含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化工艺

摘要

本发明提供一种含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化工艺，属于污泥资源化利用技术领域。本发明的目的在于通过污泥热解安全转化工艺解决含持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素、抗性基因、病原微生物与微塑料等新污染物污泥的无害化与资源化利用难题：含新污染物污泥经过调理、深度脱水与低温干化后，进行热解处理与能源化、材料化利用，新污染物在热解转化过程中发生裂解转化为小分子气体与炭，通过工艺调控实现彻底安全转化；污泥脱水、干化与热解过程中产生的臭气、尾气经过处理达到标准排放；污泥基生物炭中新污染物低于标准限值或检出限，可用于污水污泥处理、土壤改良、建筑材料添加剂或替代燃料，实现含新污染物污泥资源化利用。

说明书

技术领域

本发明属于污泥资源化利用技术领域，尤其涉及一种含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化工艺。

背景技术

2022年5月，国家《新污染物治理行动方案》提出要求加强新污染物治理，切实保障生态环境安全和人民健康。方案中指出，国内外广泛关注的新污染物主要包括持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素、抗性基因、病原微生物与微塑料等。

城市与工业水资源利用与循环过程中有机污染物富集浓缩于污泥中，形成了大量的含高浓度有机污染物的市政污泥、工业污泥、水体底泥与疏通污泥。污泥中含有高浓度的持久性有机污染物、内分泌干扰物、微塑料、抗生素、抗性基因与病原微生物等新污染物，这些污染物处理处置不当对生态环境与人类健康形成巨大威胁。现有污泥处理处置与资源化利用技术对污泥中持久性有机污染物、内分泌干扰物、微塑料、抗生素、抗性基因与病原微生物等新污染物安全转化关注较少，无法为这些有机污染物的全流程安全转化提供解决方案，同时污泥处理处置过程中也无法实现有机污染物的彻底消减，限制了其污泥资源化利用产品的出路。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化工艺，实现污泥中持久性有机污染物、内分泌干扰物、微塑料、抗生素、抗性基因与病原微生物等新污染物的安全转化，同时污泥可以制取污泥基生物炭材料用于污泥处理、污水处理与园林矿山修复与建筑材料的技术，实现污泥的资源化利用；污泥处理处置全流程中没有含有机污染物废水、废气与气溶胶等排放到周围环境中，是一种较为环境友好的污泥处理技术，具有良好的环境效益、社会效益与经济效益。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化工艺，如图1所示，该工艺包括：

1. 步骤一：根据新污染物的种类，选择具有良好污泥调理性能和新污染物吸附性能的一种或多种污泥基生物炭对含新污染物污泥进行调理，并利用污泥基生物炭对污泥中的新污染物进行吸附；

（1）进一步地，新污染物包括以下至少一种：持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素、抗性基因、病原微生物、微塑料。

（2）进一步地，选择具有良好污泥调理性能和新污染物吸附性能的一种生物炭或多种生物炭的标准包括：对新污染物具有较高吸附饱和容量的生物炭，吸附饱和容量为10mg/g-2000mg/g。

2. 步骤二：对调理后的污泥进行深度脱水处理，脱水滤液排至污水处理厂；

进一步地，深度脱水后新污染物污泥中的含水率为50-70%。在脱水过程中，通过在封闭与微负压环境下控制脱水过程中气溶胶的污染。

3. 步骤三：对脱水后的污泥进行低温干化处理，干化冷凝液排至污水处理厂；

（1）进一步地，在对污泥进行低温干化处理过程中，将干化室内的气体含氧量控制在4%以下，粉尘浓度在60g/m³以下，防止污泥粉尘在低温干化过程中爆炸。深度脱水后的污泥进行低温干化处理，所得含新污染物污泥中的含水率降低至30%以下。

