（市政工程专业论文）静电场提高污泥絮体沉降性能和活性研究.pdf

摘要 摘要 本文对静电场提高污泥絮体沉降性能和活性进行了研究。主要内容包括： 通过电泳技术证明静电场应用于沉淀池的可行性。电泳是成熟的静电场技 术，通过考察不同电压下污泥絮体在电泳装置中的迁移规律得出活性污泥絮体可 以在电场中迁移，为静电场技术应用于沉淀池提供了理论依据。电泳技术主要应 用于分离不同带电量和带电性的颗粒物质和大分子物质，而活性污泥混合液中分 布着各种不同粒径的污泥絮体，由活细菌菌体和有机物分子所组成的污泥絮体普 遍带有负电荷。因为不同粒径的污泥絮体颗粒带有不同的电荷量，所以污泥絮体 在电场中受到的电场力也不同。活性污泥絮体所受到不同电场力和电泳实验中不 同带电量的物质所受到不同的电场力在本质上是一样的，所以本实验通过将活性 污泥絮体放入电泳实验装置中作电泳实验，证明了活性污泥在静电场作用下可以 提高污泥絮体的迁移速度。 低压静电场对活性污泥絮体沉淀的影响。通过沉淀筒实验证明低压静电场能 够有效促进活性污泥沉淀速度，影响低压静电场促沉效果的因素包括活性污泥浓 度s s 、电压u 、电流i 、p h 值和静电场作用时间t 等因素。在本实验中主要考察不 同场电流强度和不同静电场作用时间条件下，活性污泥絮体在实验组和对照组的 沉降曲线和每2 m i n 的沉降值比较图。在实验过程中分别考察了静电场作用1 5 m i n 和3 0 r a i n 后，实验组活性污泥系统和对照组污泥系统中o u r 、p h 、电导率等指标 的变化情况。通过综合分析各种场电流工况下的各项指标后得出，当电流强度为 6 0 m a ，静电场作用1 5 m i n 工况为最佳工况。在3 0 m i n 絮体沉降全过程实验中，设 计了前1 6 m i n 无静电场作用，后1 4 m i n 静电场作用的实验，结果表明活性污泥絮 体在自由沉淀带和絮凝沉降带受静电场影响较大。 高压静电场能够提高活性污泥的活性。适合强度的高压静电场( h v e f ) 作用 于好氧污泥系统可以提高好氧污泥的活性。通过实验研究发现，在电场强度e = 5 x1 0 4 v m , 反应器的初始污泥浓度为1 4 0 0 m g l ，n s = 0 4 o 6 k g c o d ( k g m l s s d1 的条件下，实验组和对照组都连续运行6 0 个周期，通过高压静电场效应作用，实 验组好氧污泥系统的c o d 的降解绝对值高于对照组约1 3 m g l 5 0 m g l ，实验组 好氧污泥的o u r 值较对照组提高了3 3 1 7 1 ，实验结果表明高压静电场作用于 活性污泥系统是一种高效的水处理技术。 关键词：静电场；活性污泥；沉淀；活性；耗氧速率 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h es e t t l i n ge f f i c i e n c yo f t h ea c t i v a t e ds l u d g ea n d a m e l i o r a t i n g t h el i f ea c t i v i t yo f m i c r o o r g a n i s mi nt h ea c t i v a t e ds l u d g ef l o e sw i 也t h ee l e c t r o s t a t i c f i e l dt r e a t m e n ti ss t u d i e d i tm a i n l yi n c l u d e sa s p e c t sa sf o l l o w s ： i nt h i st h e s i s ，t h r o u g ht h ee l e c t r i c i t ys w i m st e c h n o l o g yt op r o v et h ee l e c t r o s t a t i c f i e l da p p l i e st ot h es e d i m e n t a t i o nt a n ki sf e a s i b l e t h ee l e c t r i c i t ys w i m sa p p l i c a t i o n f o rt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l di sm a t u r et e c h n o l o g y t h r o u g hi n s p e c t i n gt h ed i f f e r e n t v o l t a g e i nt h ee l e c t r i c i t ys w i m ，t h ea c t i v a t e ds l u d g ef l o e sa r ca l l o w e dt om i g r a t ei nt h e e l e c t r i cf e l d , i ti sd e m o n s t r a t e dt h a ta p p l i e df o rt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l