從生物固體中回收可用產(chǎn)品的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】從生物固體中回收可用產(chǎn)品的方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001 ] 本公開(kāi)發(fā)明涉及一種從生物固體中回收可用產(chǎn)品例如油和肥料的改進(jìn)方法。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 廢水污泥的處理和處置對(duì)擁有污水處理系統(tǒng)的市政當(dāng)局是一個(gè)困難而且昂貴的 挑戰(zhàn)。通常，美國(guó)每年會(huì)產(chǎn)生大約650萬(wàn)噸污泥（干基）（水環(huán)境聯(lián)合會(huì)，2008年）。這使 得每年的處理成本超過(guò)10億美元。例如，里諾市和斯帕克斯市，人口大約300, 000,每天產(chǎn) 生3000萬(wàn)加侖污水，120噸污泥以及18噸固體（干基）。
[0004] 這些廢物中的絕大多數(shù)或者作為肥料進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)，或者被焚燒，兩種方案都 變的越來(lái)越昂貴，并且引起不同程度的環(huán)保問(wèn)題（Dufreche等，2007年）。最近引起人們的 關(guān)注的另一個(gè)選擇是將處理過(guò)的污泥作為能源。不同類(lèi)型的污泥有明顯不同的組成成分。 初沉污泥是從首次過(guò)濾和沉淀中得到的并且成分變化很大?；钚院投?jí)污泥是在需氧消化 過(guò)程中產(chǎn)生的，其中含有細(xì)菌和其他微生物。消化污泥是在厭氧消化過(guò)程之后獲取的。由于 其中含有在有氧環(huán)境下無(wú)法幸存的厭氧有機(jī)體，消化污泥是相對(duì)的良性物質(zhì)，易于處理和 保存。幾項(xiàng)研宄已經(jīng)測(cè)試了使用多種溶劑從不同種類(lèi)的污泥中萃取油用于生物柴油產(chǎn)品， 效果都很有限。本項(xiàng)目探索了使用消化污泥，而不是污水處理過(guò)程早期得到的污泥，和備選 溶劑作為萃取油的來(lái)源的可行性。
[0005] 在現(xiàn)有技術(shù)中有各種各樣的污水處理方法和處理廠(chǎng)。污水處理操作采用三個(gè)或四 個(gè)不同的處理階段來(lái)除去有害污染物；根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署技術(shù)、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)司的新聞 通訊和技術(shù)出版物淡水處理系列第一期，"生物固體處理：對(duì)環(huán)境無(wú)害的處理污水處理廠(chǎng)污 泥的方法"中繼續(xù)提到："這些階段中的每一個(gè)都模擬并且加速了發(fā)生在自然界中的過(guò)程。
[0006] 在現(xiàn)有技術(shù)中，報(bào)導(dǎo)了采用乙烷/甲醇/丙酮溶劑從活性污泥從萃取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產(chǎn)（Dufreche等，2007年）。 采用甲醇作為萃取溶劑和反應(yīng)劑，硫酸作為催化劑的原位酯交換反應(yīng)被報(bào)導(dǎo)將初沉污泥中 的生物固體的14. 5wt%轉(zhuǎn)化成生物柴油（Mondala等，2009年）。另一個(gè)研宄報(bào)導(dǎo)了用索 氏萃取法以及乙烷/甲醇/丙酮混合物作為溶劑從初沉污泥中生產(chǎn)了大約11. 88wt%的生 物柴油（Willson等，2010年）。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 從污泥中回收可用產(chǎn)品的方法已經(jīng)公開(kāi)。將脫水污泥從污水處理廠(chǎng)轉(zhuǎn)移到干燥 器。加熱萃取器中的達(dá)到預(yù)定量的溶劑，將污泥浸在加熱后的溶劑內(nèi)，連續(xù)不斷的加入溶劑 以維持其在預(yù)定量。溶劑從非極性或者極性非質(zhì)子的溶劑組中選取，首選溶劑是乙酸乙酯。 萃取器將溶劑維持在其沸點(diǎn)以下，最好在低于其沸點(diǎn)的10-20華氏度范圍內(nèi)。
