本发明涉及一种周期换向电凝聚强化污泥脱水的装置及方法，属于污水处理领域。
背景技术：
城市污水污泥是城市生活污水和工业废水进行污水净化处理的过程中产生的沉淀物质及污水表面漂出的浮渣，为一种固液混合物质，其成分复杂，含有大量的微生物、病原体、重金属以及有机污染物等。近年来，随着城市化进程加快，工业生产的迅速发展，城市人口的增加，城市工业废水和生活污水的排放量日益增多，城市污水处理率也逐年提高。随着污水排放量与污水处理率的共同提高，我国污泥产量逐年迅速增长，如此大量的污泥给环境造成了巨大压力。
污泥中所含水分的质量与污泥总质量之比称为污泥含水率。污泥含水率一般很大，主要取决于污泥中固体含量及其颗粒的大小，固体颗粒越细小，其所含有机物越多，污泥的含水率越高。沉淀污泥的含水率一般为98.5-99％，浓缩污泥含水率为95％，消化污泥含水率为90％，经脱水处理后出厂的脱水污泥含水率通常在80％左右。污泥处理是指污泥经单元工艺组合处理，达到减量化、稳定化、无害化目的的全过程(马娜，2004)。污泥减量化处理有两种途径：一是减少污水处理过程中污泥的产出量，即前置减量；二是减少产出污泥的体积(减容化)以利于处置，这主要通过污泥脱水来实现。
国内外对污泥进行的减量化处理以机械脱水为主，常用方法有压滤脱水法(包括板框式压滤机脱水与带式压滤机脱水)、真空过滤脱水法和离心脱水法。机械脱水方法对污泥内的孔隙水有一定效果，但难以脱除其中的毛细及吸附水(glendinning，2007)，此外污泥含有大量微生物的菌体和有机胶体物质，粒径大多小于10-4m，因而污泥粘度大、孔隙小、水力渗透系数低，机械脱水困难(brendan，2006)。目前国内污水处理厂采用机械脱水的方法通常只能将含水率降低到80％左右(占达东，2009)，这意味着从污水处理厂排出的污泥每100吨中含有80吨水分，大量的水分为污泥的后续处置带来重重困难。2007年建设部出台的《城镇污水处理厂污泥处置--混合填埋泥质(cj/t249-2007)》标准和2008年环境保护部出台的《生活垃圾填埋污染控制标准(gb16889-2008)》中都明确规定污泥混合填埋含水率应小于60％，目前机械脱水处理产出80％含水率的污泥难以满足污泥填埋的要求。寻找一种高效的污泥脱水处理方法、降低污泥含水率，是解决填埋处置中各种问题的关键，且如前所述，降低含水率可显著降低污泥体积，这不但能够降低污泥异地处置的运输费用，对于填埋处置还可节省库容、减少土地的占用，故脱水减量处理是解决污泥处置问题的关键。
电动现象最早由reuss(1809)在直流电场作用下的粘土颗粒中发现，包括电渗--指极性的水分子由阳极向阴极移动并由阴极排出；电泳--指带负电荷的颗粒向阳极移动；电迁移--指液相中的正负离子在电场作用下分别向阴极、阳极移动。电动脱水是通过加载直流电压，利用电渗现象对介质(如软粘土、污泥等)进行脱水的方法。电渗是颗粒表面扩散双电层中的反离子在电场力作用下迁移并带动水分子由阳极移向阴极产生的渗流(hunter，1981)，电渗发生在颗粒间的毛细孔道内，故电动脱水能脱除中含毛细与吸附水在内的水分(hamiretal，2001)，适用性强于机械脱水方法。对于孔隙小水力渗透性差的粘性土，电动渗透系数要高于水力渗透系数3-4个数量级(glendinningetal，2007：mitheell，1993)，电渗流速率明显快于水力渗流，综上可知，电动脱水法较机械脱水法有显著优势。《污泥脱水处理新技术》(us-epa美国环保局，2006)中指出电动脱水技术是创新而有前景的技术之一，电动处理技术在污泥的减污、脱水方面有着良好的发展空间。
3.2国内外研究现状
国内污水处理厂生物污泥的含水率高达95％～99％。相关研究表明，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。电渗析法污泥脱水正是基于这一性能，对污泥施加一直流电场，在外电场作用下，污泥表面吸附的阳离子受到电场力吸引而向阴极移动，生物细胞壁被破坏，污泥中的水分子被携带出来，形成电渗透脱水现象。
