水性流出物处理系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于处理各种类型的水性流出物的系统，所述水性流出物包括例如将液体流出物与固体残渣分离的废水。


背景技术：

2.在许多传统系统中，市政或生活废水通过下水道输送到废水处理厂，在那里废水首先进行筛选以去除宏观颗粒，然后用混凝剂和/或絮凝剂处理。然后将废水沉降以去除结块的颗粒，从而产生受污染的水流和污水流。受污染的水流进行氧化，然后过滤并释放到环境中。污水流可以厌氧消化产生沼气，沼气可以使用热电联产系统(chp)转化为热能和电力，或者注入天然气网。目前，残留的消化的污水污泥被脱水并运送到焚化炉、垃圾填埋场或垃圾场。
3.焚烧会导致颗粒、酸性气体(co2、hcl、hf、no
x
和so2)和挥发性有机化合物的排放。材料必须在焚烧前脱水(从1
‑
4wt.％的干物质到20
‑
40wt.％)、现场储存、运输到焚烧炉，并在促进剂(通常是天然气)的帮助下燃烧。这些措施的成本可达污水处理厂运行费用的40
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50％。
4.目前，回收的污水污泥通常被垃圾填埋或转化为用于农业的营养丰富的堆肥；然而，在材料中发现的微污染物(例如多氯联苯、有机氯杀虫剂、杀菌剂、紫外线过滤剂、邻苯二甲酸盐等)和重金属的浓度越来越高，这引发了对这些处置方法的长期可行性的质疑。
5.超临界水分离(scws)是一种用于将生活污水污泥分离为其有机和无机组分的有吸引力的方法。建立在这个概念上的经济可行的解决方案优选应以基本连续的方式运行，并允许利用废物的所有成分。有机组分可以例如使用水热气化单元有效地转化为沼气，而无机成分可以作为肥料。传统的反应器设计已经证明了scws分离污水污泥的可行性；然而，由于不溶性无机化合物的沉淀和恶劣的反应器条件，它们会遭受堵塞和腐蚀。
6.超临界水分离(scws)也可用于处理其他水性流出物，例如在水性介质中的咖啡废物、微藻、粪便和各种其他废物产品。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的是提供一种水性流出物处理系统，其耐用且寿命长，并且以有效、高效和经济的方式将液体流出物与固体残渣分离。
8.有利的是提供一种能够有效、高效和经济地将无机化合物与有机化合物分离的水性流出物处理系统。
9.有利的是提供一种在有机和无机化合物之间产生高质量分离的水性流出物处理系统。
10.有利的是提供一种尤其是在后处理过程中能够以低能耗提取无机化合物的水性流出物处理系统。
11.有利的是提供一种稳定且操作和维护经济的水性流出物处理系统。
12.水性流出物可包括废水或各种其他生物和非生物废物以及水性介质中携带的物质。
13.本发明的目的通过提供根据权利要求1的水性流出物处理系统和根据权利要求13的处理水性流出物的方法来实现的。
14.本文公开了一种水性流出物处理系统，其包括：分离反应器，其具有流体连接到水性流出物源的反应室，所述水性流出物源通过泵连接到反应室的入口；连接到位于反应室顶部的液体流出物出口的流体提取系统；以及与反应室底部的固体残渣出口相连的固体残渣提取系统。分离反应器可操作以在反应室中产生超过22mpa的压力和超过300℃的温度，该反应室被配置为在与液体流出物出口连接的反应室上部产生超临界区，并且在与固体残渣出口连接的反应室内的所述室的下部产生亚临界区。该固体残渣提取系统包括输出回路，该输出回路包括收集器，所述收集器通过收集器输入阀连接到固体残渣出口并通过过滤器和收集器液体输出阀连接到出水罐，所述收集器液体输出阀可操作打开，以在固体残渣出口处引起压降，从而将固体残渣从反应室中抽出，该固体残渣提取系统还包括通过供气阀连接到收集器的供气回路，该供气阀可操作打开，以将收集器中的固体残渣提取到通过收集器固体输出阀与收集器连接的固体输出罐中。
15.在一个实施方式中，供气回路包括压缩气体源，优选压缩空气。
