CN107902859B - 改进的高压交流脉冲污泥分解装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于污泥处理方法及设备，特别是指一种改进的高压交流脉冲污泥分解装置及其应用。装置包括采用绝缘材质制作的污泥流经管，电极及与之电连接的高压交流脉冲电源，污泥流经管两端经连接法兰与金属管道连接；电极包括沿轴线固定于污泥流经管内且外表面包覆绝缘护套的内电极，包覆于污泥流经管外表面的外电极；金属管道接地并分别设进泥口及出泥口，高压交流脉冲电源包括输出电压为幅值相同、周期相同、极性相反的正、负脉冲电源，正、负脉冲电源分别与内、外电极对应电连接。本发明解决了现有技术存在的处理污泥的区域小，细胞破壁效果难于进一步提高等问题，具有处理区域大、处理污泥效果好等优点。

Description

改进的高压交流脉冲污泥分解装置及其应用

技术领域

本发明属于污泥处理方法及设备，特别是指一种改进的高压交流脉冲污泥分解装置及其应用。

背景技术

近年来，随着中国城镇化水平不断提高，污水处理设施建设快速发展，污水处理后所产生的剩余污泥也随之增多，污泥处理已成为重要的环保问题之一。目前的污泥含水率高、处理难度大、占地面积多，如何对污泥进行处理及资源化利用成为环保行业研究的热门课题。

相关研究表明剩余污泥中含有许多有机质，如核酸、蛋白质、多糖等，但它们绝大部分存在于污泥中的微生物细胞内，很难直接加以利用。若能对微生物细胞进行破壁处理，使其内部的有机质释放到胞外环境中并进行污泥产沼等方面的利用，便可实现污泥的资源化与能源化，部分地解决污泥问题，也会使污泥处理的难度得以降低。

利用高压交流脉冲电场对污泥进行预处理是实现细胞破壁的方法之一，污泥中微生物的细胞壁(膜)，在特定的电场中会发生形变或穿孔而导致细胞壁(膜)破裂，使胞内物质释放到外部环境中。与传统的超声波、微波、热解、碱处理等技术相比，利用此方法能耗低、占地面积小、不需要额外投加药剂、运行费用低，成为当前环保领域污泥处理新技术。

相关资料及申请人的实验表明，高压交流脉冲电源和脉冲电场发生装置是利用高压交流脉冲电场进行细胞破壁的关键设备，而电场强度、输出频率和脉冲宽度等因素对细胞破壁有明显作用，其中电场强度起主要作用。高压交流脉冲电源输出电压越高，产生的电场强度越大，越有利于细胞破壁。但受输出频率、输出波形、脉冲上升沿时间和下降沿时间等因素的综合影响，国内目前成熟的高压交流脉冲电源输出电压一般低于100kv，且短期内不会有明显提升。如何在现有电源条件下提高脉冲电场强度，从而得到更好的细胞破壁效果是目前行业技术人员面临的技术难题之一。

申请人在专利号为201520604862.5的实用新型专利中公开了一种高压交流脉冲污泥分解装置，其电极连接电源作为正电极，金属污泥流经管为接地极(电位为零)，在该装置处理污泥的过程中，峰值电压为30-90kv，频率为20-80kHz，正电极与接地极之间能实现的最大电压差为电源设备输出峰值电压，电场强度只能由电极连接的单台电源峰值电压决定，无法突破现有电源最高电压的限制。同时，该种电极和反应装置设计，靠近电极附近电位较高，污泥直接与此污泥流经管内壁接触会使污泥电位也接近为零，这样电场只在正电极附近较强，靠近金属污泥流经管区域场强几乎为零，处理污泥的区域小。在现有电源条件下，由于其污泥分解装置设计的局限性，限制了进一步产生更强高压交流脉冲电场的能力，因此也使细胞破壁效果的进一步提高受到了制约。经此装置处理后的污泥的CODcr含量最大增加量由48mg/L升至576mg/L。而相关资料及申请人试验证实，酸解加热耦合方式处理含水率为93％的污泥能将CODcr提升至1500mg/L以上，碱解方式处理含水率为98％-99％的污泥能将CODcr含量提升至2500mg/L以上，碱解加热耦合方式处理含水率为96％-99％的污泥甚至能将CODcr提升至20000mg/L以上，这说明利用高压交流脉冲污泥分解装置处理污泥的效果尚有较大的提升空间。

