权利要求
1.一种有机-无机协同的无废水热
固废处理装置，其特征在于，包括反应釜、滤液部件、搅拌部件、加热部件、冷却部件，所述滤液部件安装在反应釜的内腔并将反应釜内腔分隔为上层腔室和下层腔室，所述上层腔室作为有机固废的反应腔室，所述下层腔室作为无机固废的反应腔室，所述搅拌部件贯穿上层腔室和下层腔室并分别对有机固废、无机固废进行搅拌，所述上层腔室和下层腔室分别设置有冷却部件，所述加热部件安装在反应釜上，所述反应釜在上层腔室、下层腔室的位置均设有可开关的物料进出口。
2.根据权利要求1所述有机-无机协同的无废水热固废处理装置，其特征在于，所述滤液部件包括滤液中间层，所述滤液中间层设有仅能通过液体的微孔结构。
3.根据权利要求2所述有机-无机协同的无废水热固废处理装置，其特征在于，所述滤液部件还包括升降活塞、滤液控制器，所述滤液中间层包括第一滤液层、第二滤液层，所述第一滤液层活动连接在反应釜内，所述第二滤液层固定在反应釜内，所述第一滤液层和第二滤液层均设有微孔，且所述第一滤液层的微孔与第二滤液层的微孔相错位，所述滤液控制器安装在反应釜外壁，所述升降活塞一端与滤液控制器连接，所述升降活塞的另一端伸入反应釜内并与第一滤液层连接。
4.根据权利要求1所述有机-无机协同的无废水热固废处理装置，其特征在于，所述搅拌部件包括搅拌电机、搅拌轴、搅拌桨，所述搅拌电机安装在反应釜的一端，所述搅拌轴连接在搅拌电机的输出端，所述搅拌轴贯穿上层腔室和下层腔室，位于所述上层腔室和下层腔室内的搅拌轴上分别安装有搅拌桨。
5.根据权利要求1所述有机-无机协同的无废水热固废处理装置，其特征在于，所述冷却部件包括内冷却盘管，所述内冷却盘管分别安装在上层腔室和下层腔室内，所述内冷却盘管外接冷却液供应设备。
6.根据权利要求1所述有机-无机协同的无废水热固废处理装置，其特征在于，所述加热部件包括加热套夹，所述加热套夹包裹在反应釜外部，且所述加热套夹的加热区域覆盖上层腔室和下层腔室。
7.一种有机-无机协同的无废水热固废处理方法，基于如权利要求1至6任一项所述有机-无机协同的无废水热固废处理装置进行实施，其特征在于，包括以下步骤：
S1.打开上层腔室物料进出口，将预先混合的有机固废与液体介质加入上层腔室内;打开下层腔室物料进出口，将称量好的无机固废加入下层腔室，关闭上层腔室、下层腔室的物料进出口，启动搅拌部件与加热部件，在设定温度与反应时间条件下，使上层腔室内有机固废进行水热转化，生成上层固体产物以及富含腐殖酸类活性组分的液相产物;
S2.在上层腔室内有机固废反应的初始阶段，滤液部件处于关闭状态，当反应进行至预设时间后，开启滤液部件，打开滤液中间层的微孔通路;上层腔室生成的废液经微孔过滤连续渗入下层腔室，水热炭及固相颗粒截留于上层;
S3.废液在滤液部件调控下以低流速连续滴加至下层腔室，与预先装填的无机固废在搅拌作用下充分接触并发生协同反应;下层腔室的无机固废对进入废液进行持续吸收与反应消耗，并在腐殖酸类活性组分作用下完成矿物活化、胶凝相/重构相形成;当上层腔室产生的废液被下层腔室的无机固废全部吸收并反应消耗后，协同反应结束;
S4.反应结束后停止加热，利用反应釜的余温对上下层产物进行干燥，待冷却至室温后分别开启上层腔室、下层腔室的物料进出口，取出上层固体产物与下层反应产物。
8.根据权利要求7所述有机-无机协同的无废水热固废处理方法，其特征在于，所述有机固废包括市政污泥、农作物秸秆、畜禽及水产养殖废弃物、餐厨垃圾、园林废弃物及其他富含生物质的有机废弃物。
9.根据权利要求7所述有机-无机协同的无废水热固废处理方法，其特征在于，所述无机固废包括冶金矿渣、赤泥、各类
尾矿、粉煤灰、工业副产石膏、电石渣、建筑垃圾粉料及以无机成分为主的污染土壤。
10.根据权利要求7所述有机-无机协同的无废水热固废处理方法，其特征在于，所述有机固废与无机固废的投加质量比满足1:8~1:16。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及固废处理技术领域，特别涉及一种有机-无机协同的无废水热固废处理装置及其方法。
