高压脉冲电场技术在污泥资源化利用的试验

2020-02-24康梦远王晓磊押玉荣安少锋吴江渤

净水技术 2020年2期

朱涛，康梦远，王晓磊，押玉荣，安少锋，吴江渤，郝刊

(嘉诚环保工程有限公司，河北省污水治理与资源化技术创新中心，河北石家庄 050031)

我国在污水治理上取得了卓越成效的同时，大量的“副产物”污泥随之产生。据测算，我国2015年城镇污水处理厂污泥产生量约为3 300万t，预计2020年—2025年污泥年产量将突破6 000万t(以含水率为80%计)，但大部分污泥未得到有效的处理处置[1-3]。因此，提高污泥资源化利用是有效解决污泥问题的一种手段。

目前，有多种提高污泥资源化利用的污泥预处理技术，如超声波、酸碱处理或热水解等，其进行细胞破壁释放有机质，并作为碳源利用或提高厌氧消化效率[4-5]，但受到高能耗、高化学品用量、腐蚀性的限制，大规模应用较为困难。因此，探寻一种低能耗、工艺简单的污泥破壁方法刻不容缓。利用电场进行的污泥处理，如电渗透和高压脉冲电场(PEF)技术，近年来有所发展。电渗透主要应用于污泥脱水，该技术不会破坏污泥细胞壁，使脱水后污泥有机质损失较少[6]；PEF技术是利用脉冲电场破坏或致死生物细胞或基本单元的技术，广泛应用于食品行业[7]。在污泥破壁预处理领域属于新兴技术，国外已有相关研究，而国内仍处于探索阶段。Lee等[8]的研究表明，PEF预处理污泥能够强化厌氧水解速率；Ki等[9]使用进行预处理污泥，发酵后挥发性脂肪酸的积累提高了2.6倍；国内研究者[10-11]主要对碳源利用和厌氧消化方面作了效果验证，未对PEF预处理污泥技术的影响因素以及优化参数提高处理效果方面进行探究。

PEF技术的运行参数是控制污泥破壁效果的关键。本研究为进一步提升PEF技术在污泥破壁领域的处理效果，并释放更多有机物供后期的资源化利用，对不同控制参数的影响及试验效果提升进行深入探究，为实际应用提供科学指导依据。

1 材料与方法

1.1 试验泥质

本试验所用的剩余污泥取自河北省某城镇污水处理厂，具体泥质情况如表1所示。

表1 试验泥质Tab.1 Characteristics of Sludge in Experiment

该城镇污水处理厂进水为城区的生活污水。浓缩池的污泥主要是剩余活性污泥，包含少量的初沉污泥，污泥的有机物含量较高，污泥浓度高，颜色呈黄褐色。

1.2 试验装置与方法

试验装置如图1所示，试验电极为同轴电极，污泥泵处理流量为3 m3/h，同轴电极外电极尺寸为φ 80 mm×700 mm，内电极尺寸为φ 40 mm×400 mm，高压脉冲电源为实验室特种电源，型号为TREK 3 020 A，检测波形的示波器为美国泰克示波器型号为Tektronix AFG3052C。

图1 高压脉冲电场处理污泥装置图Fig.1 Diagram of High-Voltage Pulsed Device

试验时，通过污泥泵将储泥槽的污泥打入同轴电极装置中，高压脉冲电源作用于电极，通过产生的电场将污泥进行破壁处理，处理后的污泥由出口排至储泥槽。本试验主要通过调节电场强度、频率、占空比和波形这4个参数考察其对试验的效果。试验取泥0.1 m3，连续运行2 h，参数控制如下：电场强度为0～30 kV，频率为50～500 Hz，占空比为10%～50%，输出波形为方波、正弦波、三角波。高压脉冲电场反应器中的污泥，每隔15～30 min取出50 mL的水样，每次取3组，离心后进行SCOD(溶解性COD)的分析。试验使用离心机型号为飞鸽KA-1000，转速为3 400 r/min，离心时间为20 min。

1.3 分析方法

试验中细胞的破壁程度以SCOD溶出的含量表征，SCOD使用0.45 μm滤膜过滤后，使用连华COD测定仪分析；TN使用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法分析；TP使用钼锑抗分光光度法分析；pH使用METTLER pH计分析。

2 结果与讨论

2.1 电场强度对破壁效果的影响

相关研究中[12]提到，电场强度增强有利于处理效果的提升，本试验在实际运行过程中通过调节电压值对电场强度进行控制，分别选取两组电压为8 kV与30 kV，验证其对应电场强度为3.2 kV/cm和12 kV/cm的结果，并与不加电场(空载)试验进行比较。在方波波形、占空比为50%，频率未为50 Hz条件下，测得上清液中SCOD随时间的变化趋势如图2所示。

图2 SCOD含量随电压的变化Fig.2 Variation of SCOD Contents with Electrical Voltage

空载试验主要探究反应装置对污泥的物理磨损引起有机物的释放情况。由图2可知，SCOD含量随着电压(场强)的增加而提高，空载试验增幅为34.5%。这是因为剩余污泥中具有能源释放潜力的有机物大部分存在于污泥絮体以及微生物的细胞膜(壁)内部原生质中[13]，因物理作用能够打碎少量的菌胶团，释放出一小部分的有机物。8 kV电压下，SCOD增幅为93.3%；30 kV电压下，SCOD增幅为243.5%，分别达到空载试验和8 kV下的8.6倍和2.6倍。说明，电场强度的增加有利于SCOD的释放。试验将在电压30 kV即电场强度为12 kV/cm的基础上，分析其他因素对污泥破壁效果的影响。