16.在一个实施方式中，输出回路包括在分离反应器的固体残渣出口和收集器之间的冷却系统，冷却系统可操作以将提取的固体残渣冷却至低于100℃的温度。
17.在一个实施方式中，固体残渣提取系统包括供水回路，其通过收集器阀连接到收集器，并且包括可操作以在超过22mpa的压力下将水从水源泵送到收集器中的泵。
18.在一个实施方式中，供水回路通过反冲洗阀连接到收集器输入阀，该反冲洗阀可操作打开以用水反冲洗收集器输入阀。
19.在一个实施方式中，供水回路经由出口阀连接到下游减压水罐，出口阀可操作打开以使收集器减压。
20.在一个实施方式中，出水罐连接到水源以将出水罐中收集的水循环到供水回路的水源。
21.在一个实施方式中，收集器液体输出阀连接到流量控制阀以调节来自收集器的水输出流。
22.在一个实施方式中，输出回路包括一个减压阀或压力调节器，其连接在收集器液体输出阀下游和出水罐上游，以调节从分离反应器到出水罐的所述压降。
23.在一个实施方式中，收集器包括缠绕成多个螺旋或线圈形状的管状导管。
24.在一个实施方式中，反应室的底壁具有漏斗形状。
25.在一个实施方式中，流体提取系统包括输出回路，该输出回路包括冷却系统和冷却系统下游的气/液分离器。
26.本文还公开了一种操作根据前述权利要求中任一项所述的水性流出物处理系统的方法，包括以下步骤：
27.‑
通过供水回路对固体残渣提取系统的输出回路和收集器加压，将压力调节至基本上等于分离反应器中的压力；
28.‑
通过打开收集器输入阀将反应室连接到固体残渣提取系统，并通过产生负压梯
度或使用重力将固体残渣从反应室转移到收集器；
29.‑
关闭收集器输入阀，并使收集器减压；
30.‑
通过从供气回路通过收集器施加加压气体，将固体残渣从收集器提取到固体输出罐。
31.在一个实施方式中，该方法还包括通过打开反冲洗阀和操作供水回路泵，在关闭收集器输入阀之前用水对收集器输入阀进行反冲洗，由供水回路泵送的水的压力设置为高于反应室中的压力。
32.在一个实施方式中，连接在收集器液体输出阀下游的减压阀被校准，以在比反应室中的压力低1至7mpa的范围内的压力下打开，以产生用于将固体残渣流出物吸出分离反应室的所述负压梯度。
33.有利地，在一个实施方式中，在用水填充收集器的过程中，收集器阀v7打开，并且被截留在过滤器中的任何固体颗粒被水反冲洗。
34.本发明有利地将高效的超临界水分离反应器与半连续无机沉淀物提取单元相结合，该半连续无机沉淀物提取单元允许对污水污泥进行连续处理，并将作为固体残渣的无机部分(>90％的无机矿物回收率)与液体流出物或气体形式的有机(碳)部分分离。催化水热气化也可用于有效地将液体流出物中的有机化合物转化为沼气。
附图说明
35.根据权利要求、详细说明和附图，本发明的其他目的和有利特征将显而易见，其中：
36.图1a是根据本发明的一个实施方式的水性流出物处理系统的示意性布局图；
37.图1b是根据本发明的一个实施方式的图1a的系统的分离反应器的示意性截面图；
38.图2a至2g是根据本发明的一个实施方式的水性流出物处理系统的固体残渣提取系统的示意性布局图，图2a至2g示出了根据本发明的实施方式的固体残渣提取过程中的不同步骤。
具体实施方式
39.参考附图，从图1a和1b开始，水性流出物处理系统2包括：分离反应器4，该分离反应器4包括反应室21，该反应室21流体连接到水性流出物源3，例如污水源，水性流出物源3通过泵5连接到分离反应器的入口34；与分离反应器4的液体流出物出口38相连的流体提取系统6；与分离反应器4的固体残渣出口36相连的固体残渣提取系统8。水性流出物处理系统2可用于处理废水流，如污水污泥、粪便、微藻、工业/生活废水和食品工业废物。水性流出物处理系统2能够将有机化合物以及形成固体颗粒的无机沉淀物从亚临界和超临界水相(p>22.1mpa，t>300℃)提取至大气压。
