超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水方法与流程

本发明涉及污水污泥处理领域，具体地说是一种超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水方法。

背景技术：

污泥具有亲水性，胶体性质，具有高压缩性、高含水率等特点。在机械脱水过程中，污泥层的过滤介质压缩，导致空隙度下降，只能将表面的吸附水和毛细水除去，难以除去结合水和间隙水，这是导致含水率高的重要原因，经过传统的机械脱水后，污泥含水率一般在75％-80％，这些污泥因含水率过高，造成运输不便且成本较高，而且无法在填埋场直接处置致使干化时间长，污泥中含有的大量有机物及丰富的氮磷钾等营养物，易腐烂产生恶臭造成环境污染。其他方法如自然干化，热干化，化学脱水等。但是自然干化周期太长，容易产生二次污染，热干化耗能太大，化学脱水需要加入絮凝剂，脱水效果不好，且成本高。

机械脱水方式及设备主要有带式过滤脱水、离心脱水、板框压滤脱水三大类。对于市政污泥而言，带式过滤机、叠螺脱水机、离心机脱水后的滤饼含水率约在75％-80％，隔膜板框压滤机脱水的污泥含水率一般在60％左右。超高压弹性压榨机是一种压力更大，效率更高的压滤设备和固液分离设备，整个过程主要分为进料--弹性压榨--接液--卸料等四个过程。该设备压力直接来自液压油缸的压力，为直接压榨，压榨压力可达到5-7mpa单批次，虽然这种方式脱水后的污泥含水率可以达到更低，但存在能耗大、设备成本高、压榨弹簧需要经常更换等问题。

现有技术的电渗透脱水技术，主要利用电场原理，使带负电荷的污泥向阳极移动，扩散层的反离子带着水分子向阴极移动。阴阳两级间的电压通过恒定的电压来实现的，污泥的厚度变化的同时，阻值也在不断变化，因此浪费大量能源，脱水效果不明显。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术存在的能耗高、脱水效果不佳的技术问题，提出一种提升脱水效果并降低脱水能耗的超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水方法，包括以下步骤：

进泥阶段：通过阴极压滤板、阳极压滤板和压滤腔体一一对应并形成多个压滤腔室；所有的阴极压滤板在液压系统的带动作用下先向内移动，当阴极压滤板抵到压滤腔体的限位处时，与压滤腔体形成过盈配合；此时，所有的阳极压滤板行至压滤腔体的进料口端；通过进料泵向所有压滤腔室的进料口注料，以完成进泥；

脱水阶段：阴极压滤板上连接有超声波换能器，所述超声波换能器通过导线与超声波发生器连接；所述阴极压滤板保持不动，对所述阴极压滤板、阳极压滤板通电，超声波装置也开始工作，阳极压滤板在液压系统作用下向前移动，压滤腔室的体积开始缩小，实现耦合压滤脱水。

作为改进，耦合压滤结束后，阴极压滤板上的液压系统卸压，阳极压滤板继续向前移动推动泥饼和阴极压滤板往前移动，直至阴极压滤板到达最大行程，则阴极压滤板、阳极压滤板断电，超声波换能器和超声波发生器继续工作，超声波换能器与阴极蜂窝板连接在一起，实现共振，使泥饼脱离阴极压滤板，防止粘结在其上的滤布上，阳极压滤板在液压系统作用下退回，泥饼被悬空，通过阴极压滤板上的超声波换能器发出的超声波和重力作用实现卸泥。

作为改进，所述液压系统包括主液压缸、左液压缸和右液压缸，所述主液压缸为双向工作液压缸，所述左液压缸和右液压缸均为双程工作液压缸，所述主液压缸、左液压缸、右液压缸和压滤腔体均安装于支撑架上，所述左液压缸和右液压缸的液压杆分别连接相应的阴极压滤板，所述主液压缸的两侧液压杆均连接相应的阴极压滤板或阳极压滤板。

作为改进，每个压滤腔室均设置相应的位移传感器，所述位移传感器用于检测相应阳极压滤板在压滤腔中的位移量，从而可确定出阴极压滤板与阳极压滤板的相对距离，所述电源根据所述阴极压滤板与阳极压滤板的距离调节所述阴极压滤板与阳极压滤板之间的电压以实现恒电压梯度下的电渗透压滤。

作为改进，所述阴极压滤板内侧安装有阴极蜂窝板，所述阴极蜂窝板上表面覆盖有滤布，所述阴极压滤板与阴极蜂窝板配合形成排水的空腔；所述的阴极压滤板外侧开有排水口，并安装有阴极导线接口，所述的阴极蜂窝板上面安装有多个超声波换能器。

