一种污泥生物改性资源化处理系统
技术领域
本实用新型涉及污泥制备炭基肥制备技术领域，尤其涉及一种污泥生物改性资源化处理系统。
背景技术
剩余污泥是活性污泥法处理污水产生的固态、半固态及液态的废弃物，是污水处理厂的必然产物，一般而言，剩余污泥的体积约占处理污水体积的0.5％-2％，现有技术脱水后污泥的含水率仍然高达80％左右，要妥善处理如此巨大的污泥，需要庞大的基建投资和运行费用，而污泥处理的运行费用约占污水处理厂总运行费用的25％-50％，因此，我国现有已经建成的污泥处理设施正常运行的较少，大部分污泥未经任何处理外运、随意弃置及简单填埋或农用。
但是，城市污水处理厂污泥含水率高，不但运输和集中处理处置难度大，而且污水中60％以上重金属会转移到污泥中，污泥中富集的Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、 As、Cd等重金属处置不当会污染土壤和地表水，此外，污泥中含有大量难降解的有机物和病原微生物等，长时间堆放容易腐败变质并发出恶臭气体，如何安全有效地处置污泥，解决污泥围城问题，成为环境保护及城市可持续发展的热点问题。
在专利号为CN201710186154.8的专利文献中公开了污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法，其通过对调理后的污泥进行水热炭化反应，获得生物质炭，再与磷溶液混合获得生物炭缓释磷肥。
但是上述专利仍存在以下问题：
1、水热炭化形成的生物质炭的结构普通，性能参数一般，无法作为优质的炭基肥的添加物；
2、在调理过程中，污泥内的重金属去除并不彻底，后续制作的生物质炭内仍含有重金属元素。
实用新型内容
针对以上问题，本实用新型提供了一种污泥生物改性资源化处理系统，将生物改性后的污泥在热解炭化过程中通过添加细碎农业废弃物的特殊方式结合生物改性后污泥内部结构特性,并控制相应制备条件得到一种新型结构的污泥基生物质,其具有孔隙大，孔隙率高，孔隙规则且比重轻等优点，再将该泥基生物质与无机肥混合成为高经济价值的生物炭基肥，解决了传统污泥制备炭基肥，炭结构性能低劣的技术问题。
本实用新型的技术解决措施如下：
一种污泥生物改性资源化处理系统，包括：
第一生物改性器，所述第一生物改性器内的新鲜污泥进行一次改性处理；
第二生物改性器，所述第二生物改性器与所述第一生物改性器的出料口连通，其接收所述第一生物改性器处理后的污泥，进行二次改性处理；
压滤装置，所述压滤装置与所述第二生物改性器的第二出料口连通，其压滤所述第二生物改性器输出的污泥形成滤渣与滤液；
破碎造粒装置，所述破碎造粒装置与所述压滤装置的出渣口连通，其接收所述压滤装置压滤出的滤渣，并对滤渣进行破碎造粒处理；
炭化装置，所述炭化装置与所述破碎造粒装置的第三出料口连通，该炭化装置上设置有投料喷洒机构，且该炭化装置接收所述破碎造粒装置成形的污泥颗粒，并对污泥颗粒进行加热；以及
污水处理器，所述污水处理器与所述压滤装置中的出液口连通，其吸附滤液中的重金属元素。
其中，所述第一生物改性器中的反应温度为20-35℃，反应环境为好氧环境；所述第二生物改性器的反应温度为10-35℃，反应环境为好氧环境。
所述压滤装置为隔膜厢式压滤机，其进料时间为2h，高压水压榨1h，进料压力0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后滤渣含水率45-50％。
所述破碎造粒装置成形的污泥颗粒的平均粒径为1-3mm。
所述炭化装置为回转式炭化炉，炭化温度为550-600℃，炭化时间为0.5-2h 的条件下，制备得到比表面积为2000-2200m2/g，单位体积内孔隙率为70％-85％，平均孔径2-5μm的污泥基生物炭。
作为改进，新鲜污泥由设置于第一生物改性器上的螺旋输送管道泵送进入。
作为改进，所述第一生物改性器中经过一次改性后的污泥，由连通该第一生物改性器与所述第二生物改性器的输送管道输入到所述第二生物改性器内进行二次改性处理。
作为改进，所述压滤装置压滤出的滤渣由连接该压滤装置与所述破碎造粒装置的第二螺旋输送管道泵送进入到所述破碎造粒装置内。
