液态二甲醚溶解市政污泥中有机物和水并进行分离脱水的方法
阅读说明：本技术 液态二甲醚溶解市政污泥中有机物和水并进行分离脱水的方法 (Method for dissolving organic matters and water in municipal sludge by using liquid dimethyl ether and separating and dehydrating ) 是由 朱伟 陈乐� 牟彪 李卓 陈思鹏 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了液态二甲醚溶解市政污泥中有机物和水并进行分离脱水的方法,液态二甲醚溶解市政污泥中的有机物及水,使市政污泥中的水变成了与颗粒物易于分离的自由液体,在反应釜高压而分离容器相对低压的压力差的作用下,液体物质以类似于抽滤的方式进入了分离容器。反应后的气相产物二甲醚可以回收循环利用,固液相产物均可进行再利用。与传统的市政污泥深度脱水方法相比,可将污泥含水率降至30%,能耗小且不会引起二次污染。(The invention discloses a method for dissolving organic matters and water in municipal sludge and separating and dehydrating by liquid dimethyl ether, wherein the organic matters and water in the municipal sludge are dissolved by the liquid dimethyl ether, so that the water in the municipal sludge is changed into free liquid which is easy to separate from particles, and liquid substances enter a separation container in a suction filtration-like mode under the action of pressure difference of high pressure of a reaction kettle and relative low pressure of the separation container. The gas phase product dimethyl ether after the reaction can be recycled, and the solid-liquid phase product can be reused. Compared with the traditional municipal sludge deep dehydration method, the method can reduce the water content of the sludge to 30 percent, has low energy consumption and does not cause secondary pollution.)
技术领域
本发明涉及一种液态二甲醚(DME)溶解市政污泥有机物及水并进行分离脱水的方法，属于环境工程和污泥处理技术领域。
背景技术
目前我国的市政污泥发生量巨大，但目前常用的混烧或板框压滤脱水后混合填埋等协同处理方法大多数要进行深度脱水、预先干化、添加高热值物质等辅助措施，成本高、后端条件复杂以及最终出路等问题严重困扰着污泥处理处置设施的可持续运行，成为环境治理和城市管理的一大难题。因此，现阶段中国污泥处理处置技术的核心在于深度脱水问题，而现有深度脱水以及干化技术都遇到成本和后续处理的问题。而液态二甲醚在常温下对水的质量溶解率约为6%（Holldorff et al. Binary vapour–liquid–liquidequilibrium of dimethyl ether–water and mutual solubilities of methylchloride and water: experimental results and data reduction、Fluid PhaseEquilib, 1988），其被用在次烟煤的脱水领域发现脱水率可以达到90%以上（Kanda et al.Energy-efficient coal dewatering using liquefied dimethyl ether、Fuel, 2010），同时液态二甲醚对脂质（Kiyoshi Sakuragi et al. Oil recovery from wet Euglenagracilis by shaking with liquefied dimethyl ether、Fuel Processing Technology,2016; Afraz Subratti et al. Liquified dimethyl ether (DME): A green solventfor the extraction of hemp (Cannabis sativa L.) seed oil、SustainableChemistry and Pharmacy, 2019）、辅酶（Ayano NAKAMURA etal., Dewatering andExtraction of Hydrophilic Solutes and Essential Oils from Cryo-preservedLemon Peels Using Liquefied Dimethyl Ether、Solvent Extraction Research andDevelopment, 2017）和水溶性蛋白（Hiroka FURUKAWA et al. Use of LiquefiedDimethyl Ether for the Extraction of Proteins from Vegetable Tissues、SolventExtraction Research and Development, 2016）等有机质具有良好的溶解性。另外，根据之前学者的研究污泥中的水分可以简单的分为自由水和结合水两种，其中结合水主要以与有机质结合的形态存在（Mikkelsen and Keiding, Physico-chemical characteristicsof full-scale sewage sludges with implications to dewatering、Water Reseasch,2002）。
