CN103787568B - 电渗透污泥脱水设备用阳极及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电渗透污泥脱水设备用阳极及其制造工艺，适用于以电渗透技术对污水处理厂生物污泥进行深度脱水处理的设备，属于电化学技术污水污泥技术领域。该阳极整体首尾相接呈环状，阳极由若干钛金属板相互导电连接而成；钛金属板为弧形件或长条件；钛金属板表面还涂覆、烧结有导电的保护层。该工艺包括：加工得钛金属板，碱洗酸蚀备用，配制锡锑复合溶液，在钛金属板表面涂覆烧结保护层，拼装。本发明阳极加工难度小，利于提高制造效率，耐化学腐蚀性能优良；制造工艺步骤简单，采用现有常规设备即可实现，利于大规模推广应用。

Description

电渗透污泥脱水设备用阳极及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种电渗透污泥脱水设备用阳极及其制造工艺，适用于以电渗透技术对污水处理厂生物污泥进行深度脱水处理的设备，属于电化学技术污水污泥技术领域。

背景技术

据申请人了解，当前污水处理主要采用生物氧化处理工艺，该工艺在处理过程中会产生大量生化污泥，这些污泥的含水率在95～99%以上，需要进行污泥脱水处理。通常，污水处理厂采用传统的机械压滤工艺来处理生化污泥，但是，该传统工艺只能将污泥含水率降至80～85%，其主要原因为：生化污泥絮体水分中，结合水占70～75%，间隙水占20～25%，还有少量的自由水与毛细管水；传统的机械压滤工艺只能脱除污泥的间隙水，结合水存在于污泥的微生物细胞内，只有将细胞破壁后才能被进一步脱除。

基于此现状，业内提出了污泥深度脱水处理，其目的是使污泥减量化；目标是将含水80～85%的污泥脱水至含水率60%以下，污泥体积减小50%以上，以便于后续的污泥处置；污泥深度脱水的关键在于脱除污泥絮体中的结合水，而脱除结合水的关键在于微生物细胞破壁。

现有的生化污泥深度脱水处理工艺如下：

（一）、自然干化工艺和热干化工艺

自然干化工艺利用自然热源(如太阳能)对污泥进行脱水干化处理，该工艺需要庞大的干化场，主要依赖气候条件，处理时间过长，处理过程中恶臭气体挥发，易带来二次污染，因此该工艺的应用受到限制。

热干化工艺通过对污泥加热，使细胞破壁、脱水干化。该工艺耗能大，去除每千克水的热能能耗为3000～4000kJ，设备复杂，投资和运行成本也非常高，难以应用推广。

（二）化学调理结合高压压滤的工艺

化学调理结合高压压滤的工艺主要是先添加石灰、铁盐等，以改变污泥分子电荷极性，增加颗粒孔隙、改善压滤特性，然后再施加5MPa以上的高压，压滤脱水。该工艺需额外添加物质，使污泥的结构、成分、性质发生了变化，给后续的污泥处置带来诸多问题，同时添加物加入量较大，也增加了干污泥量。

（三）电渗透脱水工艺

电渗透脱水工艺是将生化污泥深度脱水干化的新型、高效技术。

电渗透脱水工艺基于电化学机理，在外电场作用下，污泥中的颗粒固体、液体相对于电极表面作定向运动，污泥向阳极移动，细胞破壁后其胞内水向阴极移动，透过阴极被排出脱除。在对污泥施加电场的同时，需要保持一定的压强，压强在10～100kPa。

该工艺脱水速度快，一般在5～15分钟内即可实现污泥量减半，泥饼含水率脱至60%以下的要求。影响电渗透污泥脱水的主要因素有：电场强度、压强、处理时间、污泥层厚度。

现有的电渗透污泥脱水设备一般基于带式压滤机的技术原理，采用辊筒滤带压榨方式；设备以辊筒为阳极，辅以履带式结构的阴极，阴阳极外均设有滤带，污泥在阴阳极滤带间，在阴阳极施加电场的条件下进行压榨脱水。此外，有的设备其阴阳极均采用平行履带式结构或其他异形结构。