2.2 频率对破壁效果的影响

电场强度在12 kV/cm、占空比为50%、方波条件下，将频率调至50、500 Hz，分析频率对污泥破壁效果的影响，图3为高压脉冲电场处理120 min后，SCOD、TN、TP含量的变化情况。

图3 SCOD、TN、TP含量随频率的变化Fig.3 Variation of SCOD,TN,TP Contents with Frequency

由图3可知：初始SCOD、TN、TP含量分别为49.6、28.4、10.3 mg/L，频率50 Hz处理后的SCOD、TN、TP的含量为173.1、35.0、20.6 mg/L，SCOD增幅为243.5%；频率500 Hz处理后的SCOD、TN、TP的含量为97.8、37.5、22.9 mg/L，SCOD增幅为97.1%。随着频率的升高，TN、TP随之升高，而SCOD含量下降，另外试验过程中在500 Hz条件时出现“嘶嘶”声响，这可能是因为电极之间产生了放电现象，放电后产生的强氧化性物质将SCOD降解，导致SCOD含量下降。相关资料[14-15]表明，两极间所加电压为一定值时，频率的升高会击穿绝缘介质产生放电。放电过程会产生大量的羟基自由基等，对有机污染物具有优良的去除效能。

试验结果表明：污泥破壁效果受频率影响，频率的增大有利于TN、TP的释放，这是由于电场强度一定时，频率增大延长了电场作用时间，有利于提高破壁程度。但在电场强度一定的条件下，频率升高到一定值时可能引起放电现象，降低SCOD的含量。

2.3 占空比对破壁效果的影响

在电场强度为12 kV/cm、频率为50 Hz的方波条件下，将占空比分别调节至10%、30%、50%，分析占空比对污泥破壁效果的影响，占空比是在一串理想的脉冲序列中(如方波)，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。试验经预处理120 min，SCOD含量的变化如图4所示。

图4 SCOD含量随占空比的变化Fig.4 Variation of SCOD Contents with Duty Cycle

由图4可知：不同占空比下的SCOD释放效果相差明显，占空比为10%时的SCOD从51.7 mg/L增长到257.9 mg/L，增幅为398.8%；占空比为30%时的SCOD从52.6 mg/L增长到200.1 mg/L，增幅为280.4%；占空比为50%时的SCOD从49.6 mg/L增长到173.1 mg/L，增幅为248.5%。理论上来讲，占空比越高，正脉冲在总周期的时间比例越大，正脉冲的持续时间越长，对提高破壁效果有利。试验结果表明，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%左右的条件下，污泥破壁效果最好。这可能是由于缩小占空比后的脉冲上升和下降的时间更短，作用于细胞壁的能量也更为集中。

2.4 波形对破壁效果的影响

电场强度在12 kV/cm、频率为50 Hz下，将波型分别调节至正弦波、三角波、方波，所得波形图像如图5所示。

由图5可知，得出的3种波型均理想稳定。不同波形下120 min 内，SCOD 含量的变化趋势如图6所示，其中方波占空比为10%。

图5 三种波形图像Fig.5 Images of Three Waveforms

图6 SCOD含量随波形的变化Fig.6 Variation of SCOD Contents with Waveform

由图6可知：不同波形的输出，对SCOD的释放影响不同，方波条件下的SCOD含量从51.7 mg/L增长到257.9 mg/L，增幅为398.8%；三角波条件下的SCOD含量从47.6 mg/L增长到163.1 mg/L，增幅为242.6%；正弦波条件下的SCOD含量从48.1 mg/L增长到132.6 mg/L，增幅为175.6%。几种波形中释放效果最好的为方波波形，其次是三角波波形，最后是正弦波波形。方波条件下，SCOD的增幅分别是三角波和正弦波条件下的1.6倍和2.2倍。这是由于方波的上升和下降时间最短，达到峰值电压的时间均比正弦波和三角波短，峰值电压作用于介质的时间最长，达到的处理效果最佳。试验得出，在电场强度为12 kV/cm、频率为50 Hz、占空比为10%的方波下处理污泥效果较好，在此条件下的SCOD含量提高接近4倍。

本次试验得出的SCOD的释放效果远远高出研究中利用PEF技术处理污泥得到的2倍以上的增容效果[10-11]，虽然低于芬顿氧化和超声波预处理技术达到的SCOD增容效果[16-17]，但能有效避免化学法和机械法存在的问题，如：设备材料高投资、高能耗和适用性差造成大规模应用困难等。同时，试验发现，经处理后的污泥沉降性能有所提升，沉降比较原泥降低10%左右。这可能利于后续的脱水处理，与研究中提到的经高压脉冲电场处理后的污泥更有利于后期机械脱水挤压获得更低含水率[12]相符，也进一步说明了该技术在污泥预处理行业具有一定的研究前景和价值。

2.5 运行成本分析

试验运行成本主要为电费，试验装置中所使用的污泥泵功率为370 W，工作2 h消耗的电量是0.74 kW·h。高压脉冲电源功率为600 W，工作2 h消耗的电量是2.4 kW·h，电价以1元/(kW·h)-1计，电费为3.14元，试验污泥预处理量为0.1 m3，折合单位体积污泥(MLSS为10 g/L)的运行成本为31.4元/m3。由于试验规模较小，所选设备功率偏大，所得运行费用偏高，形成工业规模应用后成本将会大幅降低。