CN105923977A - 电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，包括压滤容器(1)、阳极板(2)、阴极板(3)和直流电源(4)，所述的阳极板(2)设置在压滤容器(1)的上部，所述的阴极板(3)设置在压滤容器(1)的下部，所述的直流电源(4)正负极分别与阳极板(2)和阴极板(3)电连接，所述的阳极板(2)和阴极板(3)上均设有出水孔(5)，在所述出水孔(5)上敷设有滤布(5.1)；所述的阳极板(3)与用以驱动阳极板(3)运动的液压系统(6)连接。采用本发明，阳极层污泥电阻增加缓慢、脱水效果好、污泥厚度方向含水率分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及污水污泥处理领域，具体地说是一种电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置。
背景技术
污泥高含水率是制约着污泥处理处置的瓶颈，含水率高的污泥不仅体积庞大，而且所含的大量有机质、重金属和有害微生物，容易腐化或释放到环境中，引起二次污染，对于污泥后续的填埋、焚烧、资源化利用等都造成不利的影响。因此，污泥深度脱水减量化是污泥处理首要目的，减量化是实现污泥其它“三化”的基础，污泥越干，后续处理处置越有利。
电渗透脱水技术利用了污泥存在的一种特殊双电层结构而实现脱水。污泥污泥颗粒带负电，而水分子带正电，在电场力作用下，带负电的污泥颗粒往阳极板运动，而带正电水分子往阴极板运动。作为一种新型、绿色、高效的固液分离技术，电渗透脱水技术由于具有良好的脱水性能、灵活性高、无污染、可控性强等优点，近年来受到广泛关注，越来越多的研究人员将其应用于污泥脱水当中，以期达到对污泥进行深度脱水的目的。
与现有污泥深度脱水技术(热干化、化学调理+高压压榨方法等)相比，电渗透脱水技术具有一系列独特的优点，具体表现为：良好的脱水效果，电渗透脱水过程中，在电化学反应作用下，污泥细胞受电刺激，电解水定向强力移动产生布朗运动，细胞内的温度升高、压力增大，使得细胞膜破裂，部分膜内水流出，电渗透脱水可除去传统机械脱水所不能够脱除的部分水分，经过电渗透脱水，污泥的含水率可降低至60％以下；与热干化相比具有一定的节能优势，降低了污泥深度处理干化的费用；仅对污泥减量化脱水，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；处理过程清洁，无二次污染。
然而，电渗透脱水技术作为一门新兴的污泥脱水技术，目前主要还存在着以下问题：(1)脱水后污泥最终含水率仍有50％-60％，很难突破50％，难以达到污泥电渗透高干度脱水的技术效果；(2)电渗透过程中，阳极附近污泥的含水率快速降低，而且电化学反应气体的产生及污泥泥饼中出现裂缝，污泥泥饼与电极板之间的接触面积减小，导致污泥电阻增大，电流下降，脱水效果变差；(3)脱水过程中，电场产生电流会有电能转换成热能，使污泥温度升高，实际上存在着能耗偏大问题；(4)泥饼在厚度方向上的含水率分布不均，阳极层污泥含水率较低，水分子积聚在阴极层而导致阴极板附近污泥含水率较高。
当前也有采用交变电场降低污泥干化对脱水效果的影响，以部分解决上述技术问题。交变电场就是电渗透一定时间后，电极反接，相反电流流过物料层，可降低物料层内的电阻和减轻电极的电化学反应，同时促使水分回流解决当前阳极层污泥干化问题。通过对豆腐渣实验发现，采用电极反接比连续工作，电渗透流量可提高40％以上。用白色粘土进行交流实验，交流比直流最终脱水量增加，但频率较高时，脱水效率反而降低，采用交变电场能耗较高，而且频率较难控制。可见，采用交变电场无法从根本上解决上述电渗透脱水技术存在的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述现有技术存在的阳极层污泥快速干化导致脱水效果差、能耗高、阳极层阴极层含水率不均等的问题，提供了一种阳极层污泥电阻增加缓慢、脱水效果好、污泥厚度方向含水率分布均匀的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，包括压滤容器、阳极板、阴极板和直流电源，所述的阳极板设置在压滤容器的上部，所述的阴极板设置在压滤容器的下部，所述的直流电源正负极分别与阳极板和阴极板电连接，所述的阳极板和阴极板上均设有出水孔，在所述出水孔上敷设有滤布；所述的阳极板与用以驱动阳极板运动的液压系统连接。
