本发明属于污水处理厂污泥的减量化、无害化与资源化技术领域，涉及一种声电复合多功能污泥减量化系统及其工作方法。
背景技术
据《2017中国生态环境状况公报》报道，截至2017年底，全国设市的城市污水处理能力达1.57亿m3/d，目前污水处理行业普遍采用的是活性污泥工艺，该工艺会产生大量的剩余污泥，且含水率通常高达97%以上，依据目前最常用的机械脱水设备，污泥脱水后含水率也通常在80%左右，甚至更高，以此推算全国污泥产量超过3500多万t/a。随着污泥处理处置标准的日益严格，污泥处理费用已经占污水处理厂整体运行费用的20-60%，污泥减量化已经成为污水处理领域迫切需要解决的问题。
污水处理后污泥中的水一般分为四类：自由水，不受固相颗粒的影响，经沉淀很容易去除；间隙水，经过强烈的机械力可以去除；表面水，通过吸附和黏附存在于固相颗粒的表面；结合水，吸附或结合在絮体内，主要依靠氢键与蛋白质的极性结合的水分。其中结合水是限制污泥脱水的主要因素，而传统的机械脱水只能除去污泥中的部分自由水和极少部分间隙水，为了能够进一步降低污泥的含水率，在污水厂污泥脱水与污泥减量化研究领域，近些年来利用微波辐射、热水解和超声波、电化学等的污泥脱水技术有较多的研究和专利报道，尤其是超声波，因其在水中产生的超声空化作用而能破解污泥絮体，甚至是菌胶团和细胞体，可使污泥中的结合水转化为易于用机械方式脱除的自由水，并以其稳定、清洁、安全等性能备受关注。如授权号cn20639603u公开了以超声处理为核心的城市污水处理厂污泥的深度脱水系统，以超声空化技术破坏污泥中的毛细结构和细胞壁结构，使毛细水和胞内水转化为自由水，从而更易于脱除。公布号cn106310652a和公布号cn105621846分别公开了以超声波处理为主体，辅之以阳离子絮凝剂进行污泥调理的污泥脱水系统与方法，超声波可使污泥菌胶团散开，菌胶团内部包含的水分转变为自由水，同时絮凝剂的加入可快速提高污泥的沉降性能，因此超声联合絮凝剂处理污泥有无污染，破解速度快等优势。
电脱水也是目前比较受关注的污泥脱水技术之一，它是一种以电场为驱动力的固液分离技术，其原理是在电场的作用下，污泥中的负电性颗粒会通过电泳作用向阳极网板迁移，而处于双电层-扩散层内的反离子携带水分通过电渗作用向阴极网板迁移，故电场可使带电污泥颗粒脱稳，因此对于那些表面带电荷的胶体颗粒，机械脱水效果往往不佳，电脱水技术则有更好的脱水效果。近几年也有一些利用这种电渗透技术进行污泥脱水的专利公开，如公布号为cn107381999a公开的一种污泥深度脱水方法、公布号为cn107098565a公开的一种竖直电场多层式污泥电脱水装置及其工作方法和公布号为cn106477845a公开的一种固定平板电极推送式电脱水净化装置等，这些专利均采用竖直电场，在阳极网板板上方施加压力，形成一种加压的电脱水过程，以提高电脱水效率，而没有常压电脱水装置及其在污泥脱水领域的专利报道。
近年来还有一些超声耦合芬顿、湿式氧化等技术在污泥减量减毒方面的报道，如公布号cn104556597a公开了一种污泥的处理方法，先将污泥进行超声预处理，而后泥水分离后得固体污泥，然后直接进行湿式氧化后再直接进行污泥脱水，可有效去除污泥中的有机物，脱水后污泥固含量达到60%以上。公布号cn106430895a公开了一种uasb污泥减量化处理装置，包括生化处理区、超声溶胞区、uasb反应区、污泥处理区，采用超声处理器对污泥进行溶胞处理，添加过氧化氢和氯化铁，首先过氧化氢在超声波的激发下产生强氧化性的自由基，可以氧化活性污泥，提高溶胞率，同时过氧化氢在氯化铁的催化下可以产生大量的气泡，在超声波的作用下会产生气泡空化现象，震碎细胞及其表面覆盖缠绕的多糖絮体，使得污泥的毛细水和间歇水等释放出来，提高了污泥絮体的沉降性和含水率，最终实现污泥的减量化。