一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水方法及系统与流程

[0001]
本发明属于污泥处理领域，具体涉及一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水方法及系统。


背景技术：

[0002]
活性污泥法、生物膜法等传统的生物处理方法通过微生物生化反应过程实现有机物的高效去除，同时为维持反应体系稳定的生物量而排放出大量的剩余污泥。近年来，随着经济的快速发展和城市化进程的加快，污水处理设施日益完善，污水排放量急剧增加，污水处理厂产生大量剩余污泥。
[0003]
污泥脱水的难点包括：（1）eps和胶体都具有高度的水合作用、带电荷的表面特性，它们悬浮于水中，相互排斥，难以凝聚沉降，故不利于污泥脱水；（2）污泥絮体有机质含量高，具有高压缩性，在过滤后期会堵塞滤饼的孔隙，导致机械脱水效率较低。为了提高污泥脱水效率，需采取一系列预处理措施调理污泥，如破坏污泥 eps，改变其表面特性；增大污泥颗粒粒径，促使其脱稳聚集沉降等。当前污泥脱水技术主要包括物理调理、化学调理、生物调理以及联合调理。
[0004]
目前污泥脱水主流工艺是药剂调理+板框压滤，药剂一般采用pac+pam组合，含水量可以做到60%，但污泥臭味重，后续运输和最终处置费高。而电解氧化法是在外加电场作用下阳极可以直接或间接产生具有强氧化活性的（—oh）。这种方法的优点是：（1）电子转移只在电极及废水组份间进行，产生的自由基无选择地直接与废水中的有机污染物反应将其降解，不需另外添加氧化还原剂，避免了由另外添加药剂而引起的二次污染问题；（2）可以通过改变外加电压随时调节反应条件，可控制性较强；（3）反应条件温和，电化学过程一般在常温常压下就可进行；（4）作为一种清洁工艺，其设备占地面积小，基本无二次污染，符合环保的要求。但是，由于受到电极材料的限制，该方法降解处理有机污染物的电流效率低，能耗大，因而较少直接应用于实际污泥处理中。
[0005]
目前，研究微波与化学反应系统的相互作用已成为国际上一门新型的交叉科学，这些研究大体分为两大类：（1）从电磁场与分子和化学键之间的相互作用来研究微波加快化学反应机理；（2）从宏观等效系统来研究电磁波与化学反应非平衡系统的相互作用。化学反应是一个非平衡系统，在微波辐射下，化学反应系统吸收微波能量转化为热能引起系统温度升高，温升会改变化学反应速率，系统中物质成分的变化与温度的升高都会引起物质电磁特性的变化，从而导致物质介质复介电系数的变化，而物质介质复介电系数的变化反过来又影响电磁波的吸收和发射。因此，微波与化学反应系统的相互作用必须考虑这一复杂性。当然，此处的相互作用主要是热效应，不可否认，微波这一非平衡非线性系统相互作用往往产生特殊效应，当然也有理论认为微波与化学反应体系存在着直接作用，也就是非热效应。对于高含水量的污泥电解溶液来说，整个体系如果温升很快，能耗会大大增加，成本增加，所以微波与化学反应体系主要体现在非热效应上。
[0006]
本发明创新一种微波电解催化氧化污泥脱水方法，其创新内容是从两方面考虑：
（1）从电解质溶液电导方面考虑要想降低污泥电解溶液的能耗，可以降低极间电解液欧姆电压降，要想降低极间电解液欧姆电压，必须增大两极板之间的电导率。而影响电解质溶液电导率的因素包括：浓度、温度、外场频率、外场强。微波正好是外场强的一种。
[0007]
微波能够导致电导率增加，包括两大理论：维恩效应和电解质溶液onsager理论。
[0008]
根据维恩效应：高电场强度与高频率会显著影响电解质溶液的电导率（电泳效应，松弛效应），微波场的场强达到104v.m-1
时，微波能会部分转化为团簇里分子间势能，电导率会增加。
[0009]
根据onsager理论：离子的移动受其周围离子氛的影响。由于离子氛中的离子重排需要一定时间（1mmol/l离子溶液的弛豫时间约为10-7s），当电导测量的交流频率超过10mhz时，离子的移动快于离子氛的重排，弛豫时间的影响减弱，测得的电导值增加。p.debyme及h.falkenhagen 1928年预示其可能性并很快得到了证实，而微波频率是正处于0.3ghz-300ghz之间，我们日常所用的微波频率为2.45ghz，大于10mhz，电导值会增加。
[0010]