发明内容

本发明提供了一种改进的高压交流脉冲污泥分解装置及其应用，突破现有电源的技术限制，通过将电极结构设计为内电极、接地极、外电极，使内、外电极分别连接正、负脉冲电源，实现了在现有电源技术条件不变的情况下，显著提升了电场强度或延长了电场处理污泥的时间，采用本发明中的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，达到了更好的细胞破壁效果的目的。

本发明的整体技术方案是：

改进的高压交流脉冲污泥分解装置，包括污泥流经管，电极以及与之电连接的高压交流脉冲电源，污泥流经管的两端通过连接法兰分别与金属管道连接；所述的电极包括沿轴线固定于污泥流经管内且表面包覆绝缘护套的内电极，包覆于污泥流经管外表面的外电极；污泥流经管采用绝缘材质制作，金属管道接地并分别设有进泥口及出泥口，高压交流脉冲电源包括输出电压为幅值相同、周期相同、极性相反的正脉冲电源及负脉冲电源，当正脉冲电源与内电极电连接时，负脉冲电源接外电极；当正脉冲电源与外电极电连接时，负脉冲电源接内电极。

改进的高压交流脉冲污泥分解装置在污泥分解中的应用。

为保证电连接的可靠性，内电极、外电极与高压脉冲电源的电连接优选采用导线连接，因其属于现有技术，申请人在此不再赘述。

本发明的具体技术解决方案还有：

为实现本发明的防触电保护，提高装置使用的安全性，优选的技术方案是，所述的外电极的外表面包覆有绝缘胶套。

绝缘胶套可以采用多种机械方式实现其固定，包括但不局限于卡箍、捆扎、粘接等，均不脱离本发明的技术实质，其中优选且易于实现的技术手段是，所述的绝缘胶套采用卡箍固定于外电极表面。

外电极可采用多种易于包覆于污泥流经管表面的导电材料制作，均不脱离本发明的实质，其中优选的技术方案是，所述的外电极采用金属网布制作。

为避免内电极与污泥直接接触产生放电，内电极外表面包覆绝缘护套。

为避免外电极与污泥直接接触产生放电，进而保证电场强度以实现对污泥细胞的破壁作用，污泥流经管采用绝缘材质制作。为便于对污泥流经管内的污泥处理情况进行观察，优选的技术实现手段是，污泥流经管采用透明石英管。为进一步便于对污泥流经管内的状况进行观察，更为优选的技术方案是，所述的污泥流经管两端设有观察窗口。

连接法兰的主要作用是便于实现污泥流经管与金属管道的连接，优选的技术方案是，所述的连接法兰包括设置于污泥流经管连接的绝缘法兰、设置于金属管道连接的金属法兰。申请人需要说明的是，为便于管道的成型制作，绝缘法兰及金属法兰应采用与污泥流经管及金属管道相同的材质制作。

为便于实现对金属管道两端的封堵，同时利于架设内电极，优选的技术方案是，金属管道外端分别设有第一金属法兰封头、第二金属法兰封头。

申请人需要说明的是，金属管道两端并不局限于采用金属法兰封头的形式，还可以采用弯头(45°、90°)或其他管件形式，并通过其实现多台污泥分解装置的串行连接，每台污泥分解装置均可以根据需要单独运行，方便及时调整污泥的处理效果。

内电极与金属法兰封头的固定方式可以采用多种常见的机械固定方式，均不脱离本发明的技术实质，其中优选且便于实现的内电极固定方式是，所述的内电极通过外表面包覆的绝缘护套固定于第一金属法兰封头和第二金属法兰封头之间，内电极外表面包覆的绝缘护套一端与第一金属法兰封头通过螺纹装配，内电极外表面包覆的绝缘护套另一端插装固定于第二金属法兰封头内侧开设的中心凹槽内。

优选的正脉冲电源、负脉冲电源的设置条件为，所述的正脉冲电源、负脉冲电源输出的正、负脉冲电压的相位差为零或半个周期中的一种。

为延长污泥在污泥流经管内的停留时间，提高污泥细胞的破壁效果，同时尽可能减少对于流动物料的阻力，优选的技术方案是，所述的内电极表面沿轴向设有螺旋形导流板。

进泥口的主要作用是满足污泥在污泥流经管中的输入，为进一步形成对污泥在运动状态下的扰动作用，使其中的微生物细胞在运动过程中形成翻动以贴近内、外电极，提高处理效果，优选的技术实现手段是所述的进泥口与金属管道边缘切向连接导通。