以上电渗透污泥脱水设备遇到的最大问题是：阳极电化学腐蚀问题。

电渗透污泥脱水过程电极反应原理如下：

阳极反应：2H₂O→4H⁺+O₂+4e^-

阴极反应：2H₂O+2e^-→4OH^-+H₂

基于该反应机理，从阴极脱除的水pH值为12～13；而氢离子在阳极聚集，致使阳极表面与污泥的接触面pH为1～2，在这样强酸性工作环境下，阳极的电化学腐蚀十分严重。采用现有的金属材料做阳极，腐蚀损坏速度极快，而这正是目前电渗透污泥脱水设备不能正常连续工作、不能应用推广的原因。然而，至今尚无能可靠解决电渗透污泥脱水设备阳极腐蚀问题的技术手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种电渗透污泥脱水设备用阳极，加工难度小，利于提高制造效率。此外，还提供以上阳极的制造工艺。

本发明进一步要解决的技术问题是：提供耐化学腐蚀性能优良的阳极。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种电渗透污泥脱水设备用阳极，其特征是，所述阳极整体首尾相接呈环状，所述阳极由若干钛金属板相互导电连接而成；所述钛金属板为弧形件或长条件；所述钛金属板表面还涂覆、烧结有导电的保护层。

本发明阳极进一步完善的技术方案如下：

优选地，所述保护层的材质是由二氧化锡和三氧化二锑组成的复合金属氧化物，锡元素与锑元素的摩尔比为15-20：1。

优选地，所述钛金属板为弧形件，所述阳极呈圆筒状，圆筒直径为0.5-2.5米。

优选地，所述钛金属板为长条件，所述阳极呈履带环状；所述各钛金属板的长度为0.5-2.5米。

优选地，所述钛金属板具有一组透气孔。

本发明还提供：一种电渗透污泥脱水设备用阳极制造工艺，其特征是，包括以下步骤：

第一步、将钛金属基材加工制成预定的弧形件或长条件，得钛金属板；转至第二步；

第二步、将钛金属板碱洗、酸蚀后备用；转至第三步；

第三步、配制由四氯化锡和三氯化锑组成的锡锑复合溶液，锡元素与锑元素的摩尔比为15-20：1；转至第四步；

第四步、先将锡锑复合溶液涂覆至钛金属板表面，再于100℃-120℃下烘干，接着在450℃-500℃下高温烧结，在钛金属板表面形成导电的保护层；转至第五步；

第五步、重复第四步6-10次；转至第六步；

第六步、将若干第五步所得钛金属板导电连接并拼装成整体首尾相接呈环状的电渗透污泥脱水设备用阳极。

本发明工艺进一步完善的技术方案如下：

优选地，第二步采用草酸对钛金属板酸蚀；第三步锡锑复合溶液中，四氯化锡浓度为0.5mol/L，三氯化锑浓度为0.03mol/L；第四步采用刷涂法或浸渍法进行涂覆，烘干时采用加热炉，高温烧结时采用高温炉，所得保护层的材质是由二氧化锡和三氧化二锑组成的复合金属氧化物；第六步，当钛金属板为弧形件时所得阳极呈圆筒状，当钛金属板为长条件时所得阳极呈履带环状。

本发明还提供：

一种含有前述阳极的电渗透污泥脱水设备，其特征是，包括至少两个辊筒、与辊筒一一对应的弧形阴极板，所述各辊筒周向设有圆筒状阳极，所述阳极的钛金属板为弧形件；所述阳极与阴极板之间依次设有阳极滤布和阴极滤布；所述阳极滤布和阴极滤布之间形成污泥挟持空间。

一种含有前述阳极的电渗透污泥脱水设备，其特征是，包括两阴极传动轮、两阳极传动轮，所述两阳极传动轮上套有履带环状阳极，所述阳极的钛金属板为长条件；所述两阴极传动轮上套有履带环状阴极；所述阳极与阴极之间依次设有阳极滤布和阴极滤布；所述阳极滤布和阴极滤布之间形成污泥挟持空间。

