CN114544421B - 一种污泥脱水性能测量装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种污泥脱水性能测量装置及使用方法，该装置由支架、脱水装置主体、气缸、线性位移传感器、连接器、压力传感器、贮液槽、电子天平、电磁阀、空气压缩机、数据采集***、加泥阀和排气阀组成。本发明采用了机械压榨和数据采集***，使检测结果更符合机械压滤脱水情况，且因检测过程实时记录滤液量，检测过程具备较高的自动化程度。本发明直接根据线性区拐点来估算污泥比阻，无需测量泥饼含水率，测量过程时间短，精确性和重复性更高。此外，本发明提供的方法可在不更换污泥的条件下同时测量污泥比阻和压缩性系数，简化了测量步骤，实现了污泥脱水性能的全面评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种污泥脱水性能测量装置及使用方法，具体涉及了基于机械压滤原理设计的污泥脱水性能测量装置及使用方法，属于污泥脱水性能分析的测量技术领域。
背景技术
废水处理过程中会产生大量的污泥，污泥的处置成本将直接影响到整个废水处理***的运行成本。通常，污泥在最终处置前(如填埋、焚烧和堆肥)需要进行污泥脱水，以降低污泥的含水率和体积。污泥脱水性能的评价对污泥脱水工艺的评估具有重要意义。目前污泥脱水性能的评价指标主要有：毛细吸水时间(CST)和污泥比阻(SRF)。
毛细吸水时间是指污泥水在滤纸上渗透一定距离所需要的时间，能快速地表征污泥的滤水性能。但是毛细吸水时间易受污泥浓度和检测温度的影响，导致毛细吸水时间的波动性较大。污泥比阻是指单位过滤面积上滤饼阻力。污泥比阻主要采用真空抽滤的方法来测量，不易受污泥浓度和温度的影响。然而，在污泥比阻测量过程中，通常人工操作复杂(如人工调节压力和读取滤液体积)，且真空***稳定性较差，导致结果受实验人员操作影响较大。此外，通常计算污泥比阻中需要额外测量泥饼的含水率(通常采用干燥法测量)，这会大大延长整个污泥比阻的测量时间。
污泥在脱水过程中往往需要先对污泥进行调理来促进脱水。传统的化学调理剂因为用量小(一般不超过污泥干重1％)，不影响传统检测指标(如污泥比阻和毛细吸水时间)来表征脱水性能。然而采用物理调理剂(如锯末和粉煤灰)进行调理时，其用量可达到100％的污泥干重，传统检测指标(特别是毛细吸水时间)将无法真实地表征调理后污泥的脱水性能。此外，当污泥颗粒易形变(如生化污泥)时，污泥在机械脱水过程中具有高压缩性，因此，在考察污泥脱水性能时还需要评价污泥的压缩性能。污泥脱水过程分成泥饼形成阶段和泥饼压缩阶段，污泥比阻数据往往只能反映泥饼形成阶段的阻力，无法反映污泥压缩阶段特性。高压缩性污泥的压缩阶段时间长，传统以气体推动污泥界面的***，很可能在压缩阶段未稳定前就发生了泥饼破裂，因此很难用于污泥压缩性实验。
综上，目前的传统检测指标(毛细吸水时间和污泥比阻)主要偏重表征污泥的滤水性能，很难表征污泥的压缩性能，并且污泥比阻的测量复杂性和检测时间长，无法满足对污泥脱水性能的快速、有效和全面的评估。
发明内容
针对上述情况，为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于污泥脱水性能测量装置及使用方法，解决污泥比阻测量检测的人为重复性差、检测时间长，以及无法同时评估污泥压缩性的问题。
本发明的技术方案是：