（2）从电解质溶液活化能方面考虑微波作为非电离辐射，光量子的能量相对化学键键能来说是非常低的。以2.450ghz微波来说，其光量子能量大约是10-5
ev，而共价键大约是5ev，离子键大约是7.6ev，氢键键能也在0.04-0.44ev，虽然微波光量子能量很低，但它作用的对象并不是一个已经完好的化学键，而是一个旧的化学键断裂，新的化学键生成的过程。因为在化学键形成的过程中，有些化学键可以被大大削弱，从而减低了溶液的活化能。


技术实现要素：

[0011]
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水方法及系统，该方法采用中间相沥青基碳纤维复合高导电的增强相碳源作为阳极材料，以及采用微波电解和微纳米气泡，使得电导率增加，对有机质的氧化速率提高，实现了低能耗、高效率的污泥脱水方法。
[0012]
为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水方法，包括以下步骤：步骤1、储泥池进泥：在储泥池上设有进泥装置，进泥的含水量控制在96-99%；步骤2、微波催化氧化预处理：将循环泵、直流电源、微纳米气泡、微波开启，产生的羟基自由基与污泥中的有机物在电解槽内进行充分氧化反应，泵循环时间为30-60min；步骤3、高低压进泥：经步骤2处理完成后的污泥采用高低压进泥泵进入压滤机，用变频器控制，使进料的稳定性更好，将压滤机压紧后，高低压进泥泵启动，将污泥抽入压滤机中，随着滤饼的逐渐形成，过滤压力逐渐增高，通过压力变送器的信号反馈，进料压力达到1.6-2.5mpa后，恒压20-30min，之后进入压榨状态；在进料过程中，滤液从四个暗流孔排出，滤板间渗出的漏液被翻板接住，通过两侧的小槽排出；步骤4、压榨：经步骤3处理后进入压榨状态，将压榨泵启动，将清水注入隔膜板的膜腔内，随着膜腔逐渐充满清水，将所形成的滤饼压缩、变薄，滤饼内的水分进一步被挤出，压榨达到2.0-3.0mpa，恒压压榨30-60min，压榨程序结束，排液阀门打开，膜腔内的清水自动回流到压榨水箱内，以备下次使用；
步骤5、卸料：经步骤4处理后再进行吹风15-45min，结束后将翻板打开，油缸带动推板退到最后端，拉板小车开始进行取拉板动作，将滤板逐块拉开，腔室中形成的滤饼在拉取板的时候通过重力落下，泥饼破碎后外运。
[0013]
进一步地，所述步骤2中直流电源电压为24-36 v。
[0014]
进一步地，所述步骤2中微波频率为0.915 ghz或2.45ghz，微波功率为9-30kw。
[0015]
进一步地，所述步骤2电解槽中阳极材料为碳-碳复合材料，其中基材为中间相沥青基碳纤维，增强相为高导电的沥青浸渍剂。
[0016]
进一步地，所述步骤2电解槽中阴极材料采用不锈钢材质。
[0017]
进一步地，所述步骤3中高低压进泥泵采用螺杆结构。
[0018]
进一步地，所述步骤3中高低压进泥泵是采用高压泵进料，低压泵出料，其中高压泵压力为0.6-1.6mpa，低压泵压力为0-0.6mpa。
[0019]
一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水系统，包括：电解槽，以及设置于其中的阳极、阴极，位于阳极、阴极之间设有微波发生装置，槽底设有微纳米气泡发生装置，电解上靠近阴极的一侧槽上设有进料管，用于进料污泥；靠近阳极的一侧的槽底设有出料管。
[0020]
优选地，所述的微波电解催化氧化污泥脱水系统还包括：储泥池、进泥泵、压滤机，进料管和出料管连通所述储泥池，进泥泵连通储泥池，将储泥池中污泥输送至压滤机进行压滤。
[0021]
本发明的有益效果是：（1）该方法采用中间相沥青基碳纤维复合高导电的增强相碳源作为阳极材料，以及采用微波电解和微纳米气泡，使得电导率增加，对有机质的氧化速率提高，污泥的含水量达到50%以下，实现了低能耗、高效率的污泥脱水方法；（2）本发明采用中间相沥青基碳纤维复合高导电的增强相碳源作为阳极，该材料具有低密度(<2.0g/cm3)、高强度、耐腐蚀、耐冲刷、高模量、高导电等优点，电极的氧化峰电位只有1.0v；在电解氧化处理中采用微纳米气泡，使水中溶解有大量的氧气，有利于阳极产生更多的羟基自由基；（3）目前影响污泥脱水的主要因素是胞外聚合物（eps）和胶体，eps和胶体具有高度的水合作用、带电荷的表面特性等特点，这些离子或胶体相互排斥，无序化度高、各向异性，在电场作用下，整个系统电流效率低，能耗高，但本发明在外加微波的电磁场的作用下，这些带负电荷的离子或者是胶体进行了有序、规整的重排，电解质溶液活化能减低，电导率增加，系统电流效率大幅度提高；（4）因本发明处理的污泥含水量在97%以上，通过电解污泥产生羟基自由基，其具有较强的氧化性能破坏胞外聚合物和细胞壁，使污泥中受束缚的结合水释放成自由水，改变污泥中水分的存在形式，构建污泥脱水过程中的滤水通道，从而使污泥脱水更加流畅，保证了泥饼含水率的稳定达标，而采用微波和微纳米气泡以及碳-碳复合材料作为阳极，是为了提高电导率，使之产生更多的羟基自由基，又能减少能耗。