优选地，所述阴极由若干不锈钢板相互导电连接而成，所述不锈钢板具有一组透水孔。

与现有技术相比，本发明的主要有益效果如下：

1.将整个阳极分为若干小板块，这样可对各小板块表面涂覆、烧结保护层，然后再拼装得阳极整体，从而大幅减小加工难度，提高制造效率，尤其易于制造大尺寸圆筒状或履带环状阳极。

2.阳极的保护层采用Sn、Sb摩尔比为15～20:1的SnO₂、Sb₂O₃复合金属氧化物，克服现有保护层烧结性能差、易剥落的缺陷；大大降低保护层电阻，并提高阳极导电率（是纯钛阳极的5倍）；保护层稳定性好，具有优良的耐电化学腐蚀性能，使用寿命长，是常规不锈钢阳极的10倍以上；同时在该Sb掺杂量下，保护层导电率、晶体结构、电极性能可实现最优化。

3.该阳极即可用于辊筒带式压榨结构，也可用于履带回转式压滤结构，适用范围广泛。

4.阳极制造工艺步骤简单，采用现有常规设备即可实现，利于大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例1

如图1所示，本实施例的电渗透污泥脱水设备为辊筒带式压榨结构，包括两个辊筒1、与辊筒1一一对应的弧形阴极板4，各辊筒1周向设有阳极2；阳极2与阴极板4之间依次设有阳极滤布3和阴极滤布5；阳极滤布3和阴极滤布5之间形成污泥7挟持空间。此外，相邻两辊筒1之间还设有与滤布相接的传动轮6。

该设备所用阳极2的整体首尾相接呈环状，阳极2由若干钛金属板相互导电连接而成，钛金属板为弧形件，阳极2呈圆筒状，圆筒直径为0.5-2.5米。具体而言，本实施例阳极为直径1米、长度2米的圆筒，由8块弧度为45°、长度2米的钛金属板构成。

钛金属板表面还涂覆、烧结有导电的保护层（图中未示）。保护层的材质是由二氧化锡和三氧化二锑组成的复合金属氧化物，锡元素与锑元素的摩尔比为15-20：1（例如18：1）。钛金属板具有一组透气孔（图中未示），供阳极附近产生的气体通过。

本实施例阳极的具体制造工艺如下：

第一步、将钛金属基材加工制成预定的弧形件（本实施例为弧度45°的弧形件），得钛金属板；转至第二步；

第二步、将钛金属板碱洗、酸蚀后备用（本实施例采用草酸酸蚀）；转至第三步；

第三步、配制由四氯化锡（SnCl₄·5H₂O）和三氯化锑（SbCl₃）组成的锡锑复合溶液，锡元素与锑元素的摩尔比为15-20：1，四氯化锡浓度为0.5mol/L，三氯化锑浓度为0.03mol/L；转至第四步；

第四步、先采用刷涂法或浸渍法将锡锑复合溶液涂覆至钛金属板表面，再于加热炉中100℃-120℃下烘干，接着在高温炉中450℃-500℃下高温烧结，在钛金属板表面形成导电的保护层，该保护层的材质是由二氧化锡和三氧化二锑组成的复合金属氧化物；转至第五步；

第五步、重复第四步6-10次；转至第六步；

第六步、将若干第五步所得钛金属板导电连接并拼装成整体首尾相接呈环状的电渗透污泥脱水设备用阳极。本实施例是将钛金属板拼装于辊筒筒体基座上，进行导电连接后获得圆筒状阳极。

实施例2

如图2所示，本实施例的电渗透污泥脱水设备为履带回转式压滤结构，包括两阴极传动轮9、两阳极传动轮8，两阳极传动轮8上套有阳极2；两阴极传动轮9上套有履带环状阴极4，阴极4由若干不锈钢板相互导电连接而成，不锈钢板具有一组透水孔（图中未示），供阴极附近聚集的水排出；阳极2与阴极4之间依次设有阳极滤布3和阴极滤布5；阳极滤布3和阴极滤布5之间形成污泥7挟持空间。