为便于实现金属管道的接地，同时便于装置整体的布置及调整，优选的技术实现手段是，还包括一金属支架，位于污泥流经管两端的金属管道表面架设于金属支架顶部并通过管卡固定，金属支架上设置有接地端子和高度调节装置。

高度调节装置可以采用多种现有的机械结构实现，其中优选且较为常见的是，所述的高度调节装置采用螺纹进给机构或定位销机构。

本发明的工作原理如下：

使用时，首先用污泥泵将污泥通过进泥口泵入污泥流经管中，待污泥充满污泥流经管并从出泥口流出后，开启正、负脉冲电源，并调整电源输出电压、输出波形、输出频率、占空比等参数至合适的数值开始进行处理。

申请人需要说明的是，本发明中的内电极和外电极，既可单独使用也可同时使用，优选的方案是同时使用。当同时使用时正脉冲电源与内电极电连接，负脉冲电源接外电极，金属支架接地；当正脉冲电源与外电极电连接时，负脉冲电源接内电极，金属支架接地。当只使用一个电极就能达到处理效果时，其中一个电极接电源，另一个电极连接至接地端子，优选的连接方式是，内电极连接电源，外电极连接至接地端子。内电极及外电极在单独使用或同时使用时应将电源调整至合适参数，以达到利用高压交流脉冲电场实现污泥中微生物细胞破壁的目的。

本发明中的术语“第一”、“第二”仅为了简要清楚的描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明所具备的实质性特点和取得的显著技术进步在于：

1、可实现高压交流脉冲电场强度的显著提高，通过分别连接正、负脉冲电源，内、外电极之间的电压差可翻倍，相应产生的电场强度最高可提高一倍。专利号为201520604862.5专利中电极和接地极之间的电压差为单台高压交流脉冲电源的输出电压，本发明中的污泥分解装置内电极、外电极分别接正、负脉冲电源时，内、外电极之间的电压差为正、负脉冲电源输出电压的差值(最大差值为单台电源输出电压的二倍)，相应显著增加了电场强度(最高可提高一倍)，从而提高了污泥细胞破壁的效果。

2、可延长单位时间内高压交流脉冲电场处理微生物细胞的时间。本发明中的内电极、外电极分别接正、负脉冲电源时，调整正、负脉冲电源输出电压相位差至合适参数时，可相应延长脉冲交流电场处理微生物细胞的时间(最多延长一倍)，弥补单台电源输出零电压(峰值电压间歇期)时无法产生电场的不足，相应提高了污泥细胞破壁的效果。

3、由于内、外电极产生的电场同时从内、外两侧作用于污泥，使得高压交流脉冲电场发生区域增大，单位时间内处理污泥量更大。污泥流经管采用绝缘材质制作且不作为接地极使用，内电极外表面包覆绝缘护套，当内电极和外电极同时接通电源时，在内电极和外电极之间形成的高压交流脉冲电场将布满污泥流经管，使处理污泥的区域增大，提高了处理效率。专利号为201520604862.5专利中由于金属污泥流经管接地，电位为零，污泥直接接触污泥流经管内壁导致零电位向电极方向延伸，高压交流脉冲电场只集中在电极四周，不会布满整个污泥流经管，处理污泥的区域相对小。

4、污泥流经管两端设有观察窗口，可通过其观察到污泥流经管内部工况及物料流动状态，避免内电极出现介质阻挡放电现象，使细胞破壁释放的有机质不会由于放电被烧蚀，高压交流脉冲电源也不会由于放电而造成短路烧毁。

5、进泥口垂直于金属管道边缘切向连接，一是可以对在污泥流经管内流动的污泥形成扰动，污泥由于与金属管内壁边缘的切向冲击力而产生旋转，使其中的微生物细胞在运动过程中形成翻动以贴近内、外电极，直接暴露在电场中，增强了电场处理细胞的效果。二是基本不会对污泥流动产生阻力，同时避免造成污泥流经管内部阻塞。

