从生物固体中回收可用产品的方法
【专利说明】从生物固体中回收可用产品的方法 发明领域
[0001 ] 本公开发明涉及一种从生物固体中回收可用产品例如油和肥料的改进方法。
[0002] 发明背景
[0003] 废水污泥的处理和处置对拥有污水处理系统的市政当局是一个困难而且昂贵的 挑战。通常，美国每年会产生大约650万吨污泥（干基）（水环境联合会，2008年）。这使 得每年的处理成本超过10亿美元。例如，里诺市和斯帕克斯市，人口大约300, 000,每天产 生3000万加仑污水，120吨污泥以及18吨固体（干基）。
[0004] 这些废物中的绝大多数或者作为肥料进入垃圾填埋场，或者被焚烧，两种方案都 变的越来越昂贵，并且引起不同程度的环保问题（Dufreche等，2007年）。最近引起人们的 关注的另一个选择是将处理过的污泥作为能源。不同类型的污泥有明显不同的组成成分。 初沉污泥是从首次过滤和沉淀中得到的并且成分变化很大。活性和二级污泥是在需氧消化 过程中产生的，其中含有细菌和其他微生物。消化污泥是在厌氧消化过程之后获取的。由于 其中含有在有氧环境下无法幸存的厌氧有机体，消化污泥是相对的良性物质，易于处理和 保存。几项研宄已经测试了使用多种溶剂从不同种类的污泥中萃取油用于生物柴油产品， 效果都很有限。本项目探索了使用消化污泥，而不是污水处理过程早期得到的污泥，和备选 溶剂作为萃取油的来源的可行性。
[0005] 在现有技术中有各种各样的污水处理方法和处理厂。污水处理操作采用三个或四 个不同的处理阶段来除去有害污染物；根据联合国环境规划署技术、工业和经济司的新闻 通讯和技术出版物淡水处理系列第一期，"生物固体处理：对环境无害的处理污水处理厂污 泥的方法"中继续提到："这些阶段中的每一个都模拟并且加速了发生在自然界中的过程。
[0006] 在现有技术中，报导了采用乙烷/甲醇/丙酮溶剂从活性污泥从萃取27. 43wt% 的油，但是只有活性污泥的4. 41wt%可被皂化用于生物柴油生产（Dufreche等，2007年）。 采用甲醇作为萃取溶剂和反应剂，硫酸作为催化剂的原位酯交换反应被报导将初沉污泥中 的生物固体的14. 5wt%转化成生物柴油（Mondala等，2009年）。另一个研宄报导了用索 氏萃取法以及乙烷/甲醇/丙酮混合物作为溶剂从初沉污泥中生产了大约11. 88wt%的生 物柴油（Willson等，2010年）。
[0007] 发明概述
[0008] 从污泥中回收可用产品的方法已经公开。将脱水污泥从污水处理厂转移到干燥 器。加热萃取器中的达到预定量的溶剂，将污泥浸在加热后的溶剂内，连续不断的加入溶剂 以维持其在预定量。溶剂从非极性或者极性非质子的溶剂组中选取，首选溶剂是乙酸乙酯。 萃取器将溶剂维持在其沸点以下，最好在低于其沸点的10-20华氏度范围内。
[0009] 最好萃取器内的污泥从第一端流向第二端并且与溶剂的流动方向相反，这样油水 混合物在贴近第一端的固体入口处被移除，溶剂从第二端进入与对向流相反。最好在固体 与溶剂相对流动的过程中，固体保持浸入在溶剂内。溶剂蒸汽从第一端和第二端之间去除。
[0010] 污泥要保持在溶剂中一段时期，直到足够在溶剂内产生浓度在5% -25%之间的 油，在离开萃取器后，固体中溶剂的含量低于总溶剂的30%并且最好在10-30%之间。
[0011] 油水混合物，一种油/溶剂的混合物，和固体一起在萃取器内被溶剂分离，分离的 油水混合物被转移到蒸发器。油和溶剂在第一个蒸发器内被分离，如果需要可选择再转移 到附加的蒸发器内，移除油中近80%-90%的溶剂，最好是70% -95%的溶剂。最好将萃 取器中的废热用于将溶剂从溶剂/油的混合物中分离。蒸发器中的蒸汽可被收集起来，从 溶剂中分离的水可被回收利用。
[0012] 残留固体移送到脱溶器以移除固体中残留的溶剂然后干燥至含水率低于25%，最 好在10%到15%之间。由此产生的固体可以被用作肥料，符合Code 40CFT part 503A级 品质异常生物固体标准。
[0013] 附图简述
[0014] 图1是描述整个过程的流程图；
[0015] 图2是描述过程中溶剂的流程图；
[0016] 图3是描述过程中油的流程图；
