申请日2015.03.10
公开(公告)日2015.06.03
IPC分类号C02F11/12
摘要
本发明涉及序批式电渗透污泥深度脱水设备及方法。该设备包括密闭的框架，框架内安置有阳极组件和阴极组件;阴极组件包括支撑于框架下部的传动轮组，传动轮组上套设有首尾相接呈环状的阴极滤布，阴极滤布内侧设有阴极板;阳极组件包括一组与阴极板相对的阳极板、支撑于框架上部的固定座，阳极板分别经传动件支撑于固定座上;阳极板背离传动件的一侧设有阳极滤布;阳极板与阴极板之间形成污泥处理空间;阳极板表面依次设有中间层和表面活性层。该方法包括：启动阶段、正常循环工作阶段、结束阶段。本发明能延长阳极使用寿命，并降低电能消耗;可将含水率80～85%的生化污泥脱水至含水率55～60%。
摘要附图
权利要求书
1.一种序批式电渗透污泥深度脱水设备，包括密闭的框架，其特征是， 所述框架内安置有阳极组件和阴极组件;所述阴极组件包括支撑于框架下部 的传动轮组，所述传动轮组上套设有首尾相接呈环状的阴极滤布，所述阴极 滤布内侧设有阴极板;所述阳极组件包括一组与阴极板相对的阳极板、支撑 于框架上部的固定座，所述阳极板分别经传动件支撑于固定座上;所述阳极 板背离传动件的一侧设有阳极滤布;所述阳极板与阴极板之间形成污泥处理 空间;所述阳极板的材质为钛金属材料，所述阳极板表面依次设有中间层和 表面活性层，所述中间层的材质为SnO2-Sb2Ox-La2O3复合材料，所述表面活 性层的材质为MnO2材料。
2.根据权利要求1所述序批式电渗透污泥深度脱水设备，其特征是，所 述阳极板朝向传动件的另一侧依次固连有中间绝缘板和外层绝缘板，所述外 层绝缘板与传动件末端固连;所述阳极板具有透水孔，所述外层绝缘板具有 进水孔，所述中间绝缘板具有布水孔槽和排气槽。
3.根据权利要求2所述序批式电渗透污泥深度脱水设备，其特征是，所 述阳极板、中间绝缘板、外层绝缘板分别呈矩形;所述中间绝缘板的布水孔 槽包括主进水槽、支路水槽以及落水孔;所述主进水槽、支路水槽分别具有 槽底且位于中间绝缘板背离阳极板的一侧，所述落水孔位于支路水槽内且贯 穿中间绝缘板;所述主进水槽呈圆环状，所述支路水槽有一组且呈长条状， 所述支路水槽与主进水槽圆环的半径重合，所述支路水槽的一端位于主进水 槽圆环内、另一端位于主进水槽圆环外;所述支路水槽分布成以主进水槽圆 环圆心为中心的中心对称图形，所述支路水槽分别与主进水槽相连通，所述 支路水槽相互之间不直接连通。
4.根据权利要求1所述序批式电渗透污泥深度脱水设备，其特征是，还 包括滤布回转轮组和张紧轮;所述阳极滤布首尾相接呈环状，所述阳极滤布 套设于滤布回转轮组上，所述张紧轮与阳极滤布相接触，所述张紧轮具有向 靠近阳极滤布的方向运动使阳极滤布张紧的第一状态，以及向远离阳极滤布 的方向运动使阳极滤布松弛的第二状态。
5.根据权利要求1至4任一项所述序批式电渗透污泥深度脱水设备，其 特征是，还包括污泥布料组件;所述污泥布料组件包括具有进泥口和出泥口 的污泥泵、管道和污泥布料器;所述污泥泵的出泥口与管道一端连通，所述 管道另一端与污泥布料器连通，所述污泥布料器位于阴极滤布的上方;所述 污泥布料器具有呈扁平喇叭状的开口，所述污泥布料器的开口宽度小于或等 于阴极滤布的宽度。