作为改进，所述压滤腔体内表面设有限位台阶，所述的阴极压滤板外圈开有凹槽用于安装密封橡胶圈，所述的密封橡胶圈直径大于阴极压滤板外径，当阴极压滤板抵到所述压滤腔体的限位台阶时，阴极压滤板与压滤腔体形成过盈配合，形成密封的工作腔。

作为改进，所述压滤腔体设置有进料口，在与阳极压滤板配合口安装有密封橡胶圈，在与阴极压滤板配合口安装有绝缘橡胶垫；所述的阳极压滤板外圈开有凹槽用于安装密封橡胶圈，阳极压滤板的外侧安装有阳极导线接口；阳极压滤板内侧开有排水口与压滤腔体的排水口通过可伸缩的排水软管连接，实现压滤水的排出；所述阳极压滤板的内侧安装有阳极蜂窝板，阳极压滤板与阳极蜂窝板相配合，形成排水空腔，所述的阳极蜂窝板开有排水通道，阳极蜂窝板上覆盖有滤布。

作为改进，所述电源上设有电压调节旋钮，在电压调节旋钮设置有同步带，所述同步带由步进电机驱动，所述步进电机根据所述位移传感器所检测的阴极压滤板与阳极压滤板之间的距离来进行转动，以带动电压调节旋钮，从而进行电压调节实现恒电压梯度。

作为改进，在电渗透过程中，污泥颗粒粘结在阴极压滤板的滤布上，超声波换能器在阴极蜂窝板上会产生共振作用，向污泥压滤腔室发出一定频率和功率的超声波。

作为改进，位移传感器上设有传感器连接线，所述的位移传感器分别安装于压滤腔体的外侧，并通过传感器牵拉钢丝绕过滑轮与阳极压滤板相连，并且可根据阳极板压滤板位移的距离，实时检测出阴极压滤板、阳极压滤板之间的距离，进而调节阴极压滤板、阳极压滤板之间的电压，实现恒电压梯度的电渗透脱水。

采用本发明技术方案，具有以下优点：本发明通过超声波、电渗透、机械压滤耦合脱水，且电渗透系统采用了恒电压梯度的工作方式，在结构上将超声波与机械压滤融为一体。本发明提高了污泥脱水率和脱水效果，并降低了脱水能耗。

附图说明

图1为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置的结构示意图；

图2为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置机械压滤部分结构图；

图3为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置机械压滤部分剖视图；

图4为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置压滤腔体剖视图；

图5为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置超声波换能器与阴极蜂窝板装配示意图；

图6为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置阴极蜂窝板正视图；

图7为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置阳极蜂窝板正视图；

图8为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置位移传感器装配示意图；

图9为超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置中直流电源和控制器的结构示意图。

如图所示，1、直流电源；2、步进电机；3、同步带；4、第一排水口；5、阴极压滤板；6、阴极导线；7、主液压缸；8、压滤腔体；9、右液压缸；10、进料口；11、位移传感器；12、限位结构；13、传感器连线；14、阳极连线；15、支撑架；16、左液压缸；17、超声波发生器；18、控制器；8-1、第二排水口；8-2、排水软管；5-1、密封橡胶圈；5-2、第一滤布；5-3、阴极蜂窝板；5-4、排水通道；5-5、第三排水口；5-6、绝缘橡胶垫；5-7、排水凹槽；5-8、阴极导线接口；19、超声波换能器；20、阳极压滤板；20-1、传感器钢丝连接口；20-2、阳极蜂窝板；20-3、第二滤布；20-4、阳极导线接口；11-1、传感器连接线；11-2、位移传感器主体；11-3、传感器牵拉钢丝；11-4、滑轮；21、超声波连接线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明作进一步说明。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。此外，本发明之附图中为了示意的需要，并没有完全精确地按照实际比例绘制，在此予以说明。

如图1-9所示，示意了超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水装置。其中，机械压滤部分包括支撑架15、主液压缸7、左液压缸16、右液压缸9、阴极压滤板5、阳极压滤板20、限位结构12、压滤腔体8、阴极蜂窝板5-3、阳极蜂窝板20-2、滤布20-3组成，所述的多组压滤腔体8为结构相同的脱水单元，所述的左液压缸16、主液压缸7、右液压9缸依次固定在支撑架15上面，所述的主液压缸7通过双向运动向左右两侧的压滤腔体8传递机械压力。阴极蜂窝板5-3、阳极蜂窝板20-2采用钢质材料。

