一種用于生物固體物質(zhì)的微波輻射溶劑萃取聯(lián)用深度脫水的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物固體物質(zhì)脫水的方法及系統(tǒng)，具體涉及一種低能耗的生物固體物 質(zhì)的微波輻射溶劑萃取聯(lián)用深度脫水的方法及脫水裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國每年都會產(chǎn)生大量的生物固體廢物或生物固體物質(zhì)，比如廢水污泥、制 藥廠菌渣、藻渣、食品工業(yè)殘渣、發(fā)酵殘渣、高含水煤、農(nóng)業(yè)殘渣，并且產(chǎn)生量很大。每年僅城 市污水廠污泥的產(chǎn)生量就是3000萬噸，抗生素副產(chǎn)品菌渣年排放量達到180萬噸以上，藻 渣100萬噸以上。這些生物固體廢物含水率高，體積龐大，必須經(jīng)脫水處理減少其體積。
[0003] 以脫除水分的方式不同，生物固體物質(zhì)的脫水方法可分為蒸發(fā)型脫水和非蒸發(fā)型 脫水兩大類。
[0004] 蒸發(fā)型脫水是通過水分蒸發(fā)而實現(xiàn)污泥的脫水，如干化脫水，干化是一種利用熱 能將污泥中水分快速蒸發(fā)的處理工藝，根據(jù)熱能的來源和加熱方法的不同，可分為流化干 燥、過熱蒸汽干燥、間壁干燥、紅外輻射干燥、對撞流干燥等。干化脫水技術(shù)優(yōu)點包括脫水過 程中污泥性狀穩(wěn)定、不易粘結(jié)、不易產(chǎn)生沼氣，產(chǎn)生的氣體難燃不易爆，干化后污泥含水率 低于10%。其缺點是投資大，運行費用高，同時對管理和操作技術(shù)要求高。
[0005] 非蒸發(fā)型脫水主要包括離心、壓濾等機械脫水方法和以溶劑置換為代表的非常規(guī) 脫水方法。機械脫水是以過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差作為推動力，使生物固體物質(zhì)中的水分被 強制通過過濾介質(zhì)，以液態(tài)形式脫去。如污泥經(jīng)機械脫水含水率在短時間內(nèi)降低到80 %，但 含水率依然較高，后續(xù)處理處置困難。因此，要進一步脫水必須采用其它深度脫水或干燥技 術(shù)。
[0006] 溶劑萃取脫水：以不消耗水的蒸發(fā)潛熱為目的，不使生物固體物質(zhì)中水分蒸發(fā)，通 過溶劑與污泥的混合和相互作用而使水分以溶解、吸收、交換等方式從污泥中向溶劑中轉(zhuǎn) 移，然后使生物固體物質(zhì)與含水溶劑分離，將水的形態(tài)保持在液態(tài)直接脫去。
[0007] 微波在生物固體物質(zhì)處理中可以提高生物固體物質(zhì)脫水性能和可降解性能，微波 在液相中產(chǎn)生熱效應(yīng)和聲化學(xué)效應(yīng)破解生物固體物質(zhì)絮體、菌膠團和細胞體，使生物固體 物質(zhì)中結(jié)合水向自由水轉(zhuǎn)化。微波輔助溶劑萃取脫水的方法高效穩(wěn)定，應(yīng)用潛力巨大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種低能耗生物固體物質(zhì) 微波輻射溶劑萃取聯(lián)用深度脫水方法。
[0009] 本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種應(yīng)用于上述脫水方法的脫水裝置。
[0010] 技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種生物固體物質(zhì)微波輻射溶劑萃 取聯(lián)用深度脫水方法，包括如下步驟：
[0011] (A)微波輻射預(yù)處理：對待處理生物固體物質(zhì)進行微波輻射處理；