6.根据权利要求1至4任一项所述序批式电渗透污泥深度脱水设备，其 特征是，所述阴极板有一组，所述阴极板呈条状，所述阴极板经电气连接和 机械连接后构成套设于传动轮组的阴极链排，所述阴极链排位于阴极滤布与 传动轮组之间;所述阴极板具有透水孔。
7.根据权利要求1至4任一项所述序批式电渗透污泥深度脱水设备，其 特征是，还包括废气处理单元和引风机;所述废气处理单元具有进气口和出 气口，所述进气口与框架内部连通，所述出气口经引风机通向外界。
8.根据权利要求1至4任一项所述序批式电渗透污泥深度脱水设备，其 特征是，所述阳极板、阴极板分别与直流电源电连接。
9.采用权利要求1至8任一项所述设备的序批式电渗透污泥深度脱水方 法，其特征是，包括以下步骤：
第一步、启动阶段，顺序执行S1至S5：
S1.以污泥泵向阴极滤布的进泥端布泥，同时传动轮组驱动阴极链排和阴 极滤布同步回转运动，使待处理污泥平铺在位于污泥处理空间内的阴极滤布 上;之后，污泥泵和传动轮组均停止运转;
S2.将阳极滤布松弛，阳极板在传动件带动下以第一速率向阴极板移动;
S3.当阳极板与阴极板的间距达到预设值时，将阳极板和阴极板与直流电 源接通，且阳极板以第二速率向阴极板移动、使阳极板和阴极板之间的工作 压强逐步加大，同时通过调节直流电源逐步加大阳极板和阴极板之间的电场 强度;所述第一速率大于第二速率;
S4.当工作压强达到预设最大压强值、且电场强度达到预设最大强度值 时，阳极板停止移动，保持当前工作压强和电场强度，同时向阳极板附近形 成的污泥薄壳层加碱性电导液、浸渍污泥薄壳层;
S5.判断是否结束当前的脱水处理，若否，则保持当前工作压强和电场强 度，并转至S5;若是，则关闭直流电源，阳极板在传动件带动下回复至初始 位置，并转至第二步;
第二步、正常循环工作阶段，顺序执行T1至T3：
T1.传动轮组驱动阴极链排和阴极滤布同步回转运动，进行出泥操作，将 已处理污泥排出设备，并由清洗设备对出泥后的阴极滤布进行清洗;同时以 污泥泵继续向阴极滤布的进泥端布泥，使待处理污泥平铺在位于污泥处理空 间内的阴极滤布上，之后污泥泵和传动轮组均停止运转;在阴极滤布出泥、 布泥的过程中，将阳极滤布张紧，回转转动阳极滤布，使干净的阳极滤布处 于污泥处理空间内，并由清洗设备对粘有污泥的阳极滤布进行清洗;当阴极 滤布布泥结束时，停止清洗阳极滤布和阴极滤布;
T2.顺序执行S2、S3、S4;
T3.判断是否结束当前的脱水处理，若否，则保持当前工作压强和电场强 度，并转至T3;若是，则关闭直流电源，阳极板在传动件带动下回复至初始 位置，并判断污泥泵处是否还有未处理的污泥，若有则转至T1，若无则转至 第三步;
第三步、结束阶段：
传动轮组驱动阴极链排和阴极滤布同步回转运动，进行出泥操作，将已 处理污泥排出设备，并由清洗设备对出泥后的阴极滤布进行清洗;在阴极滤 布出泥过程中，将阳极滤布张紧，回转转动阳极滤布，并由清洗设备对粘有 污泥的阳极滤布进行清洗;清洗结束后，关闭全部电源，整个方法结束。
10.根据权利要求9所述序批式电渗透污泥深度脱水方法，其特征是，在 整个方法运行过程中，由废气处理单元和引风机持续工作，将电渗透脱水产 生的废气处理并排出设备;所述清洗设备包括机械毛刷和高压气水喷射装置。
说明书
序批式电渗透污泥深度脱水设备及方法
技术领域
本发明涉及一种序批式电渗透污泥深度脱水设备及方法，利用电渗透技 术对污水处理厂的生化污泥进行深度脱水处理，属于电化学技术与污水污泥 处理技术领域。