公布号cn106430895a公开了一种改善剩余污泥脱水性能的方法，该方法将城市污水处理厂二沉池产生的污泥通过超声处理进行破解，使污泥中的一部分物质从污泥相转移到液相中；再利用钛白废酸与双氧水配制的fenton试剂对上述污泥进行氧化处理，以达到改善脱水性能并增加污泥上清液的scod、tn、tp和氨氮的目的；与单独采用fenton试剂或超声波处理相比，能耗降低了23-42%，从而有效降低了剩余污泥的处理成本。从以上超声耦合芬顿、湿式氧化的报道来看，二者结合虽对污泥的脱水控污有非常显著的作用，但这些技术均有明显的不足：芬顿氧化会增加污泥产量，湿式氧化需要在高温高压下操作，设备要求高。目前在各种催化氧化技术中，电催化氧化技术作为一种新兴高级氧化技术，具有常温常压下操作，氧化能力强等特点，因此更具备实用优势。
在现有的污泥超声脱水和电脱水专利报道中，多数都忽视了污泥脱水过程中二次污染物的释放及其控制这一问题，如城市生活污水处理厂的污泥，脱水时往往有机物、氨氮、磷酸根离子等污染物会释放出来，因此开发一种既能进行深度脱水，同时能在一定程度上控制这类污染物的技术，才是更符合实际需求的污泥脱水技术。而从超声、电场的作用机理和过程来讲，它们在一定程度上也能产生氧化性基团，因此也是一种高级氧化技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种既能高效脱水，同时又能有效控制脱水过程产生的二次污染问题，以解决上述背景技术中提出的问题以及目前污泥脱水技术存在的不足。
本发明将超声和电氧化脱水技术二者耦合在一个反应器中，同时结合污泥的调理等技术，开发了一种声电复合多功能污泥一体化处理装置，将其用于污水处理厂污泥的脱水及脱水过程释放的有机物、氨氮、磷酸根等的二次污染控制，应用组合技术强化控制污泥脱水过程中污染物释放带来的二次污染，不仅污泥减容量大，有效降低了后续污泥的处理处置成本，同时能有效控制污泥脱水过程的二次污染，具有显著的环境效益和实用价值。
为实现上述目的，本发明提供了一种声电复合多功能污泥减量化系统，包括依次连接的进泥管、一体化污泥处理器、排泥管和至少一台机械脱水装置，一体化污泥处理器包括进泥段、中段和排泥段，中段包括四个区域，依次为超声波处理区、加药反应区、电脱水区和污泥调理区；超声波处理区设有超声波震板，超声波震板与超声波发生器连接，加药反应区上设有a加药装置，电脱水区相间排列有阴极网板和阳极网板，阴极网板和阳极网板分别与电源的负极和正极连接，污泥调理区上设有b加药装置。
一体化污泥处理器的两端的纵截面均呈锥形，中部的纵截面呈长方形，进泥段的口径沿水流方向逐渐变大，排泥段的口径沿水流方向逐渐变小，一体化污泥处理器各段的横截面均为矩形。
超声波震板设于超声波处理区的底部。
阴极网板采用不锈钢或金属钛，阳极网板采用活性涂层钛阳极网板，阴极网板和阳极网板的孔径均为3-10mm，相邻的阴极网板和阳极网板之间的间距为100-300mm；电源为直流电源或高频开关电源。
机械脱水装置为高压隔膜压滤机，且设置两台或两台以上。
一种声电复合多功能污泥减量化系统的工作方法，包括以下步骤：
（1）污泥由泵通过进泥管送入一体化污泥处理器，随着污泥流过的截面积逐渐变大，污泥流速也逐渐降低；
（2）开启超声波发生器开关，超声波为工作频率为20-80khz的低频超声波，污泥在超声波处理区停留时间为1-3min；污泥在超声空化作用破解污泥絮体，污泥中结合水，部分胞内水转化为自由水，同时处理过程中部分有机物和磷酸盐被释放出来，完成污泥絮体的空化破解过程；
（3）通过a加药装置向加药反应区加入质量百分比浓度为5-10%氯化钙溶液，投加量为待处理污泥量的0.3-1.0%，钙离子与污泥超声过程释放出来的磷酸根离子结合生成稳定的不溶物磷酸钙，完成了污泥脱水过程磷释放的二次污染控制；
（4）污泥流入电脱水区，开启电源开关，电流密度为50-150ma/cm2，处理时间为3-10min，污泥依次流经各阴极网板和阳极网板，污泥中带电荷难沉降的胶体颗粒、超声未破解的部分结合水以及自由水受到管道中各正负电极的作用，脱稳和脱水，同时释放于其中的有机物被电解过程中产生的氧化性自由基氧化降解；