阴极压滤板5、阳极压滤板20既是压滤中的压滤板，同时也是电渗透中的电极板，所述的电渗透系统还包括位移传感器11、传感器连接线21、滑轮11-4、传感器钢丝连接口20-1、控制器18、步进电机2、直流电源1，所述的位移传感器11分别固定压滤腔体8的外侧，并通过传感器牵拉钢丝11-3绕过滑轮与阳极压滤板相连，并且可根据阳极板位移的距离，实时检测出阴阳极压滤板的距离(污泥厚度)，进而调节两极压滤板之间的电压，实现恒电压梯度的电渗透脱水。

基于上述装置，形成超声波、电渗透与机械压滤耦合污泥脱水方法，其基本步骤为：

进泥阶段：通过阴极压滤板5、阳极压滤板20和压滤腔体8一一对应并形成多个压滤腔室；所有的阴极压滤板在液压系统的带动作用下先向内移动，当阴极压滤板抵到压滤腔体8的限位处时，与压滤腔体8形成过盈配合；此时，所有的阳极压滤板行至压滤腔体8的进料口端；通过进料泵向所有压滤腔室的进料口注料，以完成进泥；

脱水阶段：阴极压滤板5上连接有超声波换能器19，所述超声波换能器19通过导线与超声波发生器17连接；所述阴极压滤板5保持不动，对所述阴极压滤板5、阳极压滤板20通电，超声波装置也开始工作，阳极压滤板在液压系统作用下向前移动，压滤腔室的体积开始缩小，实现耦合压滤脱水。

耦合压滤结束后，阴极压滤板上的液压系统卸压，阳极压滤板继续向前移动推动泥饼和阴极压滤板往前移动，直至阴极压滤板到达最大行程，则阴极压滤板5、阳极压滤板20断电，超声波换能器19和超声波发生器继续工作，超声波换能器与阴极蜂窝板连接在一起，实现共振，使泥饼脱离阴极压滤板，防止粘结在其上的滤布上，阳极压滤板在液压系统作用下退回，泥饼被悬空，通过阴极压滤板上的超声波换能器发出的超声波和重力作用实现卸泥。

所述的超声波装置包括超声波发生器17、超声波换能器19和超声波换能接线口19-2，所述的超声波换能器19胶接在阴极蜂窝板5-3上，通过导线与超声波发生器17连接。所述的主液压缸7为双向工作液压缸，可以实现向两个方向同时传递机械压力，左液压缸16和右液压9缸均为双程工作液压缸，可以实现双程运动，可以实现多组压滤腔体同时进行污泥脱水工作。

所述的多组压滤腔室为结构相同的脱水单元，在压滤腔体8上开有注料口10。在与阳极压滤板20配合口安装有密封橡胶圈，在与阴极压滤板配合口安装有绝缘橡胶垫5-6，并设置限位结构12。

所述的阴极压滤板5与压滤腔体8连接处有限位结构12，其主要作用是限制阴极压滤板5与压滤腔体8的同轴心配合，防止阴极压滤板5在工作过程中走偏，另一个作用是限制阴极压滤板5在退泥过程中的行程，能够精确的实现卸泥工作。所述的阴阳极压滤板外圈均开有半圆凹槽用于安装密封橡胶圈。阴极压滤板5内部安装有阴极蜂窝板5-3，阴极蜂窝板上表面覆盖有第一滤布5-2，阴极压滤板与阴极蜂窝板配合形成排水空腔。所述的阴极压滤板5外侧开有排水口5-5，并安装有阴极导线接口5-8，阴极蜂窝板内部安装有三个超声波换能器19，超声波换能器与蜂窝板胶接在一起，实现超声波对污泥脱水的作用。所述的阴极蜂窝板为超声波换能器的安装预留位置，蜂窝板上开有排水通道5-4和排水凹槽5-7，所述排水通道5-4和排水凹槽5-7相联通，所述排水通道5-4与排水空腔相联通。所述的阳极压滤板外圈开有半圆凹槽用于安装密封橡胶圈，外侧安装有阳极导线接口20-4、位移传感器钢丝的连接口20-1。阳极压滤板20内侧开有排水口与压滤腔体的排水口通过可伸缩的排水软管8-2连接，实现压滤水的排出。阳极压滤板20与阳极蜂窝板20-2相配合，形成排水空腔，所述的阳极蜂窝板20-2开有排水通道，蜂窝板上覆盖有第二滤布20-3。

