專利名稱：環狀電場與壓力協同作用的污泥脫水造粒裝置及方法
技術領域：
本發明屬于污泥脫水造粒裝置，特別涉及一種環狀電場與壓カ協同作用的污泥脫水造粒裝置及方法。
背景技術：
污泥包括含城市污水廠污泥、給水廠污泥、排水溝道污泥、水體疏浚淤泥等，其量遠大于城市生活垃圾量，而且城市污泥含有較高的污染物含量。其中城市污水廠剩余污泥的有機質含量為城市污水的10倍，污水廠脫水污泥餅中的致病微生物含量比城市生活垃圾高幾個數量級。此外，各種污泥中還可能含有重金屬、劇毒有機物等污染物質。因此，城市污泥對環境可能造成的危害是嚴重的。污泥因其液一固相混合物的漿態特征而成為ー類與液態和固態廢棄物均有區別 的廢棄物。它不僅在產生時有漿態物的特征，而且其液、固混合狀態具有一定的穩定性，通常僅在施加極大的外加作用力(物理、化學)時才能固、液分離，因此，其管理與處理技術體系均有不同于其他廢棄物的特征。在污泥的物流特性中，含水率高是ー個最顯著的特征，不僅會因污泥體積龐大造成后續物流輸送困難、處理設備容量大、經濟性差等問題，而且絕大部分的污泥最終處理與利用過程也與過高含水率的物流不相客。因此，污泥處理中污泥的脫水占有非常重要的地位。污泥中水分的脫除與其內部水分的存在形式有很大關系。常規的機械脫水通常只能去除自由水分，而剩余水分被看作為“邊界水分”，邊界水分是機械脫水的理論極限。經機械脫水后的污泥含水率仍高達75 85%。如此高的含水對于污泥后續處理產生了很大困難和較高的經濟成本，如焚燒、填埋等，而污泥干燥則需要消耗很大的熱能，其成本更高。因此，污泥處理領域非常需要開發新的污泥脫水方法，經濟、快速地脫出多余水分，降低污泥含水量。除干燥外，電滲透脫水(又稱電場脫水或電脫水)是ー種可以實現深度脫水的技術方法。該技術是基于電場下固體顆粒表面產生的電滲流而進行的固一液分離過程，即利用外加直流電場增強物料的脫水能力。由于將脫水作用直接發生在污泥顆粒的內、外表面，同時脫出自由水分、間隙水分和部分表面結合水分，因此可以實現深度脫水。電脫水技術早有提出，但多局限于實驗室研究，エ業應用設備很少，其應用的困難主要是電場形式及與機械壓カ的結合方式，目前應用的電場多為雙滾筒電場和非固定板式平行電場。在應用中，雙滾筒電場存在電脫水時間偏短和脫水效率偏低的問題，非固定板式平行電場則存在電場穩定性差和壓カ分布不均等問題。當前應用的電脫水方法中，還存在如下問題難以克服(I)機械壓カ均是通過滾筒或非固定板狀電極間接施加在污泥上，存在壓カ分布不均、干斑和液相不連續等問題；
(2)為進料方便和防止電場短路，通常常用偏厚的濾布，對水分滲透和移除影響較大；(3)不具備造粒功能，電脫水后的污泥為不規則片狀，對于后續處理所特殊需要的其他顆粒形狀難以實現。此外，固定板狀平行電場脫水造粒方法對解決上述問題具有很好的效果，但應用中存在固定板狀電場進泥阻カ較大，與現有污泥加壓制備連接困難，且機械加壓后電場電極受カ變形嚴重。鑒于上述問題，電脫水設備的運行穩定性和可靠性下降，極大制約了該技術的應用。因此，需要對原有電脫水技術進行創新，該方法方能有所突破，并獲得廣泛應用。
發明內容