一种污泥脱水性能测量装置，包括支架(1)、脱水装置主体(2)、气缸(3)、线性位移传感器(4)、连接器(5)、压力传感器(6)、贮液槽(7)、电子天平(8)、电磁阀(9)、空气压缩机(10)、数据采集***(11)、加泥阀(12)和排气阀(13)；气缸(3)和线性位移传感器(4)固定在支架(1)的上层，气缸(3)中活塞杆与线性位移传感器(4)的测量杆采用连接器(5)连接，且使之竖直方向完全同步；脱水装置主体(2)放置在支架(1)的中层，气缸(3)活塞杆的一端固定在脱水装置主体(2)的活塞(23)上；电子天平(8)放在脱水装置主体(2)正下方，贮液槽(7)放在电子天平(8)的上面，用于接收脱水装置主体(2)排出的滤液；电磁阀(9)的进口与空气压缩机(10)相连，其两个出口与气缸(3)相连，压力传感器(6)安装在脱水装置主体(2)的活塞(23)上，加泥阀(12)和排气阀(12)分别通过管路与活塞(23)相连；压力传感器(6)、电子天平(8)和电磁阀(9)的通讯线与数据采集***(11)相连。
所述的脱水装置主体(2)由上筒体(21)和下筒体(22)组成，上筒体(21)内有一个活塞(23)；上筒体(21)顶部为圆筒结构，底部为法兰结构，上筒体(21)底面安装第一密封垫(25)；下筒体(22)顶部为法兰结构，且与上筒体(21)底部对齐，并可采用螺栓紧固，下筒体(22)底部为漏斗结构；下筒体(22)内安装了一个多孔板(24)，且多孔板(24)顶面与下筒体(22)顶面齐平，第二密封垫(26)安装在下筒体(22)顶面；过滤材料(27)可采用单层滤纸或单层滤网或上层滤纸下层滤网，放置在第一密封垫(25)和第二密封垫(26)之间，其直径比上筒体(21)内径大，比第一密封垫(25)和第二密封垫(26)的直径小。
所述的活塞(23)上开有第一通孔(231)、第二通孔(232)和第三通孔(233)，其中第一通孔(231)与压力传感器(6)相连，第二通孔(232)通过管道与加泥阀(12)相通，第三通孔(233)通过透明管道与排气阀(13)相通；活塞(23)与上筒体(21)之间有两个密封件(234)，使得活塞(23)能在上筒体(21)内保持竖直无泄漏地运动。
所述电磁阀(9)为三位五通型。
所述数据采集***(11)包括电脑、USB接口的数据采集卡和软件程序，数据采集***(11)可通过通讯信号改变电磁阀(9)的通断来实现气缸(3)的上下移动，通过收集电子天平(8)和线性位移传感器(4)的通讯信号分别记录不同时刻下的滤液量和活塞高度位置。
所述污泥脱水性能测量装置的使用方法，包括：
1)启动电子天平(8)、空气压缩机(10)和数据采集***(11)；打开加泥阀(12)和排气阀(13)；
2)安放好过滤材料(27)，采用螺栓紧固脱水装置主体(2)的上筒体(21)和下筒体(22)；
3)打开数据采集***(11)的软件程序，设定活塞(23)高度位置和压力，运行软件程序，数据采集***(11)分别通过电子天平(8)和线性位移传感器(4)实时地记录贮液槽(7)内液体量和活塞(23)高度位置，通过控制气磁阀(9)来移动气缸(3)，调节活塞(23)至所需位置，通过加泥阀(12)向上筒体(21)内加入污泥，直到与排气阀(13)相连的透明管道里出现污泥后，快速关闭加泥阀(12)和排气阀(13)；
4)通过电磁阀(9)调节活塞(23)下移，直到压力传感器(6)反馈的信号达到设定压力后，再保持压力不变；
5)污泥比阻测量步骤采用上述步骤(1)-(4)，然后根据电子天平(8)反馈的滤液量随着时间变化信号，并基于滤液量～1/滤液量对时间的变化量(即V～Δt/ΔV，其中V为滤液体积＝滤液量/滤液密度，t为时间)出现线性区拐点来判断过滤阶段终点，根据线性区的斜率和过滤阶段终点的滤液量来计算污泥比阻(SRF)，计算公式为