6、金属支架设置有高度调节装置，方便进泥口和出泥口与外围设备的连接，便于本装置与工程中已有固定设备的配套，节约改造固定设备的成本。

7、污泥流经管内设螺旋形导流板，使污泥在污泥流经管内的通过方式由直线变为螺旋形运动，在降低污泥流动阻力及污泥泵的动力输入的前提下，增加了污泥在污泥流经管内的滞留时间，相应延长了脉冲交流电场处理微生物细胞的时间，进一步提高了细胞破壁效果。

附图说明

图1是本发明中的改进的高压交流脉冲污泥分解装置的整体结构示意图。

图2是图1中的A部局部放大图。

图3是图2的B-B向放大结构示意图。

图4是本发明应用于污泥分解的系统运行示意图。

图5是高压交流脉冲电源的正负脉冲的相位差为零的示意图。

图中上方为正脉冲，下方为负脉冲，从图中可见单个周期内电压差加倍。

图6是高压交流脉冲电源的正负脉冲的相位差为半个周期的示意图。

图中上方为正脉冲，下方为负脉冲，单个周期内处理时间长度加倍。

图7是高压交流脉冲电源的正负脉冲的相位差不为半周期整数倍的示意图。

图8是进泥口与金属管道的配合示意图。

附图中的附图标记如下：

1、第一连接导线；2、第一金属法兰封头；3、出泥口；4、卡箍；5、第二连接导线；6、内电极；7、绝缘胶套；8、外电极；9、污泥流经管；10、金属支架；11、绝缘法兰；12、金属法兰；13、第二金属法兰封头；14、金属管道；15、进泥口；16、接地端子；17、观察窗口；18、导流板；19、高度调节装置；20、正脉冲电源；21、负脉冲电源；22、管卡。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述，但不作为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书做出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。

本实施例的整体结构如图示，其中改进的高压交流脉冲污泥分解装置，包括污泥流经管9，电极以及与之电连接的高压交流脉冲电源，污泥流经管9的两端通过连接法兰分别与金属管道14连接；电极包括沿轴线固定于污泥流经管9内且外表面包覆绝缘护套的内电极6，包覆于污泥流经管9外表面的外电极8；污泥流经管9采用绝缘材质制作，金属管道14接地并分别设有进泥口15及出泥口3，高压交流脉冲电源包括输出电压为幅值相同、周期相同、极性相反的正脉冲电源20及负脉冲电源21，正脉冲电源20通过第一连接导线1与内电极6电连接，负脉冲电源21通过第二连接导线5接外电极8。

所述的外电极8的外表面包覆有绝缘胶套7。

所述的绝缘胶套7采用卡箍4固定于外电极8表面。

外电极8采用金属网布制作。

污泥流经管9采用透明石英管制作。

所述的连接法兰包括设置于污泥流经管9连接的绝缘法兰11、设置于金属管道14连接的金属法兰12。为便于管道的成型制作，绝缘法兰及金属法兰应采用与污泥流经管及金属管道相同的材质制作。

金属管道14外端分别设有第一金属法兰封头2、第二金属法兰封头13。

申请人需要说明的是，金属管道两端并不局限于采用金属法兰封头的形式，还可以采用弯头(45°、90°)或其他管件形式，并通过其实现多台污泥分解装置的串行连接，每台污泥分解装置均可以根据需要单独运行，方便及时调整污泥的处理效果。

所述的内电极6通过外表面包覆的绝缘护套固定于第一金属法兰封头2和第二金属法兰封头13之间，内电极6外表面的绝缘护套一端与第一金属法兰封头2通过螺纹装配，内电极6外表面的绝缘护套另一端插装固定于第二金属法兰封头13内侧开设的中心凹槽内。

所述的污泥流经管9两端设有观察窗口17。

正脉冲电源、负脉冲电源的设置条件如图5-7所示，优选的技术方案是，所述的正脉冲电源20、负脉冲电源21输出的正、负脉冲电压的相位差为零或半个周期中的一种。

所述的内电极表面沿轴向设有螺旋形导流板18。

所述的进泥口15与金属管道14边缘切向连接导通。

还包括一金属支架10，位于污泥流经管9两端的金属管道14表面架设于金属支架10顶部并通过管卡22固定，金属支架10上设置有接地端子16和高度调节装置19。

所述的高度调节装置19采用螺纹进给机构或定位销机构。

正、负脉冲电源中，正脉冲电源峰值电压为+(30-90)kv，负脉冲电源峰值电压为-(30-90)kv，正负脉冲电源峰值差为二倍的(30-90)kv，正、负脉冲电源输出频率均为20-80KHz。

