高压脉冲放电裂解带式压榨活性污泥高干度脱水机制.pdf

高压脉冲放电裂解带式压榨活性污泥高干度脱水机制 * 吴朝阳 1， 2 陈荷娟 1 芮延年 3 刘开强 3 1. 南京理工大学， 南京 210094;2. 南通大学， 江苏 南通 226019;3. 苏州大学， 江苏 苏州 215021 摘要 利用高压脉冲放电裂解作用机制， 将胞内水经济的释放出来， 再结合带式压榨工艺对城市剩余活性污泥进行高 干度脱水处理， 并通过实验研究对其作用机制及相关参数进行较为深入的探讨， 获得了较满意的效果。该研究为城市 剩余活性污泥高干度脱水提供一种新的思路与方法。 关键词 活性污泥; 高压脉冲放电裂解; 带式压榨; 高干度脱水 RESEARCH ON THE MECHANISM OF HIGH DRYNESS DEWATERING OF ACTIVATED SLUDGE BY HIGH- VOLTAGE AND BELT SQUEEZING Wu Zhaoyang1， 2Chen Hejuan1Rui Yannian3Liu Kaiqiang3 1. Nanjing University of Science ＆ Technology，Nanjing 210094，China; 2. Nantong University， Nantong 226019， China;3. Suzhou University，Suzhou 215021，China AbstractThis supersonic splitting treatment of high-water ratio of sludge is studied by the mechanism of focusing of high volt- age pulse discharge. Meanwhile， the theoretical s and relative parameters are deeply discussed by experiment and satis- factory result is received. The research on this item presents a new practical and effective for the treatment of high-water ratio sludge. Keywordsactivated sludge;focusing of high-voltage pulse discharge;belt squeezing;high dryness dewatering * 教育部博士点基金项目 20060285015 。 0引言 目前城市剩余活性污泥处理的方法主要有物理 法， 化学法及生物法。传统物理法很难对污泥进行高 干度脱水， 实践证明经过机械压滤后的污泥含水率仍 有 80 左右; 化学法需要在污泥中添加化学药剂， 然 后再通过浓缩和机械压榨等方式对其进行脱水， 而且 化学药剂往往会对污泥造成二次污染; 生物法目前主 要方式是堆肥处理， 这种方法虽然处理费用低， 但是， 生物堆肥需要占用大量的土地， 生产效率低， 而且重 金属粒子和有害病菌去除不理想。 本文拟通过高压脉冲聚焦放电的方式对活性污 泥进行超声裂解预处理， 将胞内水释放出来， 再结合 带式压榨工艺对城市活性污泥进行高干度脱水， 以期 达到经济、 高效处理城市活性污泥的目的。 1高压脉冲聚焦 “高压脉冲聚焦” 就是在液中利用高压脉冲放电 产生超声波， 并将其能量聚集起来。图 1 为液中放电 F1半球形反射体的第一个焦点 放电电极位置 ; F2半球形反射体的第二个焦点 冲击波的焦点位置 图 1液中放电式冲击波放电回路和聚焦原理示意 式冲击波发生器的放电回路和聚焦原理示意图。其 中， 储能电容器 C 由高电压直流电源进行充电， 其储 能大小由式 1 决定 WJ 1 2 CU2 1 式中WJ 电容器储能， J; C 电容量， μF; 94 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 U 充电电压， kV。 由图 1 可见， 当充电器电压达到所需的电压值 后， 高电压开关在触发脉冲 Ut触发下使放电回路接 通。电容其中所储的电能并立即通过高压脉冲向污 泥中放电 WJ。在污泥中的水团泡中形成“液电效 应” ， 从而在半椭球形反射体中的第一焦点 F1处产 生强烈的冲击波并球面向四周传播， 冲击波经过金属 制成的半椭球形反射体反射。反射后的冲击波继续 在污泥中以直线方式传播， 并通过另一个金属制成的 半椭球形反射体将能力聚焦在第二交点 F2处， 形成 一个压力峰值高达几十兆帕的压力区。污泥中放电 具有强大的破坏力，污泥中放电冲击波压力及其传 播速度与放电能量的关系如式 2 所示。 pm β ρ0Wm τ 槡T 2 式中pm 冲击波的最大压力; β 无因次的复杂积分函数， 近似值 0. 7; ρ0 液体的密度; Wm 放电通道单位时间长度的脉冲总能量; T 脉冲能量的持续时间; τ 波前时间。 2超声裂解作用机制 物质中水分分为自由水、 游离水和胞内水 3 种形 式， 污泥中的水分也是如此。自由水通常可以用机械 的方法去除， 游离水含量较少， 而胞内水含量较大， 对 活性污泥， 胞内水占污泥总含水量的 35 ～ 50 ， 用 常规的机械方法是很难去除的。目前去除胞内水的 主要方法是热解法， 即通过加热的方法使胞内水沸 腾， 在胞内蒸汽压力作用下胞壁破裂。这种方法虽然 可行， 但是其系统相对复杂， 运行成本相对较高。 超声裂解就是利用高压脉冲放电产生超声波导 致污泥中胞内水发生空化效应。也就是在声波负压 的作用下产生振动， 当声压达到一定值时， 气泡将迅 速膨胀而产生空化， 产生的冲击波对污泥中胞内水进 行裂解。 通过研究表明 污泥中存在大量的小气泡核， 气 泡核的半径 Re越大， 该处的结构强度就越弱， 理论上 形成半径为 Re空化泡需要的气压见式 3 。 