其中：A-过滤面积，P-压力传感器读数(即脱水压力)，μ-滤液黏度，c-过滤单位滤液体积的污泥干重(c＝CV/Vf，C-污泥初始浓度，V-脱水装置内初始污泥体积，Vf-过滤阶段终点对应的滤液体积)，K-线性区的斜率；
6)污泥压缩性系数测量步骤采用至少三个不同的压力，压力设定从低至高，每个压力下脱水时间不应小于1.5h；除了初始设定不同压力和脱水时间外，第一次加压脱水步骤与上述步骤(1)-(4)相同；后几次加压脱水在上一个压力脱水完成后，采用步骤(4)直接对泥饼进行再次加压至设定值；记录不同压力下脱水终点时刻的活塞(23)高度位置；污泥压缩系数γ根据下式采用最小二乘法拟合求得：
其中：h0-加完污泥后的初始活塞高度；hi或hj-第i次或第j次脱水终点时间的活塞高度位置；Pi或Pj-第i次或第j次脱水时压力。
本发明的有益效果：
(1)传统SRF检测通常采用布氏漏斗在负压条件下测量，且需要测量终点滤饼含水率，导致人工操作复杂和测量时间过长。本发明采用了机械压榨和数据采集***，使得检测结果更符合机械压滤脱水情况，且检测过程实时记录滤液量，自检测过程具备较高的自动化程度。本发明直接根据线性区拐点来估算污泥比阻，无需测量泥饼含水率，测量过程时间短，精确性和重复性更高。
(2)本发明提供的装置和方法，可在不更换污泥的条件下同时测量污泥比阻和压缩性系数，简化了测量步骤，实现了污泥脱水性能的全面评估。
附图说明
图1为污泥脱水性能测量装置结构示意图
图2为脱水装置主体结构示意图
图3为过滤曲线V～Δt/ΔV与过滤阶段终点判断示意图
图4为污泥比阻测量与测算示意图
图5为污泥压缩性系数测量与测算示意图
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
如图1和图2所示，一种污泥脱水性能测量装置，包括支架(1)、脱水装置主体(2)、气缸(3)、线性位移传感器(4)、连接器(5)、压力传感器(6)、贮液槽(7)、电子天平(8)、电磁阀(9)、空气压缩机(10)、数据采集***(11)、加泥阀(12)和排气阀(13)；气缸(3)和线性位移传感器(4)固定在支架(1)的上层，气缸(3)中活塞杆与线性位移传感器(4)的测量杆采用连接器(5)连接，且使之竖直方向完全同步；脱水装置主体(2)放置在支架(1)的中层，气缸(3)活塞杆的一端固定在脱水装置主体(2)的活塞(23)上；电子天平(8)放在脱水装置主体(2)正下方，贮液槽(7)放在电子天平(8)的上面，用于接收脱水装置主体(2)排出的滤液；电磁阀(9)的进口与空气压缩机(10)相连，其两个出口与气缸(3)相连，压力传感器(6)安装在脱水装置主体(2)的活塞(23)上，加泥阀(12)和排气阀(12)分别通过管路与活塞(23)相连；压力传感器(6)、电子天平(8)和电磁阀(9)的通讯线与数据采集***(11)相连。
如图2所示，脱水装置主体(2)由上筒体(21)和下筒体(22)组成，上筒体(21)内有一个活塞(23)；上筒体(21)顶部为圆筒结构，底部为法兰结构，上筒体(21)底面安装第一密封垫(25)；下筒体(22)顶部为法兰结构，且与上筒体(21)底部对齐，并可采用螺栓紧固，下筒体(22)底部为漏斗结构；下筒体(22)内安装了一个多孔板(24)，且多孔板(24)顶面与下筒体(22)顶面齐平，第二密封垫(26)安装在下筒体(22)顶面；过滤材料(27)可采用上层滤纸下层滤网，放置在第一密封垫(25)和第二密封垫(26)之间，其直径比上筒体(21)内径大，比第一密封垫(25)和第二密封垫(26)的直径小。