上世纪90年代起，电渗开始被研究应用于污泥脱水，研究者通过不同尺寸的模型试验(bartonetal，1999；gingeriehetal，1999；chenetal，1996；saveynetal，2005；tuanetal，2008；周加祥等，2001；马德刚等，2005)，验证了电动脱水处理污泥的可行性：barton等(1999)采用4cm长单元加载30v电压，电动脱水处理污泥后水分脱除率达到了56.3％；yuan和weng(2003)在6cm长的单元内加载5v/cm电压梯度，处理41小时后，污泥含水率由87.8％显著降至62.6％；周家祥等(2001)借助扫描电子显微镜比较了电动脱水与真空抽滤所得污泥的微观形态，证实了电动脱水能有效脱除机械方法无法去除的颗粒表面的毛细水。试验表明电动处理除能够有效实现污泥脱水外，还有良好的脱污性能：yang等(2005)的研究发现电动脱水处理对排出污泥内疏水性有机分子有较好效果；tuan和sinanpaa(2010)在污泥的电动脱水处理中证明，伴随着电动脱水，污泥内的重金属离子如cr6+，zn2+可有效的被去除。试验研究之外，研究者尝试将电动技术与传统的脱水设备相结合，如电动联合带式压滤机(smollenandkafaar，1994：snymanetal，2000；hwangandmin，2003)，或电动联合板框压滤机(kondohandhiraoka，1990：milleretal，1998；saveynetal，2006)。raats等(2002)在电动法联合带式压滤机的足尺模型试验中，以60kwha的能耗使脱水后污泥含固率由17％上升至24％，yang等(2011)尝试使用恒定电流进行电动与压滤机结合脱水的中试试验，1a与4a电流作用45min后，污泥含水率可由79.3％分别降至65％与53.2％。电动处理过程中，电极水解反应在阳极产生h+，对电极产生酸性腐蚀，进而影响脱水处理效果。raats等(2002)与saveyn等(2006)发现使用表面附着一层金属氧化物(如ir2o3)的铁作为电极，可有效抑制电极腐蚀与电极电化学溶解现象的发生；tuan等(2008)使用惰性铁板作为电极，也在试验中解决了电极受酸性腐蚀的问题；目前，在金属载体表面附着一层导电的陶瓷材料(氧化铱或氧化钌)作为电极的方法逐渐被广泛应用(mahmoudetal，2010)。
已有研究证明电动处理是一种能够快速有效脱除污泥中水分的方法，但实际操作中电渗受诸多因素影响，污泥内的电动脱水效率难以维持。电动处理过程中电极的水解反应使阳极ph值降低(loekhart，1983；larueandvorobiev，2004)，会导致试样ξ电势下降，从而降低电渗流速(tuanetal，2008)，yang(2005)即发现由于阳极ph的变化，阳极附近试样内甚至出现了流向阴极的反向电渗流。电动脱水过程中随着水分自阳极向阴极排出，阳极附近试样的含水率下降，其理化性质发生变化，如电渗系数ke随含水率的降低而下降(gray，l967)，yothida等(1985)的试验则表明阳极段试样随着水分的降低电阻上升，分配的电压升高，造成电极间电压分布的不均。以上因素影响下电动处理中的电渗流并不稳定均匀，而是随时间逐渐降低(hamir，2001；yang，2005)，脱水后试样内的含水率由阳极至阴极不断增加、脱水效果递减(yoshidaetal，1985：yuanandweng，2003)，故尽管污泥电动脱水处理具有明显的优势与潜力，实际处理效果与能耗并不理想，影响了该处理技术的推广。因此如何完善电动污泥脱水技术，是目前国内外环保工作者的研究热点之一。