dt e c h n o l o g yt o t h es e d i m e n t a t i o nt a n ki sf e a s i b l e t h ee l e c t r i c i t ys w i m st h et e c h n o l o g yi st h et y p i c a l e l e c t r o s t a t i cf i e l dt e c h n o l o g y , m a i n l ya p p l i e st ot h es e p a r a t i o nd i f f e r e n tb e l te l e c t r i c q u a n t i t y a n dt h ec h a r g e dp a r t i c u l a t em a t t e r i nt h ea c t i v a t e ds l u d g eb o d yi s d i s t r i b u t i n ga l lk i n d so f d i f f e r e n tp a r t i c l es i z e , t h ed i f f e r e n tp a r t i c l es i z es l u d g eh a st h e d i f f e r e n te l e c t r i cc h a r g eq u 枷戗t h e r e f o r et h ea c t i v a t e ds l u d g ep e l l e tr e c e i v e si nt h e e l e c t r i cf i e l dt h ee l e c t r i c a lf i e l di n t e n s i t yi sd i f f e r e n t t h ea c t i v a t e ds l u d g eb o d y r e c e i v e st h ed i f f e r e n te l e c t r i c a lf i e l di n t e n s i t y , i nt h ee x p e r i m e n tt h ed i f f e r e n tb e l t e l e c t r i cq u a n t i t yp a r t i c u l a t em a t t e r sr e c e i v et h ed i f f e r e n te l e c t r i c a lf i e l di n t e n s i t yi n e s s e n t i a l l yt r o u g hd o i n g t h e e l e c t r i c i t y s w i m e x p e r i m e n t sp r o v e d t h a tt h e t r a n s l a t i o n a lv e l o c i t yo ft h ea c t i v a t e ds l u d g em a yb ee n h a n c e di nt h es l u d g ef l o e s b o d yu n d e r t h ee l e c t r o s t a t i cf i e l df u n c t i o n s e t t i m ge f f i c i e n c yo ft h ea c t i v a t e ds l u d g ef l o e sb ym e a n so fe l e c t r o s t a t i cf i e l d t h ee x p e r i m e n to fs e t t l i n gc a s kc o n f i r m se l e c t r o s t a t i cf i e l d c a ni m p a c tt h es e t t l i n g e f f i c i e n c yo fa c t i v a t e ds l u d g ef l o e s ，a n dt h ee x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h es e t t l i n ge f f e c t s 8 1 cm a i n l yi n f l u e n c e db ys u s p e n d e ds o l i d s ( s s ) ，v o l t a g eo ft h ep o w e rs u p p l y ，i n f l u e n t o f t h ep o w e rs u p p l y ，t h et i m eo f t h ee l e c t r o s t a t i cf i e l dw o r k i n ga n dp ho f s a m p l e ，a n d s oa 1 1 i nt h i se x p e r i m e n t ，t h ea c t i v a t e ds l u d g ef