CN111423087B

CN111423087B - 一种教学用污泥脱水机及教学使用方法

Info

Publication number: CN111423087B
Application number: CN202010200701.5A
Authority: CN
Inventors: 茅昌平; 栗天宁; 宋政锦; 杨张阳
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2040-03-20
Also published as: CN111423087A

Abstract

本发明公开了一种教学用污泥脱水机及教学使用方法。所述污泥脱水机包括外部加载系统、内部过滤系统、量测系统、水体收集系统和加热系统；所述外部加载系统用于向内部过滤系统提供压力使污泥脱水；所述水体收集系统用于将内部过滤系统脱除的水进行收集；所述量测系统用于测量外部加载系统提供的所述压力和产生的位移、内部过滤系统的脱水流量和流速、以及水体收集系统收集水的质量；所述加热系统用于外部加载系统工作结束后对内部过滤系统进行加热。该污泥脱水机可用于污泥方向的课堂教育，其从污泥脱水的路径出发，增加排水通道，缩短排水路径，提高脱水效率和工作效率，同时结合试验教学，配备相应的模块，培养污泥方向的专业技术人才。

Description

一种教学用污泥脱水机及教学使用方法

技术领域

本发明涉及污泥脱水教学领域，尤其涉及一种教学用污泥脱水机及教学使用方法。

背景技术

污泥的脱水问题一直是环境岩土工程领域的重点难题，亟待突破。污泥的颗粒成分非常细小，渗透系数一般在10^-8～10^-11m/s，非常低，排水异常困难，容易产生堵塞问题。目前常用的方法有大面积摊铺，曝晒蒸发使得水分脱离污泥，但是这种方法时间长，受天气影响大，并且会产生气体等环境污染。还有其他方法如真空过滤脱水法、离心脱水法、滤带式脱水法、板框式脱水法等，其中离心脱水法和滤带式脱水法脱出的污泥含水率大约在80％左右，板框式脱水法脱出的污泥含水率大约在70％左右，滤效率低，难以满足脱水要求，其原因在于脱水过程中，未考虑脱水路径以及工作效率等。污泥脱水机现有专利主要集中在滤片轴(中国专利文献CN109133565A)、挤压滚筒(中国专利文献CN110422983A)、搅拌轴(中国专利文献CN105776813B)、叠螺式等脱水方式(中国专利文献CN107777856A)，均未考虑脱水路径和工作效率以及能耗。此外，污泥脱水的研究进展十分缓慢，缺乏大量的工程技术人员，关键在于污泥方向在本科和研究生阶段的课堂教育开展较少，尤其是实验室的教学极其缺乏。专利CN206975902U公开了一种污泥处理处置综合实训系统，包括污泥收集系统、污泥处理处置系统、尾气处理系统及电气控制系统，所述污泥收集系统对剩余污泥进行收集，为污泥处理处置系统提供污泥，所述污泥处理处置系统包括浓缩、消化、脱水、堆肥步骤，对污泥进行处理，所述的尾气处理系统主要针对堆肥产生的尾气进行除臭处理，所述的电气控制系统提供动力控制，将污泥处理处置系统浓缩成教学设备；然而，并未公开污泥脱水步骤的具体教学研究方法。专利CN209322691U公开了一种压滤污泥脱水装置，包括空气压缩机、压滤室和滤液收集器；所述压滤室包括盖板、空腔筒体和底盖；所述盖板上分布有进气阀门和排气阀门；所述空腔筒体内部含有活塞；所述活塞边缘嵌入密封橡胶圈；所述底盖上分布有导流孔；所述导流孔上垫有隔离滤布；所述隔离滤布上垫有隔离钢网。该实用新型仅仅解决了验证污泥的实际脱水效果困难的问题，然而该装置仅通过底部脱水，无法研究脱水路径以及工作效率等的影响，不适合课堂教育的多种教学需求。

上述情况导致课堂教育缺乏污水脱水机试验仪器的现状一直存在，亟需解决。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种教学用污泥脱水机，不仅能够采用对污泥加载和压缩的方法，高效率地进行污泥和水的分离；同时，由于配备相应模块，可用于结合试验教学。

