基于滲流理論的污泥高干弱超聲電脫水技術(shù)基礎(chǔ)研究項目摘要

污泥深度脫水困難已經(jīng)成為資源化利用和減量化處理的瓶頸問題，較熱干燥方法具有顯著節(jié)能優(yōu)勢的電脫水技術(shù)是較為可行的途徑，但電脫水仍然存在節(jié)能、增效的空間。本研究以污泥電脫水的滲流過程為研究對象，采用弱超聲和電場共同作用，借助低功率超聲波的弱空化和機械振蕩提高電脫水速度、深度降低污泥含水率，依托現(xiàn)有滲流理論基礎(chǔ)，從提高滲透率、降低滲流阻力、增加滲流壓差為目標，分析污泥介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合脫水試驗研究弱超聲波對污泥電脫水過程中滲流特性的動態(tài)改變，優(yōu)化弱超聲電脫水技術(shù)操作條件與適宜的應(yīng)用范圍，并針對污泥介質(zhì)的復雜性和不穩(wěn)定性建立滲流模型，將使得電脫水技術(shù)無論在技術(shù)方面還是在經(jīng)濟方面均具有巨大優(yōu)勢，為實現(xiàn)污泥高干脫水和解決污泥資源化利用瓶頸問題提供新的技術(shù)途徑和研究思路。

污泥深度脫水困難已經(jīng)成為資源化利用和減量化處理的瓶頸問題，電脫水技術(shù)是較為可行的途徑，但仍然存在節(jié)能、增效的空間。本課題以污泥電脫水的滲流過程為研究對象，采用弱超聲和電場共同作用，借助低功率超聲波的弱空化和機械振蕩提高電脫水效率，建立了滲流模型，完成了弱超聲電脫水技術(shù)可行性驗證和條件優(yōu)化、電脫水污泥的干化特性改進和節(jié)能效果分析、對污泥重金屬等有害物質(zhì)的去除與穩(wěn)定分析、電極材料和輔助方法研究，以及提出新型固定電極壓送式電脫水設(shè)備。主要結(jié)論如下： ①利用電模擬方法建立描述電脫水過程的滲流力學模型，提出了相應(yīng)系列參數(shù)，實驗驗證了模型的有效性和準確性。該模型可描述超聲輔助下的電滲透脫水過程，也驗證了超聲輔助的可行性。 ②采用低頻振子式超聲波發(fā)生器，與直流恒壓電場共同作用于污泥，研究了超聲波耦合和預處理對污泥電脫水過程的影響，完成了超聲波耦合電場污泥脫水工藝的參數(shù)的優(yōu)化等。 ③從污泥粘性和剪切應(yīng)力及干燥特性曲線和節(jié)能效果等角度，探索并分析了電滲透脫水對污泥干化特性的改善，確定了薄層電脫水污泥干燥的最優(yōu)模型，為電滲透污泥的后續(xù)干化過程提供了重要參考和應(yīng)用依據(jù)。 ④研究了電場對重金屬的去除效果，不同陽極材料的腐蝕，以及從重金屬、微生物、脫水液特性等方面全面探索了污泥電滲透脫水的安全性，篩選出合適的耐腐蝕極板材料。 ⑤研究了污泥電脫水過程中脫出水分的分離方式，將水分由傳統(tǒng)的重力分離，轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽课牧系奈椒蛛x，減弱對后續(xù)脫出水分的阻礙，一定程度上改善了污泥的電脫水特性。 ⑥針對當前電脫水設(shè)備操作復雜、繁瑣、安全性差等問題，提出了環(huán)形電場和板狀平行固定電場壓送式電脫水設(shè)備樣式，對當前的脫水設(shè)備進行簡化和創(chuàng)新，并為超聲波加載創(chuàng)造出便利條件。 本課題對污泥電滲透脫水技術(shù)進行了系統(tǒng)、全面、綜合的實驗分析與評價，為今后污泥電滲透脫水技術(shù)應(yīng)用提供了較為完整的實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，有較高的實際意義和應(yīng)用價值。 2100433B