改进的高压交流脉冲污泥分解装置在污泥分解中的应用时，污泥的处理时间为10-90分钟。

针对高压交流脉冲电场强度的提高：当污泥分解装置内、外电极分别连接正、负脉冲电源，调整正、负脉冲电源输出电压频率相同、相位差为零时，可实现内、外电极之间电压差值的增加，相应提高了内、外电极之间的电场强度。当正、负脉冲电源的输出电压峰值大小相同时，内、外电极之间电压差值正好为单台脉冲电源输出电压峰值的两倍，此时可实现内、外电极之间的电场强度的翻倍，即为单台电源时电场强度的二倍(参见图5)。

针对延长高压交流脉冲电场强度的处理时间：当污泥分解装置内、外电极分别连接正、负脉冲电源，调整正、负脉冲电源输出电压峰值大小相同、频率相同、相位差为半周期整数倍时，一台脉冲电源输出高电压时另一台输出为零电压，反之亦然，两台电源输出电压相互弥补，使污泥始终处于高压交流脉冲电场的作用下，相应延长了处理污泥的时间，可延长一倍(参见图6)。

当污泥分解装置内、外电极分别连接正、负脉冲电源，而电源的设置方式介于以上第1点和第2点时(参见图7)，高压交流脉冲电场在强度和处理时间上均用不同程度的增加。

其余内容如前述。

Claims (15)

1.改进的高压交流脉冲污泥分解装置，包括污泥流经管(9)，电极以及与之电连接的高压交流脉冲电源，污泥流经管(9)的两端通过连接法兰分别与金属管道(14)连接；其特征在于所述的电极包括沿轴线固定于污泥流经管(9)内且外表面包覆绝缘护套的内电极(6)，包覆于污泥流经管(9)外表面的外电极(8)；污泥流经管(9)采用绝缘材质制作，金属管道(14)接地并分别设有进泥口(15)及出泥口(3)，高压交流脉冲电源包括输出电压为幅值相同、周期相同、极性相反的正脉冲电源(20)及负脉冲电源(21)，当正脉冲电源(20)与内电极(6)电连接时，负脉冲电源(21)接外电极(8)；当正脉冲电源(20)与外电极(8)电连接时，负脉冲电源(21)接内电极(6)。

2.根据权利要求1所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的外电极(8)的外表面包覆有绝缘胶套(7)。

3.根据权利要求1或2所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的外电极(8)采用金属网布制作。

4.根据权利要求2所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的绝缘胶套(7)采用卡箍(4)固定于外电极(8)表面。

5.根据权利要求1所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于污泥流经管(9)采用透明的绝缘材质制作。

6.根据权利要求1所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的连接法兰包括设置于污泥流经管(9)连接的绝缘法兰(11)、设置于金属管道(14)连接的金属法兰(12)。

7.根据权利要求1所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于金属管道(14)外端分别设有第一金属法兰封头(2)、第二金属法兰封头(13)。

8.根据权利要求7所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的内电极(6)通过外表面包覆的绝缘护套固定于第一金属法兰封头(2)和第二金属法兰封头(13)之间，内电极(6)外表面包覆的绝缘护套一端与第一金属法兰封头(2)通过螺纹装配，内电极(6)外表面包覆的绝缘护套另一端插装固定于第二金属法兰封头(13)内侧开设的中心凹槽内。

9.根据权利要求1所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的正脉冲电源(20)、负脉冲电源(21)输出的正、负脉冲电压的相位差为零或半个周期中的一种。

10.根据权利要求1所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的内电极表面沿轴向设有螺旋形导流板(18)。

11.根据权利要求1所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的污泥流经管(9)两端设有观察窗口(17)。

12.根据权利要求1所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的进泥口(15)与金属管道(14)边缘切向连接导通。

13.根据权利要求1-2、4-12中任一项所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于还包括一金属支架(10)，位于污泥流经管(9)两端的金属管道(14)表面架设于金属支架(10)顶部并通过管卡(22)固定，金属支架(10)上设置有接地端子(16)和高度调节装置(19)。

14.根据权利要求13所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置，其特征在于所述的高度调节装置(19)采用螺纹进给机构或定位销机构。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的改进的高压交流脉冲污泥分解装置在污泥分解中的应用。

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