采用以上结构，本发明与现有技术相比，具有以下优点：通过采用机械压滤与电渗透相结合；在机械压滤脱水与电渗透脱水同时作用时，采用低压只要保证极板与污泥有一定紧密接触即可，此时水分都是由阳极板往阴极板运动，随着脱水的进行，阳极层污泥变干导致电阻增大同时电流减小，使得电渗透脱水的驱动力减小，如果继续进行下去，电阻将变得非常大而使得电场驱动力几乎没有导致脱水停止，此时，必须使得部分水分能回流到阳极层，此时停止供电，通过液压系统切换到高压机械高压方式，使得水分强制回流到阳极层，降低污泥电阻增大电流，污泥厚度方向含水率分布均匀，提高下一轮电渗透驱动力；最终达到提升脱水效果的目的，使得污泥含水率较为均匀。
作为改进，污水污泥在进入压滤容器前进行预处理，所述的预处理是指通过机械压滤脱水，将污泥含水率降至75％～80％。以提高本发明的污水污泥处理效率。
作为改进，污水污泥进入压滤容器，采用直流电源对所述阳极板和阴极板供电，所述的阳极板在液压系统的驱动下，向阴极板移动，在电渗透脱水的同时，保持阳极板和阴极板之间的压力，以实现电渗透和机械压滤的耦合脱水；随着耦合脱水的进行，阳极板的污泥含水率低，污泥干化，此时断开直流电源，停止电渗透脱水，并加大阳极板和阴极板之间的压力，实现高压机械压滤脱水，以进一步降低含水率。由于污泥水分往阴极板及阳极板双向流动，使得两极板间含水率均匀，便于再次进行耦合脱水。
作为改进，所述液压系统包括液压油缸和高低压调节装置，所述的液压油缸的活塞杆与阳极板连接，所述的高低压调节装置与所述的液压油缸相连通。由于在耦合脱水阶段和高压机械压滤脱水阶段的压力不同，因此通过高低压调节装置来调节液压油缸施加于阳极板的压力。
作为改进，所述的阳极板上设置有多个阳极管，所述的阳极管向下延伸排布于压滤容器内，阳极管与阳极板相连接进而与直流电源的正极相连。所述的阳极管一端插入泥饼内部，另一端穿过阳极板伸入到封板内，阳极管起到将电极向下延伸的作用，阳极管为中空结构上开设有多个小孔，采用阳极管深入到污泥内部，由于泥饼内部仍然具有一定的水分，该阳极管通电时电场产生的驱动力仍然较强，能解决阳极层污泥干化问题，同时，当水分回流时，泥饼内部水分能通过有较多小孔的中空阳极管回流到阳极层的封板上，从封板上的排水管排出，解决内部水分不易排出问题。
作为改进，在阴极板下方设置有吸盘，所述的吸盘套设于阴极板上，通过推动吸盘变形，通过体积变化产生真空度，使得吸盘产生倒吸的回复力，以从阴极板处吸附水分。根据电渗透的特性，阴极板处集聚了更多的水分，由于电场力驱动阴极板水分较弱，为了加快阴极板附近水分排出速度及排出量，在阴极板处产生一定的真空度，对阴极板处污泥水分施加一定吸力，形成电场力及真空过滤双重脱水效果。
作为改进，所述的吸盘为弹性材料制成的半球形结构，其外圈密封固定在阴极板的外边沿上，吸盘的中下部连接有推力机构，吸盘下端连接有排水管及电磁开关，电磁开关控制排水管的开闭。通过推力机构推动吸盘变形，吸盘产生真空的回复力，吸盘和阴极板形成一个可产生真空的腔室，其回复力将阴极板集聚的水分吸出，并打开电磁开关，水分从排水管中排出。
作为改进，所述的污水污泥脱水装置采用交替变压式脱水模式，在所述高压机械压滤脱水后，两极板间含水率均匀变得均匀，则再次进行电渗透机械压滤耦合脱水，如此往复循环直至达到预期污泥含水率要求。由于采用了交替变压式脱水模式，使得阳极板污泥被重新补水，由开始的干污泥变为湿污泥，又可重新恢复到电渗透和机械压滤耦合脱水阶段，此时高低压调节装置切换到低压，与电渗透共同脱水。
作为改进，在阳极板的上方封闭设置有封板，所述封板上设置有排水管及电磁开关，通过电磁开关对排水管进行自动控制。