（2）进一步地，低温干化过程中产生的干化冷凝液排放至污水处理厂。

4. 步骤四：对低温干化处理后的污泥进行热解处理，得到热解气态产物和污泥基生物炭；

（1）进一步地，对低温干化后的污泥进行热解处理，得到热解气态产物和污泥基生物炭，其中，热解过程中的参数包括：热解温度T为450-1000℃；热解停留时间t为20-240min；热解升温速率β为10-100℃/s；新污染物转化率函数为α=f（T，t，β）≥99.99%。

更进一步地，含新污染物污泥在热解过程中满足如下方程：

其中，α为新污染物转化率，A为指前因子，min

上述关系简化为α=f（T，t，β），新污染物的转化率与热解温度T、停留时间t与升温速率β三者相关，因此为实现新污染物转化率＞99.99%，需同时考虑T，t，β三个热解核心工艺参数。

（2）进一步地，用于含新污染物污泥热解安全转化与资源化的装置，包括：回转窑热解炉、螺旋推进热解炉、流化床热解炉、工业马弗炉或焦耳热电解炉。

（3）进一步地，在热解过程中挥发到热解气态产物中的新污染物通过催化，在活性界面发生催化热解实现新污染物的安全转化；和通过气体催化裂解实现新污染物的进一步安全转化，尤其是针对稳定性较高的新污染物具有较高的安全转化效果。

5. 步骤五：热解气态产物经能源化利用与尾气处理实现新污染物安全转化，污泥基生物炭可以实现多途径资源化利用。

（1）进一步地，热解气态产物实现能源转化与无害化的步骤包括：燃烧温度≥850℃，持续时间大于2s，尾气经处理后达到排放标准。

（2）进一步地，污泥基生物炭的应用包括土壤改良、污水处理、建筑材料、污泥处理、替代燃料中的至少一种。

（3）进一步地，用于土壤改良的污泥基生物炭中新污染物含量低于限值，生物炭累计添加总量不超过干基土壤重量的20%；其中，新污染物含量低于《肥料中有毒有害物质的限量要求》（GB 38400）限值。

（4）进一步地，用于建筑材料的污泥基生物炭中挥发性新污染物含量低于检出限，其添加量为建筑材料总量的1%-50%。

需要说明的是，本发明提供的一种含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化工艺是一种含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化方法。

基于上述技术方案，本发明提供的一种含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化工艺，具有以下之一的有益效果：

（1）在本发明中，含新污染物的污泥在调理、深度脱水和低温干化等工艺单元处理后，在热解过程中通过调控热解参数，可以使新污染物的热解转化率达到99.99%以上，实现了污泥中新污染物的安全转化。

（2）在本发明中，经热解产生的污泥基生物炭部分用于污泥调理、吸附新污染物、降低污泥的电导率，使新污染物吸附截留在污泥基生物炭中，再经热解处理，实现新污染物的安全转化与污泥的安全资源化利用；剩余部分的污泥基生物炭用于园林绿化、燃料、矿山土壤修复和建筑材料的添加剂，实现了污泥基生物炭的多途径资源化利用。

（3）在本发明中，热解产生的热解气态产物可以实现能源化利用，所产生的废气达到排放的标准。

附图说明

图1是本发明实施例中含新污染物污泥热解安全转化与安全资源化工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

含内分泌干扰物的污泥，其含水率99%，经过对污泥中的新污染物进行非靶标定性分析与靶标定量分析，进行聚类分析与主成分分析，识别出其中毒性较大、含量较高的新污染物为二氯乙烷（256 μg/kg）、邻苯二甲酸酯（788 μg/kg）与α-雌二醇（97 μg/kg）。

选择具有良好污泥调理性能和新污染物吸附性能的污泥基生物炭（三种新污染物饱和吸附容量均大于100 mg/g）对污泥进行调理，投加量为污泥干重的5%。经深度脱水后泥饼含水率59%，脱水滤液排至污水处理厂处理。

脱水后污泥进行低温干化，含水率降至15%，其中，干化温度选择为78℃，采用控制干化室内气体含氧量小于4%，粉尘浓度小于60 g/m³以防止在低温干化过程中粉尘爆炸。干化冷凝液排至污水处理厂处理。