背景技术
[0002]当前，随着全球城市化与工业化进程加速，固体废弃物产生量持续攀升，其安全处置与资源化利用已成为制约可持续发展的重要问题。固体废物通常可分为有机固废与无机固废两大类，二者在组成特征、反应活性及环境风险等方面差异显著。
[0003]现有工程实践中，有机固废与无机固废多采用相互独立的技术路线分别处置。有机固废通常通过堆肥、厌氧消化、焚烧等方式处理，其有效转化过程多集中于中低温生物过程或热化学过程;无机固废则多以填埋、堆存等方式处置，或作为水泥、混凝土等建材体系的掺合料实现一定程度的资源化利用。由于两类固废在工艺条件、反应机制及产品形态等方面存在明显差异，实际工程往往需要配置并运行两套相对独立的处理系统，从而导致流程链条长、系统集成度低、协同利用不足，且易带来能耗偏高、资源化不充分及二次污染控制压力等问题。
[0004]综观现有技术，其主要问题与缺陷可概括为以下四个方面：
[0005]第一，污染控制以“介质转移”为主，难以实现源头削减与长期稳定。现有处理方式往往将污染物由一种介质转移至另一种介质，未能实现彻底的无害化与稳定化。例如，污泥焚烧将有机污染物与水分转化为烟气污染物及飞灰;填埋实质上是将污染物由地表转移至地下长期贮存，渗滤液风险具有持续性与累积性;部分无机固废的简单建材化利用在服役期内可能受风化、碳化、浸润等作用影响，存在重金属缓释与浸出风险。尤其在水热处理环节，产生的水热废液成分复杂、难以回用，后续处置成本高、工程路径不成熟，客观上形成“将水污染压力转化为高成本
危废处置压力”的问题。
[0006]第二，资源化路径单一，产品附加值偏低。现有技术对固废资源化利用多停留在掺合料、回填或低值利用层面，缺乏对其材料学潜力的系统开发;对富含腐殖酸类组分的有机质，应用侧重于肥料/土壤改良等传统方向，尚未充分挖掘其作为天然高分子改性剂、络合活化剂或反应促进介质在材料合成与结构重构中的作用。资源化层级偏低导致产业经济性不足，难以形成稳定的市场化驱动。
[0007]第三，能耗与物耗偏高，过程经济性受限。部分现有工艺依赖高温(如焚烧)或高投加(如水泥基固化、湿法处理中的大量用水与药剂)，导致能耗、物耗与碳排放水平较高;同时增加原料与运行成本，降低整体工艺的综合经济性与可持续性。
[0008]第四，有机与无机固废处理体系相对孤立，缺乏协同增效机制。现有工程体系通常将有机固废与无机固废分别进入堆肥、厌氧、焚烧或建材处置链条，系统间衔接弱、协同不足。实际上，有机固废富含碳源及活性官能团，无机固废富含金属元素与硅
铝网络结构，二者在反应环境调控、活化促进及污染物稳定化方面具有潜在互补性;但传统分线处理模式不仅增加物流与处置成本，也错失了利用有机转化产物原位调控无机反应过程、实现“以废治废”协同增效的技术空间。
发明内容
[0009]本发明提供一种有机-无机协同的无废水热固废处理装置及其方法，旨在克服现有固废水热处理过程中存在的能耗高、不同固废难以在同一工况下实现协同转化以及水热废液需外排处置等问题。
[0010]本发明提供一种有机-无机协同的无废水热固废处理装置，包括反应釜、滤液部件、搅拌部件、加热部件、冷却部件，所述滤液部件安装在反应釜的内腔并将反应釜内腔分隔为上层腔室和下层腔室，所述上层腔室作为有机固废的反应腔室，所述下层腔室作为无机固废的反应腔室，所述搅拌部件贯穿上层腔室和下层腔室并分别对有机固废、无机固废进行搅拌，所述上层腔室和下层腔室分别设置有冷却部件，所述加热部件安装在反应釜上，所述反应釜在上层腔室、下层腔室的位置均设有可开关的物料进出口。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述滤液部件包括滤液中间层，所述滤液中间层设有仅能通过液体的微孔结构。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述滤液部件还包括升降活塞、滤液控制器，所述滤液中间层包括第一滤液层、第二滤液层，所述第一滤液层活动连接在反应釜内，所述第二滤液层固定在反应釜内，所述第一滤液层和第二滤液层均设有微孔，且所述第一滤液层的微孔与第二滤液层的微孔相错位，所述滤液控制器安装在反应釜外壁，所述升降活塞一端与滤液控制器连接，所述升降活塞的另一端伸入反应釜内并与第一滤液层连接。