泥漿脫水工藝的製作方法

2023-04-30 18:02:46

本說明書涉及到一種泥漿脫水工藝，能夠以有限的電耗來達到較高的乾燥水平。

此類工藝尤其可以用來對來自諸如汙水處理廠的泥漿進行脫水，以便於能對其進行焚燒或者掩埋。

背景技術：

一般情況下，來自諸如汙水處理廠的泥漿必須脫水，然後通過例如有機土壤改良(撒播)或者燃燒(焚燒)的方式來加以再利用，或在存放中心進行掩埋。在進行燃燒的情況下，在脫水工序結束時可讓泥漿達到乾燥狀態，即乾燥物質在泥漿總質量中所佔的比例應足以自動維持燃燒狀態：因此，優選乾燥度為30％至45％。同樣地，在進行填埋的情況下，某些國家的法律要求泥漿填埋前的最小乾燥率約為40％(舉個例子來說)。需要了解開發有效乾燥工藝的重要性，尤其是當該泥漿為難於乾燥的類型的情況下更需了解其重要性，尤以汙水處理廠的生物泥漿為甚。

在已知的工藝中，某些工藝專門用於對泥漿進行機械乾燥：可能涉及到離心工藝或者承壓過濾工藝，尤其需要使用壓濾機或帶式過濾器。然而，此類工藝會受到限制。比如，對於來自汙水處理廠的泥漿而言，其乾燥度只能達到15％至40％；只能在使用特殊有效器械且泥漿為極易處理類型(比如以礦物質為主的泥漿)時，方可達到最大值40％。因此，對於某些泥漿而言，比如汙水處理廠的生物泥漿，很難達到30％的乾燥度，對泥漿的變化這種乾燥度是不夠的。

其他工藝則以熱脫水方式來對泥漿進行脫水：因此，涉及到對泥漿進行加熱，以使其呈乾燥狀態。這些工藝十分有效：根據加熱的溫度以及處理持續時間，可以達到約90％的乾燥度。然而，這些工藝均耗能較大，每噸排放水至少要消耗700kWh的能量(kWh/tEE)甚至更多能量；總體而言，機 械流程消耗至少20kWh/tEE的能量，視其工藝類型而定(壓濾機、帶式過濾機或者離心過濾機)。

最後，有電氣方式輔助的機械脫水工藝，也被稱為電動脫水工藝，旨在以承壓方式對一定體積的泥漿進行過濾，比如在壓濾機中進行過濾，此外，還可以施加電場。該電場加上所產生的水解現象，能夠斷開水-泥漿鍵，便於固體顆粒中水分子朝相反方向往移動。此類電氣輔助則能夠提高泥漿的脫水效率，並因此獲得幾個額外乾燥度點值。但是，對於某些泥漿而言，此類工藝存在一定的難度。

實際上，在電動脫水期間，泥漿起著電阻的作用。然而，在一些泥漿的電流動性較低和/或離子數量較少的情況下，泥漿電阻值的增加會較為迅速。因此，在焦耳效應下電流恆定時，以溫升方式來體現泥漿電阻值的迅速增加。泥漿越乾燥，其電流動性越差，因此其電阻值越大。同時，會導致溫度上升，尤其是在電動脫水時最乾燥區域內的陽極一側。出於這個原因，有必要對此類電動脫水工序的持續時間加以限制，從而不致損壞電動脫水裝置。此外，在電流恆定從而電壓恆定情況下，電阻值的增加會導致出現大量能量損耗。

因此，對於此類泥漿而言，並考慮到所需投入的額外電氣消耗，所得到的乾燥度就相對較小並意義不大。

因此，便著實需要一種泥漿脫水工藝，至少能夠部分彌補前述工藝的內在缺點。

技術實現要素：

本說明書涉及到一種泥漿脫水工藝，包括一道待脫水泥漿的化學處理工序，在該工序中，需要將絮凝劑和凝結助劑添加到泥漿中；以及包括一道電動脫水工序。

單獨來看，助凝劑和絮凝劑不會對電動脫水的運行和效率產生明顯的效果。然而，發明人已證實，泥漿處理過程中其組合使用能夠產生協同效應，從而能夠極大地提高電動脫水工序的效率，進而提高泥漿的最終乾燥度。