40.分离反应器4是在反应室21中在超过20mpa的压力和超过300℃的温度下操作的高压反应器，所述反应室21配置为在与液体流出物出口38连接的反应室的第一部分中产生超临界区40，以及在与固体残渣出口36连接的反应室21的第二部分中产生亚临界区42。通常，超临界区形成在反应室21的上部，亚临界区形成在反应室21的下部，超临界区和亚临界区之间的间隔由反应室内的温度梯度限定。在分离反应器4中形成温度梯度，以在反应室底部
产生亚临界区并在反应室顶部产生超临界区，这可以通过采用沿反应室布置的热交换元件来实现，例如如ep 3 245 165 b1中所述。
41.如前述公开中所述，反应室内的温度梯度可以由在反应室内不同位置耦合到反应室的热交换单元形成。
42.然而，与前述已知的反应器设计相反，本发明的分离反应器包括连接到亚临界区42内的室的下端的固体残渣出口。
43.水性流出物进料口34优选连接到反应室的亚临界区。
44.固体残渣出口允许固体残渣、特别是在提取过程中收集的无机沉淀物以半连续方式从反应室中提取。半连续方式对应于提取循环，其中固体残渣出口与固体残渣提取系统8液体连通，以允许固体残渣流出分离反应器并进入固体残渣提取系统8，固体残渣提取系统8通过循环中断，其中分离反应器和固体残渣提取系统8之间的连通被关闭以允许残渣在分离反应器4的室21的底部积聚。
45.来自源3的进料在超过反应室内压力的压力下由泵5经由进料口34泵入分离反应器4，反应室内的压力大于22.1mpa。泵5可以有利地是高压活塞泵。在分离反应器的室内，废物进料向上流向超临界区，超临界区的温度大于374℃(t>374℃)。由于是竖管，废物进料可通过进料口34在分离反应器中向上注入。在反应室21的底部，可以提供漏斗形状以易于从固体残渣出口36中提取出无机沉淀物。
46.由于超临界水的低介电常数和低密度，超临界区充当废物进料中无机化合物的屏障，而有机化合物在超临界区中溶解良好并可通过分离反应器4的室的顶部的流体流出物出口38提取
47.流体提取系统6包括输出回路7，该输出回路7包括连接到分离反应器4的流体流出物出口38并且向下游连接到过滤器11的冷却系统9以及气/液分离器13。气/液分离器13一方面连接到液体出口17，另一方面连接到气体出口19。液体出口17连接到液体流出物罐15以收集流体流出物中的液体组分。气体出口可连接到气罐以收集流体流出物的气体组分。
48.富含有机化合物的流体流出物通过冷却系统9冷却至约50
‑
60℃。连接到分离反应器的输出回路7中的压力由在输出回路7中位于过滤器11下游的背压调节器r2维持和控制，过滤器11保护调节器r2免受流体流出物中的任何固体颗粒废物，例如焦炭。气/液相分离器13允许从最终收集在液体流出物罐15中的富含有机物的液体流出物中分离气体。
49.与富含有机物的液体流出物不同，废物进料中的无机化合物沉淀，通过重力落到分离反应器4的室的底部，并逐渐积聚在所述室的底部。
50.在反应室底部收集的固体残渣流出物通过固体残渣提取系统的操作以半连续方式从分离反应器中提取。固体残渣提取系统包括与分离反应器的固体残渣出口36相连的输出回路10、高压水供给回路12和供气回路14。
51.固体残渣提取系统的输出回路10包括冷却系统16、收集器18、固体输出罐20和出水罐32。冷却系统16与布置在冷却系统16的上游的分离反应器的固体残渣出口36相连，并与位于冷却系统16下游的收集器18相连。冷却系统用于将提取的固体残渣流出物冷却至优选低于100℃的温度，使得固体残渣提取系统可以在低于大气压下水的沸点的温度下操作，减少了热应力和对固体残渣提取系统组件的限制。
52.收集器18通过过滤器26和收集器液体输出阀v4连接到出水罐32。
53.收集器18通过收集器固体输出阀v6连接到固体输出罐20。
54.收集器18一方面通过收集器阀v7和过滤器26并且还通过反冲洗阀v2进一步连接到供水回路12。
55.收集器18还通过供气阀v5和过滤器26连接到供气回路14。
56.过滤器26构造成防止收集器中的固体残渣颗粒流到出水罐32。过滤器因此保护流量控制阀f4和减压阀r1。
57.供水回路12包括连接到高压泵30的水源28，该高压泵30连接到收集器阀v7、反冲洗阀v2和连接到下游减压水罐24的出口阀v3。
