CN111902372A - 改进的脱水方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于对污水污泥进行处理的方法和设备，该方法包括向污泥施加多个超细气泡以形成至少部分曝气的污泥，用于向曝气的污泥施加声能以搅动至少一部分超细气泡，以及向曝气的污泥施加电场以对超细气泡赋予电泳迁移率，从而促进污泥中水分子与固体物质的分离和水分子的运输。

Description

改进的脱水方法和设备

技术领域

本发明涉及污水和废水处理，尤其涉及一种用于对污水污泥进行脱水的改进方法和设备。

背景技术

大多数现有脱水系统(即将水与固体废物分离)都是被设计用于大规模和高量废水处理。常规的系统通常以可以集成到工业现场流程中的独立单元的形式提供。这些单元中的许多已经运行了数十年，并作为现成的装备被购买。诸如离心机、皮带和板式过滤器、真空过滤之类的通用脱水装备可用于大规模应用，而用于干燥污泥的热系统在现有技术中已为人们所知很长时间了。

已经尝试对一些现有单元按比例缩小以用于较小的工业现场。然而，在大多数情况下，处理能量效率始终会降低。大规模系统通常每吨污泥使用6kWh至98kWh进行脱水，同时发现随着系统按比例缩小，每吨的能量消耗会增加。近来，特别是在中小型规模上，一些常规的脱水系统已经适应于使用电动(EK)过程，这些电动过程利用水和颗粒分子的极性性质以通过在整个污水污泥中感应电场来促进分离。

然而，尽管基于EK过程的脱水系统产生了有益的效果，但是产量和能量效率还不是特别令人满意。因此，常规的EK系统没有足够的脱水速率来使其用作工业应用的功能单元。

发明内容

因此，本发明的目的是减轻或克服现有技术中的上述缺点和问题，并提供一种用于对污水污泥进行脱水的可靠且能量有效的方法和设备。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于对污水污泥进行处理的脱水方法，该方法包括：

向污泥施加多个超细气泡，以形成至少部分曝气的污泥；

向曝气的污泥施加声能，以搅动至少一部分超细气泡；

以及

向曝气的污泥施加电场以对超细气泡赋予电泳迁移率，从而促进污泥内水分子与固体物质的分离和水分子的运输。

发现提供一种包括向污泥施加超细气泡并施加声能以搅动至少一部分超细气泡的脱水方法是特别有利的，因为与常规的污泥脱水系统相比，可以在相对较低的能量输入下实现高脱水速率。

本发明旨在通过将呈颗粒或絮状物(悬浮在液体中或从液体中沉淀出来的絮状物质的小的、松散聚集块)形式的固体废物与保留水分离来使污水污泥脱水，该保留水包括自由水、通过物理和化学力保持在胶体和颗粒悬浮物内的间隙水(interstitial water)以及保留在内部细胞壁中的水。该方法可以应用于所有与有机物有关并含有有机物的污泥，这些污泥诸如但不限于污水污泥处理(例如，原始的、初级的、SAS等)、生物质淤浆、COD/BOD(化学需氧量/生化需氧量)废水、来自厌氧消化厂的消化剩余物、生食品和熟食品的加工和制造废水、纸和纸浆加工废水、制革、矿物质、采矿工业废水等。

本方法利用多种技术来执行脱水过程。

作为预处理步骤，可使污水污泥穿过浸渍单元或浸渍器，以确保通过粉碎将所有较大的外来物料或固体破碎或压碎成至少<12mm、最优选<2mm的尺寸。

在示例性实施例中，污泥被收集在储槽中。然后，对污泥施加超细气泡(UFB)，这些超细气泡被注入污泥的体积中或渗透到污泥的体积。

“超细气泡”或“UFB”是指具有的气泡直径小于约50μm的任何气泡。UFB具有某些特性。例如，与直径大于50微米的气泡不同，UFB不受斯托克斯定律的严格限制，并因此通常不会上升到污泥表面。

优选地，超细气泡具有的直径小于约40μm，例如小于30μm或小于20μm。特别优选地，超细气泡具有的直径小于约10μm。替代性地，可以说超细气泡具有的直径高达约50μm。优选地，超细气泡具有的直径高达约40μm，例如高达约30μm，或高达约20μm。特别优选地，超细气泡具有的直径高达约10μm。

当所产生的气泡具有的气泡直径小于10μm时，UFB的尺寸可能会减小。假设这是因为气泡的内部气相压力相对于外部液体的压力为正，导致气体溶解在液相中。由于这种相差，使得UFB在重力上很稳定，并且尺寸减小到纳米级。这样使得能够在污泥介质中保持高浓度的UFB，而不会损失UFB。

在一些实施例中，UFB的尺寸减小以具有小于约400nm的直径。在特别优选的实施例中，UFB的尺寸减小以具有小于约300nm的直径。

气泡直径的减小影响气泡的体积，因为气泡体积的表面积(A)与气泡直径(D)的减小成比例地增加。因此，与较大的气泡相比，超细气泡的表面积与体积之比更高。

可以使用各种方法和专有装备来在液体和污泥中产生UFB。一些利用使用涡轮混合器或其他机械动力装置进行的机械液体剪切，而另一些使用通过特殊设计的陶瓷或金属格栅喷射的压缩空气来产生UFB。

UFB的尺寸和尺寸分布可能会根据用来产生UFB的方法而有所不同。例如，在使用通过特殊设计的陶瓷喷射的压缩空气来产生UFB的情况下，可以通过改变产生气泡的陶瓷喷嘴的孔径来改变UFB的尺寸和尺寸分布。

如果UFB在干净的水中产生，则可能有多达90％的进气量都转化为UFB。然而，在本发明中，UFB在污水污泥中产生并可能因此具有降低的转化率。转化率％取决于总固体％。在一些实施例中，转化率在约20％至约50％之间。