[0009] 最好萃取器內(nèi)的污泥從第一端流向第二端并且與溶劑的流動(dòng)方向相反，這樣油水 混合物在貼近第一端的固體入口處被移除，溶劑從第二端進(jìn)入與對(duì)向流相反。最好在固體 與溶劑相對(duì)流動(dòng)的過(guò)程中，固體保持浸入在溶劑內(nèi)。溶劑蒸汽從第一端和第二端之間去除。
[0010] 污泥要保持在溶劑中一段時(shí)期，直到足夠在溶劑內(nèi)產(chǎn)生濃度在5% -25%之間的 油，在離開(kāi)萃取器后，固體中溶劑的含量低于總?cè)軇┑?0%并且最好在10-30%之間。
[0011] 油水混合物，一種油/溶劑的混合物，和固體一起在萃取器內(nèi)被溶劑分離，分離的 油水混合物被轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)器。油和溶劑在第一個(gè)蒸發(fā)器內(nèi)被分離，如果需要可選擇再轉(zhuǎn)移 到附加的蒸發(fā)器內(nèi)，移除油中近80%-90%的溶劑，最好是70% -95%的溶劑。最好將萃 取器中的廢熱用于將溶劑從溶劑/油的混合物中分離。蒸發(fā)器中的蒸汽可被收集起來(lái)，從 溶劑中分離的水可被回收利用。
[0012] 殘留固體移送到脫溶器以移除固體中殘留的溶劑然后干燥至含水率低于25%，最 好在10%到15%之間。由此產(chǎn)生的固體可以被用作肥料，符合Code 40CFT part 503A級(jí) 品質(zhì)異常生物固體標(biāo)準(zhǔn)。
[0013] 附圖簡(jiǎn)述
[0014] 圖1是描述整個(gè)過(guò)程的流程圖；
[0015] 圖2是描述過(guò)程中溶劑的流程圖；
[0016] 圖3是描述過(guò)程中油的流程圖；
[0017] 圖4是描述在第一蒸發(fā)階段中油水混合物的流程圖；
[0018] 圖5是描述過(guò)程中水的流程圖；
[0019] 圖6是用Parr萃取器的萃取百分比圖表；
[0020] 圖7是用索氏萃取器的萃取百分比圖表；
[0021] 圖8是標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)曲線(xiàn)圖；
[0022] 圖9是萃取過(guò)程中質(zhì)量平衡框圖；和
[0023] 圖10是連續(xù)逆流萃取器的視圖；
[0024] 圖11是采用6個(gè)因素和2個(gè)量級(jí)的析因設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表；和
[0025] 圖12是顯示圖11的萃取結(jié)果的擴(kuò)展表格。
[0026] 本發(fā)明的詳細(xì)描述
[0027] 定義
[0028] 本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)"生物固體"是指在對(duì)廢活性污泥以及處理過(guò)的人類(lèi)糞便進(jìn)行 三級(jí)處理后生成的產(chǎn)品。
[0029] 本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)"油水混合物"是指一種含有萃取的油或油脂的混合溶液。
[0030] 本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)"DT"是指一臺(tái)蒸烘機(jī)。
[0031] 本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)"DTD"是指包含有蒸烘機(jī)和干燥冷卻器的裝置。
[0032] 本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)" P0TW"是指公有的污水處理廠(chǎng)，與在美國(guó)所使用的污水處理廠(chǎng) 一樣，歸政府機(jī)關(guān)所有，并且通常由政府機(jī)關(guān)操作。在美國(guó)，公有污水處理廠(chǎng)通常歸當(dāng)?shù)卣?府機(jī)關(guān)所有，并且通常被設(shè)計(jì)成用于處理生活污水而不是工業(yè)廢水。