背景技术
据申请人了解，当前城镇生活污水处理主要采用生物氧化工艺，利用微 生物代谢作用将污水中的有机污染物转化为稳定的无害物质。该工艺在处理 过程中会产生大量生化污泥，若对污泥处理处置不善，将给环境带来极大危 害。污泥处理处置要求达到“减量化、稳定化、无害化、资源化”要求，在 “四化”中减量化是基础，减量化就是污泥脱水干化过程，任一种污泥的最 终处理处置方案都是以污泥深度脱水为前提的。
生化污泥不同于一般自然界泥沙状的污泥，其构成主要是失去生命的微 生物及其载体。生化污泥的脱水干化与一般化工工艺过程的脱水干化有较大 差异，这是因为生化污泥中水分存在的结构形式与需干燥的常规化工产品有 所不同。生化污泥中水分以4种形态存在，其中结合水占70～75%，间隙水占 20～25%，还有少量的自由水与毛细管水。结合水存在于污泥的微生物细胞内， 只有将细胞破壁后才能被进一步脱除。传统的机械压滤工艺只能脱除污泥中 的间隙水，将污泥含水率降至80～85%。进一步，将污泥含水率从80～85%降 至55～60%以下的处理过程即为生化污泥的深度脱水。污泥深度脱水处理的目 的是污泥减量化，为后续的污泥处置打下基础和创造条件。
生化污泥深度脱水的关键在于脱除污泥絮体中的结合水，而脱除结合水 的关键在于微生物细胞破壁。现有的生化污泥深度脱水处理工艺主要是自然 干化工艺、热干化工艺和化学调质加高压压榨工艺。
自然干化工艺利用自然热源(太阳能)对污泥进行脱水干化处理，该工艺需 要庞大的干化场，依赖气候条件，处理时间过长，同时处理过程中恶臭气体 挥发，易带来二次污染，因此该工艺的应用受到限制。热干化工艺耗能大， 且设备复杂，投资和运行成本也非常高。化学调质加高压压榨工艺由于添加 了大量石灰、铁盐等无机盐类做污泥调理剂，增加了绝干污泥的量，同时使 脱水后污泥的结构、成分、性质发生了变化，给后续的污泥处置带来诸多问 题。
电渗透脱水工艺基于电化学原理，生物污泥带有负电荷，为平衡这些电 荷，污泥颗粒表面会吸附介质中带相反电荷的离子构成双电层。在外电场作 用下，双电层中的带电粒子相对于电极表面做定向移动。生物细胞破壁后， 污泥向阳极移动，其胞内水向阴极移动，透过阴极被排出脱除，这一现象即 为电渗透脱水。
电渗透污泥脱水过程电极反应原理如下：
阳极反应：2H2O→4H++O2+4e-
阴极反应：2H2O+2e-→4OH-+H2
电渗透脱水工艺是对生化污泥深度脱水干化的新型、高效技术。
该工艺脱水速度快，一般在6～12分钟内即可实现污泥量减半，泥饼含水 率脱至60%以下。影响电渗透污泥脱水的主要因素有：电场强度、压强、处 理时间、污泥层厚度。
电渗透脱水工艺是一种已见的、公知的脱水方式，但其工业化应用还存 在诸多问题。
现有的电渗透污泥脱水设备主要有二种结构形式。一类是基于带式压滤 机技术原理，采用辊筒压榨方式。设备阴阳极为辊筒，阴阳极间有滤带，滤 带间夹持污泥，在阴阳极施加电场的条件下进行压榨脱水。另一类是阴阳极 均采用平行履带输送机的结构形式，阳极履带在上部，阴极履带在下部，上 下履带输送机同步运行，通电加压脱水。现有设备的共同特点是阴阳极同时 相对运动，其工作过程是连续的。
电渗透脱水设备亦会有其他结构形式，但不管什么结构形式，都会遇到 了阳极使用寿命短和电渗透电耗大的两个技术难题，致使该技术的工业应用 难以实现，设备不能长期可靠运行。
