高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)在污泥資源化利用的試驗(yàn)

朱 濤，康夢(mèng)遠(yuǎn)，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(shù)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(shí)，大量的“副產(chǎn)物”污泥隨之產(chǎn)生。據(jù)測(cè)算，我國2015年城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)生量約為3 300萬t，預(yù)計(jì)2020年—2025年污泥年產(chǎn)量將突破6 000萬t(以含水率為80%計(jì))，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(yù)處理技術(shù)，如超聲波、酸堿處理或熱水解等，其進(jìn)行細(xì)胞破壁釋放有機(jī)質(zhì)，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(xué)品用量、腐蝕性的限制，大規(guī)模應(yīng)用較為困難。因此，探尋一種低能耗、工藝簡(jiǎn)單的污泥破壁方法刻不容緩。利用電場(chǎng)進(jìn)行的污泥處理，如電滲透和高壓脈沖電場(chǎng)(PEF)技術(shù)，近年來有所發(fā)展。電滲透主要應(yīng)用于污泥脫水，該技術(shù)不會(huì)破壞污泥細(xì)胞壁，使脫水后污泥有機(jī)質(zhì)損失較少[6]；PEF技術(shù)是利用脈沖電場(chǎng)破壞或致死生物細(xì)胞或基本單元的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)[7]。在污泥破壁預(yù)處理領(lǐng)域?qū)儆谛屡d技術(shù)，國外已有相關(guān)研究，而國內(nèi)仍處于探索階段。Lee等[8]的研究表明，PEF預(yù)處理污泥能夠強(qiáng)化厭氧水解速率；Ki等[9]使用進(jìn)行預(yù)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(nèi)研究者[10-11]主要對(duì)碳源利用和厭氧消化方面作了效果驗(yàn)證，未對(duì)PEF預(yù)處理污泥技術(shù)的影響因素以及優(yōu)化參數(shù)提高處理效果方面進(jìn)行探究。

PEF技術(shù)的運(yùn)行參數(shù)是控制污泥破壁效果的關(guān)鍵。本研究為進(jìn)一步提升PEF技術(shù)在污泥破壁領(lǐng)域的處理效果，并釋放更多有機(jī)物供后期的資源化利用，對(duì)不同控制參數(shù)的影響及試驗(yàn)效果提升進(jìn)行深入探究，為實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)噘|(zhì)

本試驗(yàn)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(zhì)情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)?zāi)噘|(zhì)Tab.1 Characteristics of Sludge in Experiment

該城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)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(jī)物含量較高，污泥濃度高，顏色呈黃褐色。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置如圖1所示，試驗(yàn)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(nèi)電極尺寸為φ 40 mm×400 mm，高壓脈沖電源為實(shí)驗(yàn)室特種電源，型號(hào)為TREK 3 020 A，檢測(cè)波形的示波器為美國泰克示波器型號(hào)為Tektronix AFG3052C。

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

試驗(yàn)時(shí)，通過污泥泵將儲(chǔ)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(chǎn)生的電場(chǎng)將污泥進(jìn)行破壁處理，處理后的污泥由出口排至儲(chǔ)泥槽。本試驗(yàn)主要通過調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、占空比和波形這4個(gè)參數(shù)考察其對(duì)試驗(yàn)的效果。試驗(yàn)取泥0.1 m3，連續(xù)運(yùn)行2 h，參數(shù)控制如下：電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)反應(yīng)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(jìn)行SCOD(溶解性COD)的分析。試驗(yàn)使用離心機(jī)型號(hào)為飛鴿KA-1000，轉(zhuǎn)速為3 400 r/min，離心時(shí)間為20 min。

1.3 分析方法

試驗(yàn)中細(xì)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(cè)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(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)破壁效果的影響

相關(guān)研究中[12]提到，電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)有利于處理效果的提升，本試驗(yàn)在實(shí)際運(yùn)行過程中通過調(diào)節(jié)電壓值對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行控制，分別選取兩組電壓為8 kV與30 kV，驗(yàn)證其對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度為3.2 kV/cm和12 kV/cm的結(jié)果，并與不加電場(chǎng)(空載)試驗(yàn)進(jìn)行比較。在方波波形、占空比為50%，頻率未為50 Hz條件下，測(cè)得上清液中SCOD隨時(shí)間的變化趨勢(shì)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(yàn)主要探究反應(yīng)裝置對(duì)污泥的物理磨損引起有機(jī)物的釋放情況。由圖2可知，SCOD含量隨著電壓(場(chǎng)強(qiáng))的增加而提高，空載試驗(yàn)增幅為34.5%。這是因?yàn)槭Ｓ辔勰嘀芯哂心茉瘁尫艥摿Φ挠袡C(jī)物大部分存在于污泥絮體以及微生物的細(xì)胞膜(壁)內(nèi)部原生質(zhì)中[13]，因物理作用能夠打碎少量的菌膠團(tuán)，釋放出一小部分的有機(jī)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(dá)到空載試驗(yàn)和8 kV下的8.6倍和2.6倍。說明，電場(chǎng)強(qiáng)度的增加有利于SCOD的釋放。試驗(yàn)將在電壓30 kV即電場(chǎng)強(qiáng)度為12 kV/cm的基礎(chǔ)上，分析其他因素對(duì)污泥破壁效果的影響。

