高壓脈沖電場技術在污泥資源化利用的試驗

朱 濤，康夢遠，王曉磊，押玉榮，安少鋒，吳江渤，郝 刊

(嘉誠環(huán)保工程有限公司，河北省污水治理與資源化技術創(chuàng)新中心，河北石家莊 050031)

我國在污水治理上取得了卓越成效的同時，大量的“副產物”污泥隨之產生。據測算，我國2015年城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產生量約為3 300萬t，預計2020年—2025年污泥年產量將突破6 000萬t(以含水率為80%計)，但大部分污泥未得到有效的處理處置[1-3]。因此，提高污泥資源化利用是有效解決污泥問題的一種手段。

目前，有多種提高污泥資源化利用的污泥預處理技術，如超聲波、酸堿處理或熱水解等，其進行細胞破壁釋放有機質，并作為碳源利用或提高厭氧消化效率[4-5]，但受到高能耗、高化學品用量、腐蝕性的限制，大規(guī)模應用較為困難。因此，探尋一種低能耗、工藝簡單的污泥破壁方法刻不容緩。利用電場進行的污泥處理，如電滲透和高壓脈沖電場(PEF)技術，近年來有所發(fā)展。電滲透主要應用于污泥脫水，該技術不會破壞污泥細胞壁，使脫水后污泥有機質損失較少[6]；PEF技術是利用脈沖電場破壞或致死生物細胞或基本單元的技術，廣泛應用于食品行業(yè)[7]。在污泥破壁預處理領域屬于新興技術，國外已有相關研究，而國內仍處于探索階段。Lee等[8]的研究表明，PEF預處理污泥能夠強化厭氧水解速率；Ki等[9]使用進行預處理污泥，發(fā)酵后揮發(fā)性脂肪酸的積累提高了2.6倍；國內研究者[10-11]主要對碳源利用和厭氧消化方面作了效果驗證，未對PEF預處理污泥技術的影響因素以及優(yōu)化參數提高處理效果方面進行探究。

PEF技術的運行參數是控制污泥破壁效果的關鍵。本研究為進一步提升PEF技術在污泥破壁領域的處理效果，并釋放更多有機物供后期的資源化利用，對不同控制參數的影響及試驗效果提升進行深入探究，為實際應用提供科學指導依據。

1 材料與方法

1.1 試驗泥質

本試驗所用的剩余污泥取自河北省某城鎮(zhèn)污水處理廠，具體泥質情況如表1所示。

表1 試驗泥質Tab.1 Characteristics of Sludge in Experiment

該城鎮(zhèn)污水處理廠進水為城區(qū)的生活污水。濃縮池的污泥主要是剩余活性污泥，包含少量的初沉污泥，污泥的有機物含量較高，污泥濃度高，顏色呈黃褐色。

1.2 試驗裝置與方法

試驗裝置如圖1所示，試驗電極為同軸電極，污泥泵處理流量為3 m3/h，同軸電極外電極尺寸為φ 80 mm×700 mm，內電極尺寸為φ 40 mm×400 mm，高壓脈沖電源為實驗室特種電源，型號為TREK 3 020 A，檢測波形的示波器為美國泰克示波器型號為Tektronix AFG3052C。

圖1 高壓脈沖電場處理污泥裝置圖Fig.1 Diagram of High-Voltage Pulsed Device

試驗時，通過污泥泵將儲泥槽的污泥打入同軸電極裝置中，高壓脈沖電源作用于電極，通過產生的電場將污泥進行破壁處理，處理后的污泥由出口排至儲泥槽。本試驗主要通過調節(jié)電場強度、頻率、占空比和波形這4個參數考察其對試驗的效果。試驗取泥0.1 m3，連續(xù)運行2 h，參數控制如下：電場強度為0～30 kV，頻率為50～500 Hz，占空比為10%～50%，輸出波形為方波、正弦波、三角波。高壓脈沖電場反應器中的污泥，每隔15～30 min取出50 mL的水樣，每次取3組，離心后進行SCOD(溶解性COD)的分析。試驗使用離心機型號為飛鴿KA-1000，轉速為3 400 r/min，離心時間為20 min。