l o e si nt h et r i a ls e t t l i n gc a s ka n dt h e c o m p a r i s o ns e t t l i n gc a s ka tt h ed i f f e r e n tv o l t a g eo f t h ep o w e rs u p p l ya n dt h ed i f f e r e n t t i m eo fe l e c t r o s t a t i cf i e l ds e t t l e ，t h es e t t l i n gg r a p ha n dt h e2m i l ls e t t l i n gh e i g h tf o r t h e t r i a ls e t t l i n gc a s ka n dt h ec o m p a r i s o ns e t t l i n gc a s ka r ed r a w e d i nt h ee x p e r i m e n t , t h e a c t i v a t e ds l u d g ea tt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l ds e t t l e sa f t e r1 5m i na n d3 0r a i n , t h ei n d e xo f o u r , p h ，c o n d u c t i v i t yc h a n g i n g a r ec o n s i d e r e d t h r o u g ha l lo ft h ei n f l u e n c e i n d e x ，t h ec o n c l u s i o ni sk n o w e dt h a tt h ei n f i u e n to f t h ep o w e rs u p p l yi s6 0 m aa n dt h e w o r k i n gt i m ei s1 5m i ni st h eb e s tw o r k i n gp o i n t i nt h ee x p e r i m e n tp r o c e s s ，i no r d e r i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 t op r o v et h a tt h ea c t i v a t e ds l u d g ef l o e si nf l e ep r e c i p i t a t i o nb e l ta n df l o c c u l a t i o n s u b s i d e n c eb e l te l e c t r o s t a t i cf i e l di n f l u e n c eb i g g e r , t h ee x p e r i m e n ti n s p e c t e dt h e3 0 r a i ns u b s i d e n c ep r o c e s s ，a f t e rt h ef i r s t1 6 m i nn o n - e l e c t r o s t a t i cf i e l df u n c t i o nu n d e r t h e1 4 r a i ne l e c t r o s t a t i cf i e l df u n c t i o ne x p e r i m e n t ，f r o mt h ec o m p a r i s o nc h a r to ft h e g r o u pa n dt h ec o m p a r i s o ng r o u ph a so b t a i n e dt h a tt h ea c t i v a t e ds l u d g ef l o e si sb i g g e r i n f l u e n c ei nt h ef l e ep r e c i p i t a t i o nb e l ta n dt h ef l o c c u l a t i o ns u b s i d e n c eb e l tu n d e rt h e e l e c t r o s t a f i cf i e l di n f l u e n c e f i ti n t e n s i t yh i 曲v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l dc a l li m p r o v et h eb i o l o g i c a la c t i v i t y o f a e r o b i cs l u d g e v v h e l lt h ee l e c t r i cf i e l df o r c ee q u a l s5 x1 0 4 v m ，t h ei n i t i a lm l s si n t h er e a c t o re q u a l s1 4 0 0 m g l