低压电场对污泥分离短程化的最佳条件张建民

西安工程大学学报JournalofXi’anPolytechnicUniversity第25卷第1期(总107期)2011年2月Vol．25，No．1(Sum．No．107)文章编号:1674-649X(2011)01-0037-05收稿日期:2010-06-29通讯作者:张建民(1963-)，男，陕西省韩城县人，西安工程大学副教授．E-mail:[e-mail]低压电场对污泥分离短程化的最佳条件张建民1，韩硕1，魏屹2，杨杰3(1．西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048;2．陕西中牛煤炭建筑设计有限公司，陕西西安710001;3．中铁电气化局集团，陕西西安710032)摘要:研究了电场处理污泥分离短程化．通过实验考察了污泥沉降效果受污泥浓度MLSS、电极入水深度L和电压U等因素的影响．由正交实验确定了污泥沉降效率的最佳条件．结果表明，MLSS=3.7g/L、L=15cm、U=53V时，所得到的污泥沉降效果较好，沉降效率η=46.2%，促沉效果随MLSS的增大而变差，L为量筒液面总高度50%左右时促沉效果较好，浓度不同对应的最佳沉降时的电压也不同．经过电场处理后的出水水质比未经处理的要好，且活菌数量较未处理时要多一些．关键词:低压电场;活性污泥絮体;沉淀中图分类号:X703文献标识码:A在当前污水处理技术领域中，活性污泥处理法是污水生物处理中应用最广泛的处理方法之一，随着污水处理率不断提高，污泥产量不断增加，污泥处理已经成为亟待解决的问题，并且污泥沉降性能的好坏直接影响着水处理系统是否正常运行［1］．影响污泥沉降的因素很多，溶解氧、营养物质、pH值、温度以及盐度影响着微生物的生长从而影响污泥沉降．除此之外，外部环境因素改变也会影响污泥沉降性能，这些因素主要包括超声波辐射、磁场和电场影响等［2-3］．国内外一些研究结果表明，对污泥沉降加上高压或低压静电场能够有效促进污泥的沉降．在静电对活性污泥絮体物理特性的研究中出现，当电流为100mA时，生物絮体的物理特性最佳，电流较大时，会杀死大部分微生物［3-5］．目前由于静电法具有适用水质范围广、管理方便、运行成本低、不会产生二次污染等特点而被广泛应用于杀菌、除垢、消毒;并且电生物效应已涉及到种子萌发、幼苗生长、作物增产、果蔬保鲜和食品消毒等领域［6-8］．本文是将电场应用于现有污水处理厂的沉淀池，促使沉淀池中活性污泥絮体沉淀，从而缩短沉降时间，提高沉淀池的工作效率，降低污泥处理成本，节约能源，通过回流污泥达到促进整个工艺的处理效率．1实验(1)泥样实验泥样选取西安市第三污水处理厂C号池氧化沟曝气池末端的活性污泥，密度约为1.006g/cm3，泥样的pH=6.91～7.36，污泥含水率98.6%左右．(2)装置及方法实验装置由量筒和电源两部分组成，一部分是调频电源(电压0～500V、电流0～100mA)、整流装置、电极阴极和阳极，阴极由金属芯和绝缘层组成，导线穿过纸板放在沉淀筒上方，可调节DOI:10.13338/j.issn.1674-649x.2011.01.026电极的入水深度;阳极接电源正极，电极用炭棒;另一部分是1000mL的量筒．实验规定电极极距L是实验所用量筒从1000mL刻度处至筒底的总长度，从上到下标上刻度单位为cm，总刻度为31cm．每天取样，立即进行实验，将从氧化沟末端取到的泥水混合液由重量法测出污泥的浓度，而后根据需要把污泥混合液配成不同污泥浓度的泥样，然后将活性污泥倒入1000mL量筒插入电极并调节电源，污泥便开始沉降，每隔10min记录一次泥面高度，泥面的高度以量筒的刻度来进行读数，同时做未加电场沉降效果的对照实验．以污泥的沉降效率来表征污泥沉降的快慢．沉降效率η=对照组60min的界面高度－处理后60min的界面高度对照组60min的界面高度×100%．