附图说明
[0022]
图1为本发明实施例的污泥脱水系统的布局示意图。
[0023]
图中：1、压滤机，2、进泥泵，3、储泥池，4、微纳米气泡发生装置，5、阴极，6、微波发生装置，7、电源，8、阳极，9、循环泵。
具体实施方式
[0024]
为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
[0025]
实施例1：一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水方法，包括以下步骤：步骤1、储泥池进泥：在储泥池上设有进泥装置，进泥的含水量控制在96%；步骤2、微波催化氧化预处理：将循环泵、直流电源、微纳米气泡、微波开启，直流电源电压为36v，微波频率为0.915ghz，微波功率为9kw，产生的羟基自由基与污泥中的有机物在电解槽内进行充分氧化反应，电解槽中阳极材料为碳-碳复合材料，其中基材为中间相沥青基碳纤维，增强相为高导电的沥青浸渍剂，阴极材料采用不锈钢材质，泵循环时间为30min；步骤3、高低压进泥：经步骤2处理完成后的污泥采用高低压螺杆进泥泵进入压滤机，高低压螺杆进泥泵是采用高压螺杆泵进料，低压螺杆泵出料，其中高压螺杆泵压力为1.6mpa，低压螺杆泵压力为0.6mpa，用变频器控制，使进料的稳定性更好，将压滤机压紧后，高低压螺杆进泥泵启动，将污泥抽入压滤机中，随着滤饼的逐渐形成，过滤压力逐渐增高，通过压力变送器的信号反馈，进料压力达到1.6mpa后，恒压20min，之后进入压榨状态；在进料过程中，滤液从四个暗流孔排出，滤板间渗出的漏液被翻板接住，通过两侧的小槽排出；步骤4、压榨：经步骤3处理后进入压榨状态，将压榨泵启动，将清水注入隔膜板的膜腔内，随着膜腔逐渐充满清水，将所形成的滤饼压缩、变薄，滤饼内的水分进一步被挤出，压榨达到2.0mpa，恒压压榨60min，压榨程序结束，排液阀门打开，膜腔内的清水自动回流到压榨水箱内，以备下次使用；步骤5、卸料：经步骤4处理后再进行吹风45min，结束后将翻板打开，油缸带动推板退到最后端，拉板小车开始进行取拉板动作，将滤板逐块拉开，腔室中形成的滤饼在拉取板的时候通过重力落下，泥饼破碎后外运。
[0026]
实施例2：一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水方法，包括以下步骤：步骤1、储泥池进泥：在储泥池上设有进泥装置，进泥的含水量控制在99%；步骤2、微波催化氧化预处理：将循环泵、直流电源、微纳米气泡、微波开启，直流电源电压为24v，微波频率为2.45ghz，微波功率为30kw，产生的羟基自由基与污泥中的有机物在电解槽内进行充分氧化反应，电解槽中阳极材料为碳-碳复合材料，其中基材为中间相沥青基碳纤维，增强相为高导电的沥青浸渍剂，阴极材料采用不锈钢材质，泵循环时间为40min；步骤3、高低压进泥：经步骤2处理完成后的污泥采用高低压螺杆进泥泵进入压滤机，高低压螺杆进泥泵是采用高压螺杆泵进料，低压螺杆泵出料，其中高压螺杆泵压力为1.3mpa，低压螺杆泵压力为0mpa，用变频器控制，使进料的稳定性更好，将压滤机压紧后，高低压螺杆进泥泵启动，将污泥抽入压滤机中，随着滤饼的逐渐形成，过滤压力逐渐增高，通过压力变送器的信号反馈，进料压力达到2.5mpa后，恒压30min，之后进入压榨状态；在进料过程中，滤液从四个暗流孔排出，滤板间渗出的漏液被翻板接住，通过两侧的小槽排出；步骤4、压榨：经步骤3处理后进入压榨状态，将压榨泵启动，将清水注入隔膜板的膜腔内，随着膜腔逐渐充满清水，将所形成的滤饼压缩、变薄，滤饼内的水分进一步被挤出，压榨