n s = 0 4 0 6 k g c o d ( k g m l s s d ) , t h et r i a lr e a c t o ra n d t h ec o m p a r i s o nr e a c t o rl u n6 0p e r i o d sa t 也es a m et i m e i nt h er u n n i n gp r o c e s s ，w e c a nf i n dt h a ta tt h eh v e fr a d i a t i o n , t h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c yo f t h et r i a lr e a c t o r c a l le n h a n c ea b o u t1 3m g l 5 0 m g l ，t h eo u ro f t h et r i a lr e a c t o rc a ne n h a n c e 3 3 1 7 1 k e yw o r d ：e l e c t r o s t a t i cf i e l d ；a c t i v a t e ds l u d g ef l o e s , s e t t l i n g ；a c t i v i t y ；o x y g e n u p t a k er a t e ( o u r ) 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：! ! 二z ：! ：! 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：坠墨造导师签字： 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 在中华人民共和国国家统计局2 0 0 7 年2 月2 8 日发布的中华人民共和国2 0 0 6 年国民经济和社会发展统计公报中指出全年水资源总量2 5 5 0 0 亿立方米，比 上年减少9 1 ；人均水资源1 9 4 5 立方米，减少9 6 。全年平均降水量6 0 4 毫 米，减少6 2 。年末全国大型水库蓄水总量1 8 0 6 亿立方米，比上年末减少 2 4 5 亿立方米。全年总用水量5 6 7 0 亿立方米，比上年增长0 7 。其中，生活 用水增长0 7 ，工业用水增长1 9 ，农业用水增长0 2 。万元国内生产总 值用水量2 7 9 立方米，比上年下降8 8 。万元工业增加值用水量1 5 1 立方米， 下降9 0 。全国人均用水量为4 3 2 立方米，与上年基本持平。全年曾有3 5 7 8 万人口、2 9 3 6 万头大牲畜因干旱发生临时性饮水困难。在大水系的4 0 8 个水 质监测断面中，有4 6 的断面满足国家地表水m 类标准；2 8 的断面为 v 类水质；超过v 类水质的断面比例占2 6 。与上年相比，七大水系水质状 况无明显变化。2 0 0 6 年底城市污水处理厂日处理能力达6 1 2 2 万立方米，比 上年增长6 9 ；城市污水处理率达到5 6 ，提高4 个百分点；集中供热面积 2 6 5 亿平方米，增长5 1 ；建成区绿化覆盖率达至1 j 3 3 5 ，提高1 个百分点。 由公报我们可以得知我国是一个水资源短缺的国家，随着我国经济的发展和 城市化进程的加快，城市缺水问题日益突出。据资料统计，目前在全国6 6 9 个城 市中，4 0 0 个城市常年供水不足，其中l l o 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 ，年缺水量6 0 亿m 3 。由于缺水，每年都将影响工业产值2 0 0 0 多亿元，水 资源短缺已成为制约我国经济发展的重要因素【1 。 因此，解决水资源紧张是非常紧迫而重要的任务，提高污水处理率，减少 污水直接排放量是解决这个问题的重要手段。污水处理是实现水环境恢复与水资 源可持续利用的重要措施和保障 2 q 】。通过污水处理一方面可以减少污染物的排 放量，减少水体污染；另一方面可以通过深度处理，使污水资源得到重新开发和 利用。目前，塑j 2 0 0 4 年全国有6 1 l 座城市建有7 0 8 座污水处理厂，总的污水处理能 力是4 9 1 2 万立方米，未来几年内，国家将投入巨资提高污水处理率，建议到“十 一五”末，全国城镇污水集中处理能力达到1 0 0 0 0 万立方米日左右；城镇污水集 中处理系统的处理量达n 3 0 0 亿立方米年左右；预计污染物年消减量为c o d 6 0 0 万t 以上。 为了迎接2 0 0 8 年奥运会，北京尤其重视水环境的改善。北京截止2 0 0 6 年底， 市区已建成的九座污水处理厂全年污水处理量达7 5 亿立方米，污水处理率超过 北京工业大学工学硕士学位论文 9 0 ，市区在建污水处理厂五座，扩建一座( 处理能力达2 0 万立方米天) ；远 郊区县卫星城( 县城) 建成十四座污水处理厂，全年处理污水量为1 5 亿立方米。 远郊区县建制镇共有污水处理厂( 包括处理装置) 十座，处理能力6 万立方米 臼，年处理污水量1 0 0 0 万立方米；提前实现了举办奥运会承诺的9 0 污水处理 率和5 0 污水再生利用率的目标。