CN104876418A - 连续流电磁波污泥脱水实验装置及脱水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续流电磁波污泥脱水实验装置及脱水方法，该装置包括进泥装置、电磁波加载腔体、电磁波发射装置、控制单元，进泥装置包括磁力搅拌器、蠕动泵。蠕动泵的输出端管道从电磁波加载腔体的内部穿过，电磁波发射装置向电磁波加载腔体内部发射均匀电磁波，污泥以环状管网式管道经过电磁波加载腔体内部。控制单元控制蠕动泵转速、控制电磁波发射装置的电磁波发射频率和功率。本发明装置及方法通过使用电磁波加热代替传统加热来提高污泥脱水和干燥的效果，控制电磁波的加载条件，另外对加载泥量进行控制，在静态试验基础上，实现连续进泥，尽可能接近生产实际。而且污泥接受电磁波加载后，离心效果得到提高的同时，离心脱水成本降低。

Description

连续流电磁波污泥脱水实验装置及脱水方法

技术领域

本发明属于污泥脱水技术领域，尤其涉及一种连续流电磁波污泥脱水实验装置及脱水方法。

背景技术

伴随着污水处理率的不断提升，污水处理量日渐加大，随之而来的便是污泥量的与日俱增。未经处理的剩余污泥对人体非常有害，在污水处理过程中，细菌及大部分寄生生物留存在污泥中，病毒可以吸附在污水中的颗粒上，随颗粒的沉淀也沉积到污泥中。且污泥含水率高，体积大，不便于运输和储放，因而需要进行浓缩、消化、脱水等处理。其中污泥脱水可以有效降低需要处理、处置的污泥体积，是污泥减量化工作中最为经济的一种方法。

目前污泥的处置方法主要包括填埋、堆肥、焚烧等，但污泥含水率很高，经过浓缩、消化后的污泥含水率依然高达95％～97％，污泥体积庞大，不便于外运，为降低污泥的运输、综合利用及最终处置的成本，需要对进行污泥脱水处理，减少污泥体积。有报道指出，污泥脱水是污泥处理最关键、最昂贵、最困难的一步，污泥脱水的费用占污泥处理成本的很大一部分。因此，如何对污泥进行高效脱水处理，降低污泥脱水处理成本是解决当前各污水处理厂污泥处理难题的一个重要突破口。

在寻求减少剩余污泥量、降低环境负担的过程中，用于减少自废水处理设施、净水处理设施等排出的剩余污泥的容量的脱水处理技术显得极其重要，并期望一种更有效的针对污泥的脱水处理技术。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种连续流电磁波污泥脱水实验装置及脱水方法，提高污泥脱水和干燥的效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种连续流电磁波污泥脱水实验装置，包括进泥装置、电磁波加载腔体、电磁波发射装置、控制单元，进泥装置包括搅拌装置、蠕动泵，搅拌装置与蠕动泵的输入端之间通过管道连接；蠕动泵的输出端管道从电磁波加载腔体的内部穿过，污泥通过蠕动泵的输出端管道(硅胶管)流经电磁波加载腔体，通过电磁波进行加热，最后流入指定容器，电磁波发射装置固定在电磁波加载腔体上，并向电磁波加载腔体内部发射均匀电磁波，污泥以环状管网式管道经过电磁波加载腔体内部，接受电磁波加载；控制单元分别与蠕动泵、电磁波发射装置连接，控制蠕动泵转速、控制电磁波发射装置的电磁波发射频率和功率。

按上述技术方案，搅拌装置与蠕动泵的输入端之间的管道材质为聚丙烯或聚四氯乙烯，蠕动泵的输出端管道材质为聚丙烯或聚四氯乙烯。

按上述技术方案，所述电磁波发射装置为磁控管。

按上述技术方案，电磁波发射装置向电磁波加载腔体内部发射的电磁波的频率范围为：2400～2500MHz。

本发明还提供一种连续流电磁波污泥脱水方法，包括以下步骤，污泥放入搅拌装置中搅拌后，通过蠕动泵，流入电磁波加载腔体内部设置的环状管网式管道，电磁波发射装置向电磁波加载腔体中发射电磁波，污泥接受电磁波加载腔体内部均匀电磁波加载，进行加热脱水。

按上述技术方案，蠕动泵进泥量即从蠕动泵输出端管道流入电磁波加载腔体内部进行电磁波加载的污泥体积；其中，蠕动泵进泥量单位是mL；d是蠕动泵的泵管内径，单位是mm；L是电磁波加载腔体中电磁波加载的长度，单位是m；蠕动泵传送设备根据流量范围选择BT100s型驱动器，选与BT100s驱动器相配套的YZ15型泵头和18#软管作为实现连续流的装置。