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述中间层的材质为烧结金属或多孔陶瓷材质。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述搅拌部件包括搅拌电机、搅拌轴、搅拌桨，所述搅拌电机安装在反应釜的一端，所述搅拌轴连接在搅拌电机的输出端，所述搅拌轴贯穿上层腔室和下层腔室，位于所述上层腔室和下层腔室内的搅拌轴上分别安装有搅拌桨。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述冷却部件包括内冷却盘管，所述内冷却盘管分别安装在上层腔室和下层腔室内，所述内冷却盘管外接冷却液供应设备。
[0016]作为本发明的进一步改进，所述加热部件包括加热套夹，所述加热套夹包裹在反应釜外部，且所述加热套夹的加热区域覆盖上层腔室和下层腔室。
[0017]本发明还提供一种有机-无机协同的无废水热固废处理方法，基于所述有机-无机协同的无废水热固废处理装置进行实施，包括以下步骤：
[0018]S1.打开上层腔室物料进出口，将预先混合的有机固废与液体介质加入上层腔室内;打开下层腔室物料进出口，将称量好的无机固废加入下层腔室，关闭上层腔室、下层腔室的物料进出口，启动搅拌部件与加热部件，在设定温度与反应时间条件下，使上层腔室内有机固废进行水热转化，生成上层固体产物以及富含腐殖酸类活性组分的液相产物;
[0019]S2.在上层腔室内有机固废反应的初始阶段，滤液部件处于关闭状态，当反应进行至预设时间后，开启滤液部件，打开滤液中间层的微孔通路;上层腔室生成的废液经微孔过滤连续渗入下层腔室，水热炭及固相颗粒截留于上层;
[0020]S3.废液在滤液部件调控下以低流速连续滴加至下层腔室，与预先装填的无机固废在搅拌作用下充分接触并发生协同反应;下层腔室的无机固废对进入废液进行持续吸收与反应消耗，并在腐殖酸类活性组分作用下完成矿物活化、胶凝相/重构相形成;当上层腔室产生的废液被下层腔室的无机固废全部吸收并反应消耗后，协同反应结束;
[0021]S4.反应结束后停止加热，利用反应釜的余温对上下层产物进行干燥，待冷却至室温后分别开启上层腔室、下层腔室的物料进出口，取出上层固体产物与下层反应产物。
[0022]作为本发明的进一步改进，所述有机固废包括市政污泥、农作物秸秆、畜禽及水产养殖废弃物、餐厨垃圾、园林废弃物及其他富含生物质的有机废弃物。
[0023]作为本发明的进一步改进，所述无机固废包括冶金矿渣、赤泥、各类尾矿、粉煤灰、工业副产石膏、电石渣、建筑垃圾粉料及以无机成分为主的污染土壤。
[0024]作为本发明的进一步改进，所述有机固废与无机固废的投加质量比满足1:8~1:16。
[0025]本发明的有益效果是：通过双层腔室结构与滤液装置的设计，使上层有机固废在水热条件下持续发生水解、裂解及缩合等反应，并原位连续生成水热液相产物;所生成的液相产物在中间层微孔结构的导流与滤分作用下，以连续滴加/渗流方式进入下层腔室。下层无机固废对进入的液相产物进行吸收并参与反应消耗，利用腐殖酸类活性组分的络合活化与促进作用，实现无机固废的改性与结构重构。最终实现有机与无机固废同步、协调转化，并确保全过程无废液外排。
附图说明
[0026]图1是本发明有机-无机协同的无废水热固废处理装置的整体结构图;
[0027]图2是本发明有机-无机协同的无废水热固废处理装置的结构正视图;
[0028]图3是本发明图2中的A-A剖面图;
[0029]图4是本发明图2中的B-B剖面图;
[0030]图5是本发明图3中的C部位放大图。
具体实施方式