提高城市污水处理率，一方面要加大污水处理 投资，增建污水处理厂，提高污水处理能力，另一方面要积极开展污水处理技术 的研究，改进现有污水处理厂的处理工艺，增强污水处理能力。本课题将静电技 术应用于现有的污水处理厂中的沉淀池和反应器中来提高沉淀池和反应器的工 作效率。该种技术可以提高沉淀池和反应器的处理效率，提高现有污水处理厂的 处理量，节约能源、提高效益。 综上所述，我国目前水资源非常紧张，改善水环境，提高污水处理率是解 决水资源紧张的重要途径。作为水工业者，我们应该积极开展污水处理工艺的研 究，找到高效率、低成本、环保的污水处理技术，使我国的水能够得到合理的利 用，保证我国的可持续发展。 1 2 静电水处理技术概述 随着静电技术和绝缘材料的发展，静电应用技术的发展也是日新月异。静电 水处理技术是近几十年来才发展起来的技术，但是由于静电技术在水处理中显现 出的独特性能使得该技术的研究和应用日益得到众多科研工作者的重视，并取得 一系列的阶段性成果。目前静电水处理技术研究基本形成系统性，其方向涉及给 水处理( 循环冷却水处理) 、污水处理以及污泥脱水等【卜7 1 。各种研究结果表明： 静电水处理技术分为低压静电水处理技术和高压静电水处理技术。低压静电水处 理技术具有安全性高，低能耗易控制的特点；高压静电场水处理技术是一种低能 耗、无污染、高效率的水处理技术，是一种极具有应用前景并急需研究开发的新 型水处理技术。在不久的将来，静电水处理应用技术将为水处理技术的发展注入 新的活力。 1 2 1 低压静电场生物效应在水处理技术中的应用 地球表面所有生物都处在地球自然静电场的作用之下生长、繁殖。如果改变 生物生存的环境电场，必然影响生物体的生命活动。活性污泥系统中生活着数量 庞大的微生物体系，通过改变它们的生活环境中的静电场可以改变活性污泥系统 中污水的处理能力。 2 第1 章绪论 1 2 1 1 低压直流静电改善污泥絮体的沉降性能 二沉池是废水生物处理中的一个重要处理单元，同时具备澄清和浓缩的功能： 一是对反应池出水进行泥水分离，保证出水中的悬浮物达到排放标准；二是对污 泥进行浓缩、回流，使生物反应池中的微生物浓度保持在一定范围，保证废水生 物处理系统的稳定运行。二沉池的运行状况对整个废水生物处理系统的处理效果 有重要影响，是整个废水处理系统的重要制约因素。因此如何提高活性污泥絮体 在二沉池中的沉降性能，对于提高出水水质和减小二沉池的占地面积有十分重要 的意义。 同济大学的詹健、高廷耀等人通过将低压静电作用在活性污泥絮体中，通过 研究发现：静电场对污泥颗粒的电位有明显的影响，随着静电场强度的增大污 泥颗粒的；电位降低。在电流强度小于1 0 0 m a 时，污泥颗粒的e 电位降低很快， 当电流强度大于1 0 0 m a 时，污泥颗粒的电位降低很慢，电流强度为1 0 0 m a 为稳 定转折点。e 电位降低的原因为在静电场作用下污泥颗粒向阳极运动，同时h + 等阳离子相对向阴极运动，这样造成局部正离子浓度的升高引起压缩双电层作用 和局部污泥浓度提高，污泥颗粒碰撞增加，颗粒结合造成颗粒的l 电位值降低， 同时由于在溶液中，胶体颗粒总是要结合，向电位降低方向发展，不过时间较长， 通过实验说明静电场作用能促使和加速平衡反应。通过在实验中采用显微镜对静 电场作用后的污泥絮体进行观察，结果发现在电流小于1 0 0 m a 时，污泥絮体的最 大粒径大于静电处理前絮体的最大粒径，而且较静电处理前两极分布更明显，每 个絮体轮廓更明显、清晰，结构更密实。电流为1 0 0 m a 时生物絮体最佳。当电流 大于1 0 0 m a 时，生物絮体的最大粒径值减小，体系显分散状，细小的分散颗粒增 多。通过实验结果，詹健、高廷耀等人指出电流强度为小于或等于1 0 0 m a 时，静 电场作用下活性污泥的沉降性能得到明显改善，在静电场电流为1 0 0 m a 时，污泥 指数s 平均下降2 3 左右。因此通过将低压静电场附加在活性污泥系统的二沉 池中，来提高污泥絮体的沉降性能是一种经济高效的处理方法【8 】。在本实验中， 将静电场直接放在沉淀池中，有两方面的作用：第一，在静电场的作用下活性污 泥絮体颗粒的电位降低，污泥絮体颗粒结构更密实，沉降性能提高；第二，在 静电场电场力作用下，带电的污泥絮体颗粒克服重力和粘滞力加速迁移。 1 2 1 2 低压直流静电场提高活性污泥的活性 在污水处理工艺中，曝气池中活性污泥的活性对污水处理起着十分重要影响 和作用。提高活性污泥的活性可以降低污水处理成本，提高出水水质。a k r a n l n a l s h a w a b k e h 等人通过将活性污泥系统通入低压直流电，在电流强度为1 3 m a 7 0 m a 环境下考察活性污泥系统的溶解氧、电导率、p h 、c o d 降解能力与对照组 的异同。在低压直流静电场作用的活性污泥系统环境中，当电场强度为0 2 8 v c m 、 北京工业大学工学硕士学位论文 o 5 7 v c m 和1 1 4v c m 条件下，活性污泥系统中溶解氧和p h 较对照组没有十分明 显的变化；在低压直流静电作用的反应器c o d 降解能力较对照组反应器有十 分明显的变化；当电场强度低于0 2 8 v c m 时，活性污泥系统的c o d 降解能力没有 十分显著的变化；当加电电场强度为较高值0 5 7 v c m 1 ，1 4 v e r a 时，加电反应 器的c o d 降解能力有了十分显著的变化；当电场强度大于l - 1 4v c m 时，活性污 泥系统的c o d 降解能力和对照组相比没有十分显著的变化。