经检索发现，专利号201420024155.4授权公告号CN203728697U的中国 实用新型专利公开了一种电渗透脱水机，该电渗透脱水机的滤布通过安装在 机架最右端的滤布驱动装置驱动，滤布驱动装置与清洗装置相连接;滤布上 方的机架上安装有阴极板，阴极板上方是安装在阳极板支撑上的阳极板，阳 极板支撑的上方安装有多个阳极油压及提升装置;机架最左端的滤布上方安 装有布泥装置，布泥装置左端安装有进泥装置。该专利主要解决了泥饼布置 不均匀，泥饼宽度不能调节，施压渗透时两侧跑泥，滤液槽积泥等问题。
申请号201310737708.0申请公布号CN104098250A的中国发明专利申请 公开了一种市政污泥化学调理强化初步机械脱水联合电渗透两级深度脱水方 法，通过投加占污泥干基重量3-30%的复合调理剂，对生活污水处理厂含水 率为97%左右的浓缩污泥进行调理改性，提高污泥初步机械脱水及后续电渗 透脱水能力;调理改性污泥经过初步脱水后污泥含水率降低至70-85%;初步 脱水污泥直接进入电渗透脱水设备进行深度脱水，污泥含水率降低至40-60 %;脱水后污泥可直接进行填埋处置、热转化、建材利用等处理、处置与资 源化利用。该方法可实现污泥脱水的连续运行，处理效率高;可有效降低污 泥中的结合水含量，脱水效果好，深度脱水泥饼含水率低。既适用于新建的 污水处理厂;又适合于现有污水处理厂污泥脱水处理的改建，扩建及应急预 案的设计要求。
但是，以上述两件专利文献为代表的现有技术仍然无法解决阳极使用寿 命短和电渗透电耗大的两个技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种序 批式电渗透污泥深度脱水设备及采用该设备的方法，能延长阳极使用寿命， 并降低电能消耗。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种序批式电渗透污泥深度脱水设备，包括密闭的框架，框架内安置有 阳极组件和阴极组件;阴极组件包括支撑于框架下部的传动轮组，传动轮组 上套设有首尾相接呈环状的阴极滤布，阴极滤布内侧设有阴极板;阳极组件 包括一组与阴极板相对的阳极板、支撑于框架上部的固定座，阳极板分别经 传动件支撑于固定座上;阳极板背离传动件的一侧设有阳极滤布;阳极板与 阴极板之间形成污泥处理空间;阳极板的材质为钛金属材料，阳极板表面依 次设有中间层和表面活性层，中间层的材质为SnO2-Sb2Ox-La2O3复合材料， 表面活性层的材质为MnO2材料。
该结构中，一方面，阳极板、阴极板外侧分别设有阳极滤布和阴极滤布， 处理时污泥夹持在阳极滤布和阴极滤布之间，不会与阳极板直接接触，降低 阳极板涂层磨损的几率，从而延长阳极板使用寿命。另一方面，采用 SnO2-Sb2Ox-La2O3复合材料的中间层可有利于阻挡表面新生氧向钛基扩散，从 而降低钛基钝化的风险;表面活性层MnO2和中间层SnO2-Sb2Ox-La2O3能形成 很好的固溶体，使涂层密实，增加了涂层的机械强度及与钛基材的结合力， 有利于延长涂层电极的使用寿命，避免其在工作过程中被极化、钝化和腐蚀 失效;同时，电渗透的阳极反应是一个析氧反应，降低电极的析氧电位和提 高极板的导电性能有利于节省电能消耗，而表面活性层采用的MnO2材料不仅 具有良好的导电性能，更是析氧反应的高活性催化剂，其析氧过电位很低， 这样即可获得显著的节电效果。
