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PEF 技术在污泥厌氧消化处理中的应用研究 李伟梁美生裴旭倩姜俊杰 太原理工大学 环境科学与工程学院， 太原 030024 摘要 高压脉冲电场技术作为新型的污泥厌氧消化预处理手段， 被国外学者广泛关注。高压脉冲电场可有效改善污泥 的理化性质， 提高污泥中溶解性物质的浓度， 强化污泥的厌氧消化过程和产甲烷效率， 并且可以作为外加的电子供体 用于反硝化脱氮， 但是其处理效果受多种因素的影响， 只有在各因素协调配合的条件下， 对污泥的预处理效果才能达 到最佳。鉴于国内 PEF 技术在污泥预处理过程中的应用研究尚处于萌芽阶段， 通过查阅大量的国内外文献， 着重介 绍了高压脉冲电场处理污泥的作用机理， 分析了各个反应器控制参数对高压脉冲电场污泥预处理效果的影响。在今 后的研究工作中应针对其作用机理、 影响因素及相关运行设备进行更加深入的探讨研发， 为实际生产工作提供科学指 导依据。 关键词 高压脉冲电场; 厌氧消化; 污泥; 预处理 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201503024 RESEARCH ON APPLICATION OF PULSED ELECTRIC FIELD IN ANAEROBIC DIGESTION OF SLUDGE Li WeiLiang MeishengPei XuqianJiang Junjie College of Environmental Science and Engineering，Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024 AbstractAs a new means of anaerobic digestion pretreatment，pulsed electric field PEFtechnology is highly concerned by foreign scholars． PEF can improve the physical and chemical properties of the sludge effectively，increase the concentration of dissolved substances in the sludge，and enhance the process of anaerobic digestion and methanogenic efficiency． Also PEF can be used as external electron donor for the denitrification nitrogen． But the treatment effect is influenced by many factors，and only under the rational conditions，the pretreatment effect of the sludge would achieve the best results． Since the application of PEF technology for domestic sludge pretreatment process is still in its infancy，according to literature，the mechanism of PEF technology is presented，and the effect of each control parameter is analyzed． At last，in order to provide scientific fundation for the actual production process，more research on its mechanism，related factors and operating equipment in the future studies are demanded． Keywordspulsed electric field;anaerobic digestion;sludge;pretreatment 收稿日期 2014 －06 －19 0引言 污水处理厂在运行过程中产生大量的剩余污泥， 污泥的处理费用占到其运行费用的很大比例。厌氧 消化是污泥处理的有效途径， 主要包括水解发酵、 产 乙酸、 产甲烷 3 个阶段， 其中第 1 阶段的水解发酵是 整个反应的限速过程， 对污泥的厌氧消化效率有非常 重要的影响 ［1 ］。传统的厌氧消化具有反应速率慢、 停留时间长、 池体容积庞大、 甲烷产量低、 污泥降解性 能差等缺点， 限制了厌氧消化的应用。为了提高污泥 厌氧消化的效率， 国内外学者对污泥预处理方法展开 了广泛的研究。 常用的预处理技术包括 热水解处理、 超声波处 理、 机械处理、 电离辐射处理以及其组合处理方法 等 ［2- 4 ］。这些方法虽可有效提高污泥可生化利用的程 度， 但在工程化应用的过程中却存在着各种经济技术 障碍 ［5 ］。国外学者将高压脉冲电场处理技术 pulsed electric field， PEF 用于污泥的厌氧消化预处理［6 ］， 作 为一种新型的污泥预处理强化技术， 国内在这方面的 601 环境工程 Environmental Engineering 研究工作近乎处于空白。