通过实验说明当电 场强度为0 2 8 w c m 1 1 4 v e r a 时，活性污泥系统的c o d 降解能力有了十分明显的 提高，当电场强度低于0 2 8 w e r e 时活性没有改变，当大于1 1 4 v c r n 时，活性污泥 活性可能因为电流值太大而受到损害【9 】。 1 2 2 直流静电物理效应 1 2 2 1 静电污泥脱水技术 剩余污泥处理是活性污泥法处理污水工艺流程的一个重要组成部分，污泥脱 水技术的研究旨在提高剩余污泥固含量，以降低污泥后处理和再利用的成本。活 性污泥絮凝体中含有大量的水，根据水在絮凝体中的位置和功能不同，可将其划 分为结合水( b o u n d w a t e r ) 邻位水( v i c i n a l w a t e r ) 毛细管水( c a p i l l m - y w a t e r ) 和自由水 ( f r e e w a t e r ) t m 】。结合水参与形成污泥中生物量，邻位水紧贴污泥颗粒表面毛细管 水存在于污泥絮凝体的毛细结构中，自由水分布在污泥颗粒之间。这些水与污泥 颗粒之间相互作用力的不同导致脱水难易程度的差异。过滤、离心等机械方法只 能去除自由水，而结合水的脱除只能通过干燥。电脱水是基于污泥颗粒表面的电 渗现象，作用面在污泥颗粒表面s t e m 层，因此可脱除毛细管水。电脱水和机械脱 水过程的差异在于，电脱水过程中水的脱除发生在每一个絮凝体颗粒的内外表 面，毛细管水和自由水同时被脱除，颗粒密度均匀地增浓，而在机械脱水过程中， 随着自由水的脱除，颗粒首先堆积在过滤介质上并最终导致堵塞【l ”】。目前静电 脱水装置主要有两种：一种是采用上下两极板中间施加竖直电场，并且在阳极上 施加压力，形成电场和机械加压共同作用的脱水过程；另一种是采用在左右两极 板之间施加电场，污泥在电场和电流的作用下均匀脱水。b a r t o n 等通过小型实 验发现，通过添加絮凝剂，机械加压电脱水技术能够使污泥含水量率降到5 4 6 5 ，同样的条件下机械脱水方法污泥含水率只能达到7 0 8 0 蚶”l 。水平电场 脱水效果优于加压脱水。周加祥等人利用水平电场进行污泥脱水实验，结果发现 在场强为1 2 0 0 v m ( 电压8 0 r ) 时，污泥质量分数在l h 内从3 提高到8 ，水去除 率为6 0 。场强为6 0 0 v m ( 电压为4 0 v ) 时，l h 内水去除率也可以达至0 5 0 ，与 竖直电场相比水去除率能提高1 5 1 3 1 0 4 第l 章绪论 1 2 2 2 直流静电抑制膜过滤过程的浓差极化 膜分离( m e m b r a n es e p a r a t i n g ) 是利用天然或人工制备的具有选择透过性膜， 以外界能量或化学位差为推动力对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分 级、提纯和浓缩的方法。膜分离法可以用于液相和气相，对液相分离，可以用于 水溶液体系、非水溶液体系以及水溶胶体系。按其分离方法可分为反渗透法( r o ) 、 纳滤( n f ) 、超滤( u f ) 、微滤( m f ) 、电渗析( e d ) 、气体分离( g s ) 和渗透 蒸发( p v ) 以及与其它过程相结合的分离过程。膜分离技术由于省能、高效、 简单、造价低、易于操作，可代替传统的分离技术，所以是对传统分离方法的一 次革命，被公认为2 0 世纪末至2 l 世纪中期最有发展前景的高技术之一。为了有效 的提高膜过滤速度，目前都采用十字交叉流膜滤。即料浆具有平行于滤膜的剪切 流动，而滤液透过滤膜的渗流量垂直于滤膜。膜污染和浓差极化是膜过滤技术的 关键问题。对此一些国内外学者曾着力进行旋叶动态膜滤的研究或采用脉冲流动 提高膜滤速率的新方法。研究表明，这些方法虽能减轻浓差极化和延缓膜的污染， 但都不能改变膜污染及浓差极化本质。浓差极化使得边界层流体阻力增加，局部 渗透压增大，从而削弱了传质动力，导致膜通量下降。显然，浓差极化是一个可逆过 程。由于不少微粒及大分子物质在水溶液中有带电特性，因此电场膜滤技术已被 应用于解决这个问题。所谓电场膜滤，就是将电场与十字交叉流( 亦称为错流) 技术 结合起来，使料液平行于滤膜表面流动，并同时在膜的两侧旋加一定方向的直流电 场。这样。一方面由于悬浮颗粒在电场的作用下产生电泳而使颗粒远离膜面，加之 液流剪切力的作用，使膜面的颗粒沉淀状况有所缓和；另一方面，由雨点渗效应使 得膜孔中的滤液能够加速排出到滤膜的另一侧，从而有效地减轻了对膜的污染，抑 制了浓差极化，提高了滤膜的通量【l ”l ， 1 2 3 高压静电场生物效应在水处理技术中的应用 t 2 3 1 高压静电场处理水提高活性污泥微生物耗氧速率研究 污水生物处理技术主要是利用微生物的生命活动来降解水中的污染物，净化 水体的目的。这方面的研究最少，但是最有前途。实验证明经过高压静电电场处 理过的水能够明显提高活性污泥处理污水的能力。