[0012] (B)溶劑萃取脫水：使用脫水溶劑與經(jīng)步驟（A)微波輻射處理后的生物固體物質(zhì) 接觸，使生物固體物質(zhì)中的水分溶解于脫水溶劑中；
[0013] (C)固液分離：將步驟（B)得到的體系經(jīng)固液分離得到脫水生物固體物料和溶 劑-水混合液；
[0014] (D)溶劑回收：將步驟（C)得到的溶劑-水混合液中的溶劑和水分離，回收溶劑再 利用。
[0015] 步驟（A)中，所述的微波輻射的條件為輻射功率0. 1~100000W，輻射時間為 0. 1~600分鐘，更優(yōu)選地，輻射功率為0. 1~800w，輻射時間為0. 1~60分鐘。
[0016] 步驟（B)中，所述的脫水溶劑是在常溫常壓下為氣態(tài)或易于氣化的有機溶劑（即 在常溫常壓下沸點小于25°C的有機溶劑，或在常壓25~99°C范圍內(nèi)加熱能夠氣化的有機 溶劑），且在液化狀態(tài)下與水相互溶解的有機溶劑。優(yōu)選地，所述的有機溶劑為烷基溶劑、 醇溶劑、醛類溶劑、酮類溶劑、醚類溶劑中的任意一種或幾種的混合物。更優(yōu)選地，所述的烷 基溶劑為丙烷、丁烷、乙烷、異丁烷中的任意一種或幾種的混合物；所述的醇溶劑為甲醇、乙 醇中的任意一種或幾種的混合物；所述的醛類溶劑為甲醛、乙醛、丙醛、丁醛中的任意一種 或幾種的混合物；所述的酮類溶劑如環(huán)丙烯酮；所述的醚類溶劑為乙丙醚、二乙基醚、甲乙 醚、二甲醚和乙基甲基醚中的任意一種或幾種的混合物。更優(yōu)選地，所述溶劑為丁烷、乙醇、 甲醛、環(huán)丙烯酮、甲乙醚、二甲醚中的任意一種或幾種的混合物。
[0017] 步驟⑶中，溶劑萃取脫水是在0~99°C、0~10.OMPa的條件下操作的。
[0018] 步驟（C)中，固液分離的方法為過濾或離心。
[0019] 步驟（D)中，溶劑和水分離采用減壓蒸發(fā)或靜置分離或離心分離或蒸餾分離的方 式。
[0020] 步驟（A)中，所述的待處理生物固體物質(zhì)為廢水污泥、河流底泥、湖泊底泥、海洋 底泥、制藥廠菌渣、其他工業(yè)菌渣、河流藻渣、湖泊藻渣、海洋藻渣、食品工業(yè)殘渣、發(fā)酵殘 渣、高含水煤、農(nóng)業(yè)殘渣中的任意一種。優(yōu)選地，上述生物固體物質(zhì)在進行深度脫水前（更 準(zhǔn)確的說在進行微波輻射預(yù)處理前），經(jīng)過機械脫水使生物固體物質(zhì)含水量在60~80wt% 左右。
[0021] 本發(fā)明進一步提出一種生物固體深度脫水裝置，包括依次順序循環(huán)串聯(lián)的溶劑儲 存單元、帶有微波發(fā)生器的脫水反應(yīng)單元、固液分離單元、氣液分離單元、氣體液化單元和 溶劑回收單元；
[0022] 其中，
[0023] 所述的溶劑儲存單元為溶劑儲罐；
[0024] 所述的脫水反應(yīng)單元為內(nèi)部設(shè)置有微波能量輸出柱和攪拌裝置的脫水反應(yīng)釜，微 波能量輸出柱由微波發(fā)生器控制；
[0025] 所述的固液分離單元為過濾分離裝置或靜置分離儲罐或離心器；
[0026] 所述的氣液分離單元為串聯(lián)的氣液分離器和干燥器；
[0027] 所述的氣體液化單元為串聯(lián)的空氣壓縮機和溶劑回收冷凝器。
[0028] 其中，所述的脫水反應(yīng)單元與所述的固液分離單元可以分別設(shè)置，串聯(lián)在一起，比 如使用靜置分離設(shè)備或離心分離設(shè)備與脫水反應(yīng)釜串聯(lián)，實現(xiàn)連續(xù)化大生產(chǎn)，也可以將所 述的脫水反應(yīng)單元與所述的固液分離單耦合在一起，即在所述的脫水反應(yīng)釜內(nèi)部空間的上 方和下方設(shè)置有濾網(wǎng)，濾網(wǎng)可活動拆卸，打開上層濾網(wǎng)，可將固體物質(zhì)加入脫水反應(yīng)單元 中，關(guān)閉上層濾網(wǎng)，實現(xiàn)固體物質(zhì)在脫水反應(yīng)單元中進行微波輻射-溶劑萃取聯(lián)用脫水反 應(yīng)，液體部分直接通過下層濾網(wǎng)進入氣液分離單元，下層濾網(wǎng)堵塞后可拆線清洗或者直接 更換。