事實上，在沒有使用任何成分或者只使用其中一種成分的情況下，通常可以證實在電動脫水裝置電極的接線柱上電壓會迅速增加，隨後便可使電壓保持穩定，並快速下降或者達到操作員所規定的最高電壓值並不再增加，從 而起到保護電極的作用。自此時起，該電壓峰值，實際上會在電動脫水工序啟動後立即出現，從而導致最乾燥一側即在陽極一側的泥漿溫度快速升高，這樣便會讓電動乾燥工序提前暫停，防止裝置受損。

反之，當絮凝劑和絮凝助劑組合使用時，我們意外地發現，通常可觀察到的電壓峰值沒有出現。與之相反，發明人的實驗表明，電壓會在電動脫水工序的前幾分鐘內先降後升，然後保持穩定或者重新下降。自此時起，臨近陽極區域的溫度延遲升高，這樣便可以在溫度達到會損壞裝置的溫度水平以前，延長電動脫水工序的持續時間：這樣可以提取出大量的水分，從而達到更高的乾燥水平。

為了解釋這一驚人現象發明人提出了一個假設，組合使用絮凝劑和絮凝助劑，除了能夠提高泥漿的過濾性以外，還能夠提高泥漿中所含離子的數量以及其電流動性。此類現象可用來降低泥漿的電阻值，尤其是在開始使用電場的電阻值，並因此降低電壓升高值，以及電極因焦耳效應所產生的加熱值。

因此，得益於該工藝以及該特殊處理流程，測試結果表明，相對於常規脫水工藝而言，該工藝可讓乾燥度提高10至60個點，並降低耗電量；所述工藝的總體耗能保持低於300kWh/tEE。

在某些實施例中，所使用的絮凝劑是聚合物。

在某些實施例中，所用的聚合物是陽離子型絮凝劑。該類聚合物可以更好地聚集的泥漿顆粒，並在本報告範圍內給出良好的過濾結果。

在某些實施例中，所用的聚合物是具有高密度和低分子量的陽離子絮凝劑。

然而，其他的陰離子型絮凝劑、陽離子型絮凝劑或非離子型絮凝劑，同樣可以根據待脫水泥漿的類型，具有不同的分子量。

在某些實施例中，在化學處理工序中，添加到泥漿中的絮凝劑淨產物的質量，即每噸泥漿的乾燥物質中活性物質(MA)的質量(kgMA/tMS)為1至25kg，優選4至15kgMA/tMS。發明人在他們的測試過程中發現，此濃度範圍在電動脫水動力學控制方面以及可實現的乾燥度方面能給出十分令人滿意的結果。

在某些實施例中，絮凝劑是礦物類凝結劑，例如三氯化鐵。但是，同樣可以採用其他礦物佐劑或者有機佐劑。

在某些實施例中，在化學處理工序中，添加到泥漿中的絮凝劑淨產物質量佔乾燥泥漿質量的0.5％至20％。發明人在他們的測試過程中發現，此濃度範圍在電動脫水動力學控制方面以及可實現的乾燥度方面能給出十分令人滿意的結果。

在某些實施例中，可在壓濾機中實施該電動脫水工序；電動脫水工序在壓濾機中進行；該壓濾機至少包括一個由兩個託盤組成的腔室；每個託盤至少配備一個電極；且至少一個託盤設有一臺過濾器，優選過濾布。每個腔室包括一個配備陽極的託盤以及一個配備陰極的託盤，以便於應用電場。此類壓濾機能先對位於兩個託盤之間的一定體積的泥漿進行過濾然後在進行壓縮，以便於通過放置在託盤內的過濾布來提取水。第二步，當泥漿仍在壓縮過程中，電極能在託盤之間產生電場，以便於移動託盤，從而通過過濾布將水排出。