[0031]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0032]本发明的一种有机-无机协同的无废水热固废处理装置及其方法，针对现有有机固废与无机固废资源化利用率低、处理过程中易产生二次废水污染、处理链条长且产品附加值偏低等问题，本发明提出通过有机组分水热水解/转化液相与无机矿物颗粒的原位耦合反应，构建废液原位消纳、全过程无废水外排的闭路循环体系，实现有机固废转化与无机固废稳定化/高值化同步完成。
[0033]如图1至图5所示，本发明的一种有机-无机协同的无废水热固废处理装置，包括反应釜1、滤液部件2、搅拌部件3、加热部件4、冷却部件5，滤液部件2安装在反应釜1的内腔并将反应釜1内腔分隔为上层腔室11和下层腔室12，上层腔室11作为有机固废的反应腔室，下层腔室12作为无机固废的反应腔室，搅拌部件3贯穿上层腔室11和下层腔室12并分别对有机固废、无机固废进行搅拌，上层腔室11和下层腔室12分别设置有冷却部件5，加热部件4安装在反应釜1上，反应釜1在上层腔室11、下层腔室12的位置均设有可开关的物料进出口13。
[0034]反应釜1采用立式布置的双腔体设计，釜体上部为有机反应腔室，下部为无机反应腔室;上、下腔室侧部均设有可开关的物料进出口13，用于实现分区装料与分区取料，便于产物独立回收。可开关的物料进出口13可以是在反应釜1上安装物料舱门，通过打开物料舱门直接对上层腔室11、下层腔室12进行投料或放料，在反应过程中关闭物料舱门。
[0035]滤液部件2包括滤液中间层21，滤液中间层21设有仅能通过液体的微孔22结构。中间层的材质为烧结金属或多孔陶瓷材质。滤液部件2设置于上下腔室之间，滤液部件2包括固定式滤液中间层21;滤液中间层21采用烧结金属或多孔陶瓷等耐腐蚀耐温材料制成，用于截留固体颗粒并实现固相永久隔离;中间层设有微孔22结构，仅允许水热液相产物通过，以实现上层废液向下层的可控迁移。
[0036]如图5所示，滤液部件2还包括升降活塞23、滤液控制器24，滤液中间层21包括第一滤液层25、第二滤液层26，第一滤液层25活动连接在反应釜内，第二滤液层26固定在反应釜内，第一滤液层25和第二滤液层26均设有微孔22，且第一滤液层25的微孔22与第二滤液层26的微孔22相错位，滤液控制器24安装在反应釜外壁，升降活塞23一端与滤液控制器24连接，升降活塞23的另一端伸入反应釜内并与第一滤液层25连接。滤液控制器24通过升降活塞23控制第一滤液层25在反应釜内上下移动，从而调整第一滤液层25和第二滤液层26之间的位置关系，当第一滤液层25和第二滤液层26相互贴合时，相互错位的微孔22被没开孔的板面堵住，无法导通，从而密封住微孔22，使滤液中间层21处于关闭状态，上层腔室11的液体无法通过滤液中间层21渗入到下层腔室12中;当第一滤液层25随升降活塞23被提起时，第一滤液层25和第二滤液层26相互远离，两者之间形成贯通通道，两者的微孔22也没被阻挡，使滤液中间层21处于打开状态，上层腔室11的液体通过第一滤液层25的微孔22进入贯通通道后，再通过第二滤液层26的微孔22进入到下层腔室12中。
[0037]搅拌部件3包括搅拌电机31、搅拌轴32、搅拌桨33，搅拌电机31安装在反应釜1的一端，搅拌轴32连接在搅拌电机31的输出端，搅拌轴32贯穿上层腔室11和下层腔室12，位于上层腔室11和下层腔室12内的搅拌轴32上分别安装有搅拌桨33。搅拌部件3贯通上下腔室并分别对两腔室物料进行搅拌，以保证各自腔室内混合，并提高上层废液相在下层的分散与反应效率。搅拌轴32与反应釜1顶部、中间层、反应釜1底部的接触位置均通过密封结构34连接，避免反应液通过搅拌轴32的间隙进行渗透，搅拌桨33固定在搅拌轴32上，通过搅拌电机31的驱动可以同步带动上层腔室11、下层腔室12内的搅拌桨33同步转动。搅拌桨33的设置位置可以靠近上层腔室11、下层腔室12的底部区域，这样可以最大限度地与腔室底部的固废接触，充分搅动反应物，以保证反应腔室内固液充分混合。