活塞(23)上开有第一通孔(231)、第二通孔(232)和第三通孔(233)，其中第一通孔(231)与压力传感器(6)相连，第二通孔(232)通过管道与加泥阀(12)相通，第三通孔(233)通过透明管道与排气阀(13)相通；活塞(23)与上筒体(21)之间有两个密封件(234)，使得活塞(23)能在上筒体(21)内保持竖直无泄漏地运动。
电磁阀(9)为三位五通型。
数据采集***(11)包括电脑、USB接口的数据采集卡和软件程序，数据采集***(11)可通过通讯信号改变电磁阀(9)的通断来实现气缸(3)的上下移动，通过收集电子天平(8)和线性位移传感器(4)的通讯信号分别记录不同时刻下的滤液量和活塞高度位置。
一种污泥脱水性能测量装置的使用方法，包括：
1)启动电子天平(8)、空气压缩机(10)和数据采集***(11)；打开加泥阀(12)和排气阀(13)；
2)安放好过滤材料(27)，采用螺栓紧固脱水装置主体(2)的上筒体(21)和下筒体(22)；
3)打开数据采集***(11)的软件程序，设定活塞(23)高度位置和压力，运行软件程序，数据采集***(11)分别通过电子天平(8)和线性位移传感器(4)实时地记录贮液槽(7)内液体量和活塞(23)高度位置，通过控制气磁阀(9)来移动气缸(3)，调节活塞(23)至所需位置，通过加泥阀(12)向上筒体(21)内加入污泥，直到与排气阀(13)相连的透明管道里出现污泥后，快速关闭加泥阀(12)和排气阀(13)；
4)通过电磁阀(9)调节活塞(23)下移，直到压力传感器(6)反馈的信号达到设定压力(如0.05MPa)后，再保持压力不变；
5)如图4，污泥比阻测量步骤采用上述步骤(1)-(4)，然后根据电子天平(8)反馈的滤液量随着时间变化信号，并基于滤液体积～1/滤液体积对时间的变化量(即V～Δt/ΔV，其中V为滤液体积＝滤液量/滤液密度，由于滤液中固含率很低，视为纯水，采用纯水密度代替滤液密度计算，t为时间)出现线性区拐点来判断过滤阶段终点(见
图3)，根据线性区的斜率和过滤阶段终点的滤液量来计算污泥比阻(SRF)，计算公式为
其中：A-过滤面积，P-压力传感器读数(即脱水压力)，μ-滤液黏度，c-过滤单位滤体积的污泥干重(c＝CV/Vf，C-污泥初始浓度，V-脱水装置内初始污泥体积，Vf-过滤阶段终点对应的滤液体积)，K-线性区的斜率；
6)如图5，污泥压缩性系数测量步骤采用至少三个不同的压力(如0.05，0.25，0.5MPa)，压力设定从低至高，每个压力下脱水时间为1.5h；除了初始设定不同压力和脱水时间外，第一次加压脱水步骤与上述步骤(1)-(4)相同；后几次加压脱水在上一个压力脱水完成后，无需再次重新加泥，采用步骤(4)直接对泥饼进行再次加压至设定值；记录不同压力下脱水终点时刻的活塞(23)高度位置；污泥压缩系数γ根据下式采用最小二乘法拟合求得：
其中：h0-加完污泥后的初始活塞高度；hi或hj-第i次或第j次脱水终点时间的活塞高度位置；Pi或Pj-第i次或第j次脱水时压力。
实施例二：
实施例二与实施例一基本相同，主要区别在于：测量完污泥比阻(即V～Δt/ΔV出现线性区拐点)后，仍等待脱水时间到1.5h，记录第一次脱水终点时间的活塞(23)高度位置，然后再根据污泥压缩性系数测量步骤，采用步骤(4)直接加压脱水，记录不同压力下脱水终点时刻的活塞(23)高度位置，从而可以在不更换污泥的情况下，同时测量污泥比阻和污泥压缩性系数。
Claims (5)
1.一种污泥脱水性能测量方法，其特征在于，包括：
1)启动电子天平、空气压缩机和数据采集***；打开加泥阀和排气阀；