按上述技术方案，电磁波加载时间其中，电磁波加载时间T的单位是s；V是蠕动泵进泥量，单位是mL；Q是污泥加载的流量，单位是mL/min，d是蠕动泵的泵管内径，单位是mm；L是电磁波加载腔体中电磁波加载的长度，单位是m；n是蠕动泵转速，单位是r/min；q是蠕动泵单位转速对应的流量，单位是mL/min。

按上述技术方案，在连续流电磁波污泥脱水实验装置组装完成后，需要对电磁波加载腔体中电磁波实际功率进行测定，测定变频稳定电源各电压下电磁波实际输出功率，具体方法如下：取1000mL的去离子水，测其温度和质量，放入电磁波加载腔体中加热，取出后立即搅拌，即刻测其水温和剩余去离子水的质量，在电磁波实际输出功率全部被去离子水吸收，且去离子水的恒压比热是常数，则根据加载电磁波前后去离子水的温度差及去离子水的蒸发量，通过下式计算电磁波实际输出功率，电磁波实际输出功率 $P=\frac{\mathrm{mC\ΔT}+\mathrm{\γ\Δm}}{T}=\frac{4200\mathrm{\ΔT}+2280\mathrm{\Δm}}{T};$ 其中，P的单位是W；ΔT是电磁波加载前后去离子水的温差，单位是℃；Δm是电磁波加载前后去离子水的蒸发量，单位是g；T是电磁波加载时间，单位是s；m是接收电磁波加载前去离子水的质量，单位g，C是去离子水的恒压比热，4.2×10³J/(g·℃)；γ是去离子水的焓值，2280J/g。

本发明产生的有益效果是：本发明装置及方法通过使用电磁波的加载来提高污泥脱水和污泥干燥的效果，电磁波具有加热速度快，热效高，热量立体传递，设备体积小等优点，且使用过程中不会带来其他物质污染。同时，控制电磁波的加载条件，包括加载时间控制、加载功率控制，另外对加载泥量进行控制，从而在静态试验基础上，实现连续进泥，尽可能接近生产实际。而且污泥接受电磁波加载后，离心效果得到提高的同时，离心脱水成本降低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例连续流电磁波污泥脱水实验装置的工作原理图；

图2是本发明实施例连续流电磁波污泥脱水实验装置中进泥装置的结构示意图；

图3是本发明实施例连续流电磁波污泥脱水实验装置的电磁波加载腔体工作示意图。

具体实施方式

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种连续流电磁波污泥脱水实验装置，包括进泥装置、电磁波加载腔体、电磁波发射装置、控制单元，进泥装置包括搅拌装置、蠕动泵，该搅拌装置可以选择磁力搅拌器，搅拌装置与蠕动泵的输入端之间通过管道连接；蠕动泵的输出端管道从电磁波加载腔体的内部穿过(污泥通过蠕动泵的输出端管道流经电磁波加载腔体，通过电磁波进行加热，最后流入指定容器)，电磁波发射装置固定在电磁波加载腔体上，并向电磁波加载腔体内部发射均匀电磁波，污泥以环状管网式管道经过电磁波加载腔体内部，接受电磁波加载；控制单元分别与蠕动泵、电磁波发射装置连接，控制蠕动泵转速、控制电磁波发射装置的电磁波发射频率和功率。

其中，搅拌装置与蠕动泵的输入端之间的管道材质为聚丙烯或聚四氯乙烯，蠕动泵的输出端管道材质为聚丙烯或聚四氯乙烯。运输污泥的管道材料采用低耗电磁波介质材料，如聚丙烯、聚四氯乙烯等。

进一步地，所述电磁波发射装置为磁控管。便于输出所需频率范围内的电磁波。

按上述技术方案，电磁波发射装置向电磁波加载腔体内部发射的电磁波的频率范围为：2400～2500MHz。

本发明还提供一种连续流电磁波污泥脱水方法，包括以下步骤，污泥放入搅拌装置中搅拌后，通过蠕动泵，流入电磁波加载腔体内部设置的环状管网式管道，电磁波发射装置向电磁波加载腔体中发射电磁波，污泥接受电磁波加载腔体内部均匀电磁波加载，进行加热脱水。

