一种用于生物固体物质的超声波辐射溶剂萃取联用深度脱水的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物固体物质脱水的方法及系统，具体涉及一种低能耗的生物固体物 质的超声波辐射溶剂萃取联用深度脱水的方法及脱水装置。
【背景技术】
[0002] 目前我国每年都会产生大量的生物固体废物或生物固体物质，比如废水污泥、制 药厂菌渣、藻渣、食品工业残渣、发酵残渣、高含水煤、农业残渣，并且产生量很大。每年仅城 市污水厂污泥的产生量就是3000万吨，抗生素副产品菌渣年排放量达到180万吨以上，藻 渣100万吨以上。这些生物固体废物含水率高，体积庞大，必须经脱水处理减少其体积。
[0003] 以脱除水分的方式不同，生物固体物质的脱水方法可分为蒸发型脱水和非蒸发型 脱水两大类。
[0004] 蒸发型脱水是通过水分蒸发而实现污泥的脱水，如干化脱水，干化是一种利用热 能将污泥中水分快速蒸发的处理工艺，根据热能的来源和加热方法的不同，可分为流化干 燥、过热蒸汽干燥、间壁干燥、红外辐射干燥、对撞流干燥等。干化脱水技术优点包括脱水过 程中污泥性状稳定、不易粘结、不易产生沼气，产生的气体难燃不易爆，干化后污泥含水率 低于10%。其缺点是投资大，运行费用高，同时对管理和操作技术要求高。
[0005] 非蒸发型脱水主要包括离心、压滤等机械脱水方法和以溶剂置换为代表的非常规 脱水方法。机械脱水是以过滤介质两侧的压力差作为推动力，使生物固体物质中的水分被 强制通过过滤介质，以液态形式脱去。如污泥经机械脱水含水率在短时间内降低到80 %，但 含水率依然较高，后续处理处置困难。因此，要进一步脱水必须采用其它深度脱水或干燥技 术。
[0006] 溶剂萃取脱水：以不消耗水的蒸发潜热为目的，不使生物固体物质中水分蒸发，通 过溶剂与污泥的混合和相互作用而使水分以溶解、吸收、交换等方式从污泥中向溶剂中转 移，然后使生物固体物质与含水溶剂分离，将水的形态保持在液态直接脱去。
[0007] 超声波在生物固体物质处理中可以提高生物固体物质脱水性能和可降解性能，一 定强度的超声波作用可改变生物固体物质的性质，使生物固体物质的细胞破壁，使生物固 体物质中结合水向自由水转化。超声波辅助溶剂萃取脱水的方法高效稳定，应用潜力巨大。
【发明内容】
[0008] 发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低能耗生物固体物质 超声波辐射溶剂萃取联用深度脱水方法。
[0009] 本发明的另一个目的在于，提供一种应用于上述脱水方法的脱水装置。
[0010] 技术方案：为实现上述技术方案，本发明提供一种生物固体物质超声波辐射溶剂 萃取联用深度脱水方法，包括如下步骤：
[0011] (A)超声波辐射预处理：对待处理生物固体物质进行超声波辐射处理；
[0012] (B)溶剂萃取脱水：使用脱水溶剂与经步骤（A)超声波辐射处理后的生物固体物 质接触，使生物固体物质中的水分溶解于脱水溶剂中；
[0013] (C)固液分离：将步骤（B)得到的体系经固液分离得到脱水生物固体物料和溶 剂-水混合液；
[0014] (D)溶剂回收：将步骤（C)得到的溶剂-水混合液中的溶剂和水分离，回收溶剂再 利用。
[0015] 步骤（A)中，所述的超声波辐射的条件为辐射功率0. 1~100000W，辐射时间为 0. 1~600分钟，更优选地，辐射功率为0. 1~500W，辐射时间为0. 1~40分钟，最优选地， 辐射功率为50~300W，辐射时间为2~10分钟。
[0016] 步骤（B)中，所述的脱水溶剂是在常温常压下为气态或易于气化的有机溶剂（即 在常温常压下沸点小于25°C的有机溶剂，或在常压25~99°C范围内加热能够气化的有机 溶剂），且在液化状态下与水相互溶解的有机溶剂。优选地，所述的有机溶剂为烷基溶剂、 醇溶剂、醛类溶剂、酮类溶剂、醚类溶剂中的任意一种或几种的混合物。更优选地，所述的烷 基溶剂为丙烷、丁烷、乙烷、异丁烷中的任意一种或几种的混合物；所述的醇溶剂为甲醇、乙 醇中的任意一种或几种的混合物；所述的醛类溶剂为甲醛、乙醛、丙醛、丁醛中的任意一种 或几种的混合物；所述的酮类溶剂如环丙烯酮；所述的醚类溶剂为乙丙醚、二乙基醚、甲乙 醚、二甲醚和乙基甲基醚中的任意一种或几种的混合物。更优选地，所述溶剂为丁烷、乙醇、 甲醛、环丙烯酮、甲乙醚、二甲醚中的任意一种或几种的混合物。
[0017] 步骤⑶中，溶剂萃取脱水是在0~99°C、0~10.OMPa的条件下操作的。
[0018] 步骤（C)中，固液分离的方法为过滤或离心。