作为改进，所述破碎造粒装置的外部设置有加热夹套，该加热夹套干燥所述破碎造粒装置内的滤渣。
作为改进，所述加热夹套与所述炭化装置上的烟气口连通，其接收所述炭化装置排出的热烟气。
作为改进，所述投料喷洒机构设置于所述炭化装置上靠近与所述破碎造粒装置的第三出料口连通的位置。
作为改进，所述污水处理器中设置有离子交换树脂，该离子交换树脂吸附滤液中的重金属元素。
本实用新型的有益效果在于：
(1)本实用新型将生物改性后的污泥在热解炭化过程中通过添加细碎农业废弃物的特殊方式结合生物改性后污泥内部结构特性,并控制相应制备条件得到一种新型结构的污泥基生物质,其具有孔隙大，孔隙率高，孔隙规则且比重轻等优点，再将该泥基生物质与无机肥混合成为高经济价值的生物炭基肥；
(2)本实用新型利用上述污泥生物改性制备炭方法制备出的污泥基生物质炭与无机肥料进行混合、搅拌均匀后形成炭基肥，利用制备出的污泥基生物质炭优异的持水性与吸附性，对无机肥进行吸附缓释的同时，改善土壤的持水能力，钝化土壤内固有的重金属元素，改善作物的生长环境；
(3)本实用新型通过设置第一生物改性器与第二生物改性器，利用生物改性将污泥中的原生菌体替代，使污泥内菌体的体积扩大5-10倍，再通过热解炭化过程，菌体炭化，使泥的内部形成孔径相对较大、外形完整与规则的孔隙，提高热解炭化后污泥基生物质炭的各项性能参数，使制备出的污泥基生物质炭优于现有方法制备出的生物质炭；
(4)本实用新型通过在炭化装置进料口处设置投料喷洒机构喷洒农业废弃物，一方面避免污泥在炭化炉炉壁上结焦情况；另一方面污泥进入炭化炉内时具有一定含水率和粘性使得农业废弃物与污泥充分粘合，使得制备得到一种农业废弃物热解炭化形成的高纯度生物质炭与污泥热解炭化形成的炭相结合的新型结构的污泥基生物质炭，其具有比重轻，孔隙大，孔隙率高等优点。
总体来说，本实用新型具有设计巧妙，制备出的污泥炭基肥经济价值高等优点，尤其适用于污泥制备炭基肥制备设备技术领域。
附图说明
下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：
图1为本实用新型污泥生物改性制备炭基肥系统整体结构示意图；
图2为本实用新型细碎农业废弃物的喷洒效果图；
图3为本实用新型污泥基生物质炭的电子扫描电镜观察图；
图4为本实用新型的污泥基生物质炭的模拟示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
实施例：
如图1所示，一种污泥生物改性资源化处理系统，包括：
第一生物改性器1，所述第一生物改性器1上设置有与污泥池10连通的用于螺旋输入新鲜污泥的第一螺旋输送管道11；
第二生物改性器2，所述第二生物改性器2与所述第一生物改性器1的出料口12通过输送管道21连通，其接收所述第一生物改性器1处理后的污泥；
压滤装置3，所述压滤装置3与所述第二生物改性器2的出料口22连通，其压滤所述第二生物改性器2输出的污泥形成滤渣与滤液；
破碎造粒装置4，所述破碎造粒装置4与所述压滤装置3的出渣口31通过第二螺旋输送管道41连通，其接收所述压滤装置3压滤出的滤渣；
炭化装置5，所述炭化装置5与所述破碎造粒装置4的出料口42连通，其上设置有投料喷洒机构51，且其接收所述破碎造粒装置4成形的污泥颗粒；以及
污水处理器6，所述污水处理器6与所述压滤装置3中的出液口32连通，其吸附滤液中的重金属元素。
其中，所述第一生物改性器1中的反应温度为20-35℃，反应环境为好氧环境；所述第二生物改性器2的反应温度为10-35℃，反应环境为好氧环境。