所述的密封橡胶圈5-1直径比阴极压滤板5外直径大，当阴极板顶到压滤腔体的限位台阶时，限位台阶作为限位结构12，阴极压滤板与压滤腔体形成过盈配合，能够与压滤腔体形成密封的压滤腔，并且可实现多组压滤腔室同时工作，一组包括两个压滤腔室，能够很大程度上提高工作效率。所述的主液压缸7为双向工作液压缸、左液压缸16和右液压缸9均为双程工作液压缸，通过液压缸的作用可以实现两侧压滤板的前进与后退。污泥处于腔室中，在挤压过程中，主液压缸7推动阳极压滤板20向前运动，不断的压缩污泥的体积促进污泥中水分通过两侧压滤板上覆盖的滤布进入压滤板的排水空腔，最后通过排水口排出。所述的阴极蜂窝板5-3是为了安装超声波换能器19所设计的特殊结构，蜂窝板上的排水凹槽5-7是为了将泥饼靠近圆心一侧的水分导流到蜂窝板边缘的排水通道5-4，进而排出水分。随着机械压力的增大，污泥的体积和厚度不断的减小，机械压力增大到一定值会进行保压2分钟，充分的压滤出污泥中的水分。

所述的压滤腔体8，主液压缸7，左液压缸16、右液压缸9依次固定在三根支撑架15上，所述的主液压缸7是双向工作液压缸，通过液压杆向两边运动为两个压滤腔体8传递压力，通过液压缸的作用可以实现两侧压滤板的前进与后退。所述的阳极压滤板20、阴极压滤板5、压滤腔体8可形成体积可变的密封工作腔。多组腔室的注料完成后，开始压滤过程中，主液压缸7推动阳极压滤板20向前运动，不断的压缩污泥的体积促进污泥中水分通过两侧压滤板上覆盖的滤布进入压滤板的排水空腔，最后通过排水口排出。随着机械压力的增大，污泥的体积和厚度不断的减小，机械压力增大到一定值会进行保压2分钟，充分的压滤出污泥中的水分。

所述的机械压滤过程结束后，阳极压滤板20在液压缸作用下继续向前运动，阴极压滤板20在液压缸作用下向后运动。与此同时，压滤后的泥饼位于两极板之间，并随着两极板运动到压滤腔体之外，当阴极压滤板5运动到最大限位距离时停止运动。此时，阳极压滤板20返回压滤腔体之内，泥饼被悬空，通过阴极板超声波和重力作用实现卸泥。卸泥完成之后，阴极压滤板5在液压缸作用下向前运动与压滤腔体8密封配合形成密封工作腔，然后进行下一步的注料、压滤、卸泥等动作。多组缸体不断往复循环的实现注料、压滤、卸泥这些工作过程。

所述的直流电源1为可调电源，固定在支架上面，阴阳两极压滤板均有导线接口，直流电源正极引出的导线与阳极压滤板20相连接，负极引出的导线与阴极压滤板5相连接，所述的直流电源1，在挤压过程中，通过步进电机2的控制可以时时调节阴阳两个极板间的电压。所述的控制器18在液压缸进行挤压过程中接收位移传感器11测出的信号，在一个压滤过程结束后，不再接收传来的位移信号，完成信号输出的互锁功能。

所述的阳极压滤板20通过传感器牵拉钢丝11-3经过滑轮11-4与位移传感器主体11-2相连接，并且可根据阳极板位移的距离，实时检测出阴阳极压滤板之间的距离(污泥厚度)，控制器18将获得的位移信号经过处理后，再通过传感器连接线11-1将信号传递给步进电机的驱动器，驱动步进电机2对直流电源1电压的调节。进而调节两极压滤板之间的电压，实现恒电压梯度的电渗透脱水。所述的控制器18、步进电机2、直流电源1一起固定在支架上面。所述的步进电机2通过同步带3带动直流电源调节旋钮的转动，实现电渗透的恒电压梯度工作方式。

所述的超声波换能器三个一组固定在阴极蜂窝板5-3之上，超声波换能器19与机械压滤机构的融合在一起，能够很好的发挥超声波对污泥脱水的作用，超声波发生器17固定在机架上面。超声波换能器接线口19-2经过导线与超声波发生器17相连接。在电渗透过程中，污泥颗粒容易粘结在阴极滤布之上，所以将超声波换能器19胶接在阴极蜂窝板5-3上面将会产生共振作用，能够向污泥腔室发出一定频率和功率的超声波，不仅能够提高脱水效率，而且能在退泥过程中通过超声波的震动，减少污泥在滤布之上的粘结作用。