本发明的另一目的在于提供上述装置的教学使用方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现的。

一种教学用污泥脱水机，包括外部加载系统、内部过滤系统、量测系统、水体收集系统和加热系统；

所述外部加载系统用于向内部过滤系统提供压力使污泥脱水；

所述水体收集系统用于将内部过滤系统脱除的水进行收集；

所述量测系统用于测量外部加载系统提供的所述压力和产生的位移、内部过滤系统的脱水流量和流速、以及水体收集系统收集水的质量；

所述加热系统用于外部加载系统工作结束后对内部过滤系统进行加热；

所述内部过滤系统包括置于容器内滤板组件，所述滤板组件包括分别由过滤层包裹的上滤板、下滤板、以及连接上滤板和下滤板的竖向结构，所述上滤板、下滤板、竖向结构均为中空且均设有小孔，上滤板、竖向结构、下滤板依次连通，竖向结构采用形状记忆材料，所述竖向结构包括若干块竖向板和连接相邻竖向板的水平杆，所述水平杆从上至下均匀分为若干层；上滤板上方、下滤板下方分别设有排水层，所述排水层均与所述水体收集系统相连。

本发明设计了滤板组件的特殊结构，同时滤板组件中竖向结构的竖向板和水平杆采用形状记忆材料如镍钛合金等，竖向结构先在一定压力下产生变形，当压力消失后，加热会使其恢复原状；因此，通过外部加载系统、内部过滤系统和加热系统能够使本污泥脱水机反复进行试验。另一方面，中空的上滤板、下滤板、竖向结构上均设有小孔，且其外分别包裹过滤层(如滤布)，通过过滤层和小孔的作用使污泥和水分离，水进入滤板组件中空的内部，最终从上滤板、下滤板上的小孔进入排水层；在压力作用下，除了上滤板和下滤板外，竖向结构也能同时过滤，减小了上下两个滤板的工作量，提高了工作效率。

此外，通过量测系统和其他系统的配合，可以进行以下教学工作：1.污泥脱水过程中，依据污泥下降的位移和排水量，计算此时污泥的含水率，达到设计时的含水率，即可停止脱水，达到定量化污泥脱水的目的。2.可以提出污泥脱水时的下降位移，要求学生计算出含水率，同时计算流出水体的密度，开展教学工作。

优选的，所述水平杆也为中空，用于连通相邻两竖向板。

优选地，所述竖向结构包括相互平行设置若干块竖向板；所述水平杆从上至下分为三层，每层有若干个；所述竖向板和水平杆上均匀分布有小孔。更优选的，所述竖向结构包括相互平行设置的三块竖向板；所述水平杆从上至下分为三层，每层2个。

优选的，所述上滤板、下滤板采用聚偏氟乙烯。上滤板、下滤板采用聚偏氟乙烯，可防止污水的腐蚀作用，强度高、不易变形。

优选的，所述过滤层为滤布，滤布单孔径50μm；可以有效过滤消化污泥和活性污泥。

优选的，所述水体收集系统包括真空泵、储水腔、管道及设于管道上的阀门，所述储水腔通过管道与所述排水层相连；所述真空泵与储水腔相连，用于将所述排水层的液体抽到储水腔中。

优选的，所述量测系统包括带有显示屏的控制器、称量装置和流量计，所述控制器与外部加载系统电连接，显示屏用于显示外部加载系统的压力和污泥脱水时的位移；所述流量计安装于所述管道上，用于显示液体流量和流速；所述称量装置设于储水腔的下方，用于称量储水腔储水后增加的重量。

优选的，所述排水层分为上排水层和下排水层，与所述上排水层和下排水层相连的管道支路上均设有阀门，两管道支路合流后通过流量计与所述储水腔相连。基于该结构，在教学过程中可以通过不同阀门的启闭，实现单面排水模式和双面排水模式，不仅可以探索重力对排水的影响，还可以比较污泥脱水的工作效率，同时可以开展土力学不同固结排水方式下的教学工作。

更优选地，在两管道支路分别设置孔压计；所述孔压计可采用现有，通过孔压的测量，可以开展固结度的教学工作，具体如下：

平均固结度公式

其中U是平均固结度，H是有效排水距离，p是附加应力，即外荷载应力；

其中S是最大沉降量，a_v是压缩系数，e₁是初始孔隙比；

S_t＝US，其中S_t是t时候的沉降量，即下降位移，可与实测数据核对，考察学生的理解和计算能力。

优选的，所述排水层为排水砂；排水砂具有一定的抗压承载能力，空隙用来排水。

所述外部加载系统可采用现有，通过电机操控下压，给予污泥一定的压力达到脱水的目的。优选的，所述外部加载系统设于所述容器的上方，所述外部加载系统包括液压杆和加载板，所述加载板设于液压杆的底端，所述加载板底部设有压力传感器。外部加载系统的压力通过加载板上的压力传感器测量，污泥脱水时的位移即加载板接触上滤板上方的排水层后发生的位移，所述压力和位移数据通过控制器处理后由显示屏显示。