1.3 分析方法

試驗中細胞的破壁程度以SCOD溶出的含量表征，SCOD使用0.45 μm濾膜過濾后，使用連華COD測定儀分析；TN使用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法分析；TP使用鉬銻抗分光光度法分析；pH使用METTLER pH計分析。

2 結果與討論

2.1 電場強度對破壁效果的影響

相關研究中[12]提到，電場強度增強有利于處理效果的提升，本試驗在實際運行過程中通過調節(jié)電壓值對電場強度進行控制，分別選取兩組電壓為8 kV與30 kV，驗證其對應電場強度為3.2 kV/cm和12 kV/cm的結果，并與不加電場(空載)試驗進行比較。在方波波形、占空比為50%，頻率未為50 Hz條件下，測得上清液中SCOD隨時間的變化趨勢如圖2所示。

圖2 SCOD含量隨電壓的變化Fig.2 Variation of SCOD Contents with Electrical Voltage

空載試驗主要探究反應裝置對污泥的物理磨損引起有機物的釋放情況。由圖2可知，SCOD含量隨著電壓(場強)的增加而提高，空載試驗增幅為34.5%。這是因為剩余污泥中具有能源釋放潛力的有機物大部分存在于污泥絮體以及微生物的細胞膜(壁)內部原生質中[13]，因物理作用能夠打碎少量的菌膠團，釋放出一小部分的有機物。8 kV電壓下，SCOD增幅為93.3%；30 kV電壓下，SCOD增幅為243.5%，分別達到空載試驗和8 kV下的8.6倍和2.6倍。說明，電場強度的增加有利于SCOD的釋放。試驗將在電壓30 kV即電場強度為12 kV/cm的基礎上，分析其他因素對污泥破壁效果的影響。

2.2 頻率對破壁效果的影響

電場強度在12 kV/cm、占空比為50%、方波條件下，將頻率調至50、500 Hz，分析頻率對污泥破壁效果的影響，圖3為高壓脈沖電場處理120 min后，SCOD、TN、TP含量的變化情況。

圖3 SCOD、TN、TP含量隨頻率的變化Fig.3 Variation of SCOD,TN,TP Contents with Frequency

由圖3可知：初始SCOD、TN、TP含量分別為49.6、28.4、10.3 mg/L，頻率50 Hz處理后的SCOD、TN、TP的含量為173.1、35.0、20.6 mg/L，SCOD增幅為243.5%；頻率500 Hz處理后的SCOD、TN、TP的含量為97.8、37.5、22.9 mg/L，SCOD增幅為97.1%。隨著頻率的升高，TN、TP隨之升高，而SCOD含量下降，另外試驗過程中在500 Hz條件時出現“嘶嘶”聲響，這可能是因為電極之間產生了放電現象，放電后產生的強氧化性物質將SCOD降解，導致SCOD含量下降。相關資料[14-15]表明，兩極間所加電壓為一定值時，頻率的升高會擊穿絕緣介質產生放電。放電過程會產生大量的羥基自由基等，對有機污染物具有優(yōu)良的去除效能。

試驗結果表明：污泥破壁效果受頻率影響，頻率的增大有利于TN、TP的釋放，這是由于電場強度一定時，頻率增大延長了電場作用時間，有利于提高破壁程度。但在電場強度一定的條件下，頻率升高到一定值時可能引起放電現象，降低SCOD的含量。

2.3 占空比對破壁效果的影響

在電場強度為12 kV/cm、頻率為50 Hz的方波條件下，將占空比分別調節(jié)至10%、30%、50%，分析占空比對污泥破壁效果的影響，占空比是在一串理想的脈沖序列中(如方波)，正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。試驗經預處理120 min，SCOD含量的變化如圖4所示。

圖4 SCOD含量隨占空比的變化Fig.4 Variation of SCOD Contents with Duty Cycle

由圖4可知：不同占空比下的SCOD釋放效果相差明顯，占空比為10%時的SCOD從51.7 mg/L增長到257.9 mg/L，增幅為398.8%；占空比為30%時的SCOD從52.6 mg/L增長到200.1 mg/L，增幅為280.4%；占空比為50%時的SCOD從49.6 mg/L增長到173.1 mg/L，增幅為248.5%。理論上來講，占空比越高，正脈沖在總周期的時間比例越大，正脈沖的持續(xù)時間越長，對提高破壁效果有利。試驗結果表明，占空比越低，SCOD的含量越高，污泥破壁效果越好，得出占空比在10%左右的條件下，污泥破壁效果最好。這可能是由于縮小占空比后的脈沖上升和下降的時間更短，作用于細胞壁的能量也更為集中。