[0038]冷却部件5包括内冷却盘管51，内冷却盘管51分别安装在上层腔室11和下层腔室12内，内冷却盘管51外接冷却液供应设备。内冷却盘管51为主动式应急降温系统，当反应釜1内的温度过高，可能出现反应风险时，冷却液供应设备通过内冷却盘管51向反应釜1内通入冷源，对反应釜1进行紧急降温，避免出现风险。
[0039]加热部件4包括加热套夹41，加热套夹41包裹在反应釜1外部，且加热套夹41的加热区域覆盖上层腔室11和下层腔室12。加热套夹41设置在釜体外周，用于对反应体系提供可控热输入，实现升温速率、目标温度及恒温阶段的稳定控制。
[0040]本发明采用固相隔离式双层水热协同反应釜1，用于实现有机与无机固废的协同处理及产物的原位分离。该反应釜1采用立式结构，釜体内部设置滤液部件2，滤液部件2包括固定式滤液中间层21;滤液中间层21采用烧结金属或多孔陶瓷材质制成，其孔径仅允许液体通过，从而将釜体腔体分隔为上层有机反应腔与下层无机反应腔，使两类固体物料在整个反应过程中始终保持物理隔离。上层反应腔与下层反应腔侧部均设有物料舱门，腔内均设置搅拌器;工作时，电机通过驱动杆同步带动上、下腔室的搅拌器运转，以保证反应腔室内固液充分混合。
[0041]在工作过程中，上层腔室11与下层腔室12在外部加热夹套作用下形成稳定的中温水热环境。上层腔室11内的有机固废在该环境下持续反应，除生成富含腐殖酸、黄腐酸等活性组分的液相产物外，还同步生成富碳固相产物(水热炭)。滤液装置的中间层设有微孔22结构，上层液相产物在重力等作用下通过微孔22结构持续渗透并连续滴加至下层腔室12;与此同时，上层有机固废反应并未停止，而是持续生成新的液相产物，新生成液相持续进入下层，实现对下层体系的连续补给。下层腔室12内预先投加的无机固废对液相产物进行持续吸收与反应消耗，在腐殖酸类组分的活化作用下实现材料的改性与重构，形成“上层持续产液、下层持续吸收并反应”的动态耦合过程，最终实现有机与无机固废的同步协调反应。
[0042]反应结束后，系统获得两类分区产物：上层为以水热炭为主的多孔碳基材料，下层为经腐殖酸类组分改性重构后的无机胶凝成分。反应完成后分别开启上、下腔室舱门即可实现上层水热炭与下层材料的分区取出。由于液相产物在下层被持续吸收并固化固定，整个过程无需额外复杂的固液分离工序，且从源头减少或避免高浓度有机水热废液外排，实现“反应—分离一体化”与废水近零排放。
[0043]本发明的装置通过产物空间隔离与过程耦合，为两类固废提供差异化的高值资源化路径：上层水热炭因其发达孔隙结构与稳定碳骨架，可作为吸附材料、土壤改良材料或
复合材料添加剂;下层改性无机胶凝成分依托其优化的胶凝特性及重金属形态的稳定化效果，可用于环保建材、路基材料或生态修复基材。本发明不仅降低后续二次分离与废液处置成本，而且提升有机—无机协同转化效率，为固废协同资源化提供一种兼具环境效益与经济效益的完整技术方案。
[0044]基于上述有机-无机协同的无废水热固废处理装置，本发明还提供一种有机-无机协同的无废水热固废处理方法，包括以下步骤：
[0045]S1.打开上层物料舱门，将预先混合的有机固废与液体介质加入上层腔室11;打开下层物料舱门，将称量好的无机固废加入下层腔室12，随后关闭上下舱门。启动反应釜1搅拌与加热系统，在设定温度与反应时间条件下，使上层腔室11内有机固废进行水热转化，生成上层固体产物(水热炭)以及富含腐殖酸类活性组分的液相产物(废液)。
[0046]S2.在上层有机固废反应的初始阶段，滤液部件2处于关闭状态，滤液中间层21微孔通路不导通，以保证上层反应充分进行。当反应进行至预设时间(例如1 h)后，开启滤液部件2(利用活塞升降原理使滤液部件2整体移位，露出预设微孔区域)，打开滤液中间层21微孔通路;上层生成的废液在重力等作用下经微孔过滤连续渗入下层腔室12，而水热炭及其他固相颗粒被中间层截留并保留于上层，实现固相隔离。
[0047]S3.废液在滤液部件2调控下以稳定的低流速(约5~10 mL/min)。连续滴加至下层腔室12，与预先装填的无机固废在搅拌作用下充分接触并发生协同反应，完成无机体系的改性与结构重构。与此同时，上层腔室11内有机固废反应持续进行并不断生成新的废液，新生成废液持续滴加进入下层;下层无机固废对进入废液进行持续吸收与反应消耗，并在腐殖酸类活性组分作用下完成矿物活化、胶凝相/重构相形成。当上层腔室11产生的废液被下层腔室12的无机固废全部吸收并反应消耗后，协同反应结束。
