一种波共振污泥深度脱水技术的制作方法

本发明属于污泥处理技术领域，尤其涉及一种波共振污泥深度脱水技术。

背景技术

污泥的产量随着我国污水处理率的不断提高呈显出上升趋势。污水处理过程就是将液态废水中的有害物质无害化，污染溶解悬浮物质通过适当处理以固相形式沉淀分离，水净化后进入自然水体循环或再利用。固态分离物质作为污泥成为水处理的副产物，通常含有大量难降解有机物、重金属和盐类，以及病原微生物和虫卵，若不妥善处理将造成严重的二次污染。

剩余污泥，即污水处理后产生的污泥，最主要的特征就是含水率高，甚至高达99％，实现污泥减量化最直接也是最有效的方法就是去除污泥中的水分，但由于剩余污泥成分复杂，呈絮体状态，其脱水性能极差，未经处理的污泥若直接进行机械脱水，泥饼含水率仍高达80％左右，这远远低于我国固体垃圾填埋标准(含水率小于60％)。

目前，常见的污泥脱水方法有干化法、机械法、调理法。干化法常见的是自然干化和加热干化两种，自然干化是一种简单传统的脱水方法，脱水成本低，但由于脱水效率低，占地面积大，对周围环境影响大，因此自然干化在大中型污水厂很少被采用；加热干化是采用人工加热的方法使得污泥中的水分快速被蒸发掉的一种方法，虽然脱水效率高，脱水后的污泥含水率可降至10％-30％，但是运行费用较高，对周围环境影响较大，比较适合于中小型污水厂污泥的集中处理与处置。机械脱水常见的有离心脱水、板框压滤脱水、带式压滤脱水、真空过滤脱水，真空过滤脱水由于其脱水噪声大，泥饼含水率高且占地面积大，因此很少被采用；相比其它脱水方法，板框压滤脱水泥饼含水率较低，但由于其间断式工作模式，脱水效率低，操作环境差，自动化程度不高等缺点限制了其在国内大型污水厂的应用；离心脱水和带式脱水由于操作方便和运行费用低仍被广为应用。调理法有化学调理、物理调理、生物调理，其中化学调理由于投资成本低，操作简单等优点目前仍被广泛采用。但是，简单的调理方法需要大量消耗化学药品，存在潜在污染和二次污染的弊端。目前，除了加热干燥法，污泥深度脱水所能达到的最低值大概就是70％，距离国家固体填埋标准尚有颇大的距离。调理法如果大量添加化学处理剂，污泥含固量固然可以降至很低，但消耗的化学药品和增量的固态污染物都不是环保处理所应该走的路。而加热干燥法从能耗和环保等角度看都不是一个可行的方案。因此，寻找一种高效污泥深度脱水工艺依然是目前环保行业孜孜努力研发的一个课题。

技术实现要素：

针对现有的不足，本发明提出了一种波共振污泥深度脱水技术，通过电化学调理，将污泥胶体双电层结构改变，形成一种可预测的污泥胶体紧密与扩散层间结合键力。然后依照这个特征参数对结合的水分子通过一定的能量波破坏其束缚力而从污泥中释放出来。按照现代物理学概念，这个结合键力对水分子的约束是在一定的物理频率范围内发生作用。由于这个键力通常是介于化学键和物理结合力之间，因此通过常规机械方法很难克服这个束缚力将水分子释放出来，这也就是目前污泥深度脱水如此困难的原因。本技术充分考虑环保污泥成分结构特征和内部胶体分散状况而发明的一种新型脱水技术：通过对结合键与胶体层间束缚力的分析测定，外在施加一定能量密度且具有一定特征拥有类似结合键频率或缔合键频率的波，由于波谱能量的共振叠加，污泥中的水分子就会以远比常规如热蒸发等技术能耗低的状况下释放出来达到深度脱水的目的。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

本发明提出了一种波共振污泥深度脱水方法，包括以下步骤：

s1：絮凝化学调理：在每吨污泥中添加3-15kg调理剂进行化学调理；

s2：电化学调理：化学调理后，将污泥移入电压为3-10v的电化学反应器进行催化活化，使污泥胶体双电层电位降低，且该污泥胶体中水分子与固态颗粒的结合键频率达到能量波设定频率范围内，得到活化污泥；

s3：能量波设定频率确认：选择对该活化污泥施加的能量波设定频率为1000-5000hz；

s4：能量波共振叠加震荡脱水：通过波调制发生装置在所述能量波设定频率范围内选择与所述结合键频率相同的共振波频率进行共振，破坏该活化污泥胶体中水分子与固态颗粒的结合键，对该活化污泥进行震荡脱水处理。