需要说明的是，按照新鲜污泥体积比例的15％-20％向装有新鲜污泥的第一生物改性器1中加入第一复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的5％ -7％的比例添加微生物改性营养剂，20-35℃、好氧的条件下反应1-2.5h；接着在第二生物改性器2中按照污泥体积比例的30％-40％接入第二复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的2％-4％的比例添加微生物生长促进剂， 10-35℃、好氧的条件下反应7-15h，该第一复合菌群和第二复合菌群的平均体积大小均比污泥中原生菌平均体积大小增大5-10倍，其中第一复合菌群为由枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、白腐真菌及交替单胞菌组成，第二复合菌群由氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌组成；
在该反应过程中，其中第一复合菌群的反应阶段，第一复合菌群将污泥中的溶解性小分子有机物及持久性有机污染物充分降解的同时，为第二复合菌群提供适宜的生产环境，并替代污泥中原生菌体，在该阶段污泥内的菌体平均体积大小由0.5-1μm3增大3-5μm3；同时，产生可促进污泥脱水及第二复合菌群污泥接种物生长的表面活性物质；
其中，第二反应阶段，在第二复合菌群污泥接种物对污泥进行的生物降解、生物破壁、生物表面活性物质改性、生物氧化和生物酸化作用使污泥中的水份释放的同时，污泥内的菌体平均体积大小3-5μm3由缩小至2-3μm3。
进一步说明的是，本实用新型通过在新鲜污泥内加入细碎的农业废弃物，利用农业废弃物对新鲜污泥的粘性进行破坏，使第一复合菌群与第二复合菌群可以更加快速的进入到污泥内进行生物替代作用，替换原有的菌体细胞，缩短反应时间，提高第一复合菌群与第二复合菌群的生长速度，在工艺反应前端实现污泥改性，促进工艺后端热解炭化效果，优化产品性能。
更进一步说明的是，本实用新型通过生物改性阶段，使第一复合菌群与第二复合菌群的生物代谢作用均匀分散在污泥的各个部分，在后续的污泥热解炭化过程中，分散均匀的第一复合菌群与第二复合菌群在污泥基生物质炭内部形成的孔隙也就更加均匀。
作为一种优选的实施方式，所述压滤装置3为隔膜厢式压滤机，其进料时间为2h，高压水压榨1h，进料压力0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后滤渣含水率45-50％。
作为一种优选的实施方式，所述破碎造粒装置4的外部设置有加热夹套43，该加热夹套43干燥所述破碎造粒装置4内的滤渣。
进一步的，所述加热夹套43与所述炭化装置5上的烟气口53连通，其接收所述炭化装置5排出的高温烟气。
更进一步的，所述破碎造粒装置4成形的污泥颗粒的平均粒径为1-3mm。
需要说明的是，加热夹套43付干燥温度120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后污泥颗粒含水率＜30％。
进一步说明的是，本实用新型通过在造粒过程中进行干燥，使污泥干化，固定污泥的外形，之后在热解炭化过程中，温度达到300-450℃，污泥内部的第一复合菌群与第二复合菌群炭化，并形成规则、均匀的孔隙，且污泥基生物质炭内部结构稳定。
如图4所示，作为一种优选的实施方式是，所述炭化装置5为回转式炭化炉，炭化温度为550-600℃，炭化时间为0.5-2h的条件下，制备得到比表面积为 2000-2200m2/g，单位体积内孔隙率为70％-85％，平均孔径2-5μm的污泥基生物炭。
如图2所示，进一步的，炭化装置5进料口处设置投料喷洒机构51喷洒农业废弃物，一方面避免污泥在炭化炉炉壁上结焦情况；另一方面污泥进入炭化炉内时具有一定含水率和粘性使得农业废弃物与污泥充分粘合。
在此，需要着重说明的是，由于农业废弃物的热解炭化温度为300-450℃，污泥的热解炭化温度为550-600℃，由于两种物质热解炭化速率不同，使得本实用新型在热解炭化阶段，农业废弃物热解炭化成的高纯度生物质炭破坏污泥内部黏性，提高污泥热解升温速率，进一步提高污泥炭化转化率。
如图3与图4所示，更进一步说明的是，农业废弃物的添加使得制备得到一种农业废弃物热解炭化形成的高纯度生物质炭与污泥热解炭化形成的炭相结合的新型结构的污泥基生物质炭，其具有比重轻，孔隙大，孔隙率高等优点。
此外，本实用新型在污泥基生物质炭的制备过程中，并不加入任何污染环境的的化学药剂，添加的均为菌体与有机质，且不在污泥内产生任何对环境污染有害的物质。
