一种污泥湿式氧化的一体化处理反应器及处理方法与流程

本发明涉及污泥处理的技术领域，更具体地讲，涉及一种污泥湿式氧化的一体化处理反应器及处理方法。

背景技术：

污泥湿式氧化是继焚烧、填埋、厌氧发酵、好氧堆肥后的又一污泥处理方式，利用气体氧化剂在高温、高压下对污泥中的有机质进行“湿式燃烧”以达到污泥减量化、无害化、稳定化的目的。

现有的湿式氧化技术基本都包含了两个关键处理步骤：1)污泥的预处理过程，市政污泥特别是市政脱水污泥(含水约80％)的粘度大、无流动性、传质传热效率低，直接处理有很大困难，一般在湿式氧化之前都会先对污泥进行预处理，改变脱水污泥的性状、降低粘度、增加流动性，这个过程采用的方式是污泥的热水解；2)热水解污泥的氧化，在热水解污泥的基础上利用氧气/空气在高温高压下对污泥进行进一步的处理。

现有技术中，中国专利文献CN104341082A利用高温蒸汽在水解反应釜中对污泥进行热水解后输入高温氧化塔进行氧化，中国专利文献CN102786190A利用热的液体在预处理器中对原始污泥进行热水解之后输入氧化反应器进一步处理。但是这样的污泥湿式氧化处理流程中至少包含了两个主要装置：热水解反应器(或预处理反应器)和湿式氧化反应器，反应系统繁杂、占地面积高、经济性低。

现有涉及到污泥湿式氧化专利中大部分反应器采用半间歇釜式反应器，如中国专利文献CN201981109U、中国专利文献CN105776794A。污泥从入口进入反应器，在高温高压下维持一定的停留时间后从下方的污泥出口排出。但是此类反应器传质效率低，搅拌不均很容易造成局部过热，半间歇的操作方式也较为麻烦。同时，污泥的湿式氧化过程是一个放热反应，氧化后会产生高温高压的气体产物，现有的污泥湿式氧化工艺针对这部分气体都只利用了废气中的热量，但事实上反应器排出的气体中仍含有一部分没有来得及反应的氧气。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种融合了污泥的热水解及氧化过程并保证充分传质和反应的污泥湿式氧化的一体化处理反应器及处理方法。

本发明的一方面提供了一种污泥湿式氧化的一体化处理反应器，所述反应器包括位于反应器下部的热水解区和位于反应器中上部的氧化区并且反应器的外部包设有保温加热套，其中，

所述热水解区中设置有搅拌器并且热水解区的底部设置有排渣口；

所述氧化区中设置导流筒，所述导流筒沿着氧化区的高度方向设置并且导流筒的顶部具有扩张口；所述氧化区的侧壁上设置有污泥进口、产物出口和气体入口且氧化区的顶部设置有气体出口，所述污泥进口开设在所述导流筒的扩张口的下方，所述气体入口开设在污泥进口的下方并且位于氧化区的底部，所述产物出口开设在所述导流筒的扩张口的上方，其中，所述气体入口与设置在所述导流筒与氧化区的侧壁之间的第一气体分布器连接，所述污泥进口处设有污泥分散器。

根据本发明污泥湿式氧化的一体化处理反应器的一个实施例，所述热水解区中的搅拌器为电磁搅拌器，所述电磁搅拌器的转动轴不与电机的输出轴直接连接传动；所述排渣口的数量为至少一个。

根据本发明污泥湿式氧化的一体化处理反应器的一个实施例，所述保温加热套的加热介质为电、油或蒸汽，当采用油或蒸汽作为加热介质时，所述保温加热套上还设置有介质入口和介质出口。

根据本发明污泥湿式氧化的一体化处理反应器的一个实施例，在反应器启动的最初阶段利用所述保温加热套对反应器进行加热，在反应稳定后停止加热，其中，反应器上还设置有测温单元和测压单元。

根据本发明污泥湿式氧化的一体化处理反应器的一个实施例，所述气体入口通入的气体氧化剂为氧气和/或空气，所述污泥进口通入的污泥是含水量为80～90％的污泥；所述反应器内的反应温度为150～350℃，压力为2～20MPa。

根据本发明污泥湿式氧化的一体化处理反应器的一个实施例，所述氧化区的上部具有气体空间，反应后的废气进入所述气体空间后通过气体出口流出反应器，其中，一部分废气重新加压后返回至反应器中，另一部分废气用于预热新鲜的污泥或气体氧化剂或直接进行尾气处理后排放。