进一步的，所述调理剂包括：表面活性剂和电解质，其中，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，所述电解质为碱或碱土金属盐中的一种或多种。

进一步的，所述能量波设定频率为1000-5000hz时对应的双电层电位范围为±50mv。

进一步的，还包括步骤s5：当所述活化污泥的结合键频率不在所述能量波设定频率范围内，对所述活化污泥进行添加所述电解质调理至ph值为6.3-7.5后，再进行步骤s4，其中，添加量为每吨污泥添加0.5-3kg电解质。

进一步的，在进行所述絮凝化学调理时，调理污泥的ph值至6.3-7.5。

进一步的，所述震荡脱水处理具体包括以下步骤：s401：添加所述调理剂进行调理后震荡活化；s402：震荡活化后进行机械固液分离初级脱水；s403：重复步骤s401进行多次震荡活化叠加后，进行机械固液分离深度脱水。

进一步的，所述震荡脱水处理的总时间为5-30分钟。

进一步的，所述机械脱水的装置包括：带式压滤机或板式压滤机。

进一步的，选择对该活化污泥施加的能量波设定频率还包括：8000hz以上。

进一步的，所述波发生调制装置的能量波为机械波、电磁波或高频震荡波中的一种或多种，其波频率为1000-5000hz或8000hz以上，波能量密度与污泥处理负载量成正比。

本发明的有益效果至少包括：

1)本发明提供的方法简单，条件易控制；加入表面活性剂和电解质以及电化学催化调理，有效的改善了水的结合状态参数，使波共振叠加处于一个可控、可预测和可操作的有效范围进行；

2)本发明提供的方法是水在液相状态下释放分离，无需克服大的相变能，能耗较低；

3)本发明选择的能量波频率是依照不同污泥调理后的特征参数进行调节的，因而效率高适应面广；

4)本发明易于与其他机械、化学和物理脱水设备协同应用，可以达到良好的脱水效率和干化效果。

附图说明

图1为本发明方法脱水过程微观示意图。

图2为本发明深度脱水方法流程图。

图3为本发明ph值对不同调理剂存在下与电镀污泥zeta电位ξ的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

目前的污水处理过程中，水体有害废物通过如物理化学絮凝沉降处理，把固态废物分离出来，处理后的水再行回用或者排入自然水体，而分离出来的固态废物，也就是待处理的污泥，其已经包含了大量的絮凝剂，有机无机废物，水处理过程中加入的其他添加剂，电解质等等。通常，污水处理厂出来的固废污泥大都是初级处理污泥，含水率在80-98％之间。目前市场上深度处理后的污泥含水率都在70-80％，这也是市场上比较低的污泥含水率值。而本专利技术所涉及的待处理进料污泥处理含水率为70-75％的污泥时，性价比更高(描述中往后所述的污泥均指此含水率水平的污泥)，当然也能处理含水率为80-98％的污泥，但是花费的成本会更高。可以理解的是，污泥与污水或初级污泥有着明显不同的特征：(1)含有大量絮凝剂，ph调节剂；(2)污泥常规胶体结构已经得到破坏，双电层被极大的压缩处于凝聚状态；(3)污泥已经完全处于固体状态，无流动性，其脱水过程完全变成了水从固态污泥间克服表面吸附力或结合力向固体外迁移的过程。

因此，本发明根据上述原理，主要采取的发明构思如下所述。

根据本发明的实施例，图1为本发明方法脱水过程微观示意图，参照图1所示，本发明的调理主要是针对克服固态污泥毛细管固液两相界面间缔合吸附水电荷能垒与水结合键能垒。所使用的调理剂和调理方式也都与水处理过程不同，与常规的水处理或污泥初步脱水中使用的技术有着本质的不同。更具体的，由于不同污泥来源，不同水处理工艺产生的污泥都有很大的不同，所以其界面电荷能垒和水分子结合键能垒也不尽相同。本发明通过加入表面活性剂和电解质以及电化学催化调理，透过电化学反应中间体将这个能垒降低，双电层(紧密层和扩散层)电位降低到适当水平，水与固态颗粒间的结合频率达到适当的范围，有效的改善水的结合状态参数，使波共振处于一个可控、可预测和可操作的有效频率范围内进行，再通过近似频率的震荡波共振将水释放出来，并结合震荡脱水进行深度脱水，使污泥的含水率远远低于70-75％，效果显著。