任何常规的超细气泡发生器都可以与本发明结合使用，而不会牺牲其任何益处或优点。

因此，如本文所用，术语“曝气的污泥”旨在表示已经受一定投加量的UFB并且其中在污泥内已经保留了高浓度的气泡的污泥。

应当理解，向污泥施加UFB的步骤可以优选地根据需要而重复多次，使得可以根据具体的处理和加工要求在污泥中建立任何程度投加量或浓度的UFB。在优选的实施例中，UFB的有效投加量为污泥体积的>0.05％，优选高达约20％的体积。在特别优选的实施例中，UFB的有效投加量高达污泥体积的约5％。尽管可以理解，投加量百分比不限于该范围，但其可以变化以适合被处理的污泥和/或设备的构造等。

对污泥定量投加UFB后，对曝气的污泥施加声能。在示例性实施例中，声能包括超声波，其频率在优选地约10kHz至约50MHz、最优选地约16kHz至约20kHz的范围内。

在优选的实施例中，将曝气的污泥泵入超声流反应器或类似的容器中，其可从专有供应商处购得。任何合适的超声发生器可以与本发明结合使用。超声发生器的功能是搅动污泥中的UFB的至少一部分，从而产生空化和其他次级作用。

在声空化过程中，随着声波传播穿过污泥，UFB膨胀并经历径向运动。产生的气泡的尺寸范围可以从直径为微米减小到4nm至300nm。当UFB气泡(即“空化气泡”)暴露于正弦超声波时，它们自然会经历收缩(负)和膨胀(正)波循环。当空化气泡膨胀时，更多的气体由于其较大的表面积而扩散到空化气泡中；而当气泡被压缩时，由于表面积减小而使较少的气体扩散出去。在每个循环中，气泡的尺寸都会增长。最终，气泡达到一个共振尺寸，这时有两种可能的结果：气泡剧烈溃灭(collapse)(瞬态空化)或气泡和缓地分裂，然后气泡碎片暴露于超声波下以引起新的增长循环(稳定的空化)。UFB空化过程可能会引起物理和/或化学作用，这些作用可以增强热化学/生化反应等。

在本发明中发现，空化气泡的不对称溃灭优选地产生高速的微射流，其朝着超声流反应器的壁传播。气泡的溃灭还会在污泥中产生相对较强的冲击波，而产生的朝向或远离溃灭气泡的液体脉冲运动会导致微对流。已知，气泡溃灭还使得计算出的局部绝热温度超过5000K。这种微对流优选地增强了污泥中液体和固体颗粒的输送，该输送也可能产生力，取决于超声流反应器内的特定条件，该力可以引起乳化或分散。乳化或分散由在界面处或界面附近的空化诱导溃灭引起，该溃灭导致破碎和混合，从而使得形成非常细的乳液。空化的气泡可引起对液体内相界的强有力的机械破碎。

强大的冲击波和微射流产生巨大的剪切力，该剪切力能够将污泥内的液体散射成微小的液滴和/或将固体颗粒散射成较细的材料，诸如粉末(其保留在溶液中)。

发现对污泥中固体物质的细胞破碎/损坏程度与具有足够的能量来克服细胞损坏所需的最小能量(活化能)的气泡溃灭的数量成正比，并且该程度与每单位体积污泥中的细胞浓度、气泡数量和碰撞频率有关。

在超声处理之前向污泥中添加UFB可以大大增强上述效果。固体物质由溶解的有机固体、不溶的固体和生物质细胞物质组成。除去自由水相对容易，但当除去间隙水、胶体水和细胞间水时，能量消耗和复杂性会增加。因此，将定量投加UFB和超声联合施加到污泥会破坏细胞结构，并使结合在细胞中的水以自由水的形式被回收，而又不会显著增加系统的能量输入。

此外，本方法的另一个优点是，它还增强了对污泥中任何病原体的细胞壁的破坏，或削弱了污泥中任何病原体的细胞壁，从而使得固体废物和释放的出水几乎没有病原体。

在优选的实施例中，施加在污泥上的超声的频率在超声流反应器中进行处理期间变化。发现，频率的变化使超声处理对UFB的影响最大化，并进一步增强了对UFB的空化作用，因为它使气泡受到增强的搅动，导致每单位体积的污泥中有更多数量的气泡溃灭。在示例性实施例中，频率从约10kHz到约20kHz变化，例如从约12kHz到约18kHz变化。最优选地，最佳频率以约16kHz为中心。然而，取决于所处理的污泥，可以使用更宽的频率范围，因此，根据所使用的特定布置，其他最佳频率可以高于或低于约16kHz。例如，在一些实施例中，频率从约16kHz到约20kHz变化。

在另一个优选实施例中，超声发生器可以包括至少两个换能器(transducer)，每个换能器产生相同频率或不同频率但沿相反方向传播的声波。

在至少两个换能器各自产生相同频率的声波的实施例中，可以在污泥中产生超声驻波。在优选的实施例中，两个换能器各自产生频率在约10kHz到约20kHz之间的声波。在特别优选的实施例中，两个换能器各自产生频率为约16kHz的声波。

驻波可能会增强对UFB的空化和次级作用。空化溃灭的过程通过UFB的共振膨胀和收缩而传播穿过污泥。发现当驻波在所使用的频率范围内建立时，可以进一步增强该过程，从而利用驻波的波节和波腹来增强污泥中细胞、絮状物和聚集材料的分散和破碎。当然，应当理解，取决于特定条件和/或待处理的污泥，可以在超声流反应器内以相同或不同的频率产生任何数量的驻波。

在一些实施例中，可能优选的是不产生驻波。例如，如果颗粒卡在驻波的波节和波腹处。在这些实施例中，优选使用至少两个换能器，每个换能器产生不同频率的声波。在优选实施例中，一个换能器产生频率在约10kHz到约20kHz之间的声波，而另一个换能器产生在约10kHz到约20kHz之间的不同频率的声波。例如，一个换能器可以产生频率为约16kHz的声波，而另一个换能器可以产生频率为约18kHz的声波。在另一示例中，一个换能器可以产生频率为约19kHz的声波，而另一个换能器可以产生频率为约20kHz的声波。