Pk Pv－ 2 槡 33 2σ R e 3 P0－ Pv 2σ R 槡 e 3 式中P0 液体静压力， Pa; Pv 泡内蒸汽压力， Pa; 2σ/Re 空化泡表面张力， Pa。 通过利用高压脉冲聚焦的方式产生超声波， 通过 超声的作用使污泥中的空化泡裂解， 通过聚焦裂解链 式反应使污泥中的胞内水团破裂， 水从胞内流出来， 这时再对其进行机械压榨就可以达到污泥高干度脱 水的目的。 3实验研究 将高压脉冲放电裂解和带式压榨过滤技术复合 在一起， 研究设计制作了 1 台 “高压脉冲放电裂解带 式压榨过滤一体机” ， 实验装置如图 2 所示。 图 2高压脉冲放电裂解带式压榨过滤一体机 根据高压脉冲碎石原理设计一种高压脉冲放电 聚焦裂解反应器， 超声裂解实验中电源是高压脉冲电 源， 其中的电容充电需要一定的时间。所以高压脉冲 实验流程是间歇完成的， 等待的间隔为高压脉冲电源 电容充电时间。整个压滤机滤带的运动是连续运动。 当污泥通过输送带进入高压裂解场时， 由于超声 聚焦作用， 污泥中空化泡爆聚崩溃而产生强大的冲击 波或射流， 使得污泥中胞内水团在强大的冲击流下产 生超声裂解反应， 即胞内水被释放出来， 紧接着污泥 进入带式压榨脱水区进行高干度压榨脱水。 本实验取南通观音山水厂的二沉池底流污泥， 对 其高压脉冲相关参数， 如脉冲电压、 电流、 作用压力、 作用时间与滤饼含水率进行了实验研究， 实验结果分 别如图 3、 图 4 所示。 由图 3 可以看出， 当电压6 000 V、 电流达50 mA 以后， 在增大电压和增大电流对滤饼含水率变化影响 较小， 这时滤饼含水率 58 左右。 由图 4 可以看出， 当压榨力0. 65 MPa、 压榨时间 2. 5 min以后， 在增大压榨力和压榨时间对滤饼含水 率变化影响较小， 这时滤饼含水率 56 左右。 4结论 1 高压脉冲超声裂解能够强化城市剩余活性污 泥脱水性能。污泥经过高压脉冲放电超声裂解后污 05 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 图 3脉冲电压、 电流与滤饼含水率之间关系 图 4作用压力、 作用时间与滤饼含水率之间关系 泥的含水率有大幅度的下降， 最佳值范围是 电压 6 000 V、 电流动80 mA左右。 2 带式压榨过滤过程， 压榨力、 压榨时间对活性 污泥高干度脱水有较大影响。最佳值范围是 压榨力 0. 65 MPa、 压榨时间2. 5 min左右。 3 虽然高压脉冲放电超声裂解可以强化城市剩 余污泥脱水效果， 但是， 城市污泥要资源化还需进一 步处理。 参考文献 ［ 1］ 秦曾衍. 高压强脉冲放电及其应用［M］ . 北京 北京工业出版社， 2000 68- 72. ［ 2］芮延年， 刘文杰， 张志红， 等. 带式振动浓缩压榨脱水机理研究 ［J］ . 给水排水， 2002 2 87- 90. ［ 3］芮延年， 闻邦椿. 强化悬浮液絮凝造粒脱水过程的试验研究 ［J］ . 黄金， 2005 1 32- 34. ［ 4］ 冯若， 李化茂. 声化学及其应用［M］ . 合肥 安徽科学技术出版 社， 2004 75- 135. ［ 5］ Yannian Rui. The strengthen mechanics of ultraxonic vibration in the process of memberant separation and its experimental research ［C］ / /Asia-pacific Vibration Conference， 2006 110- 114. 作者通信处吴朝阳210094南京理工大学机械学院博士研究生 E- mailwu. zy ntu. edu. cn 2009 － 06 － 26 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 79 页 2. 4效果分析 12 500 kVA 铁合金矿热电炉烟气采用正压袋式 除尘系统进行净化， 其实际效果根据环保竣工验收监 测数据进行分析。根据环保竣工验收监测报告， 进口 烟尘初始浓度在 2. 3 ～ 5. 1 g/m3， 排放浓度在 21. 6 ～ 46. 7 mg/m3， 除尘效率大于 99 ， 比设计控制指标要 好。为考察烟尘捕集率， 确保厂界烟粉尘达标， 在厂 界无组织排放监控点进行了烟粉尘浓度监测 环境 影响评价要求， 厂界烟粉尘浓度要达标， 除尘系统的 烟尘捕集率应大于 90 ， 结果表明， 厂界无组织排 放监控点烟粉尘浓度在 0. 457 ～ 0. 658 mg/m3， 小于 1 mg/m3的控制标准要求， 因此， 该除尘系统的烟尘 捕集率达到设计控制指标要求。 3结论 12 500 kVA 铁合金矿热电炉采用正压袋式除尘 系统进行烟气净化， 具有投资较少、 占地较少、 能耗低 的优点， 还能确保有效地控制大气污染， 净化效率大 于 99 ， 对环境的影响较小， 能满足标准要求。对于 锰矿资源丰富、 交通不是很便利、 土地资源紧张的山 区， 建设矿热电炉生产硅锰铁合金项目， 是值得推广 的一种大气污染控制技术。 参考文献 ［1 ］ 季学李. 大 气 污 染 控 制 工 程［M ］ .上 海 同 济 大 学 出 版 社， 1992. ［2 ］ 张秀宝， 高伟生. 大气环境污染概论［M］ . 北京 中国环境科 学出版社， 1989. ［3 ］ 钢铁 企 业 采 暖 通 风 设 计 手 册［M］ . 北 京 冶 金 工 业 出 版 社， 1996. 作者通信处肖怀德400013重庆市渝中区双钢路 1 号中冶赛 迪工程技术股份有限公司 E- mailcisdi cisdi. com. cn 2009 － 08 － 05 收稿 15 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期