采用DME对污泥进行脱水之前虽已有学者提及（Kanda H, Deodorization anddewatering of biosolids by using dimethyl ether、Water Environ Res, 2011），但其并未对脱水的反应时间和反应温度进行讨论且其多采用的为流动式反应装置，二甲醚用量较大。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了采用液态二甲醚（DME）溶解市政污泥有机物及水并进行分离脱水的方法，借助液态二甲醚溶解污泥中的有机物造成污泥结合水大量释放，脱水效率明显提高，大大降低了二甲醚的用量，与传统的市政污泥深度脱水方法相比，可将污泥含水率降至30%。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：
液态二甲醚（DME）溶解市政污泥有机物及水并进行分离脱水的方法，包括以下步骤：
（1）利用气压泵将气态的二甲醚加压转换成液态二甲醚保存在临时储罐中备用，压力为0.5~3MPa。
（2）将采自污水处理厂带式脱水机或离心机脱水后的污泥放入耐压反应釜中。耐压反应釜设有搅拌装置和外接水浴加热装置，耐压反应釜的顶部设有氮气注入口可改变反应压力。 搅拌装置的搅拌速度为0~1500r/min（不取端点0）。
（3）将临时储罐中的液态二甲醚通入耐压反应釜中，控制液态二甲醚与污泥含水量的质量比0~25倍（不取端点0），较佳地，为10~13倍。打开耐压反应釜的搅拌装置并反应0~120min，较佳地，反应时间为30~40min，反应的温度为20~100℃。
（4）反应结束后，打开耐压反应釜下端的阀门，进行固液分离，脱水后的污泥留在反应釜中进行再利用，液相进入气液分离罐。
在该步骤，利用反应釜与气液分离罐的压差实现固液分离。
（5）将气液分离罐进行减压，液相中的DME气化进入后面的干燥罐，经干燥处理后加压进行储存供再次利用。
（6）打开气液分离罐下端的阀门收集脱除的液相产物，得到的液相产物通过蒸馏分离得到水相和油相，水相再处理，油相进行利用。
有益效果：
（1）室温下液态二甲醚对水溶解率约为6%，因此在脱水过程中液态二甲醚可以溶解污泥中的部分水。但是更为重要的是，液态二甲醚可以溶解污泥中的有机质或者破坏有机质与水结合的结构造成大量结合水的释放，使污泥中的水变成了与颗粒物易于分离的自由液体，在反应釜高压而分离容器相对低压的压力差的作用下，液体物质以类似于抽滤的方式进入了分离容器。
（2）原泥是一种水与颗粒物质均匀结合的胶状半固体物质，但经过与DME反应后变成了一种固液分离的两相物质。而两相物质中液体向低压容器中的流动，促成了水分从污泥中的脱出，脱除的总量可以达到水分的90%以上。
（3）DME在常温常压下为气体，反应后的液态DME通过减压恢复为气态，易于与产物分离，可以回收循环利用，能耗小，且不会引起二次污染。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
其中：1，气压泵；2，临时储罐；3，压力表；4，搅拌装置；5，耐压反应釜；6，外接水浴加热装置；7，气液分离罐；8，干燥罐；9，DME回收罐；10，气态DME；11，液态DME；12，市政污泥；13，液相产物；14，回收的DME。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围。
图1为本发明的工艺流程图，参照图1所示，液态二甲醚（DME）溶解市政污泥有机物及水并进行分离脱水的方法，包括以下步骤：
（1）利用气压泵1将气态的二甲醚加压转换成液态二甲醚保存在临时储罐2中备用，压力为0.5~3MPa。
（2）将采自污水处理厂带式脱水机或离心机脱水后的污泥放入耐压反应釜5中。耐压反应釜设有搅拌装置4和外接水浴加热装置6，耐压反应釜的顶部设有氮气注入口可改变反应压力。 搅拌装置4的搅拌速度为0~1500r/min（不取端点0）。
（3）将临时储罐中的液态二甲醚通入耐压反应釜中，控制液态二甲醚与污泥含水量的质量比0~25倍（不取端点0），较佳地，为10~13倍。打开耐压反应釜的搅拌装置并反应0~120min，较佳地，反应时间为30~40min，反应的温度为20~100℃。
（4）反应结束后，打开耐压反应釜下端的阀门，进行固液分离，脱水后的污泥留在反应釜中进行再利用，液相产物13进入气液分离罐7。在该步骤，利用反应釜与气液分离罐的压差实现固液分离。
（5）将气液分离罐7进行减压，液相中的DME气化进入后面的干燥罐8，经氯化钙15干燥处理后加压进行储存供再次利用，打开气液分离罐7下端的阀门收集脱除的液相产物，得到的液相产物通过蒸馏分离得到水相和油相，水相再处理，油相进行利用。
实施例1-6的工艺条件如表1所示：
取50g污水厂市政脱水污泥（含水率85%）放入反应釜中，然后通入液态二甲醚，控制液态二甲醚与污泥中含水量的质量比、反应时间、反应温度，搅拌速度为750r/min，反应完成后采用烘干法测定污泥含水率。
表1
表1中，DME:H2O是液态二甲醚与市政污泥含水量的质量比。
从表1可知，液态二甲醚的添加量（质量比）越大、反应时间越长、反应温度越高，污泥的含水率越低，脱水率越大，较佳的液态二甲醚的添加量（质量比）为13倍，较佳的反应时间为40min。当室温下，质量比为13倍反应时间为40min时污泥的含水率为35%，脱除的水的量远高于室温下液态二甲醚对水的溶解率为6%时脱除的水量，这是由于在脱水过程中液态二甲醚不仅溶解水还会溶解污泥中的有机质造成结合水大量释放，使污泥中的水变成了与颗粒物易于分离的自由液体。
对比例1
取5kg污水厂市政脱水污泥（含水率85%），不添加液态二甲醚处理，用和实施例1固液分离时相同的压力进行板框压滤脱水，按照实施例1的测试方法，测得反应后的污泥含水率为68%。
对比例2
取50污水厂市政脱水污泥（含水率85%）加水稀释至含水率为95%，不添加液态二甲醚处理，用和实施例1固液分离时相同的压差进行真空抽滤脱水，按照实例1的测试方法，测得反应后的污泥含水率为83%。
由对比例1、2可知，不添加液态二甲醚处理，仅采用实施例1中固液分离时的压差并不能造成市政污泥中水分的脱除，加入液态二甲醚后对有机物及水溶解，使市政污泥中的水变成了与颗粒物易于分离的自由液体，从而在反应釜高压而分离容器相对低压的压力差的作用下，液体物质以类似于抽滤的方式被分离进入了分离容器。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。