其中，蠕动泵进泥量即从蠕动泵输出端管道流入电磁波加载腔体内部进行电磁波加载的污泥体积；其中，蠕动泵进泥量单位是mL；d是蠕动泵的泵管内径，单位是mm；L是电磁波加载腔体中电磁波加载的长度，单位是m；蠕动泵传送设备根据流量范围选择BT100s型驱动器，选与BT100s驱动器相配套的YZ15型泵头和18#软管作为传送通道以实现连续流的装置。根据污泥加载需要，通过选择蠕动泵的型号，调节蠕动泵的泵管内径、电磁波加载腔体中电磁波加载的长度，依据公式计算加载泥量(蠕动泵进泥量)，进行蠕动泵进泥量控制。

其中，电磁波加载时间其中，电磁波加载时间T的单位是s；V是蠕动泵进泥量，单位是mL；Q是污泥加载的流量，单位是mL/min，d是蠕动泵的泵管内径，单位是mm；L是电磁波加载腔体中电磁波加载的长度，单位是m；n是蠕动泵转速，单位是r/min；q是蠕动泵输出管道选择18#软管时，蠕动泵单位转速对应的流量(即是传送通道为18#软管的蠕动泵单位转速对应的流量，)，单位是mL/min。通过电磁波加载的长度、蠕动泵的泵管内径、蠕动泵转速进行组合实现不同的污泥电磁波加载时间，可以依据公式计算电磁波加载时间T。

在连续流电磁波污泥脱水实验装置组装完成后，需要对电磁波加载腔体中电磁波实际功率进行测定，测定变频稳定电源各电压下电磁波实际输出功率，具体方法如下：取1000mL的去离子水，测其温度和质量，放入电磁波加载腔体中加热，取出后立即搅拌，即刻测其水温和剩余去离子水的质量，在电磁波实际输出功率全部被去离子水吸收，且去离子水的恒压比热是常数，则根据加载电磁波前后去离子水的温度差及去离子水的蒸发量，通过下式计算电磁波实际输出功率，电磁波实际输出功率 $P=\frac{\mathrm{mC\ΔT}+\mathrm{\γ\Δm}}{T}=\frac{4200\mathrm{\ΔT}+2280\mathrm{\Δm}}{T};$ 其中，P的单位是W；ΔT是电磁波加载前后去离子水的温差，单位是℃；Δm是电磁波加载前后去离子水的蒸发量，单位是g；T是电磁波加载时间，单位是s；m是接收电磁波加载前去离子水的质量，单位g，C是去离子水的恒压比热，4.2×10³J/(g·℃)；γ是去离子水的焓值，2280J/g。根据变频稳压电源输出电压和计算所得的电磁波实际输出功率，绘制电磁波实际输出功率(W)～变频稳压电源输出电压(V)曲线；以后根据该图，通过确定的电磁波实际输出功率值查询对应变频稳压电源输出电压，调节变频稳压电源输出电压来改变电磁波加载功率。

本发明装置及方法通过控制电磁波加载频率、电磁波加载功率、电磁波加载时间和加载污泥量等因素进行连续流电磁波污泥脱水装置的设计与组装，取污泥进行装置的性能测试，测试不同工况下经过电磁波处理后的污泥离心含水率、沉降含水率、污泥比阻、污泥体积比SV、污泥体积指数SVI、总氮TN、总磷TP、溶解性化学需氧量SCOD、胞外聚合物EPS等指标的变化，以此确本发明装置的污泥加载量、电磁波加载功率和电磁波加载时间的控制范围并计算该装置的能耗。

为了确保所处理的污泥各部分均匀受热，实现污泥的连续加载，避免时断时续的问题，本发明实现了连续流的进泥方式—蠕动泵进泥。蠕动泵的具体工作原理及过程如下：1)泵头可分为两部分：滚柱和泵壳，泵管被置于滚柱与泵壳之间的管床上，滚柱的作用是将泵管封闭(挤瘪)；2)滚柱上的滚轮依次碾过泵管，将管中的流体挤压出去，滚轮碾过后的泵管恢复原形，形成真空，由此可将后面的流体抽吸进来；3)在滚柱之间形成一个流体“枕”，其形状大小与泵管内径及滚轮的几何形状有关，流速取决于该枕型流体的速度与尺寸大小的乘积。