复旦大学化学系的杨峰与同济 大学环境工程系的向阳等人利用活性污泥微生物膜制成b o d 生物传感器，并将 该传感器置于电场处理后的缓冲溶液中进行实验，实验发现经过高压静电场一定 时间处理后的缓冲溶液能够提高b o d 生物传感器中活性污泥微生物的耗氧速率 达2 0 以上。处理缓冲溶液的电压和时间对提高活性污泥耗氧速率都有影响，处 理时间过长或过短对微生物降解能力的增加的影响都不明显；不同电压达到良好 处理效果所需时间不同，较低电压所需时间较长【l ”。目前这方面的研究还比较 北京工业大学工学硕士学位论文 谨慎，因为如果电场强度大小控制不当会杀死水中的细菌和微生物，其实在此之 前对于静电场对微生物或者细胞的影响就有很多研究，主要的研究结果表明：适 宜的电( 磁) 场能够提高微生物和细胞的生长繁殖，这种影响主要和处理的时间 和场强有关系，电( 磁) 场场强和处理时间过长不但达不到促进作用，反而会杀 死微生物和细胞：另外还有研究表明电磁场不能直接影响微生物和细胞体内的酶 活性，而是通过改变微生物和细胞生存环境中( 例如水环境) 的组成达到影响微 生物和细胞体内酶活性的，这种作用是间接的【l p “】。由此可见，如果将电场直 接加到反应池或者沉淀池中，并且适当控制电场的场强和电场的处理时间，是完 全可以既不杀死水中的微生物，又能提高微生物降解有机物的速率。同时应该说 明的是，高压静电场杀菌灭藻和提高微生物活性是不矛盾的，这只是电场处理的 时间和强度的不同而已。因此可以肯定地说，高压静电水处理技术有望成为处理 某些废水的有效方法。 1 2 3 2 有关高压静电场微生物效应方面的相关研究 高压静电场处理水之后，使水中发生了物理和化学变化，产生了超氧阴离 子自由基、过氧化氢和自由质子等物质，使水的电导率增大，溶解氧增大，p h 值 减小f 1 ”。静电场的作用初期，由于水中溶解氧含量增加，具有强氧化作用的物 质如超氧化物阴离子自由基和过氧化氢浓度还比较少，从而加快了微生物r n a 和蛋白质的合成速度，改变了微生物的基因表达，改变了生物体中各种酶的活性， 同时电场的作用改变了活性污泥中微生物细胞膜两侧离子浓度，使跨膜电位发生 改变，从而提高膜的透过性【阱矧，加快了物料的交换速度，从而加快微生物的 生命活动，达到提高处理效率的目的。但是当电场长期作用时，使水中的具有强 氧化作用的物质发挥作用，渐渐破坏了微生物的生物膜和细胞核，导致其破裂， 从而达到杀菌和灭藻的目的。这和南京大学田签卿教授的研究结论( 在电场强度 ( e ) 2 0 0 0 v l c m 4 3 0 0 w e r e ，细菌呈现先快速繁殖，随后快速死亡) 相一致 2 3 也8 1 。 另外，电流对微生物的生命活动影响非常大，适当提高电流强度也可以达到杀菌 消毒的目的，相反如想利用静电场微生物效应就应该适当降低电流。同济大学静 电杀菌课题组研究结果表明在电流为3 0 0 m a ，处理1 0 r a i n 的条件下，曝气池出水 的杀菌率可以达到9 0 t 2 9 】。在高压静电场处理活性污泥实验中发现在2 0 u a ( 电 压4 万伏) ，处理3 0 r a i n 的条件下，镜检发现，污泥中的原生动物个体( 主要是 钟虫) 9 0 以上细胞破裂死亡，而实际高压静电场在处理水的过程中电流( 电场 在1 0 0 0 v c m 级) 应该在l o u a 以下。因此在使用电场处理污水时一定要控制好 电流，这样才能达到处理目标。 第1 章绪论 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题来源 本课题是北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室高压静电场在沉 淀池中的应用技术研究项目中的一部分，该项目的研究内容是将低压静电场施 加到o 工艺沉淀池和将高压静电场施加在反应器上，通过静电场的作用促进沉 淀池中活性污泥絮凝体的沉淀，达到提高出水水质和提高活性污泥的活性来增大 a o 工艺负荷。本实验主要研究低压静电场促进活性污泥沉淀的效果和高压静电 场对活性污泥活性影响。通过本实验为该项目进一步研究提供可行性研究，为进 一步扩大实验规模和调整实验路线提供技术和资料。 1 3 2 实验研究内容 本实验采用a o 工艺中曝气池中泥水混合液作为实验水样，通过沉淀筒实 验确定低压静电场促进活性污泥沉淀的效果，通过测定活性污泥的活性实验考察 低压静电场对活性污泥活性的影响，通过检测将高压静电场施加在反应器后出水 的各项指标考察高压静电场对活性污泥的影响。 主要包括以下三方面： 1 确定低压静电场能够促进活性污泥絮凝体的沉淀，找到影响低压静电场 促进活性污泥絮体沉淀的影响因素，确定各因素对低压静电场促沉效果影响的程 度。 2 测定不同场电流强度低压静电场作用下沉淀桶和对照组的沉淀曲线，找 出最佳工况点，并进行沉淀动力学原理简单解释。 3 研究高压静电场改善活性污泥活性的能力，考察高压静电场对活性污泥 降解有机物能力的影响情况，并通过考察高压静电场对污泥活性的影响，分析高 压静电场提高活性污泥活性的可行性和实用性。 