本發明提出了一種環狀電場與壓カ協同作用下的污泥脫水造粒一體化裝置，具體技術方案如下一種環狀電場與壓カ協同作用的污泥脫水造粒裝置，由同心布置的進泥ロ、套筒 電極、分流擋板和造粒擋板共同組成脫水腔體；套筒電極為兩個圓筒同心布置，外側圓筒為陽極且與直流電源正極相連接，內側圓筒為網狀且與電源負極相連接，作為電場陰極，兩電極間絕緣布置成環狀電場；陰陽電極間距即脫水污泥泥層的厚度在2mm 20mm之間，錐體擋板安置在內側圓筒的進泥一段，其直徑與內側圓筒相同，其圓錐頂角為60° 120° ；造粒擋板設置在污泥出口處；造粒擋板為圓環狀，上有開孔作為排泥ロ，其開孔率為30%—80%。網狀陰極內側設置有導流槽或水分分離裝置，脫出水分經導流槽或水分分離裝置離開，水分分離裝置是吸水材料層，或設置有刮水板，或采用刷水刷。機械壓カ在進泥的同時直接作用在污泥上，壓カ為IOOOPa 300000Pa之間，脫水電場的電壓為10 200V，可脈沖供電，進ロ污泥含水率為50% 90%。具體說明如下由同心布置的進泥ロ、套筒電極、分流擋板和造粒擋板共同組成脫水腔體。套筒電極為兩個圓筒同心布置，外側圓筒為陽極且與直流電源正極相連接，內側圓筒為網狀且與電源負極相連接，作為電場陰極，兩電極間絕緣布置成環狀電場。網狀陰極具有透水功能，可以不設置濾布，如果對脫除水分的濁度要求較高可設置較薄濾布。在脫水電場腔體的入ロ段設置有錐形擋板對污泥進行分流，污泥經加壓進入電場完成脫水過程，然后經電場出ロ設置的造粒擋板擠壓造粒后排出。機械壓カ在進泥的同時直接作用在污泥上，保證脫水腔體內壓カ分布均勻，環狀電場緩解了電極的受カ變形和電流衰減過快的問題，且濾布很薄或取消濾布，進而減少水分運動阻力。在電場與機械壓カ的共同作用下可以更加快速、高效地脫除污泥中的水分，并同步實現造粒功能，進ー步減少污泥體積和后續處理的成本，并為后續的干化、焚燒、堆肥等提供不同尺寸的顆粒態物料。在脫水過程中，污泥加壓后經錐形擋板分流進入脫水電場，電場兩側分別為圓筒狀導電體作為陰陽扱。陽極為金屬圓筒，陰極為金屬網狀圓筒電極，兩者同心布置成套筒狀，并分別與直流電源的正負極相連接。在陰極與陽極之間將形成電場，電場中充滿待脫水的污泥介質并與電極緊密接觸。由于活性污泥中的粒子帶有負電，與水中的離子一起在表面會形成電氣二重層，包括固定離子層和擴散離子層。在電場作用下，粒子表面的電氣二重層將會發生相對滑動，帶負電的粒子或離子(污泥顆粒)向陽極移動，帶正電的粒子或離子向陰極移動。污泥的移動有時候會受到拘束，而污泥中的毛細管殘留水分則在正離子帶動下向陰極發生移動。陰極附近聚集的水分脫離陰極和污泥后就實現了脫水。本發明在脫水過程中，污泥自電場一端加壓進入，入口處的錐形擋板對污泥的分流可有效減少進泥阻力。污泥經電場脫水后自另一端的造粒擋板排出，注泥壓カ和造粒擋板的阻擋共同決定了物料脫水的機械壓カ大小。通過所受的擠壓カ減少污泥顆粒間的間隙，使得容納水分減少，析出水分透過污泥餅網狀陰極側脫離污泥，達到脫水目的。錐體擋板的圓錐頂角為60° —120°。造粒擋板為圓環狀，上有開孔作為排泥ロ，其排泥ロ尺寸設計決定于出料顆粒大小要求和物料壓カ需要，其開孔率為30% — 80%，排泥ロ形狀為圓形或橢圓形或方形。 本發明中采用的電極要求具有導電功能，陽極為圓筒狀，陰極為網狀。如果陰極不具備過濾功能，即不能將水分與污泥顆粒進行分離，則需要在陰極與污泥之間設置過濾材料。可以采用具有導電功能的濾布兼作電極，如將金屬絲網植入濾布中，也可以將帶有孔隙的電極與濾布壓制在一起實現導電與過濾的功能。在電場與機械壓カ的共同作用下，污泥內部水分運動并聚集在陰極側和過濾介質表面，借助于水分的重力可以脫離過濾介質而實現分離作用，陰極內側的導流槽有助于水分分離，或者采用專門的水分分離裝置進行分離。