[0017] 图4是描述在第一蒸发阶段中油水混合物的流程图；
[0018] 图5是描述过程中水的流程图；
[0019] 图6是用Parr萃取器的萃取百分比图表；
[0020] 图7是用索氏萃取器的萃取百分比图表；
[0021] 图8是标准沸点曲线图；
[0022] 图9是萃取过程中质量平衡框图；和
[0023] 图10是连续逆流萃取器的视图；
[0024] 图11是采用6个因素和2个量级的析因设计实验表；和
[0025] 图12是显示图11的萃取结果的扩展表格。
[0026] 本发明的详细描述
[0027] 定义
[0028] 本发明使用的术语"生物固体"是指在对废活性污泥以及处理过的人类粪便进行 三级处理后生成的产品。
[0029] 本发明使用的术语"油水混合物"是指一种含有萃取的油或油脂的混合溶液。
[0030] 本发明使用的术语"DT"是指一台蒸烘机。
[0031] 本发明使用的术语"DTD"是指包含有蒸烘机和干燥冷却器的装置。
[0032] 本发明使用的术语" P0TW"是指公有的污水处理厂，与在美国所使用的污水处理厂 一样，归政府机关所有，并且通常由政府机关操作。在美国，公有污水处理厂通常归当地政 府机关所有，并且通常被设计成用于处理生活污水而不是工业废水。
[0033] 本发明使用的术语"大约"指在+/_ 15 %的范围内。
[0034] 本发明使用的术语"百分比"指质量百分比。
[0035] 本发明使用的术语"油水混合物"是指一种含有萃取的油或油脂的溶液或者混合 物。
[0036] 不同类型的污泥有着明显不同的成分。初沉污泥是从初次过滤和沉淀中获取的， 并且成分变化很大。活性和二级污泥是在需氧消化过程中产生的，含有细菌和其他微生物。 消化污泥是在厌氧消化过程之后提取的。由于其中含有在有氧环境下无法幸存的厌氧有机 体，消化污泥是相对的良性物质，易于处理和保存。因为这些原因，它被用于油萃取并且被 选为本研宄的焦点是比较合理的。
[0037] 几项研宄已经测试了使用多种溶剂从不同种类的污泥中萃取油用于生物柴油产 品，效果都很有限。
[0038] 本公开的方法相比于现有技术有多项优势。第一，提高了污水处理厂产生的生物 固体的质量，可以使其作为肥料产品广泛应用。经本公开的系统处理后的生物固体因为溶 剂萃取去除了油而更加清洁，从而将含有的可浸入土壤中的污染物降到最低。因此可以被 广泛用作肥料和土壤改良。更进一步，由于去除油使得肥料更加亲水。
[0039] 第二，溶剂萃取和溶剂去除步骤提供了多重杀灭步骤来消除材料中的病原体数 量，使处理更加安全。这些步骤没有使用碱处理，因此可以使材料PH值保持中性。
[0040] 第三，被去除的油性材料可以用来提供过程所需的热量。如上面所述，然而，萃取 的油取决于污泥的成分。
[0041] 第四也是本质特征，溶剂的有效回收对整个过程的成本有着重要的积极的影响。
[0042] 最后，本公开的方法比现有技术的设计和方法运行成本更低。锅炉可以作为本系 统的唯一热源，尽管也可以使用外部热源。锅炉可以使用从污泥中回收的油来运行。回收的 溶剂送到萃取器的溶剂入口重新使用，溶剂损失低于百万分之500,99. 6%的溶剂可重新使 用。使用本方法干燥每吨污泥预计消耗的蒸汽大约为500镑。这是考虑到基于本方法所进 行的夹点分析各种热量交换因素是可以利用的。然而，本方法中用到的蒸汽总量与输入的 污泥中萃取的油的总量成正比。500镑每吨的蒸汽消耗是按照当萃取的油的重量占整个污 泥重量的15-10%时预计的，然而，如果油的含量大约为7%，那么蒸汽的消耗量下降到300 镑每吨。蒸汽量减少是因为两个因素：1)用于萃取油的溶剂需求减少了，2)需要脱溶和蒸 馏的原料减少了。注意之间的关系不是线性的，因为会有一个最少蒸汽需求量，即本方法的 阈值。
[0043] 本方法的预计用电量为每吨25千瓦时。与蒸汽消耗不同，用电量不随油的浓度变 化而变化，因为它是用于传输的能源，与速率成正比。
[0044] 当前工业趋势是热电联供萃取用于发电和制造肥料。由于所遇到的困难，油萃取 很少，或者不存在。
[0045] 由于每个设备都是根据污泥的成分定制的，本方法的耗时，包括浸入溶剂的干燥 时间等都将变化。来自污水处理厂处理过的污泥含有的细菌含量减少。所有