本发明设备进一步完善的技术方案如下：
优选地，阳极板朝向传动件的另一侧依次固连有中间绝缘板和外层绝缘 板，外层绝缘板与传动件末端固连;阳极板具有透水孔，外层绝缘板具有进 水孔，中间绝缘板具有布水孔槽和排气槽。
更优选地，阳极板、中间绝缘板、外层绝缘板分别呈矩形;中间绝缘板 的布水孔槽包括主进水槽、支路水槽以及落水孔;主进水槽、支路水槽分别 具有槽底且位于中间绝缘板背离阳极板的一侧，落水孔位于支路水槽内且贯 穿中间绝缘板;主进水槽呈圆环状，支路水槽有一组且呈长条状，支路水槽 与主进水槽圆环的半径重合，支路水槽的一端位于主进水槽圆环内、另一端 位于主进水槽圆环外;支路水槽分布成以主进水槽圆环圆心为中心的中心对 称图形，支路水槽分别与主进水槽相连通，支路水槽相互之间不直接连通。
采用上述优选方案，在电渗透反应后段、阳极端污泥形成具有高阻抗的 薄壳层时，可在外层绝缘板上加碱性电导液，碱性电导液经外层绝缘板的进 水孔依次进入中间绝缘板的主进水槽、支路水槽以及落水孔实现均匀分布， 最终通过阳极板的透水孔进入污泥薄壳层，缓释污泥结壳现象，以减小污泥 电阻，这样在后续的持续脱水过程中不需要提高电压、增加电能消耗，有利 于节能;此外，中间绝缘板的排气槽可引导阳极板处产生的气体排出。
优选地，还包括滤布回转轮组和张紧轮;阳极滤布首尾相接呈环状，阳 极滤布套设于滤布回转轮组上，张紧轮与阳极滤布相接触，张紧轮具有向靠 近阳极滤布的方向运动使阳极滤布张紧的第一状态，以及向远离阳极滤布的 方向运动使阳极滤布松弛的第二状态。
采用该优选方案，在电渗透脱水时，阳极滤布松弛为阳极板的运动提供 空间，在脱水处理结束时，阳极滤布张紧并随传动轮组运动，将阳极滤布的 干净部分移至工作区供下一次处理，同时将阳极滤布的带污泥部分移出工作 区供清洗。
优选地，还包括污泥布料组件;污泥布料组件包括具有进泥口和出泥口 的污泥泵、管道和污泥布料器;污泥泵的出泥口与管道一端连通，管道另一 端与污泥布料器连通，污泥布料器位于阴极滤布的上方;污泥布料器具有呈 扁平喇叭状的开口，污泥布料器的开口宽度小于或等于阴极滤布的宽度。
采用该优选方案，可将待处理污泥均匀布料于阴极滤布表面，有利于确 保处理效果。
优选地，阴极板有一组，阴极板呈条状，阴极板经电气连接和机械连接 后构成套设于传动轮组的阴极链排，阴极链排位于阴极滤布与传动轮组之间; 阴极板具有透水孔。
优选地，还包括废气处理单元和引风机;废气处理单元具有进气口和出 气口，进气口与框架内部连通，出气口经引风机通向外界。
优选地，阳极板、阴极板分别与直流电源电连接。
本发明还提供：采用前述设备的序批式电渗透污泥深度脱水方法，包括 以下步骤：
第一步、启动阶段，顺序执行S1至S5：
S1.以污泥泵向阴极滤布的进泥端布泥，同时传动轮组驱动阴极链排和阴 极滤布同步回转运动，使待处理污泥平铺在位于污泥处理空间内的阴极滤布 上;之后，污泥泵和传动轮组均停止运转;
S2.将阳极滤布松弛，阳极板在传动件带动下以第一速率向阴极板移动;
S3.当阳极板与阴极板的间距达到预设值时，将阳极板和阴极板与直流电 源接通，且阳极板以第二速率向阴极板移动使阳极板和阴极板之间的工作压 强逐步加大，同时通过调节直流电源逐步加大阳极板和阴极板之间的电场强 度;第一速率大于第二速率;