在某些實施例中，壓濾器的至少一個託盤需配備能在被壓縮流體壓變形時使用的薄膜，以便於能對壓濾機中的泥漿進行壓縮。

在某些實施例中，壓縮過程中所施加的壓力為5至20巴，優選10至13巴。

在某些實施例中，至少起初應在恆定的電流強度下進行電動脫水工序。實際上，該調節模式能夠便於對泥漿進行快速脫水。

在某些實施例中，所用電流強度為5至200A/m2。

在某些實施例中，在電動脫水工序過程中，在滿足預設條件時，放棄進行恆定電流調節，以恆定電壓調節方式替代之。實際上，該調節模式能夠限制電極上的溫度上升。因此，所用恆定電壓值優選滿足預設條件時的電壓值。

在某些實施例中，在電動脫水工序過程中，在電壓達到電壓閾值時，放棄進行恆定電流調節，以恆定電壓調節方式替代之。由操作員來確定該電壓閾值，以便於能在小於擊穿電壓的電壓條件下使用電極。

在其他實施例中，在臨近電極區域的溫度達到閾值溫度時，放棄進行恆定電流調節，以恆定電壓調節方式替代之。這樣，在保持較低溫度，且在恆定電流強度以及高脫水效率工況下運行時，一旦達到溫度閾值，便可迅速轉換到恆壓模式運行，以便於暫停溫升，從而在溫度沒有變得過高而危及電動脫水裝置之前延長脫水持續時間。

在某些實施例中，當陽極的溫度達到溫度閾值50至65℃時，放棄進行恆定電流調節，以恆定電壓調節方式替代之。實際上，這樣不僅有利於儘量延長在恆定電流強度下以高效方式進行脫水的期限，而且一旦達到該溫度閾值，還可以儘量延長恆壓調節下的脫水期限。

在某些實施例中，在電動脫水工序過程中，泥漿附近的電極溫度不超過極限溫度，即小於或等於150℃時，優選小於或等於80℃，以及優選小於或等於70℃。這樣，便可降低裝置的受損風險。一旦達到該峰值溫度，便可優先暫停電動脫水工序。

在某些實施例中，電動脫水工序至少持續45分鐘，優選至少持續60分鐘，以及優選至少持續100分鐘。本工藝允許的該持續時間，能夠讓泥漿達到比常規電動脫水工藝更高的乾燥度。

在某些實施例中，電動脫水工序過後，泥漿的乾燥度大於30％，優選大於40％，以及優選大於50％。

在某些實施例中，該工藝此外還包括在電動脫水工序以前實施的一道過濾工序。該過濾工序能在應用電場以前進行初濾，從而清除掉泥漿中所產生的大部分游離水。該過濾工序優選在處理工序後進行。

在某些實施例中，該工藝此外還包括在電動脫水工序以前實施的一道壓縮工序。該單獨壓縮工序，可以在無需電氣輔助的情況下，以機械方式提取出剩餘的游離水。這樣便可在既不消耗電動脫水所需電量也不升高電極溫度的情況下提取出泥漿中的游離水。優選地，該工序可在過濾工序後藉助壓濾機來完成。壓縮壓力可以為5至20巴，優選10至13巴。

在其他實施例中，該工藝不會在電動脫水工序以前進行壓縮工序。實際上，發明人在其測試過程中發現，在過濾工序剛剛完成後進行電氣處理所消耗的能量很少；並且尤其是在泥漿很難脫水且電阻值極大的情況下如只進行此類提前壓縮工序就並不十分有利。

在某些實施例中，需脫水泥漿為汙水處理廠產生的生物泥漿，尤其是需氧生物淨化工藝產生的泥漿。該類泥漿的特殊之處在於，包含極大比例的結合水。但是，當然，本項說明書中的內容也可以用於其他類型的泥漿。