[0048]S4.反应结束后停止加热，利用反应釜1的余温对上下层产物进行干燥。冷却至室温后分别开启上下物料舱门，取出上层固体产物(水热炭)与下层反应产物(改性无机
胶凝材料成分)。下层产物可根据用途进行后续加工处理(例如成型、破碎、筛分等)，最终获得两种相互独立且可直接利用或便于进一步加工的资源化产品。
[0049]本发明通过配方与工况的协同控制，实现有机质与无机质的同步转化与稳定化：
[0050]其中有机固废包括市政污泥、农作物秸秆、畜禽及水产养殖废弃物、餐厨垃圾、园林废弃物及其他富含生物质的有机废弃物。在水热阶段，有机固废原位转化并释放腐殖酸、黄腐酸及低分子有机酸等活性组分，所生成液相可作为反应介质与活化/络合组分，促进无机固废的改性重构。
[0051]无机固废包括冶金矿渣、赤泥、各类尾矿、粉煤灰、工业副产石膏、电石渣、建筑垃圾粉料及以无机成分为主的污染土壤等。无机固废提供硅铝酸盐骨架、碱性组分及潜在胶凝活性来源，为后续形成改性无机胶凝相/重构相提供物质基础。
[0052]控制参数：调控有机/无机质量比(用于平衡腐殖酸类液相的生成量与下层无机固废的吸收消耗能力)及反应温度(预设160、180或200℃协同温度)。
[0053]本发明的协同处理基于“生成-消耗平衡”的配比原则：通过调节可转化有机质与无机固废的相对比例，使上层有机固废水热反应所生成的废液能够在下层被无机固废充分吸收并反应消耗，从而确保过程内无废液残留与外排。优选地，投加质量比满足：有机固废：无机固废=1:8～1:16。
[0054]本发明的核心在于：通过装置结构与工艺过程的协同设计，实现有机固废转化与无机固废改性稳定化的同步耦合。该方法通过工艺调控，促使有机质在水热转化过程中原位生成具有高反应活性的中间产物，主要为腐殖酸类物质;所述活性组分能够与无机固废颗粒即时接触并参与反应，通过络合/活化等作用促进无机体系的结构重构与稳定化处理，同时增强对重金属等污染物的固定效果。由此，最终产物可获得更优的物理化学性能，例如更高的力学强度与更好的耐久性。
[0055]与传统分质、分线处理技术相比，本发明方法实现了工艺流程的一体化与集成化，在较温和条件下即可完成协同转化，降低能耗;并通过废液在体系内原位消纳，从源头减少高浓度有机废水产生，降低二次污染风险与末端治理成本;同时通过提升产物性能与拓宽资源化路径，提高整体工艺的经济可行性与环境效益。
[0056]以下结合两个应用的实施例对本发明做具体说明：
[0057]实施例1：市政污泥和工业固废协同制备水热炭和胶凝材料的处理方法。
[0058](1)实验材料：
[0059]选用市政污泥作为有机固废，矿粉作为无机固废。投加质量比为有机固废：无机固废=1:10。
[0060](2)制备流程：
[0061]将市政污泥与纯水按预设比例混合并搅拌均匀后，通过上层物料舱门加入固相隔离式双层水热协同反应釜1的上层有机反应腔室;矿粉按上述配比通过下层物料舱门预先加入下层无机反应腔室。关闭上下舱门后，启动搅拌系统，转速保持150 rpm，并启动加热系统以5 ℃/min 的升温速率升温至180 ℃，随后进行恒温反应1 h。在上述水热条件下，市政污泥充分发生水解、裂解与缩合等反应，生成上层固体产物(水热炭)及富含腐殖酸类活性组分的液相产物(水热废液)。当上层反应达到1 h 后，开启滤液装置并导通中间层微孔通路。上层生成的活性废液在重力等作用下经中间层微孔22结构以稳定的低流速(约5~10mL/min)连续过滤并渗流进入下层腔室12，与预先装填的矿粉充分接触并发生协同反应，实现无机体系的改性与结构重构。与此同时，上层腔室11内有机固废反应仍持续进行并不断生成新的废液，新生成废液持续导入下层;下层矿粉对进入的废液进行持续吸收与反应消耗，在腐殖酸类活性组分的络合活化作用下进一步促进矿粉体系活化与胶凝相形成。混合物料含水率控制在10%~25%，确保液相产物被下层体系完全吸收固定，实现全过程无废液外排。协同反应终点为上层产生的水热废液被下层无机固废全部吸收并反应消耗、下层腔室12无游离液相残留。待协同反应结束后，停止加热，利用系统余温对上下层产物进行干燥处理，使产物含水率小于1%。冷却至室温后分别开启上下物料舱门，取出上层水热炭及下层胶凝材料成分。下层产物经机械破碎后过1.18 mm标准筛，获得粒度合格的改性胶凝材料粉末。