优选的，所述储水腔上设有体积刻度，用于显示装入水的体积。通过称量装置和刻度显示的体积数据，可以计算出水的密度值。

本发明还提供一种所述的教学用污泥脱水机的教学使用方法，包括如下步骤：向容器的滤板组件中加入污泥，利用外部加载系统向滤板组件加压，竖向板产生形变，记录外部加载系统向下压时下降高度和压力变化曲线；结合水体收集系统和量测系统的作用，计算污泥的实时含水率或目标污泥体积或目标下降高度。

本发明还提供一种所述的教学用污泥脱水机的教学使用方法，在外部加载系统运行的过程中，每隔单位时间通过量测系统记录所述流量和压力，重复实验且分别只打开某一管道支路上的阀门，每隔同样的单位时间通过量测系统记录流量和压力，计算得到排水环境下不同排水面的排水效率。

优选的，外部加载系统工作结束后，使其提升至初始状态，打开加热系统对内部过滤系统进行加热，去除剩余水汽，使竖向板复位。同时，加热系统的加温加热还可用于消毒。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明装置用于污泥的脱水处理，方法简单，操作方便安全，污泥脱水率高，从污泥脱水的路径出发，增加竖向板排水通道，缩短排水路径，提高脱水效率和工作效率，同时可以用于试验教学，配备相应的模块，进行探索加载压力和水流速的关系、模拟简单的固结排水来分析单面和双面排水的差别、计算含水率等教学工作，培养污泥方向的专业技术人才。

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1滤板组件的立体示意图。

图3为图2中竖向板的主视示意图。

图中：1、液压杆；2、真空泵；3、储水腔；4、流量计；5、第一阀门；6、第二阀门；7、固定部；8、容器；9、加载板；10、上排水层；11、上滤板；12、竖向结构；121、竖向板；122、水平杆；13、开关；14、加热板；15、下排水层；16、下滤板；17、底座；18、控温按钮；19、控制器；20、显示屏；21、称量装置。

具体实施方式

以下将结合附图对本专利中各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本专利所保护的范围。

在本专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。需要指出的是，所有附图均为示例性的表示。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本专利做进一步的详细描述。

所述外部加载系统包括液压杆1和加载板9，加载板9设于液压杆1的底端，加载板9底部设有压力传感器，外部加载系统(采用两级三菱伺服电机，型号为MR-J3，Fmax＝200kN，v＝10mm/min)，用于向内部过滤系统提供压力使污泥脱水；所述液压杆1可采用现有方式固定。

所述水体收集系统包括真空泵2、储水腔3、分别与上排水层10/下排水层15相连的管道支路及设于管道支路上的第二阀门6/第一阀门5，所述储水腔3通过管道支路上的第二阀门6/第一阀门5与上排水层10/下排水层15相连；所述真空泵2与储水腔3相连，用于将排水层的液体抽到储水腔3中进行收集；所述储水腔3上设有用于测量水体的刻度(储水腔3精度为mm，储水腔3结合流量计4配合使用，流量计型号DN4A)。

所述量测系统包括带有显示屏20的控制器19、称量装置21和流量计4，所述控制器19与外部加载系统电连接，(控制器19为数据采集同步显示控制器，型号为TWJ，实现

压力-沉降即下降高度-时间的数据采集，以及压力-流量-时间的数据采集)，显示屏20用于显示外部加载系统的压力和污泥脱水时的位移(并且显示排水效率，固结度以及此时污泥含水率)；所述流量计4安装于管道上，用于显示内部过滤系统脱水流量和流速；所述称量装置21设于储水腔3的下方，用于称量储水腔3储水后增加的重量即水体收集系统收集水的质量；

所述加热系统可采用现有，用于外部加载系统工作结束后对内部过滤系统进行加热；具体的，所述加热系统包括加热板14、加热板开关13、控温按钮18(加热系统型号为DN200，控制温度为60-80℃)；

所述内部过滤系统包括置于容器8内滤板组件，滤板组件包括分别由过滤层包裹的上滤板11、下滤板16、以及连接上滤板11和下滤板16的竖向结构12，所述上滤板11、下滤板16、竖向结构12均为中空且均设有小孔(小孔孔径d＝1-2mm)，上滤板11、竖向结构12、下滤板16依次连通。竖向结构12采用形状记忆材料，所述竖向结构12包括若干块相互平行等距设置竖向板121和连接相邻竖向板121的水平杆122。所述滤板组件内各部件采用固连方式相互连接，同时水平杆122、竖向板121、上滤板11、下滤板16及其连接处均具有一定的伸缩弹性。所述水平杆122从上至下均匀分为若干层；上滤板11上方、下滤板16下方分别设有排水层，上排水层10、下排水层15均与水体收集系统的流量计4相连。