《高干度油田注汽鍋爐和高干度蒸汽生產(chǎn)方法》涉及油田注汽鍋爐技術(shù)領(lǐng)域，是一種高干度油田注汽鍋爐和高干度蒸汽生產(chǎn)方法。

污泥的脫水性能很大程度取決于污泥的結(jié)構(gòu)。改變污泥的結(jié)構(gòu)可以大大提高污泥的脫水性能，污泥量也會大幅度減少。菌膠團具有良好的保水性，內(nèi)部包含水約占總水量的25%，這些菌膠團使污泥水分難以脫除，利用超聲波可以破壞菌膠團。聲能密度為0.11~0.22W/mL的超聲波處理可以破壞菌膠團強度結(jié)構(gòu)，使菌膠團內(nèi)部包含水排出，同時保持較大的污泥顆粒，污泥的沉降性有所提高。而且超聲波在水中產(chǎn)生的各種效應(yīng)受頻率影響很大，低頻（<100kHz）機械效應(yīng)較好，高頻化學效應(yīng)較強，由于污泥處理主要利用超聲波的機械效應(yīng)，因此低頻下效果較好。41、207、360、616、1068、3217kHz下的超聲波處理污泥菌膠團結(jié)構(gòu)的效率隨著超聲波頻率的升高而降低，41kHz下處理效率是3217kHz下處理效率的9.7倍，因此污泥處理中通常利用不超過40kHz的超聲波。

對于大量污泥的處理，超聲技術(shù)可作為一種預處理技術(shù)與其他方法如厭氧、好氧處理技術(shù)聯(lián)用，然而對于每一種應(yīng)用，超聲能量輸入和細胞分解程度及厭氧消化時間都有優(yōu)化組合。Ying·ChihChu等研究了超聲與堿解聯(lián)合破解污泥的效果，實驗得出投堿和超聲波同時作用比單獨的投堿處理效果更高。據(jù)有關(guān)報道，德國利用超聲波進行污泥減量已進入實際應(yīng)用階段，而國內(nèi)在這方面的研究基本上處于初步實驗研究階段，仍需進一步爭取進入實用階段。污水污泥處理中常采用絮凝技術(shù)，這是一種處理效率高、既經(jīng)濟又簡單的物化處理技術(shù)。絮凝劑已成為污泥脫水的首要選擇，很多文獻表明，添加絮凝劑是對污泥有效的處理方式?；瘜W調(diào)理過程本身就是化學反應(yīng)過程，超聲波對均相和非均相反應(yīng)體系一般都有強化效果，也促進了絮凝劑水解、凝聚和絮凝過程的進行。

JanuaryBBien等認為超聲波能改變作為絮凝劑的高分子電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而提高脫水性能。表面電勢是衡量脫水性能的一個重要參數(shù)，在污泥中加入高分子電解質(zhì)可以改變其表面電勢。超聲波作用高分子電解質(zhì)一定時間，可以使電解質(zhì)分支減少，鏈節(jié)變短，更有利于脫水。另外，超聲對污泥進行預處理，還可以縮短厭氧發(fā)酵時間，減少絮凝劑的使用量。Wolny等]的研究表明，通過超聲場的作用對脫除污水污泥中的水含量有明顯的作用。超聲的作用是改變高分子電解質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當超聲時間和頻率選擇合適時，可提高脫水的效率，不過這個時間的選擇根據(jù)高分子電解質(zhì)的類型會不同。在超聲處理15s后添加聚合高分子電解質(zhì)3mg/g，可以使污泥的體積減少至原來的50%。超聲處理5~10min時活細菌數(shù)量大大減少。超聲作用幾十秒，就可以減少絮凝劑用量的50%，污泥脫水后的體積比無超聲處理的減少65%。超聲波促進脫水的常見工藝為：城市污泥-重力沉降-超聲波處理-機械脫水。超聲波能有效的破壞菌膠團結(jié)構(gòu)，將其中內(nèi)部包含水釋放成為可以比較容易去除的水分。E.Riera-FrancodeSarabia等把高能超聲運用到分離過程中，以促進流體/固體顆粒的分離。他們指出，盡管在液態(tài)懸浮體系中，團聚作用不如氣體中明顯，然而超聲能量可以有助于高濃度細小顆粒體系比如料漿和污泥的脫水。他們的研究顯示，頻率在10和20kHz下，超聲可以促進過濾過程固、液的分離。 2100433B