58.出水罐32可以连接到水源罐28，或者在变型中，形成同一水罐的一部分。
59.出水罐32接收通过固体残渣出口36和收集器18从分离反应器中提取的水。
60.供气回路14包括经由供气阀v5连接到收集器18的压缩气体源22，供气回路用于在固体残渣提取过程期间将收集器18中的固体残渣提取到固体输出罐20。
61.气体供应阀v5可以连接到流量控制阀f5以调节压缩气体的流量，或者流量控制阀可以集成在气体供应阀v5内。气体供应阀可以例如为球阀的形式，并且流量控制阀5可以例如为针阀的形式。然而，本领域技术人员将理解，在本发明的范围内，可以使用实现打开气源和收集器之间的流体连通的功能并且能够调节流量的各种本身已知的阀门，这样的阀门和流量调节系统本身在气动系统领域中是众所周知的。
62.供气回路可以基于压缩空气，例如泵入压缩空气罐中的压缩空气，这样的系统本身在气动系统领域中是众所周知的。在本发明的实施方式中，压缩气体源被配置为供应压力优选大于2巴、优选大于3巴、通常在2
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5巴范围内的气体。
63.供水回路12的收集器输入阀v1、收集器液体输出阀v4、出口阀v3、反冲洗阀v2、收集器固体输出阀v6、收集器阀v7和反冲洗阀v2均可以是球阀的形式，然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用本身在本领域是已知的用于液压系统的其他阀系统。
64.在一个实施方式中，收集器液体输出阀v4可以连接到流量控制阀f4以调节来自收集器18的水输出流量，由此流量控制阀f4可以与收集器液体输出阀v4分开或一体形成。
65.减压阀r1可以连接在收集器液体输出阀v4的下游和出水罐32的上游，减压阀r1调节从分离反应器4穿过收集器18到出水罐32的压降。压降控制固体残渣流出物从分离反应器4流出并进入收集器18。
66.可以注意到，可以使用背压调节器代替在所述实施方式中实施的减压阀。
67.在一个有利的实施方式中，收集器18为管状导管的形式，例如由不锈钢制成，缠绕成螺旋或线圈形状，然而技术人员将理解收集器18可包括以蛇形或其他形状布置的导管，或者收集器可以仅包括具有容纳固体残渣的腔室的圆柱形容器。
68.通过以半连续模式执行提取循环来实现无机沉淀物的提取。典型的提取循环包括以下步骤：
69.参考图2a，通过启动高压泵30并打开收集器阀v7，由供水回路12用来自水源28的水对输出回路10和收集器18加压。在加压结束时，收集器阀v7关闭。压力被调节到基本上等于分离反应器4中的压力。
70.参考图2b，分离反应器4与固体残渣提取系统8的连接是通过打开收集器输入阀v1来进行的。仅当输出回路10的压力与分离反应器4的压力相似时才执行该步骤，这通过上述
供水回路12对输出回路的加压来保证。
71.参考图2c，通过产生负压梯度(抽吸)将固体残渣流出物从分离反应器转移到收集器18。这是通过打开连接到流量控制阀f4和减压阀r1的收集器液体输出阀v4来执行的。减压阀r1进行校准，从而在比反应室21中的压力低(例如低约1至7mpa)的压力下打开，从而产生负压梯度，用于将固体残渣流出物抽吸出分离反应室21。减压阀r1因此可以进行校准，以在大约15
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21mpa的压力下打开，而反应室中的压力高于大约22mpa(对于超临界水条件更特别地高于22.1mpa)，从而产生负压梯度，用于将固体残渣流出物抽吸出反应室21。在抽吸过程中收集的水储存在出水罐32中。流量控制阀f4(例如针阀)可以位于收集器液体输出阀v4和减压阀r1之间以控制(降低)流速。过滤器26安装在阀门v4和f4的上游，以保护它们免受任何固体颗粒，所述固体颗粒可能因机械磨损而损坏阀门。在抽吸过程结束时，收集器液体输出阀v4关闭。
72.在某些情况下，可能不需要产生负压梯度，并且，例如在管道直径较大的情况下，重力可能足以将固体残渣输送到收集器18。