根据本发明污泥湿式氧化的一体化处理反应器的一个实施例，所述氧化区的侧壁上还设置有循环气入口，所述循环气入口通过外接气路与所述气体出口连接以将一部分废气返回至反应器中，其中，所述循环气入口开设在污泥进口的下方且在气体入口的上方，所述循环气入口与设置在所述导流筒与氧化区的侧壁之间的第二气体分布器连接。

本发明的另一方面提供了一种污泥湿式氧化的一体化处理方法，采用上述污泥湿式氧化的一体化处理反应器进行污泥湿式氧化降解的一体化处理，得到处理后的污泥。

根据本发明污泥湿式氧化的一体化处理方法的一个实施例，所述方法包括以下步骤：

A、先将反应器中的液位提升控制至产物出口以上，使加压至预定压力的气体氧化剂通过气体入口和第一气体分布器进入反应器的氧化区中均匀鼓泡，同时开启保温加热套将反应器内的温度加热至预定温度；

B、将污泥通过污泥进口的污泥分散器分散后通入反应器中，污泥沉入反应器下部的热水解区并在搅拌器的作用下混合、水解变成污泥浆；所述污泥浆在热水解区的顶部随水流进入氧化区并且通过导流筒内外的升流式内循环与所述气体氧化剂接触反应并放出大量的反应热，待反应稳定后停止加热；

C、从排渣口间歇性地排出沉积的大块砂石，回收利用通过气体出口流出的反应后的废气，从产物出口抽出反应后的污泥，直至完成污泥的湿式氧化降解处理，其中，污泥抽出量以能够维持反应器内的正常液面高度进行控制。

根据本发明污泥湿式氧化的一体化处理方法的一个实施例，将一部分废气重新加压后返回至反应器中，将另一部分废气用于预热新鲜的污泥或气体氧化剂或直接进行尾气处理后排放。

本发明整合了污泥湿式氧化过程中污泥热水解及污泥湿式氧化的两个过程，在同一反应器中实现污泥湿式氧化处理，有效地提高了污泥湿式氧化设备的经济性，设计合理且可操作性强；本发明降低了对进料污泥含水量的限值，从无流动性的脱水污泥(80％的含水量)到具有流动性的污泥(90％的含水量)均可适用，无需预处理直接进料；反应器出来的的废气中包含未反应的氧气，废气通过外部气体循环重新进入反应器中，提高了气体在反应器中的停留时间，提高了污泥降解效率，也提高了氧气的利用率。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的污泥湿式氧化的一体化处理反应器的结构示意图。

图2示出了污泥分散器的结构示意图。

附图标记说明：

1-反应器、2-热水解区、3-氧化区、4-搅拌器、5-排渣口、6-导流筒、7-扩张口、8-污泥进口、9-产物出口、10-气体入口、11-气体出口、12-循环气入口、13-气体循环泵、14-第一气体分布器、15-第二气体分布器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明提供了一种集成了污泥热水解-氧化过程的反应器，反应器分为热水解区和氧化区，氧化区形式上采用具有较高传质效率的升流式内循环反应形式，反应后排出的废气通过再循环再次进入反应器中提高氧气的停留时间，兼顾了经济性、反应效率和处理效果等多个方面。

下面先对本发明污泥湿式氧化的一体化处理反应器的结构和原理进行详细的说明。

图1示出了根据本发明示例性实施例的污泥湿式氧化的一体化处理反应器的结构示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述污泥湿式氧化的一体化处理反应器包括位于反应器1下部的热水解区2和位于反应器1中上部的氧化区3并且反应器1的外部包设有保温加热套(未示出)。其中，下部的热水解区2用于实现污泥的热水解，氧化区3用于实现热水解污泥的氧化降解，保温加热套则实现对反应器的加热和保温作用。

具体地，热水解区2中设置有搅拌器4并且热水解区2的底部设置有排渣口5。热水解区2位于反应器的下部，则当反应器工作时，污泥进入反应器后会直接沉入底部并在高温高压的热水解区2中水解，水解后的污泥成为粒径小、流动性高的泥浆状态，由此能够在上部水流的带动下进入上部的氧化区进行氧化降解反应。

优选地，热水解区2中的搅拌器4采用电磁搅拌器，并且电磁搅拌器的转动轴不与电机的输出轴直接连接传动，解决了机械搅拌器与反应器轴封失效和泄漏的问题，搅拌器4的持续搅拌作用能够使污泥均匀加热，避免了局部过热的情况。热水解区2底部的排渣口能够定期排放比重比较大的不容固体，如大块砂石等，排渣口5的数量优选地为至少一个。