图1促沉实验装置(3)测试项目及方法SV30用30min沉降法;pH值用DELTA320pH测定;COD浓度采用重铬酸钾滴定法;SS及MLSS采用烘干恒重法;细菌数量用平板菌落计数法［9-10］．2结果及分析影响电场促进污泥沉降的主要因素有电压、电极入水深度、污泥浓度、污泥容积指数及水温等，本文讨论电压、电极入水深度和污泥浓度对污泥沉降的影响．2.1电压对污泥沉降效果的影响在MLSS=5.2g/L、电极极距L=12cm、水温为15.5℃的条件下进行实验，所得的污泥沉淀高度和沉降效率曲线如表1，图2所示．从表1和图2可以看出，当电压为53V左右的时候，电场能有效地促进污泥絮体沉淀，使污泥的沉降效率比对照组提高了25%～30%，沉降前30min污泥的沉速明显快于对照组的，30min以后，经电压处理的表1加电压时污泥沉降高度时间/min对照组/mL沉降高度/mLU=30VU=45VU=53VU=65V010001000100010001000109609609509109302090087085083086030850800750710770407907006506506405075066058051057060710590520490500沉降曲线与对照组沉降曲线基本平行，各个沉淀筒在单位时间内的污泥沉降高度相差不大．通过肉眼观察污泥絮体表面结构可以发现，靠近电极周围污泥絮体要大于离电极远的地方，但结构较疏松．以上现象主要是由于电场力的作用．由于污泥絮体的胞外聚合物中主要由大分子有机物像蛋白质和氨基酸组成，大分子有机物在水环境中等电点发生偏移致使污泥絮体带有负电荷．根据这一特性，再由于装置中阴极处于上部，阳极处于沉淀装置的下部，使带负电荷的污泥絮体受到自身重力作用的同时，又受到外加电场力作用，电场力方向与重力方向一致，从而加速了污泥沉降．由表1的沉淀数据可以看出，电压也并非越大越好，污泥的沉降效果就有所下降，原因是电场力中的介电力有一个水平的分量，当电压增大时，会使污泥絮体向四周分散，导致沉降效果变差;另一个原因是电流过大会杀死大部分微生物，可能是部分微生物死亡导致污泥活性降低，从而影响了污泥的沉降．2.2电极极距对污泥沉降效果的影响在MLSS=5.2g/L、电压U=45V、水温为15.5℃的条件下进行实验，所得的污泥沉淀高度和沉降效率曲线如表2和图3所示．83西安工程大学学报第25卷表2不同极距下污泥沉降高度时间/min对照组/mL沉降高度/mLL=7cmL=12cmL=15cmL=16.5cmL=18cm0100010001000100010001000109308607308706809002089076055060055078030840630480500470660407905804404604405705074052041042040051060700450380390370470图2电压对促沉效率的影响电极入水深度对污泥沉降的影响较为明显，由表2和图3可以看出，在L=7cm和L=18cm的时候，促沉效果要低于其他3组，并且沉降的效果相差不大，L=12，15，16.5cm的时候，前20min沉速很快，之后沉速基本一致，沉降曲线趋于平行，从极距对促沉效率的影响来看，电极入水深度不是越浅越好，也不是越深越好，而是L在总深度的50%左右时沉降效果会较好一些．这是因为加电压后使污泥絮体受到介电力和极化力，它们也属于电场力的一种，电泳力是指处在电场中的带电粒子受到电极引力的作用．极化力是指无论是导体还是绝缘体，当其处在外电场中时将会产生极化，形成极化力，它图3极距对促沉效率的影响的方向总是指向电场强的方向．实验中电场线始于阳极而指向阴极，且越靠近阴极，场强越大．污泥絮体在电场中同时受电泳力和极化力的作用，并且这两种力从电极上端到下端逐渐增大．在电极最下端以上，两种力都向下，对污泥沉降起促进作用，而在电极下端，极化力变为向上，对沉淀起抑制作用．因此电极入水长度对污泥沉降有着显著的影响．2.3污泥浓度对污泥沉降效果的影响测出污泥的浓度，在同一电压值，同一电极入水深度的情况下，对不同浓度的泥样进行实验，并记录各组不同浓度对照组在相同时间内的最终沉降高度．