前述特徵和優點以及其他內容均將在附於建議工藝實施示例後的詳細說明中予以列舉。該詳細說明可參考所附圖紙。

附圖說明

所附圖紙為示意圖，用於列舉本項發明的主要原理。

在這些圖紙中，均採用相同的參考標記來對各圖中的相同要素(或者要素部分)進行標註。

圖1為依據本項發明的工藝示例框圖。

圖2為滿足工藝需要而使用壓濾機原理示意圖。

圖3是用於比較常規電動脫水工序和依據本項發明所述電動脫水工序中的電壓變化情況的曲線圖。

圖4是用於比較常規電動脫水工序和依據本項發明所述電動脫水工序中的溫度變化情況的曲線圖。

圖5為強電流常規電動脫水工序的參數時間跟蹤圖。

圖6為較弱電流的常規電動脫水工序的參數時間跟蹤圖。

具體實施方式

為了讓本項發明更切合實際，下文中對脫水工藝的示例進行了詳細說明，請參閱附圖。需注意的是，本項發明不僅限於本示例中所述類型。

圖5中給出了由發明人依據本項發明在不進行處理的情況下實施的電動脫水工序的不同參數的時間跟蹤曲線。第一次測試是在較高的電流強度下進行的。在此情況下，需要對難以脫水、具有較高電阻值且恆定電流強度為16A(即約為70A/m2)且極限電壓為110V的泥漿進行電動脫水，以便於不達到系統的擊穿電壓。

如圖5所示，因為泥漿電阻值較大的緣故，電壓82(粗虛線)迅速增加，以便於能在至少在一分鐘內達到其最大值110V。不可再保持恆定電流調節狀態；電流強度81(粗實線)在保持穩定以前開始下降，而電壓82保持在110V。經證實，陽極83(細實線)側溫度快速升高，在十五分鐘以內達到70℃，此時要求停止測試。需強調的是，反之，陰極84一側(細虛線)溫升則要慢得多，這樣便可將陽極側溫度確定為能限制此類電動脫水工序的參數。

因此，在第一次測試未採用本項發明所述的工藝時，可以證實，整個處理持續時間不超過十五分鐘。因此，可以理解為，乾燥度水平不太令人滿意。

第二次測試是按照本項發明要求在無任何處理的情況下進行的，發明人旨在降低進行電動脫水工序時所需的電流強度。在此情況下，可採用9A的恆定電流強度來進行該電動脫水工序，即強度約為40A/m2。

如圖6所示，電壓92(粗虛線)在測試的前幾秒鐘內極其迅速地增加，然後在約第三分鐘時在其安全值達到110V以前緩慢地增加。不可再保持恆定電流調節狀態；電流強度91(粗實線)開始下降，而電壓92保持在110V。但是，同樣證實，陽極93(細實線)側溫度快速升高，在約十分鐘以內達到70℃，此時要求停止測試。此時，較之陽極93的溫升，可以將陰極94一側(細虛線)的溫升予以忽略。

因此，在第二次測試未採用本項發明所述的工藝的情況下，可以證實，恆定電流強度下的處理持續時間稍長，但是不會超過四分鐘。此外，整個處理持續時間不超過十分鐘。因此，可以理解為，乾燥度水平仍然不太令人滿意。

為了改善脫水條件，現在對依據本項發明所述的工藝進行描述。其整體情況已在圖1中予以描述。

在本工藝範圍內，需處理的泥漿10為來自汙水處理廠的生物泥漿。該類泥漿來自直接在攔汙柵原水內運行的膜生物反應器。

泥漿10，在本示例中其原始乾燥度約為0.9％，即每升液態泥漿中含有9g乾燥物質，首先需要進行化學處理工序S1；在該工序中，某些化學成分會被添加入泥漿10內，從而便於對其進行處理和進行脫水。在這些成分中，需要加入凝結助劑(11a)和絮凝劑(11b)。

在本示例中，所用的凝結助劑(11a)為三氯化鐵。在泥漿槽中加入相當於乾燥泥漿物質質量15％的該凝結助劑。而所用的絮凝劑(11b)則為Flopam EM 640TBD聚合物。系統地注入該絮凝劑，使每噸乾燥物質中的淨產品目標濃度達到4.6kg(4.6kgMA/tMS)。