因此， 本文介绍了高压脉冲 处理污泥的机理及其影响因素， 探讨了高压脉冲电场 预处理对污泥厌氧消化性能的影响， 以期推动高压脉 冲电场在污泥处理领域的研究和应用。 1PEF 预处理技术 1. 1PEF 预处理技术作用机理 从高压脉冲电场的杀菌机理［7- 8 ］出发， 来认识高 压脉冲电场污泥预处理的机理。根据多数学者认同 的细胞膜穿孔机理假说［7 ］， PEF 技术在处理污泥的过 程中， 通过外部电场与微生物细胞膜直接作用， 从而 破坏细胞膜的结构， 形成“电穿孔” ， 破坏污泥中菌体 细胞膜、 复杂有机固体和大分子物质。具体来说， 菌 体细胞壁上的肽聚糖和细胞膜磷脂层都是极性分子， 这些极性分子暴露在环境中带有负电荷， 这种特殊的 结构使细胞壁和细胞膜对电场的变化非常敏感， 因而 在施加高压脉冲电场以后， 细胞壁和细胞膜产生不可 逆的破坏， 污泥菌体细胞破裂， 释放出细胞中的有机 物质; 同时， 电弧放电破坏了污泥的絮体结构， 使其产 生更多的自由基， 将污泥中的大分子有机物质转化为 小分子， 从而更容易被微生物降解利用［9 ］。 1. 2PEF 预处理反应器 PEF 反应器主要用于存放电极， 并对污泥进行预 处理。反应器可分为静态反应器和连续流反应器。 静态反应器规模小， 适合实验室研究应用， 主要有 U 型式、 平行盘式、 圆盘式、 线桶式、 密封式等。连续流 反应器大多是由静态反应器改装设计， 主要有平行盘 式、 同心轴式等 ［10 ］。以同心轴连续流反应器为例， 其 原理 ［11 ］如图 1 所示， 整个反应器主要由轴电极和环 状外电极构成， 轴电极接通脉冲直流强电压， 环状外 电极接地， 两电极之间的间隙为反应区域， 在轴电极 和环状外电极之间产生电弧放电处理污泥， 在反应器 的两端分别设置有进泥口和出泥口， 反应器表面采用 绝缘材料包裹。 图 1高压脉冲反应器结构原理 Fig． 1The schematic of pulsed electric fields treatment chamber 1. 3PEF 预处理效果影响因素 PEF 反应器的运行过程中各个参数的变化均会 影响污泥预处理的效果。Salerno 等 ［12 ］提出采用处理 强度来评价反应器的处理性能。处理强度 kWh/ m3 的计算见式 1 。 处理强度 KV 2DfσHRT L2 1 式中V 电压， V J/C， kg m2/ C s2 ; D 脉冲宽度， s; F 脉冲频率; σ 电导率， S/m s C2/ kg m3 ; L 电极之间的距离， m; HRT 停留时间， s; K 常量， 1/3 600 000 kW h/J。 根据式 1 可以从反应器控制参数这一角度出 发分析影响 PEF 处理污泥效果的因素。反应器的控 制参数主要包括电场强度、 脉冲宽度、 脉冲波形、 脉冲 频率、 作用时间和作用温度等［13 ］， 这些控制参数不同 程度的改变均会影响 PEF 技术的污泥厌氧消化预处 理效果。 1 电场强度。电场强度是影响 PEF 技术预处理 效果的显著因素， 在脉冲数目不变时， 污泥预处理效 果随电场强度的增加而增加［14 ］。在研究脉冲电场对 污泥的作用效果时， 平行板反应器得到广泛应用， 因 为它是一种最简单的产生均匀电场的反应器， 可以避 免电场强度的变化， 确保反应器中各处的污泥得到均 匀处理。 2 脉冲宽度。在脉冲数目不变的情况下， 随着 脉冲宽度的下降， 污泥预处理总时间下降， 从而处理 效果也相应下降。 3 脉冲波形。高压脉冲处理系统所用的脉冲波 形包括方波、 指数衰减波、 交变指数衰减波， 其中方波 的处理效果最佳， 指数波次之， 交变指数衰减波效果 最差。 4 脉冲频率。在固定电场强度和脉冲宽度的条 件下， 污泥预处理效果由所施加的脉冲频率所决定。 随着脉冲频率的提高， 电容器具有了更多的脉冲数 目， 指数衰减曲线的下降得到减缓， 从而保证了更长 的污泥预处理时间。 5 电导率。当电场强度、 脉冲宽度和脉冲数量 保持不变的情况下， 电导率的升高会使电容器所产生 的脉冲频率降低， 影响污泥预处理的效果， 由此可知 较低的电导率对 PEF 处理效果有利。 6 作用时间。作用时间是脉冲数目与宽度的乘 701 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 积， 脉冲宽度与电场对细胞膜破裂有着密切的关系， 随着脉冲作用时间的增长， 处理效果显著增强。 7 作用温度。在恒定电场强度下， 污泥预处理 效果随着温度的升高而升高。与此同时， 当电容器的 输入电压为常量时， 反应器中的电压主要与污泥的电 导性质和处理温度有关， 处理过程中反应温度的升高 会影响污泥的电导率和反应器中的电压值， 进而影响 反应器的电场强度。 2PEF 技术污泥处理效果 2. 1对污泥理化性质的影响 高压脉冲电场直接攻击菌体细胞， 释放出细胞质 中的营养物质， 改变了污泥的 pH 值、 电导率、 TS、 总 COD 等理化性质。Chio 等 ［11 ］对经高压脉冲电场处 理前后的污泥理化性质变化进行实验研究， 在进泥量 为 800 mL/min， 水力停留时间为 1. 5 s， 脉冲电压 19 kV， 脉冲频率为 110 Hz 时， 污泥理化性质的变化 如表 1 所示。 表 1脉冲电场处理前后污泥性质对照表 Table 1Changes in the sludge property before and after pulse- power treatment 项目指标处理前生污泥处理后污泥 pH 值 6. 15. 