作为改进，所述的电磁开关、推力机构和液压系统均与控制器相连接。通过控制器与各控制元件连接，使得整个装置实现自动控制，并协调各个部件的动作时间，提高装置的自动化水平和效率。
附图说明
图1为本发明电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置的结构示意图；
图2为本发明工作过程的流程框图；
图中所示：1、压滤容器，2、阳极板，3、阴极板，4、直流电源，5、出水孔，5.1、滤布，6、液压系统，6.1、液压油缸，6.2、高低压调节装置，7、阳极管，8、吸盘，9、推力机构，10、排水管，11、电磁开关，12、封板，13、单向节流阀Ⅰ，14、单向节流阀Ⅱ，15、电磁换向阀Ⅰ，16、低压直动式溢流阀，17、高压直动式溢流阀，18、电磁换向阀Ⅱ，19、先导式溢流阀，20、液压泵，21、绝缘圈，22、控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。此外，本发明之附图中为了示意的需要，并没有完全精确地按照实际比例绘制，在此予以说明。
本发明的基本解决方案是：电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，包括压滤容器1、阳极板2、阴极板3和直流电源4，所述的阳极板2设置在压滤容器1的上部，所述的阴极板3设置在压滤容器1的下部，所述的直流电源4正负极分别与阳极板2和阴极板3电连接，所述的阳极板2和阴极板3上均设有出水孔5，在所述出水孔5上敷设有滤布5.1；所述的阳极板3与用以驱动阳极板3运动的液压系统6连接。
如图1所示，示意了本发明的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置。当待处理的污水污泥的含水率较高时，则在进入本发明处理之前，需要进行预处理，预处理的具体实施可以采用现有技术实现。所述的预处理是指通过机械压滤脱水，将污泥含水率降至75％～80％，以提高本发明的污水污泥处理效率。
污水污泥进入压滤容器1，采用直流电源4对所述阳极板2和阴极板3供电，所述的阳极板2在液压系统的驱动下，向阴极板3移动，在电渗透脱水的同时，保持阳极板2和阴极板3之间的压力，以实现电渗透和机械压滤的耦合脱水；随着耦合脱水的进行，阳极板2的污泥含水率低，污泥干化，此时断开直流电源4，停止电渗透脱水，并加大阳极板2和阴极板3之间的压力，实现高压机械压滤脱水，以进一步降低含水率。由此可见，本发明可采用以下阶段工作：
①预处理脱水阶段：污水污泥进入预处理脱水装置，在预处理脱水装置内受到挤压实现初步机械压滤脱水，将污泥含水率降至75％-80％；该脱水阶段中，能够较大程度地实现污水污泥减量化，在该阶段中，采用中低压的机械压滤，其压力一般为0.1-0.5MPa；该阶段为含水率较高的污水污泥进入本发明装置之前的预处理脱水阶段，但对于含水率低于80％的污水污泥可无需采用预处理而直接进入本发明的压滤容器进行脱水；
②电渗透和机械压滤耦合脱水阶段：经步骤①处理后，电渗透的阳极板和阴极板设置于压滤容器内，采用直流电源对电渗透的阳极板和阴极板供电，所述的阳极板和阴极板作为机械压滤的挤压机构与压滤容器构成压滤腔，在实现电渗透脱水的同时，保持对阳极板和阴极板之间的机械压滤，以使两极板与污泥接触良好。直流电源正负极分别与阳极板及阴极板电连接，根据污泥处理量大小(泥饼厚度)来确定电源电压，设置电压梯度为10-30V/cm。这一步骤处理后污泥含水率可达到50％-60％。在步骤②中，其机械压滤的压力为可变范围，随着压滤的进行，阳极板和阴极板之间的污泥量减少，需要进一步加压，该阶段中的压力为0.05-0.5MPa。
在脱水过程中，电渗透和机械压滤所流出的水分经敷设于阳极板和阴极板上的滤布并透过出水孔流出。所述的滤布(其材料不限于传统布，所有能够实现过滤的材料均可认为是滤布)，包裹阴极板的滤布为不锈钢材料制成，有利于提高电渗透脱水效果。