73.参照图2d，在关闭收集器输入阀v1之前，用水对收集器输入阀v1进行反冲洗。该步骤旨在清除收集器输入阀v1上的在固体残渣转移过程中沉积的任何固体颗粒。这是通过在短时间、例如几秒钟内打开反冲洗阀v2并启动供水回路泵30来实现的。由供水回路12泵送的水的流速和压力设定为高于分离反应器4的室中的压力的值，以将固体颗粒向上输送至分离反应器4。
74.一个重要的参数是固体颗粒的终端速度，它允许运输固体颗粒。后者取决于几个参数，例如固体颗粒的密度、粒径。因此，为了将固体颗粒输送出收集器输入阀v1，收集器输入阀v1内的流体速度应高于固体颗粒的终端速度。
75.在清洁步骤结束时，收集器输入阀v1和供水回路反冲洗阀v2关闭。
76.参考图2e，通过打开收集器阀v7和出口阀v3来执行收集器18的减压。出口阀v3可以连接到流量控制阀f3，该流量控制阀旨在通过降低流速来平滑减压。在减压过程中获得的水被收集在水减压罐24中。在减压过程结束时，出口阀v3关闭。由于收集的水是干净的，其可以重新注入水源罐28中以便重复使用。
77.参考图2f，通过应用来自供气回路14的加压气体、优选压缩空气，将固体残渣(主要由无机沉淀物形成)从收集器18提取到固体输出罐20。该步骤通过打开供气阀v5和收集器固体出口阀v6执行。流量控制阀f5(例如针阀)可以位于供气阀v5的下游，以控制空气的流动。当所有固体残留无机沉淀物收集在固体输出罐20中时，通过关闭供气阀v5来停止空气流动。
78.参考图2g，然后可以通过启动供水回路泵30用水重新装填收集器18。在提取结束时，收集器阀v7和收集器固体出口阀v6关闭。在用水填充收集器18的过程中，由于收集器阀v7打开，被截留在过滤器26中的任何固体颗粒可以被水反冲洗。该操作有利地提供了额外好处，即用水执行过滤器26的反冲洗。
79.有利地，根据本发明的实施方式的固体残渣提取系统8进行配置，使得在固体颗粒流动的阀v1、v6上不产生高压差。这允许保护阀门免受由固体颗粒流动引起的机械磨损的影响。输出回路10中的主要压差在过滤器26的下游产生，在此不存在固体颗粒。
80.有利地，在一个实施方式中，收集器可以包括线圈或蛇形结构的管，其长度可以调
节，例如通过根据要提取的无机沉淀物的量而改变螺旋或卷绕的数量，从而使其易于根据需要调节固体残渣提取系统8。
81.有利地，在一个实施方式中，在固体残渣提取过程期间在出水罐32中收集的水可以再循环回到供水回路12的水源罐28中，并用于再填充收集器18。注意吸入的水量基本上对应于为重新填充收集器而必须供给的水量。
82.有利地，使用加压气体将固体残渣从收集器18中冲出，这避免稀释固体残渣流出物。
83.使用的附图标记列表
84.废水处理系统2
85.废物供给(例如污水)源3
86.泵5，例如活塞泵
87.分离反应器4
88.反应室21
89.漏斗形底部23
90.废物进料口34
91.固体残渣出口36
92.流体流出物出口38
93.超临界区40
94.亚临界区42
95.流体提取系统6
96.(有机化合物提取系统6)
97.输出回路7
98.冷却系统9
99.过滤器11
100.压力调节器r2
101.气/液分离器13
102.液体出口17
103.气体出口19
104.液体流出物罐15
105.固体残渣提取系统8
106.(无机化合物提取系统8)
107.输出回路10
108.冷却系统16
109.收集器输入阀v1
110.收集器18
111.过滤器26
112.收集器液体输出阀v4
113.流量控制阀f4
114.减压阀r1
115.收集器固体出口阀v6
116.固体输出罐20
117.(无机化合物输出罐20)
118.出水罐32
119.供水回路12
120.水源28
121.泵30，例如hplc泵
122.出口阀v3
123.流量控制阀f3
124.收集器阀v7
125.反冲洗阀v2
126.减压水罐24
127.水
128.供气回路14
129.压缩气体源22
130.供气阀v5
131.流量控制阀f5