反应器1外部设置有用于对反应器加热的保温加热套，保温加热套的加热介质可以采用电、油或蒸汽，当采用油或蒸汽作为加热介质时，保温加热套上还设置有介质入口和介质出口。并且，只需要在反应器1启动的最初阶段利用保温加热套对反应器1进行加热，污泥开始反应后放出的热量足以维持整个反应器的正常运行，在反应稳定后即可停止加热。为了便于检测反应器1中的温度和压力情况，反应器1上还设置有测温单元和测压单元(未示出)。

并且，氧化区3中设置有导流筒6，导流筒6沿着氧化区3的高度方向设置并且导流筒6的顶部具有扩张口7；氧化区3的侧壁上设置有污泥进口8、产物出口9和气体入口10且氧化区3的顶部设置有气体出口9，污泥进口8开设在导流筒6的扩张口7的下方，气体入口10开设在污泥进口8的下方并且位于氧化区3的底部，产物出口9开设在导流筒6的扩张口7的上方，气体入口10与设置在导流筒6与氧化区3的侧壁之间的第一气体分布器14连接，污泥进口8处设有污泥分散器。其中，第一气体分布器14事实上是环设在导流筒6之外并能够在导流筒6与氧化区3的侧壁之间均匀地实现气体喷出和分布，第一气体分布器15的气体出口朝上设置。图2示出了污泥分散器的结构示意图，如图2所示，污泥分散器为孔板结构形式，大块污泥经过污泥分散器分散成小块后进入反应器，有利于后续处理的有效进行。此外，为了便于进行产物的抽出，产物出口9优选地设置在污泥进口的相对侧。

其中，气体入口10通入的气体氧化剂为氧气和/或空气，优选为氧气；污泥进口8通入的污泥是含水量为80～90％的污泥，本发明的反应器降低了对进料污泥含水量的限制，从无流动性的脱水污泥(80％含水)到具有流动性的污泥(90％含水)均可适用，无需预处理直接进料；产物出口9用于不断抽出反应后的泥浆，维持反应器内的液面高度；气体出口11则用于排出污泥反应后的废气。优选地，本发明反应器1内的反应温度为150～350℃，压力为2～20MPa。

氧化区3实际上为升流式内循环结构，经过加压后的气体氧化剂(空气/氧气)通过气体入口10和第一气体分布器14进入氧化区3，带动床层中的热水解泥浆向上流动，形成气液固三相流体。当三相流体到达导流筒6的扩张口7的高度时，气体因密度小浮力大保持向上流动直至气体出口11，液体和污泥大颗粒因密度大翻流进入扩张口7内并在导流筒6内部向下流出导流筒6，重新进入导流筒6与氧化区侧壁之间的外部空间，继续在气流的带动下向上流动，形成一个完整循环饼维持整个反应体系的自循环过程。污泥颗粒在导流筒6的内外不段循环，增加了污泥在氧化区3内的停留时间，污泥中的有机质得到充分降解并得到处理后的污泥。由此可知，上述反应器各口的设置位置是与整体结构和工艺密切相关并且非常重要的，其直接决定了反应能否正常进行和循环能否正常维持。

空气和/或氧气通过气体入口10进入反应器1之后，以鼓泡方式在反应器内向上运动并带动泥浆在反应器1内循环。通过控制气体流量可在氧化区3形成大量小气泡，小气泡比表面积较大，能够提高气液固三相的传质效率。反应后的废气(包括未反应的空气、氧气、水蒸气及反应生成的气体)从液面上方离开反应区并排出。其中，氧化区3的上部还具有气体空间，反应后的废气进入气体空间后经过除沫再通过气体出口11流出反应器1.

优选地，为了有效利用反应后的废气，一部分废气经气体循环泵13等重新加压后循环返回至反应器1中，另一部分废气用于预热新鲜的污泥或气体氧化剂或直接进行尾气处理后排放，提高了氧气的利用率。

相对应地，氧化区3的侧壁上还设置有循环气入口12，循环气入口12通过外接气路与气体出口11连接以将一部分废气返回至反应器1中，其中，循环气入口12开设在污泥进口8的下方且在气体入口10的上方，循环气入口12与设置在导流筒6与氧化区3的侧壁之间的第二气体分布器15连接。类似地，第二气体分布器15事实上也是环设在导流筒6之外并能够在导流筒6与氧化区3的侧壁之间且在第一气体分布器14的上方均匀地实现气体喷出和分布，第二气体分布器16的气体出口朝上设置，提高气体在反应器中的停留时间，并进一步提高污泥降解效率和氧气利用率。