干化后污泥进行热解，得到热解气态产物和污泥基生物炭，其中，热解温度选择为750℃，热解停留时间为45min，升温速率50℃/s，通过二氯乙烷、邻苯二甲酸酯与α-雌二醇的热解转化分析可以得出，三种新污染物转化率α=f（750, 45, 50）≥99.9999%。

对热解气态产物进一步进行能源化利用，控制温度≥1000℃，持续时间大于2s。尾气经处理后达到中国（《生活垃圾焚烧污染控制标准》）、欧盟（《工业排放指令》）、日本（《大气污染防治法》）、美国（《空气污染物排放标准》）排放。

热解产生的污泥基生物炭用于轻质混凝土砖生产，其中，污泥基生物炭中二氯乙烷、邻苯二甲酸酯与α-雌二醇含量低于检出限。

实施例2

含抗生素与抗性基因的污泥，其含水率98.5%，经过对污泥中的新污染物进行非靶标定性分析与靶标定量分析，进行聚类分析与主成分分析，识别出其中毒性较大、含量较高的新污染物为苯乙酸（376 mg/kg）、青霉素V（97 mg/kg）以及36种β内酰胺抗性基因。

选择具有良好污泥调理性能和新污染物吸附性能的污泥基生物炭（三种新污染物饱和吸附容量均大于100 mg/g）对污泥进行调理，投加量为污泥干重的7.5%。经深度脱水后泥饼含水率63%，脱水滤液排入污水处理厂处理。

脱水后污泥进行低温干化，含水率降至15%，其中，干化温度选择为95℃，采用控制干化室内气体含氧量小于4%，粉尘浓度小于60ｇ/m³以防止粉尘在低温干化过程中爆炸化。干化冷凝液排入污水处理厂处理。

干化后污泥进行热解，得到热解气态产物和污泥基生物炭，其中，热解温度选择为650℃，热解停留时间为50min，升温速率20℃/s，通过苯乙酸、青霉素V、β内酰胺抗性基因的热解转化分析可以得出，三种新污染物转化率α=f（650, 50, 20）≥99.9999%。

对热解气态产物进一步进行能源化利用，控制温度≥1000℃，持续时间大于2s。尾气经处理后达到中国（《生活垃圾焚烧污染控制标准》）、欧盟（《工业排放指令》）、日本（《大气污染防治法》）、美国（《空气污染物排放标准》）排放。

热解产生污泥基生物炭用于园林绿化，其中，污泥基生物炭中的苯乙酸、青霉素V、β内酰胺抗性基因的含量低于检出限。

实施例3

含病原微生物的污泥，含水率98.7%，经过对污泥中新污染物进行非靶标定性分析与靶标定量分析，进行聚类分析与主成分分析，识别出其中毒性较大、含量较高的新污染物为头孢氨苄（22 mg/kg）、磺胺吡啶（37 mg/kg）、硝苯地平（17 mg/kg）、抗生素耐药菌、新型冠状病毒。

选择具有良好污泥调理性能和新污染物吸附性能的生物炭(头孢氨苄、磺胺吡啶、硝苯地平三种新污染物饱和吸附容量大于100mg/g)对污泥进行调理，投加量为污泥干重的6.5%。经深度脱水后泥饼含水率61%，脱水滤液排至污水处理厂处理。

脱水后污泥进行低温干化，含水率降至12%，其中，干化温度选择为95℃，采用控制干化室内气体含氧量小于4%，粉尘浓度小于60ｇ/m³以防在低温干化过程中粉尘爆炸。干化冷凝液排至污水处理厂处理。

干化后污泥进行热解，得到热解气态产物和污泥基生物炭，其中，热解温度选择为750℃，热解停留时间为40min，升温速率50℃/s，通过头孢氨苄、磺胺吡啶、硝苯地平的热解转化分析可以得出，三种新污染物转化率α=f（750, 40, 50）≥99.9999%；抗生素耐药菌与新型冠状病毒α=f（750, 40，50）=100%。