[0062](3)性能检测：
[0063]按预设质量比称取本实施例制得的改性凝胶材料粉末、赤泥、电石渣及磷石膏;将上述原料置于行星式球磨机中，转速设定为200 rpm，干法混合10 min，得到均匀的多元胶凝材料成品，出料后密封保存。
[0064](3.1)活性指数：按GB/T 18046-2017计算。
[0065](3.2)力学性能：制备40 mm×40 mm×160 mm棱柱体，7 d、28 d压强度采用万能试验机，加载速率为2.4 kN/s。
[0066](4)检测结果：
[0067](4.1)活性指数：7 d为78%，28 d为98%;相比“不掺废液”的多元胶凝材料对照样，28 d活性指数由95%提升至98%。
[0068](4.2)力学强度：28 d抗压强度为25.4 ± 0.3 MPa，较同配比“未引入废液”的对照样(15.8±0.4 MPa)提高60.8%;7 d 抗压强度为18.6±0.2 MPa，提高58%。
[0069]本实施例通过将水热废液中腐殖酸类物质/金属离子组分原位、连续引入并被矿粉吸收反应固定，实现矿粉体系的改性重构，显著提升多元胶凝材料的活性指数与力学性能。
[0070]实施例2：市政污泥-多元固废-渣土协同制备水热炭和无机建材的处理方法。
[0071](1)实验材料：
[0072]选用市政污泥作为有机固废;工程建设渣土作为无机骨料/硅铝来源;多元固废胶凝体系由赤泥、矿粉、电石渣及磷石膏等组成。投加质量比为：有机固废：无机固废=1:10。
[0073](2)制备流程：
[0074]将市政污泥与纯水按预设比例混合并搅拌均匀后，开启上层物料舱门，定量加入上层有机反应腔室。将渣土、赤泥、矿粉、电石渣与磷石膏按特定配比称量并混合均匀，通过下层物料舱门加入下层无机反应腔室。关闭上下舱门后，启动搅拌器，转速保持150 rpm，同时启动加热系统以5 ℃/min的升温速率升温至180 ℃，并在该温度下进行恒温反应;当上层反应进行1 h后，开启滤液装置并导通中间层微孔通路。滤液装置导通后，上层反应生成的水热废液在重力/压差驱动下经中间层微孔22结构以稳定的低流速(约5~10 mL/min)连续过滤并渗流进入下层腔室12，与下层渣土-多元固废混合料充分接触并发生协同反应。与此同时，上层腔室11内有机固废反应仍持续进行并不断生成新的废液，新生成废液持续导入下层;下层固体物料对进入废液进行持续吸收与反应消耗。混合物料含水率控制在40%~60%，使上层液相产物被下层无机体系充分吸收并原位固定，从而确保全过程无废液外排。协同反应终点为上层产生的水热废液被下层无机体系全部吸收并反应消耗、下层腔室12无游离液相残留。在搅拌与水热条件共同作用下，废液中的腐殖酸类组分及溶解性无机盐/离子与下层硅铝体系发生地聚反应，逐步形成混合均匀、具有可塑性的地聚物基物料。反应结束后停止加热，利用系统余温对上下层产物进行干燥处理，以促进下层地聚物基物料的初期固化与强度发展。冷却至室温后分别开启上下舱门，取出上层水热炭;下层取出混合均匀且具有可塑性的地聚物基物料。所述下层地聚物基物料可进一步进行挤压成型并养护，制得无机建材产品。
[0075](3)性能检测：
[0076]将下层所得可塑性物料挤压成规定尺寸的标准试样，在室温条件下静置养护24 h以完成初凝与初期硬化。随后将试件移入标准养护箱(温度20±2 ℃、相对湿度≥95%)中继续养护至规定龄期，获得用于性能测试的地聚物固化体试件。
[0077](3.1)抗压强度：WDW-50 kN电子万能试验机，加载速率2.4 kN·s-1，取3个试件平均值。