在又一个实施例中，四个换能器各自产生不同频率的声波，例如频率为约16kHz、约18kHz、约19kHz和约20kHz的声波。

取决于处理设备的设置，可以包括单独的换能器板的换能器的相对几何形状可以是正方形、六边形、八边形或任何其他合适的构造。

该过程导致絮状物长度和分形颗粒尺寸的减小。术语“絮状物长度”是指絮状材料的小的松散聚集块的平均长度。术语“分形颗粒”是指具有不同分形维数的几何颗粒，该颗粒的豪斯多夫·贝西科维奇(Hausdorff-Besicovitch)维数大于其拓扑维数。该过程优选将絮状物长度/分形颗粒尺寸减小至小于3.0mm。例如，该过程可以将絮状物长度/分形颗粒尺寸减小到小于2.95mm。在特别优选的实施例中，该过程可以将絮状物长度/分形颗粒尺寸减小至小于2.8mm。

在优选的实施例中，然后将污泥转移到能够向污泥施加电场的另一容器。优选地，该容器为电动反应器(EKR)的形式。下面结合本发明的第二方面来对EKR的构造进行更详细地描述。然而，总而言之，EKR最优选地由惰性材料和/或导电材料(诸如沙子、沸石或其他半导电材料)构成。

术语“沸石”是指包含钠、钾、钙和钡的铝硅酸盐矿物。可以用于构造EKR的沸石的示例包括但不限于纤沸石、钠沸石、中沸石、副钠沸石、钙沸石、四方钠沸石、钡沸石、硅硼钾铝石、杆沸石系列、方沸石、白榴石、铯沸石、斜钙沸石、浊沸石、汤河原沸石、古柱沸石、蒙特索马石、交沸石、钙十字沸石系列、斜碱沸石、斜方钙沸石、十字沸石、戈硅钠铝石、伯格斯石、麦钾沸石、针沸石系列、方碱沸石系列、锶碱沸石、菱沸石系列、碱菱沸石、三斜钾沸石、八面沸石系列、林德型沸石(linde type)、莫里铅沸石、丝光沸石、菱钾沸石、钡钙霞石、贝尔伯格石、硅锂铝石、毛沸石系列、镁碱沸石、钠菱沸石、插晶菱沸系列、钠钙铁矿(darchiadite)系列、柱沸石、斜发沸石、片沸石系列、钠红沸石、淡红沸石、辉沸石系列、锶沸石系列、刃沸石、五角硅沸石(pentasil)、和菱锰矿(tschernichite)，或以上的任何组合。

在一个实施例中，沸石是斜发沸石。在一个优选的实施例中，该沸石是化学式为(Na_0.5K_2.5)(Ca_1.0Mg_0.5)(Al₆Si₃₀)O₇₂·24H₂O的水合钠-钾-钙-铝硅酸盐。

在优选的实施例中，EKR的壁充当多孔阴极电极。多孔阴极的作用是它可以吸收粘附到UFB上并向EKR的阴极运输的水分子。在一些实施例中，可以将从阴极回收的出水收集在储槽或其他合适的容器中。

EKR的壁优选包含沸石，并且壁的电导率可通过添加一种或多种碳质材料来进一步增强，该一种或多种碳质材料诸如石墨颗粒、超纯石墨(UPG)或核石墨(NG)、石墨毡(GFe))、碳毡(CFe)、石墨箔(GFo)、碳箔(CFo)、片状石墨(FG)或超纯片状石墨(UP-FG)、膨胀石墨(EG)或膨胀片状石墨(EFG)、炭黑(CB)、活性炭黑(ACB)、碳纳米片(CN)或纳米碳片(NCP)、碳纳米管(CNT)和石墨烯(GR)等。

石墨是元素碳的晶体形式，其原子排列成六边形结构。石墨片或片状石墨可以是孤立的、扁平的、板状的颗粒，如果不破裂，其可能具有六边形的边缘。石墨毡是基于人造丝的材料，其可以具有约6mm至约12mm的厚度。碳毡是石墨毡的化学纯度较低的替代品。石墨箔是天然的石墨片，其已通过酸加工成连续的箔。碳箔是石墨箔的化学纯度较低的替代品。膨胀石墨或膨胀片状石墨(EFG)是石墨的合成插层化合物，其在加热时会膨胀或片状剥落。炭黑呈具有高表面积与体积比的亚晶状碳的形式。活性炭黑比炭黑具有更高的表面积与体积比。碳纳米片或纳米碳片由厚度为1纳米至15纳米的石墨烯的低叠层(例如1至4层)组成，其直径的范围为从亚微米到100微米。碳纳米管是碳的同素异形体，呈圆柱形碳分子形式。石墨烯是碳的同素异形体，由排列成六边形晶格的单层碳原子组成。

碳质材料可占壁的组成的约1％至约60％。例如，碳质材料可占壁的组成的约5％至约50％。在一些实施例中，碳质材料占壁的组成的多达约20％。例如，碳质材料可占壁的组成的多达约15％。在特别优选的实施例中，碳质材料占壁的组成的多达约10％。

EKR壁的电导率可通过施加另外的薄薄的一层碳质粉末和沸石的混合物或单独的沸石粉末来进一步增强。

EKR的阳极最优选朝向反应器的中心布置，以确保EKR内的电场对称。然而，取决于特定的EKR几何形状和/或用于污泥的处理条件，可以在EKR内的其他特定位置放置另外的阳极，以创建任何所需的电场形貌。因此，应当理解，EKR的几何形状和/或所用阳极(包括其在EKR内的相对位置)的数量并非旨在是限制性的。EKR的合适的几何形状的示例在图3中示出。通过这种几何形状，在EKR内创建电场拓扑结构，从而促使或以其他方式引起在正处理的污泥上产生电渗和电泳效应。

阳极可以由与阴极相同的材料制造，或者可以由碳、金属或金属复合材料制成。

当向EKR施加电压时，曝气的污泥将受到电场。优选地，所施加的电压在5V至100V之间的范围内，并且最优选地在30V至70V的范围内。电场对UFB的作用会由于氢氧根(OH^-)离子的优先吸附而引起负电泳迁移，该吸附是由于相间(interphase)附近的水偶极子的定向造成的，其中水偶极子的正极指向污泥中的液体。这种作用使得污泥中的水分子有效地“粘附”到UFB，当水分子朝向EKR的阴极迁移时，UFB基本上充当了水的运输载体(即运输介质)。这样，水分子然后与气泡一起被拖向多孔阴极，于是它们被阴极吸附。