水分分離裝置有以下幾種形式通過刮板分離聚集水分，或者采用刷子刷分聚集水分而實現分離作用，或者采用吸水材料吸去移動而來的水分。本發明所用電場由直流電源或脈沖式電源提供，其供給方式是連續方式或脈沖方式。各種方式中的脈沖供電方式可以以最簡單的商業電源作電源，脈沖波形無特別要求，占空比(供電時間)可依具體情況調節。當然，也可以用直流電間隔通斷的方式來實現脈沖通電，即在某ー時間段通電，某一時間段斷電的方式。本發明中陰陽電極間距即脫水污泥泥餅的厚度在2mm 20mm之間，根據脫水需要時間、污泥特性、產品含水率要求等決定。泥餅厚度較大將増加脫水時間，如縮短脫水時間則產品含水率將增加。為保證污泥在電場中的順利移動，進ロ污泥含水率控制在50% 90%之間。電場的電壓控制在10 200V之間，較高的電壓可以增加污泥內部水分的運動動力，縮短脫水時間，降低產品含水率，但同時也増加了電場電能的消耗，且可加劇陽極干斑形成。本發明中污泥脫水需要電場與壓カ協同作用完成，施加在泥餅上的機械壓カ差值控制在IOOOPa 300000Pa之間，對一定厚度的泥餅和一定的電場電壓而言，機械壓カ差存在ー個最佳值，小于或者大于這個最佳值都會影響污泥脫水的時間和效果。利用此方法可以克服傳統機械脫水方式脫水率低的困難，快速而高效的脫出污泥多余水分并同時實現造粒功能。該方法與板式電脫水相比，具有阻力小、電流衰減速度慢等優點，可以降低污泥運動阻カ10%-30%，將污泥含水率降低至40% — 70%，體積減少17%—70%。
圖I :實施例I示意圖；圖2:實施例2示意圖；圖3:實施例3示意圖4:實施例4示意圖；I.陽極2.污泥3.陰極4.進泥ロ 5.錐形擋板6.造粒擋板7.直流電源8.濾布9.刮板10.刷子11.吸水材料
具體實施例方式實施例I :如圖I所示，金屬圓筒陽極I和網狀圓筒陰極3同心布置成套筒，間距5mm，并分別與直流電源7正負極連接。網狀陰極3與污泥2之間鋪有濾布8。含水率為85%的待脫水污泥2經加壓IOOOOOPa后自進泥ロ 4注入，經圓錐頂角60°的錐形擋板5分流后進入環狀電場，在電場作用下脫水的同時向出ロ移動，污泥中的水分通過濾布8和陰極3后被刮板9刮離后完成脫水過程。脫水后的污泥經造粒擋板6擠壓成顆粒后排出，排泥ロ形狀為圓形，開孔率為50%。直流電源供電采用連續穩壓方式，供電電壓為50V±10V。污泥經脫水后含 水率可降低至70%，體積減少50%。與板狀電脫水相比，污泥運動阻カ減少20%。實施例2:如圖2所示，金屬圓筒陽極I和網狀圓筒陰極3同心布置成套筒，間距2mm，并分別與直流電源7正負極連接。網狀陰極3自身帶有過濾功能。含水率為90%的待脫水污泥2經加壓IOOOPa后自進泥ロ 4注入，經圓錐頂角60°的錐形擋板5分流后進入環狀電場，在電場作用下脫水的同時向出ロ移動，污泥中的水分通過陰極3后被刷子10刷離后完成脫水過程。脫水后的污泥經造粒擋板6擠壓成顆粒后排出，排泥ロ形狀為橢圓形，開孔率為80%。直流電源供電采用連續穩壓方式，供電電壓為IOV。污泥經脫水后含水率可降低至67%，體積減少70%。與板狀電脫水相比，污泥運動阻カ減少30%。實施例3 如圖3所示，金屬圓筒陽極I和網狀圓筒陰極3同心布置成套筒，間距20mm，并分別與直流電源7正負極連接。網狀陰極3自身帶有過濾功能。