本实施例阳极2的基本结构与实施例1阳极相同，不同之处仅在于：钛金属板为长条件，阳极2呈履带环状；各钛金属板的长度为0.5-2.5米（例如2米）。

本实施例阳极的具体制造工艺与实施例1工艺基本相同，不同之处仅有两处：（1）第一步、将钛金属基材加工制成预定的长条件得钛金属板；转至第二步；（2）第六步、本实施例是将钛金属板拼装于阳极传动轮上，进行导电连接后获得履带环状阳极。

以上两实施例脱水设备在运行时，于阴阳极间施加直流电场，滤布挟持污泥形成一定压力，在辊筒、导向轮作用下滤布运动，污泥进入电场区进行电渗透脱水，实现污泥干化。

实施例3阳极强化寿命试验

为表征设备耐电化学腐蚀的性能，业界常采用电解阳极强化寿命试验来判定，其原理为：采用阳极在硫酸溶液中高电流密度下电解的快速寿命试验法，通过测试不同被试阳极在相同浓度、温度的硫酸溶液中，在相同的高电流密度下工作的电极强化寿命试验的失效时间，比较不同电极的使用寿命。

本实施例，阴极均采用1Cr18Ni19Ti不锈钢材质，1号阳极采用S316L不锈钢板、2号阳极采用纯钛板（含钛99.8%）、3号阳极采用本发明工艺制得的阳极（Ti/SnO₂-Sb₂O₃），分别放入1.0NH₂SO₄、恒温40℃的电解液构成的电解槽内，接通电源，进行电解试验。试验过程中，阳极电流密度保持在200A/dm²，记录试验过程中电解槽的电压值，当电解槽电压开始迅速大幅度上升时停止试验；从开始试验到电解槽电压开始大幅度上升时所累计的电解时间为被试电极的强化寿命试验失效时间。

试验结果：

1号阳极失效时间为2小时，试验结束时，不锈钢阳极已被全部腐蚀掉。

2号阳极在短短几秒内，瞬间电压上升，电流为0，判断为：Ti板表层瞬间被氧化为TiO₂，TiO₂的电绝缘性能致使电流阻断，电压迅速上升。

3号阳极失效时间为26小时，试验结束时，仅阳极的保护层被腐蚀，阳极的钛金属板仍完好。

由此可知，本发明工艺制得阳极具有良好的抗电化学腐蚀性能，是电渗透污泥脱水设备阳极的良好选择。

与现有技术的热干化工艺、化学调理结合高压压榨工艺相比，本发明的优势如下：

(1)完全不需要加入化学药剂，无处理药剂成本；

(2)低能耗，仅是热干化工艺处理能耗的10～30%，显著降低了污泥深度处理干化的费用；

(3)只是对污泥减量化脱水，不改变污泥的性质、成分，不增加新的物质，对后续的任一种污泥处置方式无影响；

(4)处理时间短，处理效率高；

(5)处理过程清洁，无二次污染；

(6)设备占地面积小，条件要求不苛刻。

与现有的电渗透污泥脱水设备相比，本发明的独特优点和有益效果如下：

(1)阳极耐电化学腐蚀性能好，其使用寿命是常规不锈钢阳极的10倍以上；

(2)阳极导电率高，是纯钛阳极的5倍，电源效率高，处理成本低；

(3)以弧代圆或以直代曲的结构，使阳极易于加工制作，易于制作大尺寸圆筒状或履带环状阳极；

(4)阳极分割为多个弧形件或长条件后易于对其表面进行涂覆烧结处理。本发明技术构思：

（一）虽然金属钛（Ti）具有优异的耐腐蚀性能，是电化学工业阳极极板首选材料，然而在污泥电渗透脱水工艺中，纯钛极板仍不能适应严苛的电化学腐蚀环境，损坏较快；同时金属钛的导电性能较差，易氧化，也不能满足电渗透设备阳极的技术要求。本发明阳极以金属钛做基材，在其表面做保护层修饰，所得保护层具有良好的导电性和抗电化学腐蚀性能。这种以钛为基体，在其表面涂覆保护层的电极，由于不易被腐蚀导致改变尺寸，称为形稳阳极，即DSA（DimensionalStableAnode）阳极。