本装置的工作原理如下：

工作开始时，所有的阴极压滤板在液压缸的带动作用下先前移动，当阴极压滤板顶到压滤腔体的限位台阶时，与压滤腔体形成过盈配合，液压缸停止作用。同时，所有的阳极压滤板退回到压滤腔体的进料口端。通过进料泵向所有的压滤腔体进料口注料，注料一段时间完成注料，此时，阴极压滤板保持固定位置不动，恒电压梯度电渗透系统、超声波装置上电开始工作，阳极压滤板在液压缸作用下向前移动，工作腔的体积开始缩小，进行耦合压滤。压滤出的污水，开始通过滤布进入蜂窝板上排水槽、排水通道，继而进入压滤板的排水腔室，通过压滤板的排水口排出。压滤过程中，污泥内部的自由水通过超高机械压滤即可大量排出，毛细水、吸附水、内部结合水在恒电压梯度电渗透和超声波作用下即可大量排出。阳极压滤板的位移变化则通过位移传感器进行检测，并将检测信号传送给控制板，控制板通过步进电机带动直流电源调节输出电压，此时，污泥的阻值也在不断地变化，调节输出电压能够实现恒电压梯度的电渗透。超声波发生器通过超声波换能器将电能转换为超声波能，向工作腔室内持续的发射一定频率和功率的超声波，来破坏污泥里面的菌团结构，脱去其包含的水分。随着机械压力的不断增大，阳极压滤板继续向前运动，达到一定压力时，压力不在增大，阳极压滤板的位移逐渐趋于稳定，液压缸持续保压2分钟，恒电压电渗透系统和超声波装置继续工作。耦合压滤工作结束，阴极压滤板的液压缸卸压，此时，阳极压滤板继续向前移动推动泥饼和阴极压滤板以前移动，直至阴极压滤板到达最大的限位位置。电渗透系统关闭，超声波装置继续工作，超声波换能器与阴极蜂窝板胶接在一起，能够实现共振，使泥饼脱离阴极压滤板，防止粘结在滤布之上。阳极压滤板在液压缸作用下开始退回压滤腔体内部，泥饼被悬空，通过阴极板超声波和重力作用实现卸泥。第一次压滤工作结束后，以此方式控制整个装置进行下一次的压滤工作，所有的工作过程依次循环，能够实现快速高效的污泥脱水工作，不仅可以节约能耗，而且可以提高脱水效率。

使用时，按如下步骤进行脱水：

步骤一：调试，依次连接位移传感器，控制器，步进电机，直流电源控制总线，同时调节好直流电源的电压示数，连接好超声波发生器、超声波换能器。所有的阴极压滤板在液压缸的带动作用下先前移动，当阴极压滤板顶到压滤腔体的限位台阶时，与压滤腔体形成过盈配合，液压缸停止作用。同时，所有的阳极压滤板退回到压滤腔体的进料口端，形成密封工作腔室。

步骤二：注料，通过进料泵向所有的压滤腔体进料口注料，注料一段时间完成注料，此时，阴极压滤板保持固定位置不动。

步骤三：压滤，恒电压梯度电渗透系统、超声波装置上电开始工作，阳极压滤板在液压缸作用下向前移动，工作腔的体积开始缩小，进行耦合压滤。压滤过程中，阳极压滤板的位移变化则通过位移传感器进行检测，并将检测信号传送给控制板，控制板通过步进电机带动直流电源调节输出电压，此时，污泥的阻值也在不断地变化，调节输出电压能够实现恒电压梯度的电渗透。超声波发生器通过超声波换能器将电能转换为超声波能，向工作腔室内持续的发射一定频率和功率的超声波，来破坏污泥里面的菌团结构，脱去其包含的水分。

步骤四：保压，随着机械压力的不断增大，阳极压滤板继续向前运动，达到一定压力时，压力不在增大，阳极压滤板的位移逐渐趋于稳定，液压缸持续保压2分钟，恒电压电渗透系统和超声波装置继续工作。

步骤五：卸泥，阴极压滤板的液压缸卸压，此时，阳极压滤板继续向前移动推动泥饼和阴极压滤板以前移动，直至阴极压滤板到达最大的限位位置。电渗透系统关闭，超声波装置继续工作，超声波换能器与阴极蜂窝板胶接在一起，能够实现共振，使泥饼脱离阴极压滤板，防止粘结在滤布之上。阳极压滤板在液压缸作用下开始退回压滤腔体内部，泥饼被悬空，通过阴极板超声波和重力作用实现卸泥，完成整个压滤工作。

虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。