污泥浓度分别取MLSS=2.8g/L，3.7g/L，4.5g/图4浓度对促沉效率的影响L，5.2g/L，6.4g/L，在电压U=45V、电极极距L=12cm、水温为15.5℃的条件下进行实验，所得沉降效率曲线如图4所示．污泥浓度对污泥沉降起着很重要的作用，污泥浓度过高或者过低对促沉效率都不大明显，污泥浓度较低时，活性污泥颗粒之间影响较小，自身沉速就很快，也就是SV30加上电压以后对照组60min界面高度与加压后60min界面高度差值不大，因此沉降效率不是很高;污泥浓度过高时，活性污泥颗粒之间影响较大，电场的促沉作用受到了限制，故促沉效果也不是很明显，由图6可以看出，污泥浓度在3g/L93第1期低压电场对污泥分离短程化的最佳条件～5g/L之间时，加电压能够有效提高污泥沉降的效率．表3因素水平表水平因素电压A/V电极极距B/cm污泥浓度C/g·L－1145124.5253153.736516.55.2表4正交实验结果实验号因素ABCyi1234567891112223331231231231232313120.500.130．670．170．470．460．920．370．17T1jT2jT3j1.301.101.461.590.971.301.330.472.063.86Rj0.160.621.592.4最佳促沉因素的确定在单因素实验的基础上，对单因素实验中污泥沉降较好时的3个水平数进行正交实验，以污泥沉降时间为指标，确定最佳沉降条件，正交实验的因素与水平见表3．正交实验结果见表4，表4中的yi含义是每个量筒沉降到500mL时所需要的时间，由表4可以得出，各因素影响的程度为CR﹥BR﹥AR，即污泥浓度对污泥促沉影响最大，电极入水长度L的影响次之，电源电压最小．由正交分析结果可知最佳沉降的一组是A2B2C2，即污泥最佳沉降的条件为:电压53V、电极极距15cm、污泥浓度3.7g/L．此条件下，污泥沉降较好，与其对照组相比，沉降效率为46.2%．2.5电场对出水水质及微生物的影响(1)电场对出水COD、SS的影响在污泥沉降较好的条件下，即MLSS=3.7g/L、L=15cm、U=53V时，考察处理时间对污泥上清液SS、COD的去除效果．SS及COD随时间的变化曲线很相似，随着处理时间的增加，实验组和对照组的SS、COD值随之减小，并且经电场处理后水样的SS、COD值较对比水样的小．SS在实验处理前90min变化显著，而COD是在前60min变化很大．以后，水样中SS、COD变化不明显，SS最后稳定在60mg/L～80mg/L左右，COD稳定在40mg/L左右．处理90min时实验组比对照组SS、COD去除率分别能提高20%、25%左右［11］．(2)电场对细菌数量影响污泥浓度约为5.8g/L时，分别取1L放入1000mL量筒中进行电场作用，电场作用的电压为30V，45V和53V，分别在作用0，5，10，20，30，40，50和60min时用无菌移液管各取1mL混合液装于无菌试管中，按平板菌落的测定方法测定混合液中细菌总数．实验结果如图6．图6反映了污泥混合液中活性细菌在加不同电压下随电场作用时间的变化．可以看出，污泥混合液中或细菌浓度随作用时间呈现先上升后缓慢下降的趋势，但不同电压之间又存在一定的差异．45V电压作用20min后，细菌浓度达到最大，是未加电场的1.6倍，之后，活细菌数量有所下降．图5处理时间对COD、SS的影响图6电场作用时间与细菌数量的关系结合上面电场对出水COD的影响，可以认为，在电场开始作用的一段时间内，由于电场强度引起污泥04西安工程大学学报第25卷絮体分散，使原来包裹在絮体中细菌细胞从菌胶团中被释放出来，导致混合液中游离状态活细菌数量增加．随着作用时间的延长，虽然可以使絮体进一步变得细碎，但是长时间的电场能量会使一些细胞受损，甚至死亡，由于不同种群细菌对电场大小的敏感程度不同，也许一些细菌受到短时间的