针对现有技术中污泥湿式氧化处理设备的缺陷，本发明提出了一种高度集成的反应器，融合了污泥的热水解及氧化过程，实用性更高；并且，本发明的反应器实际上是一种升流式内循环连续反应器，污泥在反应器内循环保证了其停留时间，并且反应器内气泡比表面积较大，相间接触好且传质效率高；此外，本发明将反应后的废气循环再次通入反应器中，可以增加气体氧化剂在反应器中的停留时间，提高氧气的利用率，经济性上得到大大提升。综上，本发明针对现有技术提出了合理的解决方案，力图在经济性和处理效率上寻找最佳方案，将来可应用于实际工程中。

接下来，则对本发明的污泥湿式氧化的一体化处理方法进行具体说明。本发明的方法采用上述污泥湿式氧化的一体化处理反应器进行污泥湿式氧化降解的一体化处理，得到处理后的污泥。具体地，该方法包括以下步骤：

A、先将反应器中的液位提升控制至产物出口以上，使加压至预定压力的气体氧化剂通过气体入口和第一气体分布器进入反应器的氧化区中均匀鼓泡，同时开启保温加热套将反应器内的温度加热至预定温度；

B、将污泥通过污泥进口的污泥分散器分散后通入反应器中，污泥沉入反应器下部的热水解区并在搅拌器的作用下混合、水解变成污泥浆；所述污泥浆在热水解区的顶部随水流进入氧化区并且通过导流筒内外的升流式内循环与所述气体氧化剂接触反应并放出大量的反应热，待反应稳定后停止加热；

C、从排渣口间歇性地排出沉积的大块砂石，回收利用通过气体出口流出的反应后的废气，从产物出口抽出反应后的污泥，直至完成污泥的湿式氧化降解处理，其中，污泥抽出量以能够维持反应器内的正常液面高度进行控制。

在反应的过程中，优选地将一部分废气重新加压后返回至反应器中，将另一部分废气用于预热新鲜的污泥或气体氧化剂或直接进行尾气处理后排放。

下面结合具体实施例对本发明的污泥湿式氧化的一体化处理反应器及处理方法作进一步说明。

将图1所示的一体化处理反应器用于污泥氧化降解，反应器启动之前需先将液位提升至产物出口以上。将空气和/或氧气加压至5MPa并从气体入口和第一气体分布器进入反应器的氧化区中进行均匀鼓泡，气泡向上运动时带动水流在反应器内部作循环流动。

反应器外部保温的加热套维持反应器的启动温度在250℃。加热介质可以采用电、油或蒸汽，当采用油或蒸汽时，相应地在保温套上设置介质入口和出口。反应器加热只需要在装置刚启动的一段时间内进行，污泥开始反应后放出的热量足以维持整个反应器的正常运行。

将含水量为80～90％的污泥从污泥进口的污泥分散器分散通入，污泥沉入底部的热水解区并在电磁搅拌器的作用下开始混合、水解，污泥性状发生改变，由不具流动性的固体变为具有一定流动性的浆态，随后在热水解区的顶部随水流进入氧化区与空气和/或氧气接触反应并放出大量的反应热。反应器上设置测温单元以监控反应器内的温度为250℃，即当反应稳定后停止外部加热，利用反应放出的反应热维持反应进行。

反应后的泥浆从产物出口抽出，抽出量以维持正常液面高度进行控制。泥浆随着气体在导流筒与氧化区侧壁之间向上流动，到达扩张口高度时，较重的污泥颗粒翻入导流筒的内部并从导流筒下部流出重新进入循环。导流筒外部的浆液气体含量高、密度低并向上流动；导流筒内部的浆液气体含量低、密度高并向下运动，维持整个反应体系的自循环过程。循环过程增加了污泥在氧化区内的停留时间，污泥中的有机物得到充分降解。在反应过程中，从反应器底部的排渣口间歇性地排出沉积在底部的大块砂石。

反应后的废气(包括未反应的空气、氧气、水蒸气及反应生成的气体)向上流出液面进入与反应器上部的气体空间，经过顶部除沫器后通过气体出口流出反应器。一部分废气在气体循环泵作用下重新加压至略高于系统压力从循环气体入口回到反应器，另一部分废气进入下一流程并可经过换热器用于预热新鲜污泥或氧化剂，也可直接经过尾气处理装置后排放。

综上所述，本发明的一体化处理反应器及处理方法整合了污泥湿式氧化过程中污泥热水解及污泥湿式氧化的两个过程，在同一反应器中实现污泥湿式氧化处理，有效地提高了污泥湿式氧化设备的经济性，设计合理且可操作性强；本发明降低了对进料污泥含水量的限值，从无流动性的脱水污泥(80％的含水量)到具有流动性的污泥(90％的含水量)均可适用，无需预处理直接进料；反应器出来的的废气中包含未反应的氧气，废气通过外部气体循环重新进入反应器中，提高了气体在反应器中的停留时间，提高了污泥降解效率，也提高了氧气的利用率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。