另外，污泥脱水过程中，由于污泥的高亲水性，需要对其进行调理改变污泥颗粒表面的物化性质和组分，破坏胶体结构，改善脱水性能。目前常用的污泥调理方法有化学法和物理法两种。热处理、冻融和超声等物理调理虽然效果好(李恺等，2010；郑怀礼等，2009；叶正祥等，2009)，但是需要增加构筑物，设备易腐蚀、不经济，较少被实际工程采用。化学药剂调理在污水厂中最为常用，如石灰、铝盐、铁盐、有机高分子混凝剂和生石灰等，通过与污泥颗粒电荷中和、压缩双电层，降低斥力作用起到改善污泥脱水性能的作用，为后续污泥脱水打下基础。混凝剂以无机低分子调理剂为主，来源广，产工艺简单，价格低廉。混凝剂更有利于降低污泥比阻，改善污泥脱水性能，同时调节污泥成分，有利于后续建材化利用。助凝剂的加入起到骨架构建体的作用，使污泥在高压下仍保持多孔结构，有效地解决了污泥中有机质可压缩性问题(zallj，etal.,1987；benítezj，etal.,1994)，使水分在高压下仍易于脱出，有利于板框压滤等深度脱水方式(杨茂东等，2010)。助凝剂与其他调理剂复配使用效果中较为理想的是石灰和氯化铁。其中氯化铁中起作用的核心成分是三价铁离子，可以在污泥的水溶液中起到凝聚作用，改善污泥脱水性能，同时氯化铁中的三价铁离子还具有一定程度的杀菌功能，调理污泥脱水性能的同时还可以杀灭部分污泥中的有害细菌，因此在污泥调理中有较为广泛的使用。
正是基于以上有关电动脱水技术在污泥脱水领域的诸多优点和污泥调理技术对污泥脱水的重要作用，将上述技术结合起来提高污泥脱水效果的工作，如前文所述已经有较多的研究，但以往研究工作中，均是将污泥电动脱水技术单纯使用或与真空压滤技术等联用开展研究，一般均采用将污泥调理剂如氯化铁石灰等直接加入污泥中，使用如二氧化钛或各种涂层电极等防腐蚀电极，以避免处理过程中的阳极损耗，因此对阳极防腐性能有较高要求。而申请者认为，既然污泥调理过程中可以使用氯化铁等三价铁离子，而铁作为金属阳极在电凝聚处理废水领域有较多应用，可以通过阳极释放出具有混凝作用的二价、三价铁离子实现废水中污染物的混凝沉降和气浮实现固液分离，如果将金属铁直接作为电动污泥脱水技术的阳极使用，在作为阳极通电实现电动脱水的同时，可以释放出铁离子，同时对污泥进行调理，以改善其脱水性能，而避免使用氯化铁等三价铁离子污泥调理化学药剂，无疑可以减少外加药剂过程，简化污泥脱水调理过程。
然而，采用金属铁作为溶解性金属阳极利用电动脱水技术处理污泥时，该过程类似于污水处理的电凝聚过程，在该过程中经常会出现金属铁作为牺牲阳极时因表面钝化作用导致的反应速率下降从而影响处理效果、增加能耗的现象。这无疑是采用铁作为阳极使用电动脱水过程中必须要避免的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种周期换向电凝聚强化污泥脱水的装置及方法，该装置所体现的方法可以应用于城市生活污水处理厂的污泥脱水过程，通过本装置及方法，可以有效改变污泥中水份的赋存方式，使之更适宜后续污泥压滤脱水过程，有效提高污泥的减容效果，最终降低污泥含水率。
本发明针对已有电动污泥脱水技术的缺陷，基于电渗技术和污泥化学调理技术以及污水处理过程中的电凝聚技术的各自优点，将三者结合起来，利用金属铁电极电解过程中释放出铁离子可以直接作为污泥调理剂的特点，同时铁离子也可以对污泥通过电凝聚过程改善脱水性能以及电渗技术对于污泥深度脱水具有的良好效果等实际，并利用周期换向电源可以有效避免铁阳极钝化现象，提出一种新的强化污泥脱水效果的方法，并通过构建新型电化学处理装置，使用周期换向电源为装置供电，利用铁作为金属阳极，从而实现电动脱水技术的污泥调理、脱水过程一步实现，避免外加调理药剂的同时，确保污水过程持续高效进行，直至使污泥中可通过电动过程脱除的水份全部被去除，为后续脱水过程创造良好条件。
一种周期换向电凝聚强化污泥脱水的装置，所述装置的主体为用于承装待脱水污泥的筒体，筒体中设置有沿其纵向轴线可移位的活塞和用于承载待脱水污泥的具有通孔的板体；所述活塞下表面固定平板铁电极；所述板体的上方依次固定至少一层滤布和铁丝网电极；待脱水污泥置于平板铁电极和铁丝网电极之间；所述平板铁电极和铁丝网电极分别连接周期换向电源。
本发明所述装置的主体为筒体，本发明所述筒体涵盖了各种造型的直型筒体结构，其筒体的截面可为圆形、多边形等，优选其为圆筒结构。
进一步地，本发明所述筒体材质优选为有机玻璃材料。