1 3 3 实验进度安排 整个研究过程分六个阶段：第一阶段( 2 0 0 5 6 2 0 0 5 8 ) 调研与文件检索；第 二阶段( 2 0 0 5 9 2 0 0 5 1 2 ) 实验装置的设计、加工、安装和调试；第三阶段 ( 2 0 0 6 3 2 0 0 6 8 ) 低压静电场促进活性污泥沉淀实验；第四阶段( 2 0 0 6 9 2 0 0 7 1 ) 高压静电场改善活性污泥活性研究；第五阶段( 2 0 0 7 3 2 0 0 7 4 ) 实验数据的分析 与补充完善：第六阶段( 2 0 0 7 ，4 2 0 0 7 5 ) 实验资料分析与论文撰写。 北京丁业大学工学硕士学何论文 1 。4 本章小结 1 我国是一个水资源短缺的国家，城市缺水现象尤为严重，水资源短缺已 成为制约我国经济发展的重要因素。在今后一段时期内，水资源的供需矛盾不会 有所缓解，还有可能加剧。实践证明，通过严格控制污水处理厂污水排放水质， 和提高污水处理率，保证水体健康循环是解决水资源紧张的一个非常重要的途 径。 2 静电水处理技术是一种新兴的水处理技术，因其高效率、低成本等独特 性能而迅速被科研工作者重视，并取得一系列的成果。目前静电场技术在活性污 泥脱水和膜过滤中应用较为广泛，其中在污水处理领域正在逐渐研究和应用。 3 高压静电场技术在杀菌除藻中应用较为成熟，将静电场技术应用于污水 处理系统的反应器中，可以提高活性污泥的c o d 降解能力正在被逐渐证明和应 用。 第2 章静电场应用于沉淀池原理及可行性研究 第2 章静电场应用于沉淀池的原理及可行性研究 电泳技术是典型的静电场技术，主要应用于分离不同带电量和带电性的颗粒 物质。活性污泥絮体中分布着各种不同粒径的污泥絮体，不同粒径的污泥絮体颗 粒带有不同的电荷量，所以活性污泥颗粒在电场中受到的电场力不同。活性污泥 絮体受到不同电场力和电泳实验中不同带电量的颗粒物质受到不同电场力在本 质上是一样的，所以在本实验中通过将活性污泥放入电泳实验装置中作电泳实验 来证明活性污泥在静电场作用下可以提高污泥絮体的迁移速度。本实验中利用静 电场的电场力克服活性污泥絮体在沉降过程中由于重力小和粘滞力大而导致沉 降速度太慢的不利因素，来提高粒径较小污泥絮体的沉降速度。电泳技术是较为 成熟的静电场技术，本实验通过成熟的电泳技术为工具应用于提高污泥絮体的沉 降速度来证明静电场应用于沉淀池的可行性。 2 1 电泳技术及其影响因素 电泳技术作为成熟的静电场技术，在对样品分离、鉴定和提纯领域应用较 为成熟。因为活性污泥絮体絮体中分布着大量的不同粒径和不同带电量的污泥絮 体颗粒，所以本实验研究污泥絮体在静电场作用下加速沉降是一种特殊的电泳迁 移技术。本实验通过借鉴典型电泳技术的影响因素及注意事项来研究污泥絮体的 沉降实验。电泳技术的影响因素主要有： ( 1 ) 首先决定于带电颗粒的性质，即颗粒所带净电荷的数量，大小及形状。 一般说来，颗粒带净电荷多，直径小而接近于球形，则在电场中泳动速度快，反 之则慢。泳动度还与分子的形状，介质粘度，颗粒所带电荷有关，其中泳动度与 颗粒表面电荷成正比，与介质粘度及颗粒半径反比。在稀溶液中，电场对带电分 子的作用力f ，等于所带净电荷与电场强度的乘积：f = e q ，上式中q 是带电分子 的净电荷，e 是电场强度。这个作用力使得带电分子向其电荷相反的电极方向移 动，在移动过程中，颗粒会受到介质粘滞力的阻碍。粘滞力( f 9 与颗粒子大小、 形状、电泳介质孔径大小以及缓冲液粘度等有关，并与带电分子的移动速度成正 比，对于球状分子，f 的大小服从s t o k e s 定律，即： f = 6 m q v( 式2 1 ) 式中r 是球状分子的半径，q 是缓冲液粘度，1 ) 是电泳速度( u = d t ，单位时间粒 子运动的距离，c l l l s 1 。当带电分子匀速移动时：f = f ， q e = 6 x r r l u( 式2 - 2 ) 电泳迁移率是指在单位电场强度( 1 v c r n ) 时带电颗粒的迁移速度，所以：这就是 9 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 迁移率公式，由上式可以看出，迁移率与带电颗粒所带净电荷成正比，与颗粒的 大小和缓冲液的粘度成反比。 ( 2 ) 电场强度 电场强度也称电位梯度，是指单位长度( 每1 厘米) 支持物体上的电位降， 它对泳动度起着十分重要的作用。例如纸电泳，测量2 5 厘米长纸条两端电压为 2 5 0 伏特，则电场强度为2 5 0 v 2 5 c m - - 1 0 v e r a 。一般电场强度越高，带电颗粒移动速 度越快。 ( 3 ) 溶液的p h 值 溶液的p h 值决定了带电颗粒解离的程度，也决定了物质所带净电荷的多少， 对于蛋白质，氨基酸等两性电解质而言，溶液p h 值离等电点越远，颗粒所带净 电荷越多；电泳速度越快；反之则越慢。例如血清中几种主要蛋白质的等电点各 不相同，自蛋白等电点是4 0 ，a 2 球蛋白等电点是5 0 6 ，1 3 球蛋白等电点是5 1 ， y 球蛋白等电点是7 1 。当在p h 值= 8 6 的电泳缓冲液中电泳时，这些蛋白质都 带负电荷，它们的泳动速度是白蛋e l c t 2 球蛋白 b 球蛋白1 球蛋白。因此，当 要分离一种蛋白质混合物时，应选择一种能扩大各种蛋白质所带电荷量差异的 p h 值，以利于各种蛋