2)安放好过滤材料，采用螺栓紧固脱水装置主体的上筒体和下筒体；
3)打开数据采集***的软件程序，设定活塞高度位置和压力，运行软件程序，数据采集***分别通过电子天平和线性位移传感器实时地记录贮液槽内液体量和活塞高度位置，通过控制气磁阀来移动气缸，调节活塞至所需位置，通过加泥阀向上筒体内加入污泥，直到与排气阀相连的透明管道里出现污泥后，快速关闭加泥阀和排气阀；
4)通过电磁阀调节活塞下移，直到压力传感器反馈的信号达到设定压力后，再保持压力不变；
5)污泥比阻测量步骤采用上述步骤(1)-(4)，然后根据电子天平反馈的滤液量随着时间变化信号，并基于滤液体积～1/滤液体积对时间的变化量出现线性区拐点来判断过滤阶段终点，根据线性区的斜率和过滤阶段终点的滤液量来计算污泥比阻(SRF)，计算公式为
其中：A-过滤面积，P-压力传感器读数，μ-滤液黏度，c-过滤单位滤液体积的污泥干重，K-线性区的斜率；
6)污泥压缩性系数测量步骤采用至少三个不同的压力，压力设定从低至高，每个压力下脱水时间不应小于1.5h；除了初始设定不同压力和脱水时间外，第一次加压脱水步骤与上述步骤(1)-(4)相同；后几次加压脱水在上一个压力脱水完成后，采用步骤(4)直接对泥饼进行再次加压至设定值；记录不同压力下脱水终点时刻的活塞高度位置；污泥压缩系数γ根据下式采用最小二乘法拟合求得：
其中：h0-加完污泥后的初始活塞高度；hi或hj-第i次或第j次脱水终点时间的活塞高度位置；Pi或Pj-第i次或第j次脱水时压力。
2.一种实现如权利要求1所述的污泥脱水性能测量方法的装置，其特征在于：包括支架、脱水装置主体、气缸、线性位移传感器、连接器、压力传感器、贮液槽、电子天平、电磁阀、空气压缩机、数据采集***、加泥阀和排气阀；气缸和线性位移传感器固定在支架的上层，气缸中活塞杆与线性位移传感器的测量杆采用连接器连接，且使之竖直方向完全同步；脱水装置主体放置在支架的中层，气缸活塞杆的一端固定在脱水装置主体的活塞上；电子天平放在脱水装置主体正下方，贮液槽放在电子天平的上面，用于接收脱水装置主体排出的滤液；电磁阀的进口与空气压缩机相连，其两个出口与气缸相连，压力传感器安装在脱水装置主体的活塞上，加泥阀和排气阀分别通过管路与活塞相连；压力传感器、电子天平和电磁阀的通讯线与数据采集***相连，活塞上开有第一通孔、第二通孔和第三通孔，其中第一通孔与压力传感器相连，第二通孔通过管道与加泥阀相通，第三通孔通过透明管道与排气阀相通；活塞与上筒体之间有两个密封件，使得活塞能在上筒体内保持竖直无泄漏地运动。
3.根据权利要求2所述的一种装置，其特征在于，所述的脱水装置主体由上筒体和下筒体组成，上筒体内有一个活塞；上筒体顶部为圆筒结构，底部为法兰结构，上筒体底面安装第一密封垫；下筒体顶部为法兰结构，且与上筒体底部对齐，并采用螺栓紧固，下筒体底部为漏斗结构；下筒体内安装了一个多孔板，且多孔板顶面与下筒体顶面齐平，第二密封垫安装在下筒体顶面；过滤材料采用单层滤纸或单层滤网或上层滤纸下层滤网，放置在第一密封垫和第二密封垫之间，其直径比上筒体内径大，比第一密封垫和第二密封垫的直径小。
4.根据权利要求2所述的一种装置，其特征在于，所述电磁阀为三位五通型。
5.根据权利要求2所述的一种装置，其特征在于，所述数据采集***包括电脑、USB接口的数据采集卡和软件程序，数据采集***通过通讯信号改变电磁阀的通断来实现气缸的上下移动，通过收集电子天平和线性位移传感器的通讯信号分别记录不同时刻下的滤液量和活塞高度位置。
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