达到3.0mpa，恒压压榨30min，压榨程序结束，排液阀门打开，膜腔内的清水自动回流到压榨水箱内，以备下次使用；步骤5、卸料：经步骤4处理后再进行吹风15min，结束后将翻板打开，油缸带动推板退到最后端，拉板小车开始进行取拉板动作，将滤板逐块拉开，腔室中形成的滤饼在拉取板的时候通过重力落下，泥饼破碎后外运。
[0027]
实施例3：一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水方法，包括以下步骤：步骤1、储泥池进泥：在储泥池上设有进泥装置，进泥的含水量控制在98%；步骤2、微波催化氧化预处理：将循环泵、直流电源、微纳米气泡、微波开启，直流电源电压为30v，微波频率为2.45ghz，微波功率为25kw，产生的羟基自由基与污泥中的有机物在电解槽内进行充分氧化反应，电解槽中阳极材料为碳-碳复合材料，其中基材为中间相沥青基碳纤维，增强相为高导电的沥青浸渍剂，阴极材料采用不锈钢材质，泵循环时间为60min；步骤3、高低压进泥：经步骤2处理完成后的污泥采用高低压螺杆进泥泵进入压滤机，高低压螺杆进泥泵是采用高压螺杆泵进料，低压螺杆泵出料，其中高压螺杆泵压力为0.6mpa，低压螺杆泵压力为0.2mpa，用变频器控制，使进料的稳定性更好，将压滤机压紧后，高低压螺杆进泥泵启动，将污泥抽入压滤机中，随着滤饼的逐渐形成，过滤压力逐渐增高，通过压力变送器的信号反馈，进料压力达到2.0mpa后，恒压25min，之后进入压榨状态；在进料过程中，滤液从四个暗流孔排出，滤板间渗出的漏液被翻板接住，通过两侧的小槽排出；步骤4、压榨：经步骤3处理后进入压榨状态，将压榨泵启动，将清水注入隔膜板的膜腔内，随着膜腔逐渐充满清水，将所形成的滤饼压缩、变薄，滤饼内的水分进一步被挤出，压榨达到2.5mpa，恒压压榨45min，压榨程序结束，排液阀门打开，膜腔内的清水自动回流到压榨水箱内，以备下次使用；步骤5、卸料：经步骤4处理后再进行吹风30min，结束后将翻板打开，油缸带动推板退到最后端，拉板小车开始进行取拉板动作，将滤板逐块拉开，腔室中形成的滤饼在拉取板的时候通过重力落下，泥饼破碎后外运。
[0028]
对比例1：对比例1和实施例1的不同之处在于，微波程序不开启，其他步骤不变。
[0029]
对比例2：对比例2和实施例1的不同之处在于，微纳米气泡不开启，其他步骤不变。
[0030]
对比例3：对比例3和实施例1的不同之处在于，微波和微纳米气泡都不开启，其他步骤不变。
[0031]
将上述实施例1-3和对比例1-2的污泥脱水方法得到的效果进行对比，对比结果如表1所示。
[0032]
表1
从表1可以看出，用中间相沥青基碳纤维复合高导电的增强相碳源作为阳极材料，以及采用微波电解和微纳米气泡，使得电导率增加，对有机质的氧化速率提高，污泥的含水量达到50%以下，实现了低能耗、高效率的污泥脱水方法，进一步分析，没有开启微波的污泥脱水工艺得到的泥饼含水率在50%以上，没有开启微纳米气泡的泥饼含水率比开启后的明显高，微波和微纳米气泡都没有开启后得到的泥饼含水率更是大于60%，说明微波和微纳米气泡工艺可以提高本发明脱水效果，特别是同时应用更能降低污泥含水率。
[0033]
实施例4：如图1所示，本发明提供一种基于微波电解催化氧化的污泥脱水系统，包括：电解槽，以及设置于其中的阳极8、阴极5，位于阳极8、阴极5之间设有微波发生装置6，阳极8由中间相沥青基碳纤维复合高导电材料制成，其中微波发生装置6包括相连接的微波源以及波导管，多根波导管竖直设置于阳极8、阴极5之间的电解槽内，其外由聚四氟乙烯包覆，起到防水透波作用，槽底设有微纳米气泡发生装置4，电解上靠近阴极5的一侧槽上设有进料管，用于进料污泥；靠近阳极8的一侧的槽底设有出料管。可以理解地，采用中间相沥青基碳纤维复合高导电的增强相碳源作为阳极材料，以及采用微波电解和微纳米气泡，复合作用使得电导率增加，对有机质的氧化速率得以提高。
[0034]
优选地，所述的微波电解催化氧化污泥脱水系统还包括：储泥池3、进泥泵2、压滤机1，进料管和出料管连通所述储泥池3，进泥泵2连通储泥池3，将储泥池3中污泥输送至压滤机1进行压滤。通过上述电解处理过后的污泥通过压滤后，其含水量达到50%以下。
[0035]
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和使用本发明。熟悉本领域的技术人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的
保护范围之内。