此外，UFB还可以充当其他颗粒(例如，带电颗粒和偶极子分子等)的载体，并使那些颗粒在电场的作用下迁移穿过污泥。而且，UFB的存在还通过提供孔隙率而有利地降低了污泥的有效粘度，从而增强了水分子穿过EKR向阴极的运输。

污泥中的任何固体物质或固体颗粒在相应的电泳迁移率下被运输到一个或多个阳极。因此，向曝气的污泥施加电场有利于污泥中的水分子与固体物质的分离和水分子的运输。

在本发明中，有使污泥脱水而运行的两种主要的电动现象，即电渗和电泳。如本领域中已知的，电渗是由在多孔材料上施加的电势诱导液体运动；而电泳是在均匀电场的作用下分散的颗粒相对于流体的运动。尽管水分子具有总体中性电荷，但它们是极性分子。这意味着它们被溶液中的阳离子(带正电的离子)吸引并围绕这些离子定向。如果污泥被包含溶液中的离子的液体饱和，并且在污泥中建立了电场，则正离子趋于向负电极(阴极)移动。随着离子的移动，周围的水分子被有效地拖走，因此水向阴极移动。

电极反应可总结如下：

在阳极：

2H₂O→O₂+4H⁺ (1)

M_a→M_i ⁿ⁺+ne^- (2)

在阴极

2H₂O+2e^-→H₂+2OH^- (3)

M_i ⁿ⁺+ne^-→M_i (4)

M_i ⁿ⁺+OH^-→M_i(OH)_n (5)

其中M_a代表阳极金属，并且M_i是在溶液中溶解的阳离子i。反应式(1)表明阳极水解生成氧气并降低溶液的pH值。结果，如反应式(2)所示，金属阳极将腐蚀。如反应式(3)所示，溶液的pH值将在阴极处增加，并将生成氢气。阳离子通过电场被驱动到阴极，在阴极处，如反应式(4)所示，阳离子可能还原为元素金属，或如反应式(5)所示，阳离子更可能形成氢氧化物。在电动过程中，H⁺和OH^-的运动将大大改变污泥的pH。由于电极反应而在污泥上产生pH梯度。阳极处的酸前锋(acid front)将通过对流和扩散效应而穿过污泥悬浮液朝向阴极前进。最终效果是在处理的后期阶段降低阴极pH，从而使污泥的pH稳定。

已知气泡的表面可以吸附浸液中的醇类分子、离子和其他杂质或颗粒。反应式(2)表明阳离子将被吸引到阳极。带电颗粒的运动始终与水的电渗流相反。发现阴极周围的pH水平<3通常会使这些阳离子不溶。因此，固体颗粒将在阳极上积累。

在优选的实施例中，通过使EKR经受优选约300Pa至5kPa、最优选约500Pa至1.5KPa的真空，可进一步提高UFB在电场作用下的迁移率。

通过在EKR内施加射流混合可以进一步提高脱水速率。因此，可在EKR中，最优选在底部提供一个或多个射流器或射流喷射器，以使得能够将空气或额外的UFB射流喷射到污泥中来帮助提高流动性。射流可防止任何初步的污泥压实的发生或污泥中固体物质的静态层的构建，从而有助于污泥的流动性和快速的脱水速率。

从阴极回收的出水可以收集在储槽或其他合适的容器中。固体废物可以在处理后从EKR中机械地去除，并且由于出水和固体废物几乎或完全没有病原体，因此其均可用于农业、畜牧业或类似用途。替代性地，可以进一步对出水和固体进行处理以满足特定的环境排放水平，并且可以对其进行额外加工以用于可食用的农作物用途，并且在为水的情况下，可以用于饮用水标准。

应当理解，取决于特定的操作位置、处理条件和/或污泥，本方法可以作为单一的一次性过程进行操作，或者可以被循环或连续地操作。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于对污水污泥进行处理的脱水设备，该脱水设备包括：

用于产生多个超细气泡并将其注入污泥中的装置；

用于向曝气的污泥施加声能以搅动至少一部分该超细气泡的装置；

以及

用于向曝气的污泥施加电场以对超细气泡赋予电泳迁移率的装置，从而促进污泥中水分子与固体物质的分离和水分子的运输。

根据本发明的第二方面的设备旨在与根据本发明的第一方面的方法一起使用，但是不旨在仅由该用途限制。

用于产生多个超细气泡(UFB)并将其注入到污泥中的装置优选地包括气泡发生器，并且最优选地为超细气泡发生器。任何常规的超细气泡发生器可以与本发明结合使用，而不会牺牲其任何益处或优点。

用于施加声能的装置优选地包括超声发生器，其中超声发生器优选地可操作为在处理期间改变超声的频率。任何合适的超声发生器可以与本发明结合使用。如以上关于本发明的第一方面所述，超声发生器的功能是搅动污泥中的至少一部分UFB，从而产生空化和其他次级作用。

在优选实施例中，超声发生器可操作为在曝气的污泥内产生驻波。

用于向曝气的污泥施加电场的装置优选包括电动反应器(EKR)。EKR优选在结构和功能上与关于本发明的第一方面描述的EKR相同。然而，此外，EKR优选地构造为单独的板或面板(例如，形成壁)，这些单独的板或面板被组装成用于该特定应用的特定的EKR几何形状。在优选实施例中，EKR可采用类似于长矩形槽的立方结构或矩形形式。当然，应当理解，任何合适的形状都可以与本发明结合使用。

