應器7內氧氣做氧化劑，經加壓裝置進入反應器；氧氣保證一定的過量系數，氧氣過量系數為1～1.4，優(yōu)選為1.1～1.2；水熱氧化反應器7內維持一定液位，自由液面以上為氣相空間；控制反應器溫度維持在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配濃度有關，污泥氧化有機質放出的熱量恰好維持反應溫度；反應停留時間控制在15～60min，優(yōu)選為30～45min。

反應生成的氣相產物自反應器頂部氣相空間引出，經氣相除氧裝置8后送入污泥預處理罐3內，氣相產物中二氧化碳預熱污泥后，直接排放。

反應后的液相產物中分散著固相顆粒，自反應器自由液面以下引出后，經分流器9返流至預處理罐，返流量由反應條件所需的污泥濃度決定；在返流液相產物中可以添加化學分散劑、穩(wěn)定劑、氧化劑等化學試劑，提高預處理罐內的降粘效果，縮短預處理時間。剩余的液固產物流進入閃蒸罐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，除氧后的液固產物進入換熱器，回收余熱。

反應后的大顆?；以练e在水熱氧化反應器7底部，水熱氧化反應器7底部設置排渣口定期排渣。

應用示例：

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器中進行污泥水熱氧化反應。污泥的工業(yè)分析和元素分析結果見表2：

表2某污水處理廠污泥工業(yè)分析與元素分析結果

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

污泥處理量為1t/h，過氧系數為1.2。污泥(20℃，1MPa，1000kg/h，含水率質量百分數82.21％)由污泥料倉經螺桿泵轉移到污泥預處理罐內，預處理罐內設攪拌槳，罐體外設有夾套，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過孔口進入污泥中預熱，預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。預熱后的污泥2492kg/h輸送至反應器，反應器中反應氧氣來源于液氧站，存儲于液氧槽內的液氧經液氧泵加壓、經汽化器氣化后送入反應器內，在高溫高壓水中與污泥中有機質反應。

反應溫度維持在250℃、反應壓力5MPa、停留時間半小時；在考慮到有機質不完全反應和反應器散熱損失的前提下，進反應器時污泥內有機質含量能維持反應溫度。反應生成的氣相產物在自由液面頂部空間聚集，為了維持反應器內壓力穩(wěn)定，將氣相產物不斷的從反應器頂部抽出；氣相產物的摩爾組成79％H₂O+5％O₂+1％N₂+15％CO₂；氣相產物(250℃，5MPa，595kg/h)送至預處理罐夾套的蒸汽入口。液固產物中溶解有剩余的O₂和生成的CO₂，自反應器出來后經過分流裝置，控制質量流量1130kg/h的產物流返流至污泥預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，維持預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；冷卻水吸熱產成飽和蒸汽。

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