S4.当工作压强达到预设最大压强值、且电场强度达到预设最大强度值 时，阳极板停止移动，保持当前工作压强和电场强度，同时向阳极板附近形 成的污泥薄壳层加碱性电导液、浸渍污泥薄壳层;
S5.判断是否结束当前的脱水处理，若否，则保持当前工作压强和电场强 度，并转至S5;若是，则关闭直流电源，阳极板在传动件带动下回复至初始 位置，并转至第二步;
第二步、正常循环工作阶段，顺序执行T1至T3：
T1.传动轮组驱动阴极链排和阴极滤布同步回转运动，进行出泥操作，将 已处理污泥排出设备，并由清洗设备对出泥后的阴极滤布进行清洗;同时以 污泥泵继续向阴极滤布的进泥端布泥，使待处理污泥平铺在位于污泥处理空 间内的阴极滤布上，之后污泥泵和传动轮组均停止运转;在阴极滤布出泥、 布泥的过程中，将阳极滤布张紧，回转转动阳极滤布，使干净的阳极滤布处 于污泥处理空间内，并由清洗设备对粘有污泥的阳极滤布进行清洗;当阴极 滤布布泥结束时，停止清洗阳极滤布和阴极滤布;
T2.顺序执行S2、S3、S4;
T3.判断是否结束当前的脱水处理，若否，则保持当前工作压强和电场强 度，并转至T3;若是，则关闭直流电源，阳极板在传动件带动下回复至初始 位置，并判断污泥泵处是否还有未处理的污泥，若有则转至T1，若无则转至 第三步;
第三步、结束阶段：
传动轮组驱动阴极链排和阴极滤布同步回转运动，进行出泥操作，将已 处理污泥排出设备，并由清洗设备对出泥后的阴极滤布进行清洗;在阴极滤 布出泥过程中，将阳极滤布张紧，回转转动阳极滤布，并由清洗设备对粘有 污泥的阳极滤布进行清洗;清洗结束后，关闭全部电源，整个方法结束。
该方法中，一方面，采用序批式工作方式，即按时间顺序分段，每个时 间段内设备完成特定的工作任务为一工序;工作特征是有序和间歇操作，周 而复始，循环工作。在电渗透工作时序段(即S2至S5步)，阴极板是静止的， 阴极滤布上的待处理污泥也是静止的，仅是阳极板向下运动，对污泥施加电 场和压力，实现脱水;这种工作方式下没有运动污泥对阳极板表面涂层的磨 损，可延长阳极使用寿命。另一方面，在电渗透工作时序段(即S2至S5步) 中嵌套序批式工作子程序，根据污泥阻抗递增的特点，阴阳极板间的电场强 度和工作压强逐步增强：在S2中，阳极板从原位快速下移，到达污泥层，该 时段极板间不施加电场;在S3中，阳板板移动减慢，持续缓速向下运动，对 污泥施加压力，同时阳阴极间电场接通，对污泥施加的电场强度与工作压力 随时间延续递增，直至预设最大值，以适应脱水过程中污泥阻抗递增的特性; 在S4中，保持最大工作压力与电场强度，持续脱水;在S5中，脱水结束时， 卸载电场与压力，阳极板向上运动复位;如此一来，在序批式工作过程中电 场强度并不是持续保持最大值，而是有针对性的适时变化，可有效降低电能 消耗。此外，在S4中，阳极端污泥形成具有高阻抗的薄壳层，加入碱性电导 液浸渍污泥薄壳层，可缓释污泥结壳现象，以减小污泥电阻，这样在后续的 持续脱水过程中不需要提高电压、增加电能消耗，有利于节能。
本发明方法进一步完善的技术方案如下：
优选地，在整个方法运行过程中，由废气处理单元和引风机持续工作， 将电渗透脱水产生的废气处理并排出设备;清洗设备包括机械毛刷和高压气 水喷射装置。
本发明能延长阳极使用寿命，并降低电能消耗;适用于对污水处理厂产 生的生活污泥进行处理，全程不需添加任何污泥调理剂、絮凝剂、混凝剂、 助凝剂，可将含水率80～85%的生化污泥脱水至55～60%。