[0078](3.2)重金属去除率：将材料置于标准浓度重金属溶液中浸泡24 h，过滤后使用ICP-MS仪器测定溶液中残留金属含量，并计算去除率。
[0079](4)检测结果：
[0080](4.1)抗压强度：试件28 d 抗压强度为21 MPa，较原地聚物材料提高30%;
[0081](4.2)重金属去除率：重金属污染离子去除率为86%，较原地聚物材料提高77%。
[0082]本实施例中水热废液直接用于下层无机反应过程，废液中溶解性有机物、氮磷组分、无机盐及金属离子等作为反应介质与离子来源，可调节体系反应环境并促进凝胶相形成，从而有效促进多元固废胶凝体系的地聚反应与固化成型;同时，水热条件有利于反应活化与固化效率提升。
[0083]本发明的性能提升及环保特性由以下机制协同实现：
[0084](1)原位催化与络合：有机固废在水热过程中原位生成的腐殖酸/黄腐酸等活性组分及时与下层无机颗粒接触，通过络合、螯合及表面活化作用促进无机固废中活性组分溶出与迁移，提高 Ca2+、Al3+/Al(OH)4-、Si物种等的释放与反应可得性，从而降低反应活化能并显著提升胶凝体系的反应活性与活性指数。
[0085](2)凝胶网络锁水：水热废液在反应体系中作为反应介质参与地聚反应，同时在凝胶相生成与增长过程中被持续吸收、包埋并固定，实现液相产物的原位消纳与闭路循环，从过程机理上避免工艺废水外排。
[0086](3)结构强化与固化：水热协同条件加速硅铝物种的溶出-重排-聚合及凝胶网络构筑，促进固化体结构致密化与力学性能形成，使抗压强度显著提升(可达60%以上);同时，致密凝胶网络与腐殖酸类功能基团的协同作用增强了对重金属离子的吸附、络合及包埋固化能力，提高环境安全性与长期稳定性。
[0087]本发明提供一种有机-无机协同的无废水热固废处理装置及其方法，通过工艺流程、反应机制与资源化路径的一体化设计，有效克服现有技术中分质处理割裂、协同转化不足、废液外排压力大以及产物附加值偏低等缺陷，其有益效果概述如下：
[0088]在协同性方面，本发明通过双层腔室与滤液装置构建“上层有机持续产液—下层无机持续吸收反应”的动态耦合体系，使有机固废水热转化与无机固废改性重构在同一装置、同一温和工况下同步完成，实现有机转化产物对无机体系的原位活化、促进与稳定化协同，克服传统分质处理系统割裂、衔接低效的问题。
[0089]在资源化方面，协同处理后产物可分区获取：上层获得水热炭等碳基材料，下层获得经腐殖酸类组分作用改性重构的胶凝/地聚物基材料。两类产物用途明确，可分别用于吸附与固封类环境
功能材料、绿色建材基料或工程材料，从而拓宽固废高值化利用途径并提升资源化附加值。
[0090]在经济性方面，本发明采用一体化反应与原位分离的系统设计，减少多套独立处理系统的建设需求与流程环节;在统一温度窗口下运行，降低能耗与过程控制复杂度;同时水热废液在下层被吸收并反应固定，从源头避免废水外排及末端处理投入，进而降低设备投资与运行维护成本，提高工程应用的经济性。
[0091]在产物性能提升方面，水热废液中的腐殖酸类活性组分可促进无机体系硅铝物种溶出—迁移—聚合及凝胶相生成，使材料结构更致密、胶凝性能更优，力学强度与耐久性得到提升;同时增强对重金属等污染物的络合、包埋与固化稳定性，降低浸出风险，提高产物环境安全性与应用可靠性。
[0092]综上，本发明针对当前有机与无机固废处理技术相对独立、协同手段不足的现状，提出了一条可实现流程整合、资源高值化与成本优化并兼顾环境效益的技术路径，为固体废物综合处置与高值化利用提供了可操作、可推广的技术方案。
[0093]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
说明书附图(5)
声明：
“有机-无机协同的无废水热固废处理装置及其方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：深圳大学
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