採用增壓泵將處理過的泥漿10注入壓濾機20內。

該壓濾機20已在圖2中予以圖示。其中包括三個託盤21a、21b，用於確定出導入泥漿10所需的兩個腔室22。託盤21a、21b的每個壁面可確定出腔室22的邊緣範圍；每個壁面配備電極23a、23b：因此，側向託盤21a需配備由陽極23a組成的電極；中心託盤21b的每面均需配備由陰極23b組成 的電極。

每個側向託盤21a的內壁此外還配備過濾布24；該過濾布應布置在所考慮電極23a的前方。至於中間託盤21b，其每個壁面均應安裝薄膜25，將薄膜布置在所考慮電極23b後方；以及安裝過濾布24，將過濾布安裝在所考慮電極23b前方。

壓濾機20的三個託盤21a、21b，採用液壓千斤頂26來相互予以緊固；該千斤頂用於保證過濾腔室22的密封性。在千斤頂26的強大壓力下，託盤相互靠攏，從而保持讓一定體積的泥漿進入腔室22內。當然，可以理解為，可以在千斤頂26前方準備若干個託盤21a、21b的模塊。

每個託盤21a和21b均應配備第一出口，用於排放濾液12，以及配備第二出口13a和13b，用於排放可能產生的氣體。

在過濾工序S2過程中，增壓泵會在泥漿10中產生8巴的機械壓力；該泥漿則可採用過濾布24來進行過濾。當從託盤21中排放的濾液12的流量達到預設的底限值時，暫停該工序S2。該工序S2能夠以較低的能量消耗來除掉泥漿表面的游離水。

一旦過濾泥漿10進入壓濾機20的腔室22內，便需要在壓濾機20中進行該單獨壓縮工序S3。壓縮空氣增壓機能夠讓壓濾機20的薄膜25膨脹起來，從而對腔室22內的泥漿進行壓縮，直至腔室22內的壓力達到約11至12巴。因此，壓縮工序需要持續10分鐘。在該工序S3過程中不能使用任何電氣輔助手段。

該單獨壓縮工序S3能夠將從託盤21出口排放出的濾液12狀的泥漿10內的剩餘游離水提取出來。

在該單獨壓縮工序S3中，需要保持壓力並啟動電氣輔助手段，從而啟動電動脫水工序S4。

發動機則會在每個腔室22的電極組23a、23b之間施加電流。起初，需進行恆定電流調節。在本示例中，所選的電流強度約為9A，即約為40A/m2。

在該工序過程中，從泥漿10中提取的水將以濾液12的形式從託盤21a和21b的出口排放出去。此外，在該工序S4過程中產生的氣體，以及本示例中因水解作用產生的氧氣和氫氣均可從第二個託盤出口13a和13b中排放出去。

保持進行恆定電流調節，直至採用比如熱電偶之類設備測得的臨近陽極23a區域的溫度達到60℃為止：在滿足該條件時，放棄進行恆定電流調節，以恆定電壓調節方式替代之。進行該恆壓調節所選的電壓值為最大安全電壓值，在本示例中為110V。

然後保持進行恆壓電氣輔助，直至臨近陽極23a區域的溫度達到70℃為止：在滿足該條件時，暫停電氣處理，釋放壓力。

在泥餅14取出工序S5過程中，需要從壓濾機20的腔室22中取出已脫水的泥餅14。這些泥餅14所獲得的乾燥度值平均約為38.3％。

隨後可以將這些泥餅14進行填埋或者以有機土壤改良進行再利用或者進行能源再利用。

現在將對某些系列測試進行說明，以便於闡述與常規流程相比本項發明所添加的不同內容。

在所有這些測試中，可以使用相同類型的泥漿10a：其實涉及到來自汙水處理廠的生物泥漿。更為特殊的是，涉及到來自在攔汙柵原水內運行的膜生物反應器內的泥漿。該類泥漿的初始乾燥度小於1％，即10g/L。