[0033] 本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)"大約"指在+/_ 15 %的范圍內(nèi)。
[0034] 本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)"百分比"指質(zhì)量百分比。
[0035] 本發(fā)明使用的術(shù)語(yǔ)"油水混合物"是指一種含有萃取的油或油脂的溶液或者混合 物。
[0036] 不同類(lèi)型的污泥有著明顯不同的成分。初沉污泥是從初次過(guò)濾和沉淀中獲取的， 并且成分變化很大?；钚院投?jí)污泥是在需氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的，含有細(xì)菌和其他微生物。 消化污泥是在厭氧消化過(guò)程之后提取的。由于其中含有在有氧環(huán)境下無(wú)法幸存的厭氧有機(jī) 體，消化污泥是相對(duì)的良性物質(zhì)，易于處理和保存。因?yàn)檫@些原因，它被用于油萃取并且被 選為本研宄的焦點(diǎn)是比較合理的。
[0037] 幾項(xiàng)研宄已經(jīng)測(cè)試了使用多種溶劑從不同種類(lèi)的污泥中萃取油用于生物柴油產(chǎn) 品，效果都很有限。
[0038] 本公開(kāi)的方法相比于現(xiàn)有技術(shù)有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。第一，提高了污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生的生物 固體的質(zhì)量，可以使其作為肥料產(chǎn)品廣泛應(yīng)用。經(jīng)本公開(kāi)的系統(tǒng)處理后的生物固體因?yàn)槿?劑萃取去除了油而更加清潔，從而將含有的可浸入土壤中的污染物降到最低。因此可以被 廣泛用作肥料和土壤改良。更進(jìn)一步，由于去除油使得肥料更加親水。
[0039] 第二，溶劑萃取和溶劑去除步驟提供了多重殺滅步驟來(lái)消除材料中的病原體數(shù) 量，使處理更加安全。這些步驟沒(méi)有使用堿處理，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來(lái)提供過(guò)程所需的熱量。如上面所述，然而，萃取 的油取決于污泥的成分。
[0041] 第四也是本質(zhì)特征，溶劑的有效回收對(duì)整個(gè)過(guò)程的成本有著重要的積極的影響。
[0042] 最后，本公開(kāi)的方法比現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)和方法運(yùn)行成本更低。鍋爐可以作為本系 統(tǒng)的唯一熱源，盡管也可以使用外部熱源。鍋爐可以使用從污泥中回收的油來(lái)運(yùn)行?；厥盏?溶劑送到萃取器的溶劑入口重新使用，溶劑損失低于百萬(wàn)分之500,99. 6%的溶劑可重新使 用。使用本方法干燥每噸污泥預(yù)計(jì)消耗的蒸汽大約為500鎊。這是考慮到基于本方法所進(jìn) 行的夾點(diǎn)分析各種熱量交換因素是可以利用的。然而，本方法中用到的蒸汽總量與輸入的 污泥中萃取的油的總量成正比。500鎊每噸的蒸汽消耗是按照當(dāng)萃取的油的重量占整個(gè)污 泥重量的15-10%時(shí)預(yù)計(jì)的，然而，如果油的含量大約為7%，那么蒸汽的消耗量下降到300 鎊每噸。蒸汽量減少是因?yàn)閮蓚€(gè)因素：1)用于萃取油的溶劑需求減少了，2)需要脫溶和蒸 餾的原料減少了。注意之間的關(guān)系不是線(xiàn)性的，因?yàn)闀?huì)有一個(gè)最少蒸汽需求量，即本方法的 閾值。
[0043] 本方法的預(yù)計(jì)用電量為每噸25千瓦時(shí)。與蒸汽消耗不同，用電量不隨油的濃度變 化而變化，因?yàn)樗怯糜趥鬏數(shù)哪茉?，與速率成正比。
[0044] 當(dāng)前工業(yè)趨勢(shì)是熱電聯(lián)供萃取用于發(fā)電和制造肥料。由于所遇到的困難，油萃取 很少，或者不存在。
[0045] 由于每個(gè)設(shè)備都是根據(jù)污泥的成分定制的，本方法的耗時(shí)，包括浸入溶劑的干燥 時(shí)間等都將變化。來(lái)自污水處理廠(chǎng)處理過(guò)的污泥含有的細(xì)菌含量減少。所有