含水率為50%的待脫水污泥2經加壓300000Pa后自進泥ロ 4注入，經圓錐頂角120°的錐形擋板5分流后進入環狀電場，在電場作用下脫水的同時向出ロ移動，污泥中的水分通過陰極3后被吸水材料11分離后完成脫水過程。脫水后的污泥經造粒擋板6擠壓成顆粒后排出，排泥ロ形狀為方形，開孔率為30%。直流電源采用脈沖供電方式，供電電壓為150 200V，每個供電周期供電時間占80 %。污泥經脫水后含水率可降低至40%，體積減少17%。與板狀電脫水相比，污泥運動阻カ減少10%。實施例4 如圖4所示，金屬圓筒陽極I和網狀圓筒陰極3同心布置成套筒，間距10mm，并分別與直流電源7正負極連接。網狀陰極3自身帶有過濾功能，內側開有導流槽增強分離水分的流動。含水率為80%的待脫水污泥2經加壓IOOOOOPa后自進泥ロ 4注入，經圓錐頂角90°的錐形擋板5分流后進入環狀電場，在電場作用下脫水的同時向出ロ移動，污泥中的水分通過陰極3后，經導流槽匯集流出。脫水后的污泥經造粒擋板6擠壓成顆粒后排出，排泥ロ形狀為圓形，開孔率為50%。直流電源采用連續穩壓方式，供電電壓為80 100V。污泥經脫水后含水率可降低至60%，體積減少50%。與板狀電脫水相比，污泥運動阻カ減少15%。
權利要求
1.一種環狀電場與壓力協同作用的污泥脫水造粒裝置，其特征是由同心布置的進泥口、套筒電極、分流擋板和造粒擋板共同組成脫水腔體；套筒電極為兩個圓筒同心布置，夕卜側圓筒為陽極且與直流電源正極相連接，內側圓筒為網狀且與電源負極相連接，作為電場陰極，兩電極間絕緣布置成環狀電場；陰陽電極間距即脫水污泥泥層的厚度在2mm 20mm之間，錐體擋板安置在內側圓筒的進泥一段，其直徑與內側圓筒相同，其圓錐頂角為60° 120° ;造粒擋板設置在污泥出口處；造粒擋板為圓環狀，上有開孔作為排泥口，其開孔率為30% 80%。
2.如權利要求I所述的環狀電場與壓力協同作用的污泥脫水造粒裝置，其特征是，網狀陰極內側設置有 導流槽或水分分離裝置，脫出水分經導流槽或水分分離裝置離開，水分分離裝置是吸水材料層，或設置有刮水板，或采用刷水刷。
3.如權利要求I或2所述的裝置的操作方法，其特征是機械壓力在進泥的同時直接作用在污泥上，壓力為IOOOPa 300000Pa之間，脫水電場的電壓為10 200V，進口污泥含水率為50% 90%。
4.如權利要求3所述的裝置的操作方法，其特征是所述電場由直流電源或脈沖式電源提供，其供給方式是連續方式或脈沖方式。
全文摘要
本發明涉及一種環狀電場與壓力協同作用的污泥脫水造粒裝置及方法。裝置由同心布置的進泥口、套筒電極、分流擋板和造粒擋板共同組成脫水腔體；套筒電極為兩個圓筒同心布置，外側圓筒為陽極且與直流電源正極相連接，內側圓筒為網狀且與電源負極相連接，作為電場陰極，兩電極間絕緣布置成環狀電場；錐體擋板安置在內側圓筒的進泥一段，其直徑與內側圓筒相同，其圓錐頂角為60°～120°；造粒擋板設置在污泥出口處；上有開孔作為排泥口，其開孔率為30%—80%。機械壓力在進泥的同時直接作用在污泥上，為1000Pa～300000Pa之間，脫水電場的電壓為10～200V；此方法克服傳統機械脫水方式脫水率低的問題，快速而高效的脫出污泥多余水分并同時實現造粒功能，利于污泥減量化。
文檔編號B01J2/20GK102674654SQ20121014954
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月7日 優先權日2012年5月7日
發明者趙嫻, 馬德剛 申請人:天津大學