EKR最优选地由惰性材料和/或导电材料(诸如沙子、沸石或其他半导电材料)构造。在优选的实施例中，EKR的壁充当多孔阴极电极。EKR的壁优选包含沸石，并且壁的电导率可通过添加一种或多种碳质材料来进一步增强，该一种或多种碳质材料诸如石墨颗粒、超纯石墨或核石墨(NG)、石墨毡、碳毡、石墨箔、碳箔、片状石墨或超纯片状石墨(UP-FG)、膨胀石墨或膨胀片状石墨(EFG)、炭黑、活性炭黑(ACB)、碳纳米片或纳米碳片(NCP)、碳纳米管和石墨烯等。碳质材料可介于壁的组成的约1％至约60％之间。

EKR壁的电导率可通过施加另外的薄薄的一层碳质粉末和沸石的混合物或单独的沸石粉末来进一步增强。

EKR的阳极最优选朝向反应器的中心布置，以确保EKR内的电场对称。然而，取决于特定的EKR几何形状和/或用于污泥的处理条件，可以在EKR内的其他特定位置放置替代的和/或另外的阳极，以创建任何所需的电场形貌。

因此，应当理解，EKR的几何形状和/或所用阳极(包括其在EKR内的相对位置)的数量并非旨在是限制性的。EKR的合适的几何形状的示例在图3中示出。通过这种几何形状，可以在EKR内创建电场拓扑结构，从而促使或者以其他方式引起在正处理的污泥上产生电渗和电泳效应。

阳极可以由与阴极相同的材料制造，或者可以由碳、金属或金属复合材料制成。

EKR的壁优选使用在使用中不会溶解或腐蚀的环氧树脂或其他非腐蚀性树脂/粘结剂组合物和优选为沸石/碳质混合物的颗粒介质来浇铸并模制成所需的形式。合适的树脂/粘结剂的示例包括但不限于碳纳米管环氧复合材料、导电纳米管复合添加剂和两组分环氧基粘合剂。当树脂/粘结剂是两组分环氧基粘合剂时，一种组分可以包含双酚A-表氯醇(bisphenol A-epichlorohydrin)环氧树脂，而另一种组分可以包含丁二醇二缩水甘油醚。这种树脂/粘结剂在本文中可以被称为“爱牢达

”。

树脂粘结剂组合物的范围可以为整个沸石/碳质混合物的约10重量％至50重量％。如以上关于阴极所述，可通过添加碳基粉末和/或微粒来进一步增强该树脂粘结剂的性能。

EKR可以通过使用导电胶或树脂粘结剂将壁的边缘粘结来组装。

在优选实施例中，EKR的电源可以是AC或DC，并且可以是连续的或以设定的间隔脉冲的。优选地，EKR的电源是DC。EKR壁的电源优选地连接到EKR的相应侧面。然而，在其他实施例中，可以用包括各自的阴极和阳极连接的单个电连接代替该布置。

施加的电压优选在5V至100V AC/DC之间、最优选在30V至70V AC/DC之间的范围内。当然，应当理解，特定的电压范围将取决于诸如EKR几何形状和/或待处理的污泥之类的因素。

在优选的实施例中，通过使EKR经受优选约300Pa至5kPa、最优选约500Pa至1.5KPa的真空，可进一步提高UFB在电场作用下的迁移率。在优选的实施例中，EKR包括至少一个射流喷射器以促进污泥的流动性。因此，可在EKR中、最优选在底部提供一个或多个射流器或射流喷射器，以使得能够将空气或额外的UFB射流喷射到污泥中来帮助提高流动性。射流可防止任何初步的污泥压实的发生或污泥中固体物质的静态层的构建，从而有助于污泥的流动性和快速的脱水速率。

应该理解的是，取决于特定的安装和所需的处理条件，本设备在本质上是可扩展的，因此该设备可以包括单个EKR，或者替代性地，该设备可以包括电动反应器的阵列。该阵列的任何合适的构造都可以与本发明结合使用，而不牺牲其任何益处或优点。

应当理解，关于本发明描述的方面、实施例或示例中的任何一个都不互斥，因此一个实施例或示例的特征和功能可以与任何其他实施例或示例的特征或功能互换地使用或一起使用，而没有限制。

附图说明

现在将通过示例并参照附图来详细描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的示例性实施例的脱水方法的示意图；

图2a和图2b示出了根据分别在16kHz和20kHz下施加UFB和US的CST(毛细抽吸时间)曲线的图形表示；

图3示出了根据本发明的优选实施例的示例性EKR反应器的示意图；

图4示出了与本发明的EKR反应器一起使用的示例性阳极构造的平面图；

图5a至图5c示出了根据本发明的在EKR反应器内使用的相应的示例性换能器板的几何形状；

图6示出了在105℃下EKR施加电压与总固体百分比(％TS)之间的关系的图形表示。

具体实施方式

参照图1，所示为根据本发明的用于处理污水污泥的脱水方法100的示例性实施例。

作为初始的预处理步骤，污水污泥102(在本实施例中为主要污泥)通过浸渍单元104，以确保通过粉碎将所有较大的外来物质或固体破碎或压碎成至少＜12mm，理想地<2mm的尺寸。浸渍单元104包括预处理储槽104a和浸渍泵104b。

然后对污泥施加超细气泡(UFB)，其通过超细气泡发生器106注入到污泥中。所谓“超细气泡”或“UFB”，是指气泡直径通常在＜10-50微米范围内的任何气泡。向污泥施加UFB的步骤可以根据需要而重复多次，使得可以根据具体的处理和加工要求在污泥中建立任何程度浓度的UFB。

在对污泥施予一定用量的UFB后，将“曝气的污泥”泵入超声流反应器108中，随之，对污泥施加超声波。以在约10kHz至约50MHz范围内的频率施加超声波。

如图1所示，超声流反应器108可以与超细气泡发生器106一起被集成为单个单元110。然而，在其他布置中，取决于特定的安装和处理条件，超声流反应器可以相对于超细气泡发生器是单独的。