实施例1

更具体的，如图1-3所示，提供了一种具体结构的教学用污泥脱水机，包括外部加载系统、内部过滤系统、量测系统、水体收集系统和加热系统；

所述外部加载系统包括固定部7、液压杆1和加载板9，所述固定部7包括顶板和固定杆，液压杆1固定于顶板，顶板与加热系统的底座17之间通过四根固定杆固定相连。

所述内部过滤系统包括置于容器内滤板组件，滤板组件包括分别由滤布包裹的上滤板11、下滤板16、以及连接上滤板11和下滤板16的竖向结构12。上滤板11、下滤板16的参数为：长＝20cm,宽＝20cm,高＝4cm。所述竖向结构12包括三块竖向板121(竖向板121参数：宽＝3cm,长＝20cm,高＝24cm，最外侧竖向板距离上/下滤板的平行边缘距离为2.5cm)和连接相邻竖向板121的水平杆122(水平杆122的参数：直径＝3cm,长＝3cm)；所述水平杆122从上至下分为三层，每层2个(相邻竖向板间距3cm。相邻水平杆间距6cm，最上/下层水平杆距离上/下滤板边缘距离为1.5cm，水平杆距离竖向板的竖直边的距离最近为4cm，此时排水路径短、均衡性变形，否则变形不协调)。所述竖向板121、水平杆122均采用形状记忆合金，上滤板11、下滤板16采用耐腐蚀、强度高、不易变形的材料，所述滤布单孔径50μm；上滤板11上方、下滤板16下方分别设有上排水层10、下排水层15，上排水层10、下排水层15均与水体收集系统的流量计4相连。排水层采用排水砂，排水砂的空隙用来排水。

所述水体收集系统包括真空泵2、储水腔3、分别与上排水层10/下排水层15相连的管道支路及设于管道支路上的第二阀门6/第一阀门5，所述储水腔3通过管道支路上的第二阀门6/第一阀门5与上排水层10/下排水层15相连；所述真空泵2与储水腔3相连，储水腔3壁上有刻度；控制第二阀门6/第一阀门5开关可以实现双面排水和单面排水，还可以探索重力对于排水的影响；

所述量测系统包括带有显示屏20的控制器19、称量装置21和流量计4，所述控制器19与外部加载系统电连接，显示屏20用于同步显示加载板9给予污泥的压力和污泥脱水时加载板9接触上排水层10后的位移；所述流量计4安装于管道上，用于显示管道上脱水流量L和流速L/min；所述称量装置21设于储水腔3的下方，用于称量储水腔3储水后增加的重量即水体收集系统收集水的质量；

所述加热系统包括底座17、加热板14、加热板开关13、控温按钮18；加热板14与内部过滤系统的容器底部位置对应。

实施例2

污泥脱水机的使用和教学方法：

1、实验前准备：

将内部过滤系统的容器8固定在底座17的加热板14上方，取出上滤板11和上排水层10，向容器中倒入污泥，污泥体积V₁和质量m₁已知，倒入的过程中注意均匀倒入，尽量使容器内污泥界面不要一边高一边低，盖上上滤板11并固定，放置上排水层10，将固定杆安装连接在底座17上，并将上部液压杆1和顶板连接好，顶板固定在固定杆顶端，接着将液压杆1和加载板9连接固定。将第二阀门6所在的管道支路和第一阀门5所在的管道支路分别连接上排水层10和下排水层15，两管道支路汇流后依次安装好流量计4和储水腔3，将储水腔3放到称量装置21上，储水腔3连接真空泵2，液压杆1的上部通过电路连接控制器19，控制器显示屏20显示加载板9的下降高度和压力变化曲线。

2、使用污泥脱水机进行污泥脱水并教学：

打开真空泵2，打开第一阀门5和第二阀门6，打开称量装置21，打开控制器19，液压杆1在电力的作用下逐渐向下压缩污泥，此时观察压力的变化，在刚开始向下压缩时，上滤板11还未触碰到污泥，此时应力会缓慢增长，在上滤板11开始接触污泥时，压力的增长速度会加快，用已知的污泥体积V₁除以容器底面积S得出污泥界面高，通过显示屏20上的加载板9向下位移值和压力，结合污泥的高来分析上滤板11触碰到污泥的用时以及前后压力的变化。