2.4 波形對破壁效果的影響

電場強度在12 kV/cm、頻率為50 Hz下，將波型分別調節(jié)至正弦波、三角波、方波，所得波形圖像如圖5所示。

由圖5可知，得出的3種波型均理想穩(wěn)定。不同波形下120 min 內，SCOD 含量的變化趨勢如圖6所示，其中方波占空比為10%。

圖5 三種波形圖像Fig.5 Images of Three Waveforms

圖6 SCOD含量隨波形的變化Fig.6 Variation of SCOD Contents with Waveform

由圖6可知：不同波形的輸出，對SCOD的釋放影響不同，方波條件下的SCOD含量從51.7 mg/L增長到257.9 mg/L，增幅為398.8%；三角波條件下的SCOD含量從47.6 mg/L增長到163.1 mg/L，增幅為242.6%；正弦波條件下的SCOD含量從48.1 mg/L增長到132.6 mg/L，增幅為175.6%。幾種波形中釋放效果最好的為方波波形，其次是三角波波形，最后是正弦波波形。方波條件下，SCOD的增幅分別是三角波和正弦波條件下的1.6倍和2.2倍。這是由于方波的上升和下降時間最短，達到峰值電壓的時間均比正弦波和三角波短，峰值電壓作用于介質的時間最長，達到的處理效果最佳。試驗得出，在電場強度為12 kV/cm、頻率為50 Hz、占空比為10%的方波下處理污泥效果較好，在此條件下的SCOD含量提高接近4倍。

本次試驗得出的SCOD的釋放效果遠遠高出研究中利用PEF技術處理污泥得到的2倍以上的增容效果[10-11]，雖然低于芬頓氧化和超聲波預處理技術達到的SCOD增容效果[16-17]，但能有效避免化學法和機械法存在的問題，如：設備材料高投資、高能耗和適用性差造成大規(guī)模應用困難等。同時，試驗發(fā)現，經處理后的污泥沉降性能有所提升，沉降比較原泥降低10%左右。這可能利于后續(xù)的脫水處理，與研究中提到的經高壓脈沖電場處理后的污泥更有利于后期機械脫水擠壓獲得更低含水率[12]相符，也進一步說明了該技術在污泥預處理行業(yè)具有一定的研究前景和價值。

2.5 運行成本分析

試驗運行成本主要為電費，試驗裝置中所使用的污泥泵功率為370 W，工作2 h消耗的電量是0.74 kW·h。高壓脈沖電源功率為600 W，工作2 h消耗的電量是2.4 kW·h，電價以1元/(kW·h)-1計，電費為3.14元，試驗污泥預處理量為0.1 m3，折合單位體積污泥(MLSS為10 g/L)的運行成本為31.4元/m3。由于試驗規(guī)模較小，所選設備功率偏大，所得運行費用偏高，形成工業(yè)規(guī)模應用后成本將會大幅降低。

3 結論

(1)優(yōu)化高壓脈沖電場處理污泥的設計參數能大幅提高污泥破壁效率，在處理時間為120 min、電場強度為12 kV/cm、頻率為50 Hz、占空比為10%的方波條件下，處理效果最好，SCOD的增幅達到398.8%，拓展了該技術在污泥破壁領域的應用思路。

(2)電場強度和頻率對有機物的釋放起重要影響，電場強度的升高會提高污泥破壁效果；當電場強度一定時，頻率是影響SCOD釋放效果的主要因素。

(3)高壓脈沖電場處理污泥，使用方波破壁效果最佳。相同條件下，方波增幅為398.8%，三角波增幅為242.6%，正弦波增幅為175.6%，在方波條件下，降低占空比有利于提升污泥破壁效果，占空比為10%時SCOD的增幅是占空比為50%時的1.6倍。