（二）影响电渗透污泥脱水的主要因素有：电压梯度、机械压力、污泥层厚度、处理时间。电压梯度可通过外加电源调节，机械压力、污泥层厚度的控制采用现有的带式压滤机设备已经可以保证。污泥在电场中的处理时间一般需要5～15分钟，对于辊筒压滤结构形式的脱水设备则需要辊筒直径、长度足够大，这就是常规带式压滤机与电渗透带式压滤装置的最大差异。当大尺寸的辊筒又要做表面保护层处理时，就给辊筒制作带来了极大难度。对于履带回转式压滤结构，也同样存在制作难度的问题。

本发明将大尺寸阳极分割为若干小板块，然后分别对小板块表面涂覆、烧结保护层，然后再拼装得阳极整体，从而解决了大尺寸阳极加工处理难度大的难题。

（三）电渗透脱水对阳极的要求是应具有耐强酸腐蚀、电化学腐蚀性能和良好的导电性，本发明实施围绕这二个目标，进行阳极保护层物质研究和加工工艺确定。

本发明的机理研究与实验证明，钛（Ti）基材上，用锑（Sb）掺杂二氧化锡（SnO₂）制取的DSA阳极（Ti/SnO₂-Sb₂O₃）具有良好的耐电化学腐蚀性能和导电性能，是电渗透脱水设备阳极的最佳选择。

本发明阳极保护层采用二氧化锡（SnO₂）、三氧化二锑（Sb₂O₃）复合金属氧化物。其中，SnO₂具有良好的气敏和耐腐蚀性能，但其烧结能力差，且容易收缩，变形开裂，易脱落，稳定性不好；同时SnO₂是半导体，电阻大。本发明为克服这些问题，掺杂Sb元素，Sb以取代（置换）或填隙的方式进入SnO₂晶格，形成SnO₂、Sb₂O₃复合金属保护层，克服了烧结性能差，易剥落的缺陷，且大大降低了其电阻，提高了导电率。掺杂后的保护层稳定性好，增长了寿命。Sb的掺杂量对保护层的导电率、晶体结构和电极性能有很大的影响，本发明Sn、Sb摩尔比为(15～20):1，可使保护层的导电率、晶体结构和电极性能最优化。

Claims (2)

1.一种电渗透污泥脱水设备用阳极制造工艺，其特征是，包括以下步骤：

第一步、将钛金属基材加工制成预定的弧形件或长条件，得钛金属板，所述钛金属板具有一组透气孔；转至第二步；

第二步、将钛金属板碱洗、酸蚀后备用；转至第三步；

第三步、配制由四氯化锡和三氯化锑组成的锡锑复合溶液，锡元素与锑元素的摩尔比为15-18：1；转至第四步；

第四步、先将锡锑复合溶液涂覆至钛金属板表面，再于100℃-120℃下烘干，接着在450℃-500℃下高温烧结，在钛金属板表面形成导电的保护层；转至第五步；

第五步、重复第四步6-10次；转至第六步；

第六步、将若干第五步所得钛金属板导电连接并拼装成整体首尾相接呈环状的电渗透污泥脱水设备用阳极；当钛金属板为弧形件时所得阳极呈圆筒状、圆筒直径为0.5-2.5米，当钛金属板为长条件时所得阳极呈履带环状、各钛金属板的长度为0.5-2.5米。

2.根据权利要求1所述的电渗透污泥脱水设备用阳极制造工艺，其特征是，第二步采用草酸对钛金属板酸蚀；第三步锡锑复合溶液中，四氯化锡浓度为0.5mol/L，三氯化锑浓度为0.03mol/L；第四步采用刷涂法或浸渍法进行涂覆，烘干时采用加热炉，高温烧结时采用高温炉，所得保护层的材质是由二氧化锡和三氧化二锑组成的复合金属氧化物。