③高压机械压滤脱水阶段：经步骤②处理后，阳极板的污泥含水率低，污泥干化，此时断开直流电源，停止电渗透脱水，并加大阳极板和阴极板之间的压力，实现高压机械压滤脱水，污泥水分往阴极板及阳极板双向流动，使得两极板间含水率均匀。该脱水阶段为高压脱水，提供给污泥的压力为3-5MPa。
所述液压系统包括液压油缸6.1和高低压调节装置6.2，所述的液压油缸6.1的活塞端与阳极板2连接，所述的高低压调节装置6.2与所述的液压油缸6.1相连通。由于在耦合脱水阶段和高压机械压滤脱水阶段的压力不同，因此通过高低压调节装置来调节液压油缸6.1施加于阳极板2的压力。
所述的阳极板2上设置有多个阳极管7，所述的阳极管7向下延伸排布于压滤容器1内，均匀分布在整个压滤筒体1内，阳极管7与阳极板2相连接进而与直流电源4的正极相连。“均匀分布”只是对技术效果有影响，即作为优选方案，而非均匀分布也能解决本发明的技术问题。所述的阳极管7一端插入泥饼内部，另一端穿过阳极板2伸入到封板内，阳极管起到将电极向下延伸的作用，阳极管为中空结构上开设有多个小孔，采用阳极管深入到污泥内部，由于泥饼内部仍然具有一定的水分，该阳极管通电时电场产生的驱动力仍然较强，能解决阳极层污泥干化问题，同时，当水分回流时，泥饼内部水分能通过有较多小孔的中空阳极管回流到阳极层的封板上，从封板上的排水管排出，解决内部水分不易排出问题。
在阴极板3下方设置有吸盘8，所述的吸盘8套设于阴极板3上，通过推动吸盘8变形，使得吸盘8产生倒吸的回复力，以从阴极板3处吸附水分。根据电渗透的特性，阴极板3处集聚了更多的水分，为了加快阴极板附近水分排出速度及排出量，在阴极板处产生一定的真空度，对阴极板处污泥水分施加一定吸力，形成电场力及真空过滤双重脱水效果。
所述的吸盘8为弹性材料制成的半球形结构，其外圈密封固定在阴极板3的外边沿上，吸盘8的中下部连接有推力机构9，吸盘8下端连接有排水管10及电磁开关11，电磁开关11控制排水管10的开闭。通过推力机构推动吸盘变形，吸盘产生真空的回复力，吸盘和阴极板形成一个可产生真空的腔室，其回复力将阴极板集聚的水分吸出，并打开电磁开关，水分从排水管中排出。所述的推力机构9可以采用气缸，但除了气缸之外的其他机构也能实现，例如，也可采用液压缸作为推力机构。
所述的污水污泥脱水装置采用交替变压式脱水模式，在所述高压机械压滤脱水后，两极板间含水率均匀变得均匀，则再次进行耦合脱水，如此往复循环直至达到预期污泥含水率要求。由于采用了交替变压式脱水模式，使得阳极板污泥被重新补水，由开始的干污泥变为湿污泥，又可重新恢复到电渗透和机械压滤耦合脱水阶段，此时高低压调节装置切换到低压，与电渗透共同脱水。本发明所指的含水率均匀不是绝对均匀，而是一种相对均匀的表述。
在阳极板2的上方封闭设置有封板12，所述封板12上设置有排水管10及电磁开关11，通过电磁开关11对排水管10进行自动控制；排水管10的电磁开关根据需要进行开闭。
所述的电磁开关11、推力机构9和液压系统均与控制器22相连接。通过控制器与各控制元件连接，使得整个装置实现自动控制，并协调各个部件的动作时间，提高装置的自动化水平和效率。
所述封板12与阳极板2之间绝缘，阳极板2和阴极板3还分别设置有绝缘圈21，绝缘圈将阳极板2、阴极板3与压滤容器1互相绝缘，阳极板2为耐电腐蚀材料制成。
所述的压滤容器1可以采用筒体状，当然，压滤容器1的形状并不影响本发明的实施，但压滤容器1下方设置供吸盘安装的位置。
高低压调节装置是液压系统的一部分，虽然有很多方式可以实现其功能，但本实施例仍列举了一个详细的较佳的实施例，即所述的高低压调节装置包括单向节流阀Ⅰ13、单向节流阀Ⅱ14、电磁换向阀Ⅰ15、电磁换向阀Ⅱ18、低压直动式溢流阀16、高压直动式溢流阀17、先导式溢流阀19及液压泵20，所述的单向节流阀Ⅰ13、单向节流阀Ⅱ14分别与液压油缸12的进出油口及电磁换向阀Ⅰ15连接，所述的先导式溢流阀19与电磁换向阀Ⅰ15及电磁换向阀Ⅱ18连接，所述的电磁换向阀Ⅱ18与低压直动式溢流阀16、高压直动式溢流阀17连接，所述的低压直动式溢流阀16、高压直动式溢流阀17通过电磁换向阀Ⅱ18用于调节液压泵20出口压力，进而调节污泥压榨压力在低压时污泥所受压力为0.05-0.5MPa,在高压压榨时污泥所受到的压力为3-5MPa。