脉冲放电强化臭氧污泥减量的研究

脉冲放电强化臭氧污泥减量的研究

姚颖 樊爱龙

辽宁科技学院 辽宁 本溪 117004

摘要：化工生产废水处理过程中产生一定量的生化污泥，被定义为危险废弃物，交给第三方有资质的企业处理费用高达每吨几千元，这些污泥需要焚烧处置，为降低处置成本，需要实现污泥减量。国内外关于生化污泥减量的有关研究指出，由于菌胶团网络的稳定作用导致脱水困难，特别是细胞壁保护的原因很难把含水率降低到50%以下。本文提出一种利用脉冲放电强化臭氧处理污泥的方法，实验结果表明，不仅可以极大降低含水率，而且可以破坏细胞壁，减少污泥中生物固体量，切实实现生化污泥减量。

关键词：脉冲放电；臭氧；污泥减量

一、脉冲放电强化臭氧处理污泥技术方案简介

1.1臭氧氧化破解污泥技术的优缺点

强化隐性生长是可实现污泥减量的方式之一，其中要实现隐性生长首先要对污泥进行破解，污泥破解的方法有很多，如高温溶解、超声波处理、微波辐射、臭氧氧化、酸溶、碱溶、热溶以及各方法的联合使用等。臭氧氧化促进污泥减量的技术是近年来受到广泛关注的一种污泥减量技术，其最大优点是破解污泥、污泥溶解效率高，氧化后的污泥混合液易于生物降解。

臭氧破解污泥过程，通过向污泥中投加臭氧，破环细菌的细胞壁和细胞膜，将其氧化为细胞碎片，细胞破碎后，细胞内物质（蛋白质、核酸）流出，进而被降解，最终实现污泥减量。

臭氧处理污泥减量技术，尽管效果较好，但是存在明显缺陷——处置费用较高，需要研究降低处理费用的新方法。借鉴臭氧污水处理技术的相关研究，需要降低臭氧发生器的电耗、提高气相臭氧浓度、强化臭氧传质、催化臭氧反应。受脉冲放电强化臭氧处理废水的方法启发，尝试利用该方法进行处理污泥的实验研究。

1.2高压脉冲放电对污泥的作用

在水中高压脉冲放电时，电极间存在较强的脉冲电场，同时会产生巨大的冲击波、强烈的紫外辐射，这些效应不仅强化臭氧的传质和反应过程，也会影响、杀灭微生物细胞。有关研究指出，细胞膜受电场作用可被击穿而产生电穿孔，随

脉冲放电强度增强和放电次数增多，穿孔越来越大，越来越多，细胞内物质会流出。

另一方面，污泥中的菌胶团，是活性污泥絮体中的重要组成部分。污泥脱水困难的原因主要是污泥中菌胶团网络的稳定作用，这些菌胶团很难被机械作用破坏，而且污泥微生物细胞壁的刚性结构阻碍了胞内易降解物质的释放。但是，由于脉冲放电产生液电效应，强烈的冲击波脉冲产生巨大的剪切力，将污泥菌胶团解体成小颗粒并释放胞外聚合物。因此，高压脉冲放电技术处理污泥可以起到以下作用：①对微生物细胞事先破壁，使细胞内的水流出；②打碎菌胶团，使得污泥便于挤压出水。

1.3技术原理

首先，高压脉冲放电技术通过细胞破壁及打碎菌胶团实现污泥脱水，而臭氧氧化同样能够使得细菌细胞破碎，流失水分，从这方面讲两种技术机理相似；

其次，高压脉冲放电过程能够将电能转换成热能、光能、力能以及声能等多种形式的能量，这些能量对于细胞壁击穿都具有显著效果，而且细胞破壁后更易于实现臭氧的氧化。因此为提高臭氧氧化污泥的效果，降低臭氧工艺的运行成本，可以实现高压脉冲放电技术与臭氧氧化技术协同处理污泥，实现减量。

二、脉冲放电强化臭氧污泥减量实验研究

2.1实验装置

实验装置示意图如下，在反应釜内设置电极，与脉冲功率电源相连接，污泥进入反应釜经过处理后流出，臭氧同时通入反应釜对污泥进行联合处理。

在反应釜内发生脉冲放电，强大的冲击电流将产生液电效应，在放电通道内产生高能、高密度等离子体。冲击电流将加热放电通道的液体，导致放电通道受热膨胀，产生的压力可达百兆帕，如此巨大的压力压缩周围液体形成强力冲击波。

2.2实验结果

液电效应强化臭氧处理污泥，不同处理时间性状不同。气味由臭味在30min后变为无味，状态由絮状变为细小颗粒的分散状态，颜色由黑色逐渐变浅，沉降速率递次变快。

由下图污泥溶液中COD、BOD₅的变化看出，污泥溶液的COD呈现先增加后减小趋势，在反应时间为60min时达到最大值3002mg/L，之后缓慢降低。BOD₅随着臭氧投加量增加而增加，在反应60min后基本稳定在1000mg/L。随着臭氧的投加，BOD5/COD由最初的0.27逐渐增加到接近0.5，污泥溶胞产物的可生化性变好。

由此可以看出，臭氧与污泥反应过程中，先破坏污泥细胞壁，使细胞内有机物流出，导致污泥溶液中蛋白质和多糖浓度的上升。随着溶液中有机物含量的提高，由于臭氧的氧化作用，蛋白质和多糖浓度缓慢下降。

2.3单独臭氧处理的对比分析

在实验过程中，单独投加臭氧进行污泥减量时，反应75min时，污泥减量48.5%；20kV放电强化条件下，臭氧反应45min时，污泥减量47%，25kV放电强化条件下，污泥减量48.4%；由此可见，实现相同的减量时，采用脉冲放电强化对比单独臭氧处理，时间明显缩短，放电电压适当提高，效果更明显。实际缩短，也就是臭氧的用量减少，在25kV放电强化条件下，达到同样的减量效果，可节约臭氧40%。

三、总结与结论

脉冲放电强化臭氧处理污泥，可以实现减量，最大减量可接近50%；对比单独臭氧处理，该方法可节约处理费用40%；处理后污泥溶液的BOD5/COD升高，可生化性好，可作为碳源补充回生化池；能够杀死、降解污泥中的致病菌等有毒有害物质，即同时实现无害化处理。由此可见，这是一种非常有前途的污泥减量技术，需要加强有关工程化研究，早日投入实际应用。

项目号：2019-ZD-0522

参考文献：

[1]潘艳萍.臭氧化污泥减量及碳源回用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[2]姜文理，刘钟阳，许东卫.液电效应催化臭氧氧化处理染料废水的研究[J].高电压技术，2007，33（2）.