[0019] 步骤（D)中，溶剂和水分离采用减压蒸发或静置分离或离心分离或蒸馏分离的方 式。
[0020] 步骤（A)中，所述的待处理生物固体物质为废水污泥、河流底泥、湖泊底泥、海洋 底泥、制药厂菌渣、其他工业菌渣、河流藻渣、湖泊藻渣、海洋藻渣、食品工业残渣、发酵残 渣、高含水煤、农业残渣中的任意一种。优选地，上述生物固体物质在进行深度脱水前（更 准确的说在进行超声波辐射预处理前），经过机械脱水使生物固体物质含水量在60~ 80wt%左右。
[0021] 本发明进一步提出一种生物固体深度脱水装置，包括依次顺序循环串联的溶剂储 存单元、带有超声波发生器的脱水反应单元、固液分离单元、气液分离单元、气体液化单元 和溶剂回收单元；
[0022] 其中，
[0023] 所述的溶剂储存单元为溶剂储罐；
[0024] 所述的脱水反应单元为内部设置有超声波能量输出柱和搅拌装置的脱水反应釜， 超声波能量输出柱由超声波发生器控制；
[0025] 所述的固液分离单元为过滤分离装置或静置分离储罐或离心器；
[0026] 所述的气液分离单元为串联的气液分离器和干燥器；
[0027] 所述的气体液化单元为串联的空气压缩机和溶剂回收冷凝器。
[0028] 其中，所述的脱水反应单元与所述的固液分离单元可以分别设置，串联在一起，比 如使用静置分离设备或离心分离设备与脱水反应釜串联，实现连续化大生产，也可以将所 述的脱水反应单元与所述的固液分离单耦合在一起，即在所述的脱水反应釜内部空间的上 方和下方设置有滤网，滤网可活动拆卸，打开上层滤网，可将固体物质加入脱水反应单元 中，关闭上层滤网，实现固体物质在脱水反应单元中进行超声波辐射-溶剂萃取联用脱水 反应，液体部分直接通过下层滤网进入气液分离单元，下层滤网堵塞后可拆线清洗或者直 接更换。
[0029] 其中，所述的气液分离器的外壁设置有加热圈。针对常温常压下为液态但是易于 气化的溶剂物质，用电对气液分离器进行加热，从而加热气化该溶剂物质，使其与水分离。
[0030] 带有超声波发生器的脱水反应釜先对生物固体物质进行超声波辐射预处理，使生 物固体物质中的结合水释放为易于脱除的自由水，然后将脱水溶剂与生物固体物质混合接 触，使生物固体物质中的水分溶解于脱水溶剂中，实现生物固体物质的脱水，通过在脱水反 应釜中设置机械搅拌，可以使脱水反应更加彻底，通过在脱水反应釜的上下端设置滤网，可 以避免生物固体物质随着溶液从脱水反应釜中流失。所述的气液分离器主要用于分离溶剂 与水，对于常温常压下为气态的溶剂物质，气液分离器用于使溶解了生物固体物质中水分 的溶剂物质的液化物减压气化的蒸发器、使气化后的上述溶剂物质与水分离的分离器；对 于常温常压下为液态但是易于气化的溶剂物质，气液分离器用于减压加热蒸发液态溶剂物 质，使气化后的上述溶剂物质与水分离的分离器。
[0031] 发明原理：废生物质固体经一定功率超声波辐射一定时间后，使用常温常压下为 气态或易于气化且在液化状态下与水相互溶解的有机溶剂作为脱水溶剂（以下称为脱水 溶剂），通过在脱水设备中脱水溶剂的液化物与污泥接触，使污泥中的水分溶解于脱水溶剂 的液化物中，以除去污泥中的水分，同时，通过减压蒸发使该含水的脱水溶剂的液化物中的 脱水溶剂气化，使水与脱水溶剂的气体分离，回收脱水溶剂的气体，通过加压冷却的方式使 脱水溶剂的气体液化，循环使用。
[0032] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0033] (1)首先对生物固体物质进行超声波预处理，提高了生物固体物质脱水性能，促进 生物固体物质中结合水向自由水转化，提高液化物对生物固体物质的脱水效果；
[0034] (2)采用易液化物质为脱水介质，不使水分蒸发而使水分除去，完全不需要蒸发潜 热的回收，因此可以在接近大气温度的操作温度下进行脱水，并且不需回收水分的蒸发潜 热，可节约能源；
[0035] (3)此外，由于是常温常压下为气体的物质，所以液化物和水分的分离容易，能够 节约的进行脱水。本发明利用超声波辐射联合溶剂萃取脱除生物固体物质中水分，不仅可 以较高的脱水效率，还能节约能源，在城市污泥处理处置当中有着广阔的应用前景。
【附图说明】
[0036] 图1为超声波辐射时间对污泥比阻的影响示意图；
[0037] 图2位超声波辐射功率对污泥比阻的影响示意图；
[0038] 图3为超声波辐射时间对污泥胞外聚合物EPS的影响示意图；
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