脈沖放電強化臭氧污泥減量技術

———脈沖放電強化臭氧污泥減量技術化工生產廢水處理過程中產生肯定量的生化污泥，被定義為危急廢棄物，交給第三方有資質的企業(yè)處理費用高達每噸幾千元，這些污泥需要焚燒處置，為降低處置成本，需要實現(xiàn)污泥減量。國內外關于生化污泥減量的有關討論指出，由于菌膠團網(wǎng)絡的穩(wěn)定作用導致脫水困難，特殊是細胞壁愛護的緣由很難把含水率降低到50%以下。本文提出一種利用脈沖放電強化臭氧處理污泥的方法，試驗結果表明，不僅可以極大降低含水率，而且可以破壞細胞壁，削減污泥中生物固體量，切實實現(xiàn)生化污泥減量。

1、脈沖放電強化臭氧處理污泥技術方案簡介

1.1臭氧氧化破解污泥技術的優(yōu)缺點

強化隱性生長是可實現(xiàn)污泥減量的方式之一，其中要實現(xiàn)隱性生長首先要對污泥進行破解，污泥破解的方法有許多，如高溫溶解、超聲波處理、微波輻射、臭氧氧化、酸溶、堿溶、熱溶以及各方法的聯(lián)合使用等。臭氧氧化促進污泥減量的技術是近年來受到廣泛關注的一種污泥減量技術，其最大優(yōu)點是破解污泥、污泥溶解效率高，氧化后的污泥混合液易于生物降解。

臭氧破解污泥過程如圖1所示。通過向污泥中投加臭氧，破環(huán)細菌的細胞壁和細胞膜，將其氧化為細胞碎片，細胞破裂后，細胞內物質(蛋白質、核酸)流出，進而被降解，最終實現(xiàn)污泥減量。

臭氧處理污泥減量技術，盡管效果較好，但是存在明顯缺陷——處置費用較高，需要討論降低處理費用的新方法。借鑒臭氧污水處理技術的相關討論，需要降低臭氧發(fā)生器的電耗、提高氣相臭氧濃度、強化臭氧傳質、催化臭氧反應。受脈沖放電強化臭氧處理廢水的方法啟發(fā)，嘗試利用該方法進行處理污泥的試驗討論。

1.2高壓脈沖放電對污泥的作用

在水中高壓脈沖放電時，電極間存在較強的脈沖電場，同時會產生巨大的沖擊波、劇烈的紫外輻射，這些效應不僅強化臭氧的傳質和反應過程，也會影響、殺滅微生物細胞。有關討論指出，細胞膜受電場作用可被擊穿而產生電穿孔，隨脈沖放電強度增加和放電次數(shù)增多，穿孔越來越大，越來越多，細胞內物質會流出。

另一方面，污泥中的菌膠團，是活性污泥絮體中的重要組成部分。污泥脫水困難的緣由主要是污泥中菌膠團網(wǎng)絡的穩(wěn)定作用，這些菌膠團很難被機械作用破壞，而且污泥微生物細胞壁的剛性結構阻礙了胞內易降解物質的釋放。但是，由于脈沖放電產生液電效應，劇烈的沖擊波脈沖產生巨大的剪切力，將污泥菌膠團解體成小顆粒并釋放胞外聚合物。

因此，高壓脈沖放電技術處理污泥可以起到以下作用：①對微生物細胞事先破壁，使細胞內的水流出;②打碎菌膠團，使得污泥便于擠壓出水。

1.3技術原理

首先，高壓脈沖放電技術通過細胞破壁及打碎菌膠團實現(xiàn)污泥脫水，而臭氧氧化同樣能夠使得細菌細胞破裂，流失水分，從這方面講兩種技術機理相像;

其次，高壓脈沖放電過程能夠將電能轉換成熱能、光能、力能以及聲能等多種形式的能量，這些能量對于細胞壁擊穿都具有顯著效果，而且細胞破壁后更易于實現(xiàn)臭氧的氧化。

因此為提高臭氧氧化污泥的效果，降低臭氧工藝的運行成本，可以實現(xiàn)高壓脈沖放電技術與臭氧氧化技術協(xié)同處理污泥，實現(xiàn)減量。

2、脈沖放電強化臭氧污泥減量試驗討論

2.1試驗裝置

試驗裝置示意圖見圖2，在反應釜內設置電極，與脈沖功率電源相連接，污泥進入反應釜經(jīng)過處理后流出，臭氧同時通入反應釜對污泥進行聯(lián)合處理。

在反應釜內發(fā)生脈沖放電，強大的沖擊電流將產生液電效應，在放電通道內產生高能、高密度等離子體。沖擊電流將加熱放電通道的液體，導致放電通道受熱膨脹，產生的壓力可達百兆帕，如此巨大的壓力壓縮四周液體形成強力沖擊波。

