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.，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(lái)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；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).。在污泥破壁預(yù)處理領(lǐng)域?qū)儆谛屡d技術(shù)，國(guó)外已有相關(guān)研究，而國(guó)內(nèi)仍處于探索階段。Ｌｅｅ等的研究表明，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(guó)內(nèi)研究者主要對(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。
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３ｍ３／ｈ，同軸電極外電極尺寸為φ８０ｍｍ×７００ｍｍ，內(nèi)電極尺寸為φ４０ｍｍ×４００ｍｍ，高壓脈沖電源為實(shí)驗(yàn)室特種電源，型號(hào)為ＴＲＥＫ３０２０Ａ，檢測(cè)波形的示波器為美國(guó)泰克示波器型號(hào)為ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＡＦＧ３０５２Ｃ。
試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)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(guò)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(guò)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０.１ｍ３，連續(xù)運(yùn)行２ｈ，參數(shù)控制如下：電場(chǎng)強(qiáng)度為０～３０ｋＶ，頻率為５０～５００Ｈｚ，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１５～３０ｍｉｎ取出５０ｍＬ的水樣，每次�。辰M，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３４００ｒ／ｍｉｎ，離心時(shí)間為２０ｍｉｎ。
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０.４５μｍ濾膜過(guò)濾后，使用連華ＣＯＤ測(cè)定儀分析；ＴＮ使用過(guò)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ＭＥＴＴＬＥＲｐＨ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.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(guò)程中通過(guò)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８ｋＶ與３０ｋＶ，驗(yàn)證其對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度為３.２ｋＶ／ｃｍ和１２ｋＶ／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５０Ｈｚ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。
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.，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。８ｋＶ電壓下，ＳＣＯＤ增幅為９３.３％；３０ｋＶ電壓下，ＳＣＯＤ增幅為２４３.５％，分別達(dá)到空載試驗(yàn)和８ｋＶ下的８.６倍和２.６倍。說(shuō)明，電場(chǎng)強(qiáng)度的增加有利于ＳＣＯＤ的釋放。試驗(yàn)將在電壓３０ｋＶ即電場(chǎng)強(qiáng)度為１２ｋＶ／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１２ｋＶ／ｃｍ、占空比為５０％、方波條件下，將頻率調(diào)至５０、５００Ｈｚ，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１２０ｍｉｎ后，ＳＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ含量的變化情況。
由圖３可知：初始ＳＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ含量分別為４９.６、２８.４、１０.３ｍｇ／Ｌ，頻率５０Ｈｚ處理后的ＳＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ的含量為１７３.１、３５.０、２０.６ｍｇ／Ｌ，ＳＣＯＤ增幅為２４３.５％；頻率５００Ｈｚ處理后的ＳＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ的含量為９７.８、３７.５、２２.９ｍｇ／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(guò)程中在５００Ｈｚ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.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(guò)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(zhǎng)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１２ｋＶ／ｃｍ、頻率為５０Ｈｚ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１２０ｍｉｎ，ＳＣＯＤ含量的變化如圖４所示。
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５１.７ｍｇ／Ｌ增長(zhǎng)到２５７.９ｍｇ／Ｌ，增幅為３９８.８％；占空比為３０％時(shí)的ＳＣＯＤ從５２.６ｍｇ／Ｌ增長(zhǎng)到２００.１ｍｇ／Ｌ，增幅為２８０.４％；占空比為５０％時(shí)的ＳＣＯＤ從４９.６ｍｇ／Ｌ增長(zhǎng)到１７３.１ｍｇ／Ｌ，增幅為２４８.５％。理論上來(lái)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(zhǎng)，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１２ｋＶ／ｃｍ、頻率為５０Ｈｚ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１２０ｍｉｎ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％。
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５１.７ｍｇ／Ｌ增長(zhǎng)到２５７.９ｍｇ／Ｌ，增幅為３９８.８％；三角波條件下的ＳＣＯＤ含量從４７.６ｍｇ／Ｌ增長(zhǎng)到１６３.１ｍｇ／Ｌ，增幅為２４２.６％；正弦波條件下的ＳＣＯＤ含量從４８.１ｍｇ／Ｌ增長(zhǎng)到１３２.６ｍｇ／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(zhǎng)，達(dá)到的處理效果最佳。試驗(yàn)得出，在電場(chǎng)強(qiáng)度為１２ｋＶ／ｃｍ、頻率為５０Ｈｚ、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，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，但能有效避免化學(xué)法和機(jī)械法存在的問(wèn)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.相符，也進(jìn)一步說(shuō)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３７０Ｗ，工作２ｈ消耗的電量是０.７４ｋＷ•ｈ。高壓脈沖電源功率為６００Ｗ，工作２ｈ消耗的電量是２.４ｋＷ•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０.１ｍ３，折合單位體積污泥（ＭＬＳＳ為１０ｇ／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１２０ｍｉｎ、電場(chǎng)強(qiáng)度為１２ｋＶ／ｃｍ、頻率為５０Ｈｚ、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。（來(lái)源：嘉誠(chéng)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）
