一種用于生物固體物質(zhì)的超聲波輻射溶劑萃取聯(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)的超聲波輻射溶劑萃取聯(lián)用深度脫水的方法及脫水裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國(guó)每年都會(huì)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?jiān)?、發(fā)酵殘?jiān)⒏吆?、農(nóng)業(yè)殘?jiān)?，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(dá)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(shí)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(duì)撞流干燥等。干化脫水技術(shù)優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，同時(shí)對(duì)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(jī)械脫水方法和以溶劑置換為代表的非常規(guī) 脫水方法。機(jī)械脫水是以過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差作為推動(dòng)力，使生物固體物質(zhì)中的水分被 強(qiáng)制通過過濾介質(zhì)，以液態(tài)形式脫去。如污泥經(jīng)機(jī)械脫水含水率在短時(shí)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(jìn)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] 超聲波在生物固體物質(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，一 定強(qiáng)度的超聲波作用可改變生物固體物質(zhì)的性質(zhì)，使生物固體物質(zhì)的細(xì)胞破壁，使生物固 體物質(zhì)中結(jié)合水向自由水轉(zhuǎn)化。超聲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) 超聲波輻射溶劑萃取聯(lián)用深度脫水方法。
[0009] 本發(fā)明的另一個(gè)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(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種生物固體物質(zhì)超聲波輻射溶劑 萃取聯(lián)用深度脫水方法，包括如下步驟：
[0011] (A)超聲波輻射預(yù)處理：對(duì)待處理生物固體物質(zhì)進(jìn)行超聲波輻射處理；
[0012] (B)溶劑萃取脫水：使用脫水溶劑與經(jīng)步驟（A)超聲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，所述的超聲波輻射的條件為輻射功率0. 1~100000W，輻射時(shí)間為 0. 1~600分鐘，更優(yōu)選地，輻射功率為0. 1~500W，輻射時(shí)間為0. 1~40分鐘，最優(yōu)選地， 輻射功率為50~300W，輻射時(shí)間為2~10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(jī)溶劑（即 在常溫常壓下沸點(diǎn)小于25°C的有機(jī)溶劑，或在常壓25~99°C范圍內(nèi)加熱能夠氣化的有機(jī) 溶劑），且在液化狀態(tài)下與水相互溶解的有機(jī)溶劑。優(yōu)選地，所述的有機(jī)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?jiān)?、發(fā)酵殘 渣、高含水煤、農(nóng)業(yè)殘?jiān)械娜我庖环N。優(yōu)選地，上述生物固體物質(zhì)在進(jìn)行深度脫水前（更 準(zhǔn)確的說在進(jìn)行超聲波輻射預(yù)處理前），經(jīng)過機(jī)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(jìn)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(chǔ) 存單元、帶有超聲波發(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(chǔ)存單元為溶劑儲(chǔ)罐；
[0024] 所述的脫水反應(yīng)單元為內(nèi)部設(shè)置有超聲波能量輸出柱和攪拌裝置的脫水反應(yīng)釜， 超聲波能量輸出柱由超聲波發(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(chǔ)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(jī)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(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)固體物質(zhì)在脫水反應(yīng)單元中進(jìn)行超聲波輻射-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(jìn)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(duì)常溫常壓下為液態(tài)但是易于 氣化的溶劑物質(zhì)，用電對(duì)氣液分離器進(jìn)行加熱，從而加熱氣化該溶劑物質(zhì)，使其與水分離。
[0030] 帶有超聲波發(fā)生器的脫水反應(yīng)釜先對(duì)生物固體物質(zhì)進(jìn)行超聲波輻射預(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(shí)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(jī)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(duì)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(duì) 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)一定功率超聲波輻射一定時(shí)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(jī)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(shí)，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(diǎn)：
[0033] (1)首先對(duì)生物固體物質(zhì)進(jìn)行超聲波預(yù)處理，提高了生物固體物質(zhì)脫水性能，促進(jìn) 生物固體物質(zhì)中結(jié)合水向自由水轉(zhuǎn)化，提高液化物對(duì)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(jìn)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(jìn)行脫水。本發(fā)明利用超聲波輻射聯(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為超聲波輻射時(shí)間對(duì)污泥比阻的影響示意圖；
[0037] 圖2位超聲波輻射功率對(duì)污泥比阻的影響示意圖；
[0038] 圖3為超聲波輻射時(shí)間對(duì)污泥胞外聚合物EPS的影響示意圖；
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