另外还可为高低压调节装置配置马达、油箱、吸油过滤器、冷却器、空气过滤器、液位计、压力表等零部件。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，包括压滤容器(1)、阳极板(2)、阴极板(3)和直流电源(4)，其特征在于：所述的阳极板(2)设置在压滤容器(1)的上部，所述的阴极板(3)设置在压滤容器(1)的下部，所述的直流电源(4)正负极分别与阳极板(2)和阴极板(3)电连接，所述的阳极板(2)和阴极板(3)上均设有出水孔(5)，在所述出水孔(5)上敷设有滤布(5.1)；所述的阳极板(3)与用以驱动阳极板(3)运动的液压系统(6)连接；所述液压系统包括液压油缸(6.1)和高低压调节装置(6.2)，所述的液压油缸(6.1)的活塞杆与阳极板(2)连接，所述的高低压调节装置(6.2)与所述的液压油缸(6.1)相连通；污水污泥在进入压滤容器(1)前进行预处理，所述的预处理是指通过机械压滤脱水，将污泥含水率降至75％～80％。
2.根据权利要求1所述的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，其特征在于：污水污泥进入压滤容器(1)，采用直流电源(4)对所述阳极板(2)和阴极板(3)供电，所述的阳极板(2)在液压系统的驱动下，向阴极板(3)移动，在电渗透脱水的同时，保持阳极板(2)和阴极板(3)之间的压力，以实现电渗透和机械压滤的耦合脱水；随着耦合脱水的进行，阳极板(2)的污泥含水率低，污泥干化，此时断开直流电源(4)，停止电渗透脱水，并加大阳极板(2)和阴极板(3)之间的压力，实现高压机械压滤脱水，以进一步降低含水率。
3.根据权利要求2所述的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，其特征在于：所述的阳极板(2)上设置有多个阳极管(7)，所述的阳极管(7)向下延伸排布于压滤容器(1)内，均匀分布在整个压滤筒体(1)内，阳极管(7)与阳极板(2)相连接进而与直流电源(4)的正极相连。
4.根据权利要求2所述的电渗透滤耦合的污水污泥脱水装置，其特征在于：在阴极板(3)下方设置有吸盘(8)，所述的吸盘(8)套设于阴极板(3)上，通过推动吸盘(8)变形，通过体积变化产生真空度，使得吸盘(8)产生倒吸的回复力，以从阴极板(3)处吸附水分。
5.根据权利要求4所述的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，其特征在于：所述的吸盘(8)为弹性材料制成的半球形结构，其外圈密封固定在阴极板(3)的外边沿上，吸盘(8)的中下部连接有推力机构(9)，吸盘(8)下端连接有排水管(10)及电磁开关(11)，电磁开关(11)控制排水管(10)的开闭。
6.根据权利要求2所述的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，其特征在于：所述的污水污泥脱水装置采用交替变压式脱水模式，在所述高压机械压滤脱水后，两极板间含水率变得均匀，则再次进行电渗透机械压滤耦合脱水，如此往复循环直至达到预期污泥含水率要求。
7.根据权利要求3所述的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，其特征在于：在阳极板(2)的上方封闭设置有封板(12)，所述封板(12)上设置有排水管(10)及电磁开关(11)，通过电磁开关(11)对排水管(10)进行自动控制。
8.根据权利要求1所述的电渗透压滤耦合的污水污泥脱水装置，其特征在于：所述的电磁开关(11)、推力机构(9)和液压系统均与控制器相连接。
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