2.2試驗結果

液電效應強化臭氧處理污泥，不同處理時間性狀不同。氣味由臭味在30min后變?yōu)闊o味，狀態(tài)由絮狀變?yōu)榧毿☆w粒的分散狀態(tài)，顏色由黑色漸漸變淺，沉降速率遞次變快。

由圖3看出，污泥溶液的COD呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，在反應時間為60min時達到最大值3002mg/L，之后緩慢降低。BOD5隨著臭氧投加量增加而增加，在反應60min后基本穩(wěn)定在1000mg/L。隨著臭氧的投加，BOD5/COD由最初的0.27漸漸增加到接近0.5，污泥溶胞產物的可生化性變好。

由圖4可以看出，蛋白質和多糖在溶液中的濃度在反應前期快速上升，蛋白質濃度在反應60min時達到最高值931mg/L，之后呈緩慢下降。多糖在臭氧反應60min時濃度達到最高1656mg/L，之后平緩降低。臭氧與污泥反應過程中，先破壞污泥細胞壁，使細胞內有機物流出，導致污泥溶液中蛋白質和多糖濃度的上升。隨著溶液中有機物含量的提高，由于臭氧的氧化作用，蛋白質和多糖濃度緩慢下降。

2.3單獨臭氧處理的對比分析

在試驗過程中，單獨投加臭氧進行污泥減量時，反應75min時，污泥減量48.5%;20kV放電強化條件下，臭氧反應45min時，污泥減量47%，25kV放電強化條件下，污泥減量48.4%;由此可見，實現(xiàn)相同的減量時，采納脈沖放電強化對比單獨臭氧處理，時間明顯縮短，放電電壓適當提高，效果更明顯。實際縮短，也就是臭氧的用量削減，在25kV放電強化條件下，達到同樣的減量效果，可節(jié)省臭氧40%。

3、總結與結論

脈沖放電強化臭氧處理污泥，可以實現(xiàn)減量，最大減量可接近50%;對比單獨臭氧處理，該方法可節(jié)省處理費用40%;處理后污泥溶液的BOD5/COD上升，可生化性好，可作為碳源補充回生化池;能夠殺死、降解污泥中的致病菌等有毒有害物質，即同時實現(xiàn)無害化處理。由此可見，這是一種特別有前途的污泥減量技術，需要加強有關工程化討論，早日投入實際應用。

化工生產廢水處理過程中產生肯定量的生化污泥，被定義為危急廢棄物，交給第三方有資質的企業(yè)處理費用高達每噸幾千元，這些污泥需要焚燒處置，為降低處置成本，需要實現(xiàn)污泥減量。國內外關于生化污泥減量的有關討論指出，由于菌膠團網(wǎng)絡的穩(wěn)定作用導致脫水困難，特殊是細胞壁愛護的緣由很難把含水率降低到50%以下。本文提出一種利用脈沖放電強化臭氧處理污泥的方法，試驗結果表明，不僅可以極大降低含水率，而且可以破壞細胞壁，削減污泥中生物固體量，切實實現(xiàn)生化污泥減量。

1、脈沖放電強化臭氧處理污泥技術方案簡介

1.1臭氧氧化破解污泥技術的優(yōu)缺點

強化隱性生長是可實現(xiàn)污泥減量的方式之一，其中要實現(xiàn)隱性生長首先要對污泥進行破解，污泥破解的方法有許多，如高溫溶解、超聲波處理、微波輻射、臭氧氧化、酸溶、堿溶、熱溶以及各方法的聯(lián)合使用等。臭氧氧化促進污泥減量的技術是近年來受到廣泛關注的一種污泥減量技術，其最大優(yōu)點是破解污泥、污泥溶解效率高，氧化后的污泥混合液易于生物降解。

臭氧破解污泥過程如圖1所示。通過向污泥中投加臭氧，破環(huán)細菌的細胞壁和細胞膜，將其氧化為細胞碎片，細胞破裂后，細胞內物質(蛋白質、核酸)流出，進而被降解，最終實現(xiàn)污泥減量。

臭氧處理污泥減量技術，盡管效果較好，但是存在明顯缺陷——處置費用較高，需要討論降低處理費用的新方法。借鑒臭氧污水處理技術的相關討論，需要降低臭氧發(fā)生器的電耗、提高氣相臭氧濃度、強化臭氧傳質、催化臭氧反應。受脈沖放電強化臭氧處理廢水的方法啟發(fā)，嘗試利用該方法進行處理污泥的試驗討論。