热解气态产物进一步进行能源化利用，控制温度≥1000℃，持续时间大于2s，尾气处理后达到中国（《生活垃圾焚烧污染控制标准》）、欧盟（《工业排放指令》）、日本（《大气污染防治法》）、美国（《空气污染物排放标准》）排放。

热解产生的污泥基生物炭用于制备建筑材料，其中，建筑材料中新污染物头孢氨苄、磺胺吡啶、硝苯地平、抗生素耐药菌、新型冠状病毒的含量均低于检出限。

实施例4

含持久性有机污染物与微塑料的污泥，含水率98.7%，经过对污泥中的新污染物进行非靶标定性分析与靶标定量分析，进行聚类分析与主成分分析，识别出其中毒性较大、含量较高的新污染物为全氟磺酸（2571 μg/kg）、聚丙烯微塑料纤维（8.7万条/kg）。

选择具有良好污泥调理性能和新污染物吸附性能的生物炭（两种新污染物饱和吸附容量均大于100 mg/g）对污泥进行调理，投加量为污泥干重的7.5%。经深度脱水后泥饼含水率58%，脱水滤液排至污水处理厂处理。

脱水后污泥进行低温干化，含水率降至10%。干化温度选择为90℃，采用控制干化室内气体含氧量小于4%，粉尘浓度小于60 g/m³以防止在低温干化过程中粉尘爆炸。干化冷凝液排至污水处理厂处理。

干化后污泥进行热解，得到热解气态产物和污泥基生物炭，其中，热解温度选择为850℃，热解停留时间为60min，升温速率10℃/s，通过全氟磺酸与聚丙烯纤维的热解转化分析可以得出，全氟磺酸新污染物转化率α=f（850, 60, 10）≥99.99%；聚丙烯纤维α=f（850,60, 10）=99.999%。

热解气态产物进一步进行能源化利用，控制温度≥1000℃，持续时间大于2s，尾气经处理后达到中国（《生活垃圾焚烧污染控制标准》）、欧盟（《工业排放指令》）、日本（《大气污染防治法》）、美国（《空气污染物排放标准》）排放。

热解产生的污泥基生物炭用于制备建筑材料，其中，建筑材料中新污染物全氟磺酸、聚丙烯微塑料纤维的含量低于检出限。

实施例5

含矿物油的污泥，含水率98.5%，经过对污泥中的新污染物进行非靶标定性分析与靶标定量分析，进行聚类分析与主成分分析，识别出其中毒性较大、含量较高的新污染物为矿物油（25000 μg/kg）。

选择具有良好污泥调理性能和新污染物吸附性能的生物炭（新污染物饱和吸附容量大于100 mg/g）对污泥进行调理，投加量为污泥干重的8.5%。深度脱水后泥饼含水率59%，脱水滤液排至污水处理厂处理。

脱水后污泥进行低温干化，含水率降至10%。干化温度选择为90℃，采用控制干化室内气体含氧量小于4%，粉尘浓度小于60ｇ/m³以防止在低温干化过程中粉尘爆炸。干化冷凝液排至污水处理厂处理。

干化后污泥进行热解，得到热解气态产物和污泥基生物炭，其中，热解温度选择为750℃，热解停留时间为60min，升温速率10℃/s，通过矿物油的热解转化分析可以得出，矿物油转化率α=f（750, 60, 10）≥99.99%。

热解气态产物进一步进行能源化利用，控制温度≥1000℃，持续时间大于2s，尾气经处理后达到中国（《生活垃圾焚烧污染控制标准》）、欧盟（《工业排放指令》）、日本（《大气污染防治法》）、美国（《空气污染物排放标准》）排放。

热解产生的污泥基生物炭用于替代燃料，其中，替代燃料中新污染物矿物油的含量低于检出限。