9 电导率/ μS cm －1 2 2702 970 ρ TS / mg L －1 27 93828 193 ρ VS / mg L －1 18 70618 390 ρ TCOD / mg L －1 32 32832 464 ρ SCOD / mg L －1 1 3125 746 ρ 可溶性氮 / mg L －1 200664 ρ 可溶性磷 / mg L －1 143332 ρ ECP / mg L －1 65420 ρ 蛋白质 / mg L －1 1368 ρ 糖类 / mg L －1 52352 ρ COD ∶ ρ N ∶ ρ P100∶ 0. 62∶ 0. 44100∶2. 05∶1. 02 由表 1 可知 经处理后污泥中 SCOD、 ECP、 蛋白 质和糖类的含量大幅提高。 此外， SEM 结果显示， 原始污泥颗粒表面光滑， 细胞饱满， 处理后的污泥颗粒表面粗糙， 细胞呈现畸 形化。高压脉冲电场的处理造成污泥中菌体细胞破 裂， 细胞壁和细胞膜变为各种颗粒碎片， 细胞中的细 胞质释放出来， 从而改善了污泥的成分和性质， 有利 于污泥厌氧消化反应的进行。 2. 2对甲烷产量和污泥减量化的影响 经过 PEF 处理后， 污泥的理化性质发生了明显 变化。污泥可生化性的增强明显提高污泥厌氧消化 过 程 中 的 产 气 量，并 有 效 减 少 剩 余 污 泥 量。 Bruce E R等 ［15 ］研究表明， 在为期 6 个月的实验过程 中， 相比未处理的污泥， 经过 PEF 处理污泥的厌氧消 化产气量稳定增长， 平均月产气量提高 40。并且， 生物气中的甲烷浓度维持在 62。此外， 每月需要 处理的污泥量也降低了 25 ～30。PEF 处理可明 显改善污泥厌氧消化， 提高生物气的产量， 并对污泥 减量化具有显著效果。 2. 3对菌群多样性的影响 PEF 处理改变污泥成分以及理化性质， 在厌氧消 化反应过程中， 为适应新的生长环境， 厌氧消化菌的 种类和数量将会发生明显变化［16 ］。Zhang Husen 等 ［17 ］利用基因库和定量 PCR 技术， 对 PEF 处理前后 污泥中的微生物菌群结构进行分析， 主要的菌种由 Deltaproteobacteria 和 Spirochaetes 变化为 Firmicutes， Betaproteobacteria 和 Spirochaetes。产甲烷菌在 PEF 处 理后， Methanoculleus 从 66下降至 33， Methanosaeta 从 23提高到 57。PEF 预处理对菌群结构产生了 不同程度的影响， 这与生物气产量的提高大体上保持 一致。 另外，PEF 处理后的剩余污泥可以作为反硝化 过程电子供体， 不仅可减少最终污泥产量， 而且提高 了氮的去除率。Lee IL- Su 等 ［18 ］将 PEF 处理后的剩 余污泥作为外加电子供体用于反硝化过程， 其反硝化 速率要比未处理的污泥和甲醇作为电子供体的更快， 并且氮的去除率也有明显提高。 3结论与建议 1 作为一种新型的污泥预处理强化技术， PEF 技 术以其优良的处理效果， 低廉的操作费用， 良好的应 用前景而深受学者及企业青睐。 2 高压脉冲预处理技术能够有效的改善污泥的 理化性质， 提高污泥中溶解性物质的浓度， 强化污泥 的厌氧消化过程和产甲烷效率， 并且可以作为外加的 电子供体用于反硝化脱氮， 具有较好的社会经济 效益。 3 在我国， PEF 技术应用研究尚处于萌芽阶段， 将高压脉冲电场广泛应用于污泥预处理过程还存在 许多困难。今后在研究工作中应针对该方法的作用 机理以及影响因素进行更加深入的研究， 从而获得 PEF 技术的最佳运行参数， 旨在为实际生产工作提供 科学指导依据。另外， 高压脉冲处理设备的研发也是 研究的重点。 801 环境工程 Environmental Engineering 参考文献 ［1］Lise Appels，Jan Baeyens，Jan Degreve，et al． Principles and potential of the anaerobic digestion of waste- activated sludge ［J］ ． Progress in Energy and Combustion Science， 2008， 34 755- 781. ［2］Carrere H，Dumas C，Battimalli A，et al． Pretreatment s to improve sludge anaerobic degradabilityA review［J］． Journal of Hazardous Materials， 2010， 183 1- 15. ［3］张毅华， 台明青， 王芳． 剩余污泥厌氧消化与处理技术研究进展 ［ J］． 中国资源综合利用， 2010， 28 6 24- 28. ［4］戴前进， 方先金， 邵辉煌． 城市污水处理厂污泥厌氧消化的预处 理技术［ J］． 中国沼气， 2006， 25 2 11- 14. ［5］Kim Jeongsik， Park Chulhwan， Kim Takhyun，et al．Effects of various pretreatments for enhanced anaerobic digestion with waste activated sludge［J］． Journal of Bioscience and Bioengineering， 2003， 95 3 271- 275. 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