本发明所述装置筒体内设置活塞，所述活塞一方面可充当该筒体结构的上部封盖，另一方面可在其下固定平板铁电极。
进一步地，所述装置包括用于控制活塞移动的动力装置。具体地，在活塞的上方固定加压装置，加压装置以空气压缩机驱动。
本发明所述装置筒体内下部固定有具有通孔的板体，该板体作为承载污泥的主要承重部件，所述通孔用于污泥脱出的水(或含其他杂质的水)的排出。
进一步地，优选该板体材质为有机玻璃材料；优选通孔的孔径为4～6mm，进一步优选为5mm，孔隙率为11.11％。更进一步地，优选有机玻璃材料为甲基烯酸甲酯。
本发明所述板体的上方固定铁丝网电极，所述铁丝网电极可商业购得。在铁丝网电极及板体之间固定至少一层滤布。
优选地，所述滤为pet或pp滤布，其孔径为0.5～0.8mm，其通过铁丝网电极和板体固定。
本发明所述周期换向电凝聚强化污泥脱水装置优选，所述活塞的侧壁与筒体内壁滑动连接，平板铁电极的侧边与筒体内壁滑动连接，铁丝网电极的侧边固定在筒体内壁上，板体的侧边固定在筒体内壁上。
本发明所述周期换向电凝聚强化污泥脱水装置中，所述“周期换向电源”为可根据需要时间间隔进行电流方向周期换向的电源，本领域技术人员可根据需要装配获得，如所述周期换向电源由直流稳压电源、定时继电器、普通继电器及导线连接所得；也可商业购得，如双极性(高频正负换向)直流稳压电源。
本发明所述周期换向电凝聚强化污泥脱水装置优选，在所述板体的下方设有用于接收来自筒体的流体的集水部，所述集水部底部出口下方设有用于接收流体的容器。
进一步地，所述集水部优选为位于板体下方的漏斗形集水部。
更进一步地，所述用于接收流体的容器位于称重装置上，用于测量脱水速率。
本发明的另一目的是提供一种周期换向电凝聚强化污泥脱水方法，所述方法为：将待脱水污泥置于两个铁电极之间，电极通电处理30s～240s后，改变电流方向后电极通电处理30s～240s，两次处理时间相同，如此反复，直至结束，其中，处理电压为6～14v，活塞压强0.4兆帕，总处理时间为5～25min。
优选地，将待脱水污泥置于两个铁电极之间，电极通电处理90s后，改变电流方向后电极通电处理90s，两次处理时间相同，如此反复，直至结束，其中，处理电压为10v，活塞压强0.4兆帕，总处理时间为5～20min。
更进一步地，在首次通电后，对待处理污泥进行挤压处理，以排出脱除的水。
本发明的有益效果为：
本发明针对目前国内外强化活性污泥脱水研究现状，提供了一种电化学强化污泥脱水反应处理装置，该装置采用铁电极换向电源，使铁电极在释放fe3+离子作为污泥调理剂，适当破坏污泥胞外聚合物提高其脱水性能的同时，利用电渗作用实现强化污泥脱水，金属铁电极不仅作为电渗作用的电极，而且同时可以释放出对污泥调理起重要作用的fe3+离子，实现一种电极多重功能，利用以往电化学污泥脱水研究过程中极力避免的电极腐蚀问题，化害为利。
将周期换向电源应用于污泥脱水过程，根据设计的新型反应器，和污泥电化学脱水实际效果，调整电凝聚及调理过程和电脱水过程的时间，可以在不改变反应器结构的前提下，自动实现各个电化学过程的连续调整和组合，尤其是可有效避免以往直流电源电渗析过程中可能出现的阳极表面钝化影响导电效果的问题。
附图说明
图1为周期换向电凝聚强化污泥脱水的装置的示意图，
附图标记如下：1、筒体，2、活塞，3、板体，4、平板铁电极，5、滤布，6、铁丝网电极，7、待脱水污泥，8、周期换向电源，9、集水部，10、容器，11、称重装置，12、动力装置，13、电功率分析仪。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
如图1所示，周期换向电凝聚强化污泥脱水的装置，该装置的主体为筒体1，所述筒体1为机玻璃圆筒，筒体1内部上端设有沿其纵向轴线可移动的活塞2，活塞2下部为通过螺栓固定的平板铁电极4。筒体1的下端固定铁丝网电极6，铁丝网电极6下衬pet滤布5(商业购得，孔径0.8mm)用于使脱除的水分排出，pet滤布5下为多孔有机玻璃板板体3(材质为甲基烯酸甲酯，孔径为5mm，孔隙率为11.11％)，铁丝网电极6和多孔有机玻璃板板体3共同固定住pet滤布5。活塞2的侧壁与筒体1内壁滑动连接，平板铁电极4的侧边与筒体1内壁滑动连接，铁丝网电极6的侧边固定在筒体1内壁上，多孔有机玻璃板板体3的侧边固定中筒体1内壁上。