根据本发明的实施例，图2为本发明深度脱水方法流程图，参照图2所示，本发明所述波共振污泥深度脱水方法，具体包括以下步骤。

s1：絮凝化学调理：在每吨污泥中添加3-15kg调理剂进行化学调理，调理参数以ξ电位(zeta电位)作为表征，以能量波设定频率为目标，具体的，本发明在进行所述絮凝化学调理时，调理污泥的ph值至6.3-7.5，目的即为使调理后的污泥在进行下述步骤s2电化学调理后，其结合键频率能达到能量波设定频率范围内。图3为本发明ph值对不同调理剂存在下与电镀污泥zeta电位ξ的关系曲线图，参照图3所示，可以理解的是，本发明所述ph值是等电点和ξ电位值的敏感参数，进而影响结合键频率，通过测定ph值和电导率，可以测得双电层电位ξ值。

根据本发明的一些实施例，所述调理剂包括：表面活性剂和电解质，其中，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，所述电解质为碱或碱土金属盐中的一种或多种，如为钾、钠、钙、镁等无二次污染之虞的化合物。

s2：电化学调理：化学调理后，将污泥移入电压为3-10v的电化学反应器进行催化活化，通过电化学反应和电化学反应中间体的持续作用，使污泥胶体双电层电位降低，且该污泥胶体中水分子与固态颗粒的结合键频率达到一个新的平衡或稳定，落在本发明的能量波设定频率范围内，得到活化污泥。

根据本发明的实施例，更具体的，所述电化学催化活化是电化学氧化与物理波溶胞破解剩余活性污泥。电化学技术用于剩余活性污泥减量，是在电化学反应器内通过一定的化学反应，利用在电化学过程形成的强氧化性的羟基自由基基团或者其他强氧化性的活性物质(即上述反应中间体)来破坏污泥的絮体结构，氧化活性污泥胞外聚合物，使污泥溶解参与污水处理，降低处理工艺过程的剩余污泥量，实现污泥减量化。通过改变污泥的絮体结构，来改善污泥的沉降及脱水能力，使污泥更容易压滤脱水，压滤后的污泥含水率更低，以达到降低处理成本的目的。电化学催化活化通过适当参数(电压)选择，可以影响污泥胶体中水分子与固态颗粒的结合状态特征，即所述结合键频率。

s3：能量波设定频率确认：选择对该活化污泥施加的能量波设定频率为1000-5000hz，所述能量波设定频率为1000-5000hz时对应的双电层电位zeta电位范围为±50mv。由于固态废物颗粒对水分子的束缚力有化学键力、缔合(氢键)键力，电荷作用力和范德华力。化学键力显然不是污泥脱水过程所应考虑的范围。污泥中氢键按照文献观察测试数据介于(4.785-5.1)x10¹³hz。这么高的频率，要克服这个能垒其实已经与蒸发法无太大差异，从能源消耗角度来看也无多大意义。本发明的关键就是选择频率1000-5000hz范围的震荡，通过能量累计共振叠加降低了水的活化能，从而在低能耗条件下将结合水以液相状态形式透过机械分离程序从固态分离出来达到污泥干化的目的。

根据本发明的一些实施例，根据污泥粒径和体积大小的不同，选择不同的共振波频率进行共振处理，通常大粒径部分处理频率相对低些，而小粒径部分频率要高些，选择范围在1000-5000hz，个别类型污泥可选到8000hz。本发明大粒径为超过10²μm，小于10¹μm的将其理解为小粒径。

可以理解的是，由于污泥来源不同，选择对该活化污泥施加的能量波设定频率还可以包括：8000hz以上有良好的效率，波能量密度与污泥处理负载量成正比，更具体的，波能量密度在5000-40000焦耳/公斤(污泥)。

s4：能量波共振叠加震荡脱水：通过波调制发生装置在所述能量波设定频率范围内选择与所述结合键频率相同的共振波频率进行共振，破坏该活化污泥胶体中水分子与固态颗粒的结合键，对该活化污泥进行震荡脱水处理。