[0029] 其中，所述的氣液分離器的外壁設(shè)置有加熱圈。針對常溫常壓下為液態(tài)但是易于 氣化的溶劑物質(zhì)，用電對氣液分離器進行加熱，從而加熱氣化該溶劑物質(zhì)，使其與水分離。
[0030] 帶有微波發(fā)生器的脫水反應(yīng)釜先對生物固體物質(zhì)進行微波照射預(yù)處理，使生物固 體物質(zhì)中的結(jié)合水釋放為易于脫除的自由水，然后將脫水溶劑與生物固體物質(zhì)混合接觸， 使生物固體物質(zhì)中的水分溶解于脫水溶劑中，實現(xiàn)生物固體物質(zhì)的脫水，通過在脫水反應(yīng) 釜中設(shè)置機械攪拌，可以使脫水反應(yīng)更加徹底，通過在脫水反應(yīng)釜的上下端設(shè)置濾網(wǎng)，可以 避免生物固體物質(zhì)隨著溶液從脫水反應(yīng)釜中流失。所述的氣液分離器主要用于分離溶劑 與水，對于常溫常壓下為氣態(tài)的溶劑物質(zhì)，氣液分離器用于使溶解了生物固體物質(zhì)中水分 的溶劑物質(zhì)的液化物減壓氣化的蒸發(fā)器、使氣化后的上述溶劑物質(zhì)與水分離的分離器；對 于常溫常壓下為液態(tài)但是易于氣化的溶劑物質(zhì)，氣液分離器用于減壓加熱蒸發(fā)液態(tài)溶劑物 質(zhì)，使氣化后的上述溶劑物質(zhì)與水分離的分離器。
[0031] 發(fā)明原理：廢生物質(zhì)固體經(jīng)一定功率微波輻射一定時間后，使用常溫常壓下為氣 態(tài)或易于氣化且在液化狀態(tài)下與水相互溶解的有機溶劑作為脫水溶劑（以下稱為脫水溶 劑），通過在脫水設(shè)備中脫水溶劑的液化物與污泥接觸，使污泥中的水分溶解于脫水溶劑的 液化物中，以除去污泥中的水分，同時，通過減壓蒸發(fā)使該含水的脫水溶劑的液化物中的脫 水溶劑氣化，使水與脫水溶劑的氣體分離，回收脫水溶劑的氣體，通過加壓冷卻的方式使脫 水溶劑的氣體液化，循環(huán)使用。
[0032] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0033] (1)首先對生物固體物質(zhì)進行微波預(yù)處理，不僅提高了生物固體物質(zhì)脫水性能，而 且降低了生物固體物質(zhì)含水率，提高液化物對生物固體物質(zhì)的脫水效果；
[0034] (2)采用易液化物質(zhì)為脫水介質(zhì)，不使水分蒸發(fā)而使水分除去，完全不需要蒸發(fā)潛 熱的回收，因此可以在接近大氣溫度的操作溫度下進行脫水，并且不需回收水分的蒸發(fā)潛 熱，可節(jié)約能源；
[0035] (3)此外，由于是常溫常壓下為氣體的物質(zhì)，所以液化物和水分的分離容易，能夠 節(jié)約的進行脫水。本發(fā)明利用微波輻射聯(lián)合溶劑萃取脫除生物固體物質(zhì)中水分，不僅可以 較高的脫水效率，還能節(jié)約能源，在城市污泥處理處置當(dāng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0036] 圖1為微波輻射時間對污泥胞外聚合物EPS的影響示意圖；
[0037] 圖2為微波功率對污泥胞外聚合物EPS的影響示意圖；
[0038] 圖3為微波預(yù)處理后污泥顯微鏡照片，其中，（a)為原泥，（b)為在280W、微波處理 90s后的污泥顯微照片，（c)為在595W