超声的功能是搅动污泥中至少一部分UFB，从而产生空化和其他次级作用。在空化过程中，随着声能传播穿过污泥，UFB增长、膨胀并经历径向运动。产生的气泡的尺寸范围可以从直径为微米减小到4nm至300nm，并且被发现通常是稳定的。在稳定的空化过程中，UFB的半径通过在多个声学循环内周期性地膨胀和收缩，从而发生径向振荡。然而，当气泡达到其共振尺寸时，至少一些气泡会发生瞬态空化，而另一些气泡会和缓地分裂，由此产生的碎片将开始新循环的稳定空化。气泡的溃灭产生物理和/或化学作用，这些作用可根据以下一种或多种机制增强热化学反应/生化反应等：

空化气泡足以引起O-H键本身的断裂。这是因为空化气泡的溃灭也接近绝热，并且在短时间内在气泡内产生数千度的温度。在这些温度条件下，产生高活性自由基。在水中，通过水的均裂会产生H和OH自由基。这导致自由基(radical species)的形成以及氧气和过氧化氢的产生

H₂O→H⁺+OH^-

OH^-+OH^-→H₂O₂

OH^-+OH^-→H₂O+O

OH^-+OH^-→H₂+O2

H⁺+O₂→HO₂ ^-

HO₂ ^-+H⁺→H₂O₂

HO₂ ^-+HO₂ ^-→H₂O₂+O₂

OH^-+H₂O→H₂O₂+H⁺

H⁺+H⁺→H₂

H++OH-→H₂O。

在存在金属离子的情况下，替代性机制可能是

M²⁺+H+→M++H+

H++O₂→HO₂ ^-

M₂++HO₂ ^-→M++H++O₂

OH^-+H₂O₂→HO₂ ^-+H₂O

OH^-+OH^-→H₂O₂

HO₂ ^-+HO₂ ^-→H₂O₂+O₂。

这些产生的自由基随后可以参与污泥内的化学反应。在超声处理过程中羟基自由基的形成，增强了UFB向阴极的负电泳运动。

在本发明中发现，气泡的不对称溃灭通常产生高速的微射流，其朝着超声流反应器108的壁传播。气泡的溃灭还会在污泥内产生相对较强的冲击波，而产生的朝向或远离溃灭气泡的液体脉冲运动会导致微对流。这种微对流增强了污泥中液体和固体颗粒的输送，这也可能产生力，取决于超声流反应器内的特定条件，该力可以引起乳化或分散。

强大的冲击波和微射流产生巨大的剪切力，该剪切力能够将污泥中的液体散射成微小的液滴和/或将固体颗粒破碎成更细的物质，例如粉末(保留在溶液中)。

发现污泥中的固体物质的细胞破碎/损坏程度与气泡溃灭的数量成正比，气泡溃灭的数量具有足够的能量来克服细胞损坏所需的最小能量(活化能)，并且该程度与单位体积内污泥的细胞浓度、气泡数量和碰撞频率有关。

在超声处理之前向污泥中添加UFB可以大大增强上述效果。固体物质由溶解的有机固体、不溶性固体和生物质细胞质组成。去除自由水相对容易，但是在去除间隙水(interstitial water)、胶体水和细胞间水时，会增加能源的消耗和复杂性。因此，将定量投加UFB和超声波联合应用于污泥将破坏其细胞结构，并使结合在细胞中的水以自由水的形式回收，而不会显著增加对系统的能量输入。

现在参考图2a和图2b，示出了分别在16kHz和20kHz的频率下，根据UFB和超声的应用，CST(毛细抽吸时间)的图形表示。图形清晰地显示了分别在16kHz(定量投加UFB和没有定量投加UFB)和20kHz(定量投加UFB和没有定量投加UFB)下超声对污泥的影响，使用CST作为污泥的脱水能力的直接衡量标准，同时也是污水污泥和一般污泥的过滤比阻(SRF)的衡量标准。CST是工业中的一种标准技术，污水操作人员使用CST来评估脱水效率。由CST设备测量的时间取决于粘度、温度、污泥粒径、絮状物大小、总固体百分比(％TS)和颗粒结合的水含量。

经由施加超声在UFB上形成的空化作用，导致污泥粒径的减小，絮状颗粒的分裂以及絮状物和颗粒分形尺寸的减小。由于颗粒的产生的破裂，结合水被释放到污泥介质中。这种作用导致污泥粘度降低，从而降低了所测得的CST。增加污泥介质中UFB的投加量的影响导致整体空化活动的增加，进而促进污泥更好的分解。因此，测得的CST进一步降低。因此，CST值提供了污泥脱水能力的有效性的直接度量指标。

如图2a所示，与单独的(即在没有任何UFB的情况下)超声相比，超声和定量投加UFB的联合作用导致CST值较低。因此，明显地，与单独的传统的超声相比，联合作用产生了更高的脱水效率。同样，在图2b中，相同的效果是显而易见的，但是，当与图2a相比时，表明，对于这种特定的测试污泥和设备，在较高的超声频率20kHz下的联合作用的效率略低于16kHz的联合作用的效率。造成这种差异的原因是，当由于瞬态空化而导致UFB溃灭时，会产生超过5000K的高温和高压。这些条件产生冲击波或高速射流，能够破坏细胞结构(细胞裂解)，从而释放细胞水。相比之下，稳定的空化会在共振时产生较大的循环脉动，该脉动能够在气泡周围的区域中引起较大的剪切力，从而导致细胞破碎或絮状物中的细胞移位，以释放出间隙水。对于设定波幅和能量输入，在16kHz的功率密度比在20kHz的功率密度低，因此发现，与瞬态空化相反，较低的功率密度促进了更适合于稳定的空化的条件，尽管这两个过程将一起运行。然而，在任何特定设置中，最好的运行模式是有利于稳定的空化，但是也不排除瞬态空化。

此外，本方法的另一个优点是，它还增强了对污泥中任何病原体的细胞壁的破坏，或以其他方式削弱了该细胞壁，从而使得废弃固体和释放的出水几乎不存在病原体。

在超声流反应器108中进行处理的过程中，施加到污泥中的超声频率会发生变化。发现频率的变化会最大化超声处理对UFB的影响，并进一步增强对UFB的空化作用，因为频率的变化会使得气泡经历增强的搅动，导致每单位体积的污泥产生更多数量的气泡溃灭。