在多孔有机玻璃板板体3下是由机玻璃板制成的中间有出水管的漏斗形集水部9，脱除的水份通过出水管进入下方置于天平上的烧杯中，通过定时读出天平读数变化情况，考察脱水速率。活塞2受空气压缩机驱动，其压强可以通过改变空气压缩机压力进行调节并利用活塞尺寸进行计算。上端的平板铁电极4和下部的铁丝网电极6之间为污泥区，用于放置待脱水污泥7。上端的平板铁电极4和下端的铁丝网电极6通过导线接出圆筒电化学脱水装置并与电功率分析仪13串联，后再连接稳压周期换向电源8。
该装置工作时，首先组装好装置，固定多孔有机玻璃板板体3、滤布5以及铁丝网电极6，向圆筒筒体1添加进待脱水污泥7，加盖上部的平板铁电极4和可移动活塞2，接通电路，开始时将铁丝网电极6作为阳极，平板铁电极4作为阴极通电并自动计时。此时向可移动活塞2上部施加压力，使其随处理过程的进行缓慢下降，对圆筒中的污泥施加压力。在此过程中，首先污泥受到铁丝网电极6和平板铁电极4构成的电化学脱水装置两极之间的电场力作用，改变污泥中水份赋存状态，同时释放铁离子对污泥进行调理，部分析出的水份随之在压力作用下透过铁丝网电极6和滤布5进入圆筒筒体1下部的集水部9，并通过集水部9下部的出水管流入烧杯中。随着过程的进行，铁丝网电极6逐渐发生钝化，此时周期换向电源8自动改变电流方向，使两个电极发生极性对调，将钝化膜溶解，并进一步释放铁离子对污泥进行调理。待平板铁电极4开始出现钝化现象时，周期换向电源8又自动改变电流方向，再次将铁丝网电极6作为阳极，如此周而复始，实现污泥电动脱水的持续不断地进行，通过集水部9下部的出水管处的烧杯下的天平来计量脱除的水份质量。
采用本装置，处理取自沈阳市沈水湾污水处理中心的二沉池底部回流污泥，含水率99％，处理量1kg(体积约1l)，处理电压分别为6v、8v、10v、12v、14v，换向周期分别为30s、60s、90s、120s、135s、150s、180s、210s、240s(换向处理时间相同。以30s为例，以铁丝网电极6作为阳极，平板铁电极4作为阴极处理30s后，电源换向，换向后以铁丝网电极6作为阴极，平板铁电极46作为阳极处理30s，再进行换向，如此反复)，活塞压强为0.4兆帕，处理时间分别为5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min，经条件实验发现，在换向周期为90s、处理电压为10v时污泥脱水效果最好。处理时间为5min时，脱水率可达95％；处理时间为10min时，脱水率可达96％；处理时间为15min时，脱水率达到96.5％；处理时间为20min时，脱水率达到98％，处理时间为25min以上时，脱水率基本不再变化。因此考虑到处理效果和时间关系，确定最佳处理参数为：换向周期为90s、处理电压为10v、处理时间在5～20min，此时原始含水率约为99％的二沉池底部回流污泥通过本装置处理后，其含水率降低至约为80％，处理过程脱水率为95～98％。
为了对比采用周期换向电化学法强化污泥脱水效果，单独采用无周期换向电化学强化工艺单纯采用压力过滤的工艺对相同污泥进行了脱水处理实验研究。污泥量1kg(体积约为1l)，活塞压强为0.4兆帕，处理时间分别为5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min。处理时间为5min时，其脱水率为30％，处理10min时，脱水率为37％，处理15min时，脱水率为40％，处理20min时，脱水率为42％，25min时，脱水率为44％，30分钟时，脱水率为45％，35min时，基本不变，仍为45％。此时，污泥在此压强下已经不再脱水，仅有极少量水从滤布下缓慢渗出。如果希望继续增加脱水率，则必须增加活塞压强方可实现。
由以上对比可以看出，通过周期换向电化学方式，确实可以强化污泥的脱水效果，且效果明显。