为实现本发明装置控制因素的可调，需对电磁波加载条件进行控制：电磁波加载频率控制：2450MHz电磁波波长12.24cm，该频率已成功和合法地应用在家用微波炉上，生产规模最大，技术非常成熟，价格最低；5800MHz电磁波波长5.17cm，该频率还处于新兴阶段，生产应用稀少。德国利恒热工有限公司对2450MHz和5800MHz频率的电磁波进行了初步的理论和试验研究，发现小体积的材料(如水、石英、纸)试验中，5800MHz电磁波的加热效率比2450MHz提高2～3.5倍。美的集团的电磁波沥青路面加热试验发现，2450MHz电磁波加热沥青路面需12～15分钟达到120℃以上，加热深度10厘米左右，而5800MHz电磁波加热沥青路面在7分钟达到124℃，但加热深度5.5厘米左右，与2450MHz相比，5800MHz电磁波加热沥青路面能耗降低50％。电磁波频率和加热速度、穿透深度有关，一般电磁波频率越大，加热速度越快，但穿透能力越小，相反，电磁波频率越小，加热速度越慢，但穿透能力越大。考虑到以上因素，结合广东美的微波电器制造有限公司提供的磁控管，以及试验腔体的大小匹配，本装置可以采用2450MHz频率电磁波作为试验频率。

本发明的较佳实施例中，连续流电磁波污泥脱水实验装置以电磁波加载功率270W，加载时间200s，加载体积125mL为运行参数，该装置的剩余污泥处理能力为2.25L/h。如图1所示，该装置可根据需要，进行电磁波频率、电磁波功率、电磁波加载时间、进泥量的控制，以实现不同电磁波加载频率、不同电磁波加载功率、不同电磁波加载时间和不同污泥加载量的工况。其中连续流通过蠕动泵得以实现，污泥进入蠕动泵之前经过搅拌装置搅拌；不同电磁波加载时间通过蠕动泵硅胶管的管径、管长，并配合蠕动泵转速控制，电磁波发射装置向电磁波加载腔体内部发射电磁波，电磁波加载时间0～500s连续可调；污泥加载量通过调节蠕动泵的泵管内径、管长来控制，泥量0～400mL连续可调；电磁波加载功率实现0～700W连续可调。本实施例装置的进泥装置见图2，搅拌装置与蠕动泵的输入端之间通过管道连接，蠕动泵的输出端管道穿入电磁波加载腔体的内部，如图3所示。搅拌装置内部使用磁力搅拌器对污泥进行搅拌。进泥装置连续不断地将污泥输送到电磁波加载腔体内，污泥通过蠕动泵的输出端管道(硅胶管)流经电磁波加载腔体，通过电磁波进行加热，最后流入指定容器。并根据污泥所需的不同加载条件，调节进泥系统进泥速度。运输污泥的管道均采用低耗电磁波介质材料，如聚丙烯、聚四氯乙烯等。磁力搅拌器搅拌待处理污泥，保证了进入电磁波工作腔的污泥的均匀性，匀质的污泥在蠕动泵的抽送下，经过进泥管道流入电磁波工作腔。通过调节蠕动泵流量和进泥管管长可实现加载时间和污泥加载量的可调。本发明中蠕动泵传送设备根据流量范围选择BT100s型驱动器，选与BT100s驱动器相配套的YZ15型泵头和18#软管作为实现连续流的装置。

电磁波加载腔体是污泥进行电磁波加载的场所，需要保证散热、散气以及防止电磁波泄露。根据电磁波加载腔体要求，结合试验实际及生产厂家情况，本发明实施例装置中电磁波加载腔体实际尺寸可选择为：315mm×305mm×205mm，电磁波加载频率采用2450MHz电磁波，电磁波加载时间、电磁波加载功率分别根据前期静态实验、参考文献并结合实际情况确定为0～300s、0～700W连续可调。

控制单元用以调节连续流电磁波污泥脱水实验装置的各类运行参数，保证装置的电磁波加载时间、电磁波加载功率、电磁波输出频率等可以根据不同的工况要求进行调节。装置的控制单元统一安装在一个总控制台上，与设备主体分开，方便进行工况各参数的总控制。本装置的控制单元包括功率控制器和数显时间继电器等。

控制单元包括进行进泥量控制、电磁波加载时间控制、电磁波加载功率控制。其中进泥量控制根据污泥加载需要，通过选择蠕动泵的型号，调节蠕动泵的泵管内径、电磁波加载腔体中电磁波加载的长度，依据公式1计算；通过电磁波加载腔体中电磁波加载的长度、蠕动泵的泵管内径、蠕动泵转速进行组合实现不同的污泥电磁波加载时间，可以依据公式2计算加载时间；根据公式3计算电磁波实际输出功率，由变频稳压电源输出电压和计算所得的电磁波实际输出功率，绘制电磁波实际输出功率(W)～变频稳压电源输出电压(V)曲线，以后根据该图，通过确定的电磁波实际输出功率查询对应变频稳压电源输出电压，调节变频稳压电源输出电压来改变电磁波加载功率。