尽管未在图1中示出，超声流反应器108可包括超声发生器，该超声发生器包括至少两个换能器，每个换能器产生相同频率但沿相反方向传播的声波。因此，在污泥中会产生超声驻波，发现超声驻波还会进一步增强对UFB的空化和次级作用。

替代性地，超声流反应器108可包括超声发生器，该超声发生器包括至少两个换能器，每个换能器产生不同频率的声波。

例如，在图5a至图5c中，示出了用于本发明的换能器板的特定几何形状。在图5a中，有四个板，该四个板以正方形(或三维立方体)排列，相对的板对以各自的16kHz和18kHz的超声频率被驱动。在图5b中，示出了一种改进形式的立方体排列，其中两个立方几何体的板堆叠，顶部板以16kHz的超声频率被驱动，底部板以18kHz的超声频率被驱动。在图5c中，采用了板的八边形排列，各自相对的板对以16kHz、18kHz、19kHz和20kHz的频率被驱动。

然后，将污泥转移到另一个单元112，该单元包含电动反应器(EKR)114，该电动反应器使电场能够被施加到污泥上。如图3所示，示例EKR 114被构造为单独的板或面板(例如，形成壁)，其被组装成特定的EKR几何形状以用于特定的应用。EKR 114可以采用长矩形槽的形式，底面成角度(倾斜角度为i)，如图3所示。阳极114₁大体被定位成朝向槽的中心，而阴极/过滤介质114₂形成槽的外壁。在阳极114₁和阴极114₂之间施加电压(如图3所示)。UFB通过管道114₃从气泡发生器106注入槽中，进入混合装置114₄。当然，任何合适的形状均可与本发明结合使用。

EKR 114由惰性和/或导电材料(例如沙子、沸石或其他半导体材料)构成，而EKR的壁充当多孔的阴极电极。

EKR 114的壁使用在使用中不会溶解或腐蚀的环氧树脂或其他非腐蚀性树脂/粘结剂的组合物和沸石/碳质混合物的颗粒介质而被浇铸和铸造成所需的形状。树脂粘结剂组合物可以为整个沸石/碳质混合物的约10重量％-50重量％。通过添加碳基粉末和/或颗粒(例如石墨颗粒、膨胀石墨、炭黑、碳纳米片和石墨烯等)，可以进一步增强该树脂粘结剂的性能。

EKR壁的电导率可通过施加另外的薄薄的一层碳质粉末和沸石的混合物或单独的沸石粉末或通过添加碳质材料(例如石墨颗粒、膨胀石墨、炭黑、碳纳米片和石墨烯等)来增强。碳质材料可占壁的组成的约1％-60％。

阳极可以由与阴极相同的材料制成，或者可以由碳、(牺牲)金属或金属复合材料制成。取决于EKR的几何形状，阳极可以具有任何合适的形状或构造。如图4所示，阳极114₁是大体矩形的形式，具有在阳极的长度方向上延伸的中央纵向孔122，或替代地，可包含沿其长度的单独的矩形的124或圆形的126间隔开的孔。

下表1中列出了EKR 114材料可能的组成的示例。该列表仅是示例性的而不是详尽的。本设备中使用的沸石类型是斜发沸石。然而，应当理解的是，其他类型的材料也可以替代地使用。

为了便于参考，表1中使用以下首字母缩写词：

d_pavg–平均粒径

N/A–不适用

NCP–纳米碳片

NG-92–核石墨(超纯片状石墨)

EFG–膨胀片状石墨

ACB–活性炭黑

FG-92–片状石墨

UP-FG–超纯片状石墨

CNT–碳纳米管。

为了制造EKR阴极和阳极，将组成微粒与10％-15％的粘结剂混合，并放置以凝固至少3-25分钟的时间。将混合后的材料浇铸在模具中并使其凝固。该技术可以制造任何形状或几何形状的EKR 114。如果将阴极和/或阳极铸造为单独的壁/板，则EKR 114可以通过使用导电粘合剂或树脂粘结剂来粘结壁的边缘而进行组装。EKR壁的电导率可通过施加另外的薄薄的一层碳质粉末与沸石的混合物或单独的沸石粉末来进一步增强。

表1

EKR 114的阳极被定位成朝向反应器的中心，以确保EKR内对称的电场。然而，取决于特定的EKR几何形状和/或污泥所采用的处理条件，替代的阳极和/或附加的阳极可以位于EKR内的其他特定位置以产生任何所需求的电场形貌。

因此，应当理解的是，EKR的几何形状和/或所用阳极(包括其在EKR内的相对位置)的数量并非是限制性的。EKR的合适的几何形状的示例在图3中示出。通过这种几何形状，EKR内会形成电场拓扑，从而促使或以其他方式引起对正在处理的污泥产生电渗和电泳作用。

EKR 114的电源可以是AC或DC，并且可以是连续的或者以设定的时间间隔脉冲化。优选地，EKR的电源是DC。到EKR壁的电源通常连接到EKR 114的相应侧面。但是，在其他布置中，这可以用单个阴极/阳极电连接代替。施加的电压在5V-100V AC/DC之间，通常在30V-70V之间。当然，应当理解的是，特定的电压范围将取决于诸如EKR几何形状和/或待处理的污泥等因素。

当向EKR 114施加电压时，曝气的污泥将受到电场作用。电场对UFB的作用会导致负电泳迁移，这是由于羟基(OH^-)离子的优先吸附，该优先吸附是由相间(interphase)附近的水偶极子的方向引起的，它们的正极指向污泥中的液体。这种作用使污泥中的水分子有效地“粘附”在UFB上，而水分子在向EKR 114的阴极迁移时，UFB基本上充当了水的运输载体(即运输介质)。这样，水分子与气泡一起拖向多孔阴极，随之被阴极吸附。

另外，UFB还可以充当其他粒子(例如，带电粒子和偶极子分子等)的载体，并使这些粒子在电场的作用下通过污泥迁移。此外，UFB的存在还通过提供孔隙率而有利地降低了污泥的有效粘度，从而提高了水分子通过EKR 114向阴极的运输。