1.2高壓脈沖放電對污泥的作用

在水中高壓脈沖放電時，電極間存在較強的脈沖電場，同時會產生巨大的沖擊波、劇烈的紫外輻射，這些效應不僅強化臭氧的傳質和反應過程，也會影響、殺滅微生物細胞。有關討論指出，細胞膜受電場作用可被擊穿而產生電穿孔，隨脈沖放電強度增加和放電次數(shù)增多，穿孔越來越大，越來越多，細胞內物質會流出。

另一方面，污泥中的菌膠團，是活性污泥絮體中的重要組成部分。污泥脫水困難的緣由主要是污泥中菌膠團網(wǎng)絡的穩(wěn)定作用，這些菌膠團很難被機械作用破壞，而且污泥微生物細胞壁的剛性結構阻礙了胞內易降解物質的釋放。但是，由于脈沖放電產生液電效應，劇烈的沖擊波脈沖產生巨大的剪切力，將污泥菌膠團解體成小顆粒并釋放胞外聚合物。

因此，高壓脈沖放電技術處理污泥可以起到以下作用：①對微生物細胞事先破壁，使細胞內的水流出;②打碎菌膠團，使得污泥便于擠壓出水。

1.3技術原理

首先，高壓脈沖放電技術通過細胞破壁及打碎菌膠團實現(xiàn)污泥脫水，而臭氧氧化同樣能夠使得細菌細胞破裂，流失水分，從這方面講兩種技術機理相像;

其次，高壓脈沖放電過程能夠將電能轉換成熱能、光能、力能以及聲能等多種形式的能量，這些能量對于細胞壁擊穿都具有顯著效果，而且細胞破壁后更易于實現(xiàn)臭氧的氧化。

因此為提高臭氧氧化污泥的效果，降低臭氧工藝的運行成本，可以實現(xiàn)高壓脈沖放電技術與臭氧氧化技術協(xié)同處理污泥，實現(xiàn)減量。

2、脈沖放電強化臭氧污泥減量試驗討論

2.1試驗裝置

試驗裝置示意圖見圖2，在反應釜內設置電極，與脈沖功率電源相連接，污泥進入反應釜經(jīng)過處理后流出，臭氧同時通入反應釜對污泥進行聯(lián)合處理。

在反應釜內發(fā)生脈沖放電，強大的沖擊電流將產生液電效應，在放電通道內產生高能、高密度等離子體。沖擊電流將加熱放電通道的液體，導致放電通道受熱膨脹，產生的壓力可達百兆帕，如此巨大的壓力壓縮四周液體形成強力沖擊波。

2.2試驗結果

液電效應強化臭氧處理污泥，不同處理時間性狀不同。氣味由臭味在30min后變?yōu)闊o味，狀態(tài)由絮狀變?yōu)榧毿☆w粒的分散狀態(tài)，顏色由黑色漸漸變淺，沉降速率遞次變快。

由圖3看出，污泥溶液的COD呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，在反應時間為60min時達到最大值3002mg/L，之后緩慢降低。BOD5隨著臭氧投加量增加而增加，在反應60min后基本穩(wěn)定在1000mg/L。隨著臭氧的投加，BOD5/COD由最初的0.27漸漸增加到接近0.5，污泥溶胞產物的可生化性變好。

由圖4可以看出，蛋白質和多糖在溶液中的濃度在反應前期快速上升，蛋白質濃度在反應60min時達到最高值931mg/L，之后呈緩慢下降。多糖在臭氧反應60min時濃度達到最高1656mg/L，之后平緩降低。臭氧與污泥反應過程中，先破壞污泥細胞壁，使細胞內有機物流出，導致污泥溶液中蛋白質和多糖濃度的上升。隨著溶液中有機物含量的提高，由于臭氧的氧化作用，蛋白質和多糖濃度緩慢下降。

2.3單獨臭氧處理的對比分析

在試驗過程中，單獨投加臭氧進行污泥減量時，反應75min時，污泥減量48.5%;20kV放電強化條件下，臭氧反應45min時，污泥減量47%，25kV放電強化條件下，污泥減量48.4%;由此可見，實現(xiàn)相同的減量時，采納脈沖放電強化對比單獨臭氧處理，時間明顯縮短，放電電壓適當提高，效果更明顯。實際縮短，也就是臭氧的用量削減，在25k