根据本发明的一些实施例，所述波发生调制装置的能量波为机械波、电磁波或高频震荡波中的一种或多种，即单一或协同共振，其波频率为1000-5000hz或8000hz以上，降低水与固态颗粒的结合能，破坏结合束缚力。

根据本发明的实施例，所述结合键频率(与共振波频率相同)的测定方式，主要包括以下步骤：由于待处理污泥在震荡环境下有流体特性，依照流体力学原理我们可以得出：

(1)

其中：p为波长单位波能量通量，h为波高，t为周期；b为介质流体密度，g为重力加速度。

(2)

其中：e为单位水平面积的能量密度(焦耳/平方米)，即水平面单位面积动势能之和。

依照经典双电层理论：

其中：为拉普拉斯算符，ε＝ε0εr，ε，ε0和εr分别为介电常数、真空介电常数和相对介电常数，ρ为体电荷密度。

引入相应边界条件后，方程解为：

其中：(3)ei＝zieξ，

zi为胶体中第i种粒子粒子价,e为基本单一电子电荷，ni⁰为本体溶液中粒子i的浓度，k为boltzmann常数,t绝对温度，ei为将固体粒子由本体溶液移入双电层位置需要做的功或者能量。

根据以上公式，ei也就是将相应量水分子从双电层位置完全移入本体溶液所需要做的功。结合上述流体力学公式，我们就可建立一个共振波频率，波幅等波参数与污泥胶体化学参数之间的对应关系：通过测定电化学调理后的活化污泥的双电层zeta电位ξ，得到经典双电层理论中的ei(公式3)，再通过流体力学原理中的公式(2)可知，e乘以面积后即为总能量或者说需要做的功，即为公式(3)中的ei，因此，可以求得波高(振幅)h，再通过流体力学原理中的公式(1)可知，p乘以波长后即为总能量或者说需要做的功，即为公式(2)中的e，可以求得周期t，倒数即为结合键频率，也就是将相应量水分子从双电层位置完全移入本体溶液所需要做的功对应的共振波频率。

根据本发明的一些实施例，还包括步骤s5：当所述活化污泥的结合键频率不在所述能量波设定频率范围内，需要对所述活化污泥进行添加所述电解质调理至ph值为6.3-7.5后，进行上述步骤s2电化学调理后，使其双电层电位得到的结合键频率或者说共振波频率能达到能量波设定频率范围内，再进行步骤s4，其中，添加量为每吨污泥添加0.5-3kg电解质。

根据本发明的实施例，所述震荡脱水处理具体包括以下步骤：s401：添加所述调理剂进行调理后震荡活化；s402：震荡活化后进行机械固液分离初级脱水；s403：重复步骤s401进行多次震荡活化叠加后，进行机械固液分离深度脱水，所述震荡脱水处理的总时间为5-30分钟，所述机械脱水的装置包括：带式压滤机或板式压滤机等多种机械脱水方式。根据连续或间歇性操作特点进行选择，都有比较满意的脱水效率。

根据本发明的实施例，本发明所述方法步骤都在室温下进行。

实施例1：待处理电镀污泥：

1.取上述污泥100公斤置于调理剂中进行絮凝化学调理：pdadmac0.75％，酸性盐类混合物0.28％。

2.调理结束转移入电化学反应器进行催化活化：恒压5.8-6.5v，ph值7.2-7.5，催化反应时间8-10分钟，表观ξ电位-15mv，表观电导率620ms/m。

3.选择波共振频率1500hz，三级共振模式在压力引流下脱水15-20分钟。

4.深度脱水干化后，污泥含水率达47-49％。

综上所述，本发明提供的方法简单，条件易控制；加入表面活性剂和电解质以及电化学催化调理，有效的改善了水的结合状态参数，使波共振叠加处于一个可控、可预测和可操作的有效范围进行；本发明提供的方法是水在液相状态下释放分离，无需克服大的相变能，能耗较低；本发明选择的能量波频率是依照不同污泥调理后的特征参数进行调节的，因而效率高适应面广；本发明易于与其他机械、化学和物理脱水设备协同应用，可以达到良好的脱水效率和干化效果。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体实施例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。