（5）通过b加药装置向污泥调理区加入高分子絮凝剂，高分子絮凝剂的投加量为污泥量的0.3-0.5%，吸附污泥颗粒，形成致密网状絮体结构，进行污泥性状的调理；
（6）污泥经调理后向排泥管方向流动，随着污泥流经的截面积逐渐变小，污泥流动速度逐渐增大，最终通过排泥管送入机械脱水装置；
（7）开启机械脱水装置开关，最终完成污泥的脱水过程。
高分子絮凝剂采用有机高分子絮凝剂或聚铁、聚铝无机絮凝剂。
本发明与现有技术相比的优点是：与目前报道的超声耦合芬顿、湿式氧化技术相比，电催化氧化技术作为一种新兴的高级氧化技术，其与超声脱水技术耦合，具有常温常压下操作，氧化能力强等特点，因此更具备实用优势；脱水过程中氯化钙的加入，不仅能有效控制污泥脱水过程中释放的磷酸根离子，也能提高后续电氧化脱水段的间接氧化能力，对有机污染物和氨氮的降解效果更好；本系统结构简单，操作简便，可实现连续作业，脱水效率高，减容量大，不仅降低了后续污泥的处理成本，还能有效控制污泥脱水过程的二次污染，具有显著的环境效益和实用价值。
附图说明
图1是本发明的声电复合多功能污泥减量化系统的结构示意图。
其中：1-进泥管、2-超声波处理区、21-超声波震板、22-超声波发生器、3-a加药装置、4-电脱水区、41-阴极网板、42-阳极网板、43-电源、5-b加药装置、6-排泥管、7-机械脱水装置。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明进一步详述。
如图1所示，本发明一种声电复合多功能污泥减量化系统，包括依次连接的进泥管、一体化污泥处理器、排泥管和至少一台机械脱水装置，一体化污泥处理器包括进泥段、中段和排泥段，中段包括四个区域，依次为超声波处理区、加药反应区、电脱水区和污泥调理区；超声波处理区设有超声波震板，超声波震板与超声波发生器连接，加药反应区上设有a加药装置，电脱水区相间排列有阴极网板和阳极网板，阴极网板和阳极网板分别与电源的负极和正极连接，污泥调理区上设有b加药装置。
污泥由进泥管1进入本装置，随着污泥流过的截面积逐渐变大，污泥流速也逐渐降低；开启超声波发生器22开关，设置超声波的工作频率为20-80khz，超声波震板21开始工作，发出超声波，污泥在超声空化作用下能破解污泥絮体，污泥中结合水甚至部分胞内水转化为自由水，同时处理过程中部分有机物和磷酸盐被释放出来，控制污泥超声处理过程的时间在1-3min；污泥流过加药反应区，通过开启a加药装置3的开关向污泥中加入质量百分比浓度为氯化钙溶液，投加量为待处理污泥量的0.3-1.0%，钙离子可与污泥超声过程释放出来的磷酸根离子结合生成稳定的不溶物磷酸钙，完成了污泥脱水过程磷释放的二次污染控制；污泥继续流经电脱水区4，开启电源43开关进行电脱水，电流密度为50-150ma/cm2，处理时间为3-10min，污泥依次流经各阴极网板41和阳极网板42，污泥中带电荷难沉降的胶体颗粒、超声未破解的部分结合水以及自由水受到管道中各正负电极的作用，脱稳和脱水，同时释放于其中的有机物被过程中产生的氧化性自由基氧化降解；污泥沿着电极向前流动，当流出最后一块极板后，进入污泥调理区，由加药装置5向其中加入高分子絮凝剂，高分子絮凝剂的投加量为污泥量的0.3-0.5%，由于其具有较大的比表面积，能有效吸附污泥颗粒，有利于形成相对较大的致密网状絮体结构，提高污泥脱水性能；污泥经调理后向排泥管6方向流动，随着污泥流经的截面积逐渐变小，污泥流动速度逐渐增大，最终由排泥管6排入机械脱水装置7，污泥脱水机为高压隔膜压滤机，在脱水机中完成污泥最终的脱水过程。设置两台或两台以上高压隔膜压滤机，可进行自动切换，保证了污水脱水系统的连续运行。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及实施例内容通过变化、重组等方式所作的结构、形状、材料、工艺流程的变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。