在相应的电泳迁移率下，污泥中的任何固体物质或固体颗粒被输送到一个或多个阳极。因此，向曝气的污泥施加电场有利于污泥中的水分子从固体物质中分离和水分子的运输。

现在参考图6，表明在105℃时的总固体百分比(％TS)与EKR施加电压成正相关。因此，显而易见地，随着污泥中电泳效应的增强，脱水过程的效率提高，从而随着电压的升高，更多的水从污泥中被运出和回收(因此，总固体百分比更高)。

已经发现，例如由于空间位阻(steric)效应和zeta电势的变化(由EKR内的pH梯度引起)，电泳效应随着电压的增加而增强存在极限。在一个示例的设置中，发现最佳脱水电压为约50V DC。然而，可以施加的有效电压范围在15V至80V之间，但也可以在10V至100V之间，这取决于处理的具体的污泥/污水。

在下表2中，可以看出，对于两种测试超声频率16kHz和20kHz，根据本发明的污泥在联合的UFB和超声处理下的效果。

表2

因此，很明显，将UFB应用于污泥不仅增加了总固体剩余的百分比，还回收了水，而且与在污泥中不使用UFB相比，还会显著降低能量输入(即功率消耗)。因此，根据本发明的UFB和超声处理的联合提供了一种方法和设备，该方法和设备与传统的脱水系统相比，提高了脱水速率并且降低了功率需求。

将EKR 114置于约300Pa-5kPa以及典型地约500Pa-1.5KPa的真空环境中，发现UFB在电场作用下的迁移率进一步得到提高。

尽管未在图1中示出，EKR 114包括至少一个射流喷射器以促进污泥迁移。因此，可以在EKR 114的底部提供一个或多个射流器或射流喷射器，以允许将空气射流或额外的UFB喷射到污泥中，以促使提高流动性。射流防止发生任何初始的污泥压实或在污泥中形成固体物质的静态层，从而有助于污泥的流动性和快速脱水速率。

从阴极回收的出水118可以收集在储槽或其他合适的容器(未示出)中。在处理后，固体废物120可以从EKR 114中机械地去除，并且由于出水118和固体废物120中几乎或完全没有病原体，出水118和固体废物120可以用于农业、畜牧业或类似的用途。实际上，脱水的污泥可以用作有价值的肥料或燃烧系统的原料。脱水的污泥几乎或完全不含病原体，而要求保护的发明也可用于环境卫生用途。出水可以被处理至饮用水标准。

当然，应当理解的是，本发明的方法和设备在本质上是可扩展的，因此，可以根据任何特定的要求，根据期望的用途和/或实施方式，确定设备的尺寸，进而确定电动反应器的尺寸，以处理污泥或淤浆。因此，本文公开的实施例或示例均不应被认为是对设备尺寸的限制。

实际上，通过利用内部实验室EKR体积与全尺寸EKR脱水单元的比率，可以将本文所用的典型的实验室EKR放大到全尺寸工厂反应器。在一个示例中，这种放大的比率可以是244(即数值倍增因子)，但是在其他布置中，比率范围可以在30到300之间。实验室EKR和全尺寸工厂反应器之间的放大也可以基于实验室EKR与全尺寸反应器之间的表面积比。在一个示例中，此放大的比率为39.06，但在其他布置中，比率范围可以在10到50之间。

因此，仅以示例的方式描述了上述实施例。在不脱离本发明的情况下，许多变化都是可能的。

Claims (22)

1.一种用于对污水污泥进行处理的脱水方法，所述方法包括：

向污泥施加多个超细气泡，以形成至少部分曝气的污泥；

向所述曝气的污泥施加声能，以搅动至少一部分所述超细气泡；

以及

向所述曝气的污泥施加电场，以向所述超细气泡赋予电泳迁移率，从而促进所述污泥内的水分子与固体物质的分离和所述水分子的运输。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，搅动所述超细气泡对所述气泡产生空化作用。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述空化作用产生微对流，以进一步促进所述污泥内的水分子与所述固体物质的分离和所述水分子的运输。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述声能以超声的形式被施加。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在处理期间改变所述超声的频率。

6.根据权利要求4或5所述的方法，所述方法还包括在所述曝气的污泥内产生超声驻波。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括对向污泥施加超细气泡这一步骤进行重复，以增加气泡的浓度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述超细气泡的平均直径小于50微米。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述超细气泡的平均直径小于10纳米。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括对所述污泥施加真空。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括将出水收集在储槽中的步骤。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括使所述污泥穿过浸渍器以将所述污泥中的至少一部分固体物质破碎的初始步骤。

13.一种用于对污水污泥进行处理的脱水设备，所述脱水设备包括：

用于产生多个超细气泡并将所述多个超细气泡注入污泥中的装置；

用于向曝气的污泥施加声能以搅动至少一部分所述超细气泡的装置；

以及

用于向所述曝气的污泥施加电场以对所述超细气泡赋予电泳迁移率的装置，从而促进所述污泥内的水分子与固体物质的分离和所述水分子的运输。

14.根据权利要求13所述的脱水设备，其中，用于产生和注入所述超细气泡的装置包括气泡发生器。

15.根据权利要求13或14所述的脱水设备，其中，该施加声能的装置包括超声发生器。

16.根据权利要求15所述的脱水设备，其中，所述超声发生器能够操作为在处理期间改变超声的频率。

17.根据权利要求15或16所述的脱水设备，其中，所述超声发生器能够操作为在所述曝气的污泥内产生驻波。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的脱水设备，其中，该施加电场的装置包括电动反应器。

19.根据权利要求18所述的脱水设备，其中，所述电动反应器包括用于吸引水分子的至少一个多孔电极。

20.根据权利要求18或19所述的脱水设备，其中，所述电动反应器包括至少一个表面，所述至少一个表面包括沸石、碳质材料和树脂。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的脱水设备，其中，所述电动反应器包括至少一个射流喷射器以促进污泥流动性。

22.根据权利要求13至21中任一项所述的脱水设备，其中，所述设备包括电动反应器的阵列。

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