在真空泵2作用下，污泥脱出的水会通过管道进入储水腔3，储水腔3中的入水速度会呈现出一个逐渐增加然后下降的趋势，在某一时刻，观察称量装置21的电子秤，显示数值为M_秤，观察刻度为V_秤，则M_秤/V_秤为水体的密度ρ，并且可以算出此时容器8中剩余污泥的含水率，假设初始含水率为P₁，根据公式V₁/V_now＝(100-P_now)/(100-P₁)，其中P_now为此时污泥的含水率、V_now为此时污泥的体积，也可以通过初始含水率P1和初始污泥质量m₁求得污泥中水的质量P₁×m₁，用(P₁×m₁-M_秤)/(m₁-M_秤)求得当前污泥含水率，也可以根据设计含水率计算达到要求时的污泥体积，结合污泥在容器中的底面积推算污泥高(根据M_秤＝hsρ，s为污泥在容器中的底面积，ρ为水体的密度，求得h为下降位移)，求得此时加载板9的下位移量。

实验进行中从水流入管道开始计时，每隔30s记录流量计4的读数，同时记录显示屏20中压力的值，重复实验，分别只打开第二阀门5和第一阀门6，同样每隔30秒记录流量计4的读数，对比排水环境下不同排水面的排水效率，同时可以开展土力学不同固结排水方式下的教学工作。通过孔压的测量，可以开展固结度的教学工作。具体如下：

平均固结度公式

其中U是平均固结度，H是有效排水距离，p是附加应力，即外荷载应力；u为

其中S是最大沉降量，a_v是压缩系数，e₁是初始孔隙比；

压缩完毕后，使用控制器19将液压杆1提升到初始状态，打开电热板14的开关13，并调节控温按钮18，设定温度加热到400℃，此时真空泵2保持开启，将多余水汽吸出。关闭真空泵2，关闭电热板14的开关13，将上排水层10和上滤板11取下，将脱水容器瓶身取下，取出滤板组件进行清洗。将压缩后的固态污泥和储水腔3中水质量求和，和m₁对比，开展质量损耗原因的教学与讨论工作。

根据研究者自身需要，可以更换不同类型的污泥，进一步通过实验探索不同类型的污泥的含水率与压力的关系等，并开展相关教学实验工作。

以上实施例详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的权利要求书和技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种教学用污泥脱水机，其特征在于，包括外部加载系统、内部过滤系统、量测系统、水体收集系统和加热系统；

所述水体收集系统用于将内部过滤系统脱除的水进行收集；

2.根据权利要求1所述的一种教学用污泥脱水机，其特征在于，所述竖向结构包括相互平行设置若干块竖向板；所述水平杆从上至下分为三层，每层有若干个；所述竖向板和水平杆上均匀分布有小孔。

3.根据权利要求1所述的一种教学用污泥脱水机，其特征在于，所述水体收集系统包括真空泵、储水腔、管道及设于管道上的阀门，所述储水腔通过管道与所述排水层相连；所述真空泵与储水腔相连，用于将所述排水层的液体抽到储水腔中。

4.根据权利要求3所述的一种教学用污泥脱水机，其特征在于，所述量测系统包括带有显示屏的控制器、称量装置和流量计，所述控制器与外部加载系统电连接，显示屏用于显示外部加载系统的压力和污泥脱水时的位移；所述流量计安装于所述管道上，用于显示液体流量和流速；所述称量装置设于储水腔的下方，用于称量储水腔储水后增加的重量。

5.根据权利要求4所述的一种教学用污泥脱水机，其特征在于，所述排水层分为上排水层和下排水层，与所述上排水层和下排水层相连的管道支路上均设有阀门，两管道支路合流后通过流量计与所述储水腔相连。

6.根据权利要求1所述的一种教学用污泥脱水机，其特征在于，所述外部加载系统设于所述容器的上方，所述外部加载系统包括液压杆和加载板，所述加载板设于液压杆的底端，所述加载板底部设有压力传感器。

7.权利要求1-6任一项所述的教学用污泥脱水机的教学使用方法，其特征在于，包括如下步骤：向容器的滤板组件中加入污泥，利用外部加载系统向滤板组件加压，竖向板产生形变，记录外部加载系统向下压时下降高度和压力变化曲线；结合水体收集系统和量测系统的作用，计算污泥的实时含水率或目标污泥体积或目标下降高度。

8.权利要求5所述的教学用污泥脱水机的教学使用方法，其特征在于，在外部加载系统运行的过程中，每隔单位时间通过量测系统记录流量和压力，重复实验且分别只打开某一管道支路上的阀门，每隔同样的单位时间通过量测系统记录所述流量和压力，计算得到排水环境下不同排水面的排水效率。

9.根据权利要求8所述的教学用污泥脱水机的教学使用方法，其特征在于，外部加载系统工作结束后，使其提升至初始状态，打开加热系统对内部过滤系统进行加热，去除剩余水汽，使竖向板复位。