2.2 頻率對(duì)破壁效果的影響

電場(chǎng)強(qiáng)度在12 kV/cm、占空比為50%、方波條件下，將頻率調(diào)至50、500 Hz，分析頻率對(duì)污泥破壁效果的影響，圖3為高壓脈沖電場(chǎng)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(yàn)過程中在500 Hz條件時(shí)出現(xiàn)“嘶嘶”聲響，這可能是因?yàn)殡姌O之間產(chǎn)生了放電現(xiàn)象，放電后產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性物質(zhì)將SCOD降解，導(dǎo)致SCOD含量下降。相關(guān)資料[14-15]表明，兩極間所加電壓為一定值時(shí)，頻率的升高會(huì)擊穿絕緣介質(zhì)產(chǎn)生放電。放電過程會(huì)產(chǎn)生大量的羥基自由基等，對(duì)有機(jī)污染物具有優(yōu)良的去除效能。

試驗(yàn)結(jié)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(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，頻率增大延長了電場(chǎng)作用時(shí)間，有利于提高破壁程度。但在電場(chǎng)強(qiáng)度一定的條件下，頻率升高到一定值時(shí)可能引起放電現(xiàn)象，降低SCOD的含量。

2.3 占空比對(duì)破壁效果的影響

在電場(chǎng)強(qiáng)度為12 kV/cm、頻率為50 Hz的方波條件下，將占空比分別調(diào)節(jié)至10%、30%、50%，分析占空比對(duì)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(shí)間與脈沖總周期的比值。試驗(yàn)經(jīng)預(yù)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間比例越大，正脈沖的持續(xù)時(shí)間越長，對(duì)提高破壁效果有利。試驗(yàn)結(jié)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(shí)間更短，作用于細(xì)胞壁的能量也更為集中。

2.4 波形對(duì)破壁效果的影響

電場(chǎng)強(qiáng)度在12 kV/cm、頻率為50 Hz下，將波型分別調(diào)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(nèi)，SCOD 含量的變化趨勢(shì)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(duì)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(shí)間最短，達(dá)到峰值電壓的時(shí)間均比正弦波和三角波短，峰值電壓作用于介質(zhì)的時(shí)間最長，達(dá)到的處理效果最佳。試驗(yàn)得出，在電場(chǎng)強(qiáng)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(yàn)得出的SCOD的釋放效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出研究中利用PEF技術(shù)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(yù)處理技術(shù)達(dá)到的SCOD增容效果[16-17]，但能有效避免化學(xué)法和機(jī)械法存在的問題，如：設(shè)備材料高投資、高能耗和適用性差造成大規(guī)模應(yīng)用困難等。同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)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(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)處理后的污泥更有利于后期機(jī)械脫水?dāng)D壓獲得更低含水率[12]相符，也進(jìn)一步說明了該技術(shù)在污泥預(yù)處理行業(yè)具有一定的研究前景和價(jià)值。

2.5 運(yùn)行成本分析

試驗(yàn)運(yùn)行成本主要為電費(fèi)，試驗(yàn)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(jià)以1元/(kW·h)-1計(jì)，電費(fèi)為3.14元，試驗(yàn)污泥預(yù)處理量為0.1 m3，折合單位體積污泥(MLSS為10 g/L)的運(yùn)行成本為31.4元/m3。由于試驗(yàn)規(guī)模較小，所選設(shè)備功率偏大，所得運(yùn)行費(fèi)用偏高，形成工業(yè)規(guī)模應(yīng)用后成本將會(huì)大幅降低。

3 結(jié)論

(1)優(yōu)化高壓脈沖電場(chǎng)處理污泥的設(shè)計(jì)參數(shù)能大幅提高污泥破壁效率，在處理時(shí)間為120 min、電場(chǎng)強(qiáng)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(dá)到398.8%，拓展了該技術(shù)在污泥破壁領(lǐng)域的應(yīng)用思路。

(2)電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率對(duì)有機(jī)物的釋放起重要影響，電場(chǎng)強(qiáng)度的升高會(huì)提高污泥破壁效果；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，頻率是影響SCOD釋放效果的主要因素。

(3)高壓脈沖電場(chǎng)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(shí)SCOD的增幅是占空比為50%時(shí)的1.6倍。