測試T0的操作條件如下：

-約為8.95kg/tMS的FLOPAM EM 640TBD聚合物，即3.8kg MA/tMS；

-無凝結劑；

-8巴壓力下的單獨過濾；

-持續10分鐘在11至12巴壓力下進行單獨壓縮；

-在11至12巴壓力下進行壓縮+在9A電流下進行電動脫水(即約為40A/m2)，在陽極側溫度超過60℃時突然轉變為恆定電壓。

測試T1的操作條件如下：

-約為12.8kg/tMS的FLOPAM EM 640TBD聚合物，即5.4kg MA/tMS；

-約佔乾燥泥漿質量15％的凝結劑三氯化鐵；

-8巴壓力下的單獨過濾；

-無單獨壓縮工序；

-在11至12巴壓力下進行壓縮+在9A電流下進行電動脫水(即約 為40A/m2)，在陽極側溫度超過60℃時不會突然轉變為恆定電壓。

圖3和圖4均為用於比較常規電動脫水工序和依據本項發明所述電動脫水工序中的電壓變化情況的曲線圖。

因此，需要在這些測試的電動脫水工序中對電壓31、36以及陽極溫度32、37進行跟蹤：與測試T0相關的曲線為虛線，而與測試T1相關的曲線為實線。

在測試T0範圍內，不採用凝結劑進行處理；據圖3證實，電壓31首先迅速增加，並在測試的前幾分鐘內出現約81V的電壓峰值31a；隨後，電壓重新下降，以便於能從第十分鐘開始穩定在約50V左右。

需要注意的是，在測試T1範圍內測得的電壓，其處理過程中同時使用了凝結劑和聚合物；然後，出現與測試T0電壓31相反的總體變化；因為，在產生電場後，測試T1所用的電壓36從初始值開始下降，而不會出現像測試T0所述的那種增加情況。此時電壓36達到最低值約40V，片刻之後開始顯著升高，在測試30分鐘後，升至一個平臺值36a約50V直到約四十分鐘，然後電壓值趨於平穩保持在30到40V之間。

此時，依據圖4可以證實，測試T0的陽極32的溫度比測試T1的陽極37溫度升高速度更快，因為自測試T0開始時起陽極溫度便可達到40℃，而測試T1的陽極37的溫度則在15分鐘後方達到該相同閾值。

因此，在該短暫工況過後，測試T0和測試T1過程中性能迥異，經證實，溫度曲線的存在時差：測試T0會在45分鐘後達到極限值70℃，而測試T1則會在120分鐘後達到該極限值。因此，總體而言，依據本項發明所述的測試T1的電動脫水工序持續時間約為75分鐘，所需時間比比較測試T0所需時間要長；測試T0會在測試開始約45分鐘後結束。

此外，在所獲得的泥餅的某些點上測得的乾燥度表明：

-對於測試T0而言，乾燥度平均值為26±5％；

-對於測試T1而言，乾燥度平均值為38±7％

因此，可以證實平均而言，較之只使用聚合物進行處理，組合使用聚合物和凝結劑進行處理會讓乾燥度提升12個點。

此外，每次電動脫水工序產生的能耗，可以在依據本項發明所述的測試T1和參考測試T0過程中測得。

測試T0的常規電動脫水工序所需能耗為260kWh/tEE，而依據本項發明所述的測試T1進行的電動脫水工序所需能耗為140KWh/tEE，即能耗幾乎減半。

本項發明前述內容中所述的實施模式或實施示例僅做舉例使用而非詳盡實施模式；專業人士可以對本項發明內容中的這些實施模式或實施示例進行修改，或者對本項發明範圍內的其他各種實施模式加以考慮。

此外，這些實施模式或實施示例的不同特徵可以單獨使用，或者組合使用。在進行組合使用的情況下，這些特徵可以如前文所述或與前文所述內容有所不同；本項發明的內容不僅限於本報告中所述的特殊組合情況。尤其是，如無相反要求，和實施模式或實施示例相關的所述特徵，可以在與其他實施模式或實施示例相似的情況下加以運用。