从成本和污泥处理效果两方面综合考虑，本发明最优实施例工况为电磁波加载功率270W，加载时间200s，加载泥量125mL。该工况下，污泥离心含水率、沉降含水率、SV、EPS分别由原泥的90.46％、96.34％、88、15.24mg/(g干污泥)下降到87.32％、95.55％、76、6.76mg/(g干污泥)，TN、TP、SCOD、比阻分别由原泥的9.69mg/L、2.38mg/L、29.41mg/L、2.37×109升高到62.00mg/L、22.62mg/L、763.55mg/L、1.22×1010。污泥含水率从98.34％降为87.32％时，接受电磁波处理后离心脱水比直接离心脱水污泥体积每减少1m³需要的成本是558元，但是，在同等离心脱水条件下，经过电磁波处理的污泥体积比不经电磁波处理的体积减少了25％。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种连续流电磁波污泥脱水实验装置，其特征在于，包括进泥装置、电磁波加载腔体、电磁波发射装置、控制单元，进泥装置包括搅拌装置、蠕动泵，搅拌装置与蠕动泵的输入端之间通过管道连接；蠕动泵的输出端管道从电磁波加载腔体的内部穿过，电磁波发射装置固定在电磁波加载腔体上，并向电磁波加载腔体内部发射均匀电磁波，污泥以环状管网式管道经过电磁波加载腔体内部，接受电磁波加载；控制单元分别与蠕动泵、电磁波发射装置连接，控制蠕动泵转速、控制电磁波发射装置的电磁波发射频率和功率。

2.根据权利要求1所述的连续流电磁波污泥脱水实验装置，其特征在于，搅拌装置与蠕动泵的输入端之间的管道材质为聚丙烯或聚四氯乙烯，蠕动泵的输出端管道材质为聚丙烯或聚四氯乙烯。

3.根据权利要求1或2所述的连续流电磁波污泥脱水实验装置，其特征在于，所述电磁波发射装置为磁控管。

4.根据权利要求1或2所述的连续流电磁波污泥脱水实验装置，其特征在于，电磁波发射装置向电磁波加载腔体内部发射的电磁波的频率范围为：2400～2500MHz。

5.一种连续流电磁波污泥脱水方法，其特征在于，包括以下步骤，污泥放入搅拌装置中搅拌后，通过蠕动泵，流入电磁波加载腔体内部设置的环状管网式管道，电磁波发射装置向电磁波加载腔体中发射电磁波，污泥接受电磁波加载腔体内部均匀电磁波加载，进行加热脱水。

6.根据权利要求5所述的连续流电磁波污泥脱水方法，其特征在于，蠕动泵进泥量其中，d是蠕动泵的泵管内径，L是电磁波加载腔体中电磁波加载的长度。

7.根据权利要求6所述的连续流电磁波污泥脱水方法，其特征在于，电磁波加载时间其中，V是蠕动泵进泥量，Q是污泥加载的流量，d是蠕动泵的泵管内径，L是电磁波加载腔体中电磁波加载的长度；n是蠕动泵转速，q是蠕动泵单位转速对应的流量。

8.根据权利要求7所述的连续流电磁波污泥脱水方法，其特征在于，在连续流电磁波污泥脱水实验装置组装完成后，需要对电磁波加载腔体中电磁波实际功率进行测定，测定变频稳定电源各电压下电磁波实际输出功率，具体方法如下：取1000mL的去离子水，测其温度和质量，放入电磁波加载腔体中加热，取出后立即搅拌，即刻测其水温和剩余去离子水的质量，在电磁波实际输出功率全部被去离子水吸收，且去离子水的恒压比热是常数，则根据加载电磁波前后去离子水的温度差及去离子水的蒸发量，通过下式计算电磁波实际输出功率，电磁波实际输出功率 $P=\frac{\mathrm{mC\ΔT}+\mathrm{\γ\Δm}}{T}=\frac{4200\mathrm{\ΔT}+2280\mathrm{\Δm}}{T};$ 其中，P的单位是W；ΔT是电磁波加载前后去离子水的温差，单位是℃；Δm是电磁波加载前后去离子水的蒸发量，单位是g；T是电磁波加载时间，单位是s；m是接收电磁波加载前去离子水的质量，单位g，C是去离子水的恒压比热，4.2×10³J/(g·℃)；γ是去离子水的焓值，2280J/g。