作为一种优选的实施方式，所述污水处理器6中设置有离子交换树脂61，该离子交换树脂61吸附滤液中的重金属元素。
需要说明的是，离子交换树脂61可以是吸收Pb2+离子、Hg2+离子、Cu2+离子、Zn2+离子、Cr6+离子、Ni2+离子与Cd2+离子中一种或者是多种树脂的结合。
其中螯合树脂可有效的选择性去除Pb2+，对Pb2+的吸附容量达到 1.08-1.45mmol·g-1。
大孔型结构苯乙烯共聚物树脂ImacTMR树脂,具有硫醇官能团和酸性硫酸官能团,树脂对Hg2+有很强的亲合能力。
AmberliteIRC-718螯合树脂、Dowex50x8强酸性阳离子树脂、螯合树脂 DowexXFS-4195或螯合树脂DowexXFS-4196中的一种，植入吸附反应器中，可以从pH1.5-7.0的废水中去除Cu2+。
离子交换树脂LewatitOC-1026，植入吸附反应器中，可以从pH1.5-7.0的废水中去除Zn2+。
AmberliteIR-120Na型强酸性阳离子交换树脂、AmberliteIRA-420强碱性阴离子交换树脂、Amberlite IR-67RF弱碱性阴离子交换树脂、LewatitMP-500A 大孔强碱性阴离子树脂及国内的D370弱碱性阴离子交换树或201×7强碱性阴离子交换树脂中的一种或者多种，在pH为2.5-7.0废水中，树脂对Cr6+的选择性吸附能力达1.08-2.35mmol·g-1树脂。
WofatitCA-20大孔羧基Na型阳离子交换树脂、Chelex-100螯合亚氨基离子交换树脂或DowexXFS-4195树脂中的一种或者多种，植入吸附反应器中，可以从pH1.5-7.0的废水中去除Ni2+。
Dowex 50W-X4或PuroliteS-950中的一种或者两种阳离子交换树脂，植入吸附反应器中，可以从pH1.5-7.0的废水中去除Cd2+。
并且上述所有用于吸收金属离子的树脂均可以通过0.5-1.5mol/L硝酸溶液作为再生液，对吸附饱和后的树脂进行再生。
工作过程：
取约10吨含固5％的浓缩污泥，经测定有机质含量55％，pH值为7.6。投入到第一生物改性器1内进行改性，按照新鲜污泥体积比例的15％-20％向装有新鲜污泥的生物改性反应器中加入第一复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的5％-7％的比例添加微生物改性营养剂，20-35℃、好氧的条件下反应 1-2.5h；接着在生物第二生物改性器2中按照污泥体积比例的30％-40％接入第二复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的2％-4％的比例添加微生物生长促进剂，10-35℃、好氧的条件下反应7-15h；将经过生物改性后的污泥通过压滤装置3，经高压水压榨1h后形成滤渣与滤液，其中，压滤装置3进料时间为2h，进料压力0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后的污泥泥饼含水率47％，经压滤脱水后得到的滤渣通过第二螺旋输送管道41输入到破碎造粒装置4内，通过物理破碎、造粒后，得到平均直径为1-3mm的污泥颗粒，并且在造粒过程中，同步对污泥进行干燥，干燥温度120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后含水率27％，将造粒后的污泥颗粒输送到炭化装置5内，同时，在污泥颗粒温度达到 250℃时，通过投料喷洒机构51向该污泥颗粒中加入占污泥颗粒总体积2-2.5％的农业废弃物，在炭化炉为欠氧或厌氧状态，炭化温度为575-600℃，炭化时间为0.5-1.25h的条件下，得到污泥生物炭；之后将污泥生物炭可以与无机肥混合形成炭基肥也可以作为吸附材料的原材料使用，同时，压滤装置3内的滤液输入到污水处理器6内，通过离子交换树脂61，将滤液中的重金属离子吸附后，滤液排放。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
