（市政工程专业论文）高压静电场促进活性污泥沉淀和改善其活性的研究.pdf

搁要 摘要 本文对高压静电场促进活性污泥絮体沉淀以及改善活性污泥活性进行了 研究。主要内容包括： ( 1 ) 高压电场对活性污泥絮体沉淀的影响。通过沉淀筒实验证明高压静电场 能够有效促进活性污泥沉淀速度，影响高压静电场促沉效果的因素包括活性污泥 浓度s s 、污泥容积指数s v i 、电极入水长度、电压u 等因素，电导率、p h 值 和混凝剂对高压静电场促沉效果影响不明显；利用正交试验确定各因素对高压静 电场促沉效果影响程度的大小，结果表明，污泥浓度s s 对高压静电场促沉效果 影响最大，其次是电极入水长度上，再次是电源电压最次为污泥容积指数s v i ； 试验中还发现经过电场处理后水样较未经高压静电场处理的水样溶解氧d o 降 低，p h 值升高，电导率和浊度下降；在试验中的电流强度下，处理3 0 6 0 m i n 后，活性污泥中的微生物没有明显的变化，菌胶团也无破碎现象。 ( 2 ) 对活性污泥进行受力分析和计算活性污泥絮体颗粒受到的重力、电场力、 介电泳力和粘滞力。计算结果表明：影响活性污泥沉淀速度的力主要有重力、电 场力、介电用力和粘滞力，其中重力、电场力和粘滞力对活性污泥的沉淀起到决 定性的作用；并目指出提高本试验沉淀效果的方法主要有提高电场电压u 和增 大活性污泥的带电量两种方法。 ( 3 ) 高压静电场能够提高活性污泥的活性。活性污泥的活性即指活性污泥的 吸附性能、生物降解能力与污泥凝聚沉淀性能。在小型曝气池中，经过高压静电 场处理后的活性污泥吸附性能可以提高2 0 以上，耗氧速率可以提高2 0 3 0 。活性污泥的吸附性能和生物降解能力与电场处理时问和处理电压密切相关。 达到相同处理效果所需要的处理时问与处理电压成反比例，即达到相同处理效果 的条件下，处理电压低所需处理时间较氏，处理电压高时所需处理时间短。试验 表明处理电压在2 0 k v 的条件下，处理5 h 后，活性污泥耗氧速率提高最大，可 达3 0 ，处理时间超过5 h 以上，耗氧速度提高值基本保持在2 0 2 5 之间。 关键词高压静电场，活性污泥，沉淀，活性，好氧速率 北京1 业人学l 。学硕十学位沦文 a b s t r a c t 1 1 1t h i st h e s i s t h e s e t t l i n ge f f i c i e n c y o ft h e a c t i v a t e d s l u d g e f l o c sa n d a m e l i o r a t i n gt h el i f ea c t i v i t yo fm 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 t hh i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l d ( h v e f ) t 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 s f o l l o w s ： ( 1 ) s e t t l i n 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 c sb ym e a n so fh v e ft h e e 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 sh v e fc a r li m p a c tt h es e t t l i n ge f f i c i e n c yo f a c t i v a t e ds l u d g ef l o c s ，a n dt h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es e t t l i n ge f f e c t sa r em a i n l y i 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 ) ，s l u d g ev o l u m ei n d e x ( s v l ) ，e f f e c t i v el e n g t ho f t h ee l e c t r o d e ，v o l t a g eo ft h ep o w e rs u p p l y t h eo r t h o g o n a lt r i a li n d i c a t e st h a tt h e d e g r e eo fe v e r yf a c t o ra f f e c t e ds 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 ef l o c s ，a n d e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ef i r s tf a c t o ri n f l u e n c i n gs e t t l i n ge f f i c i e n c yi ss u s p e n d e d s o l i d s ( s s ) ，t h es e c o n di se f f e c t i r el e n g t ho f 。t h ee l e c t r o d e ，t h et h i r di sv o l t a g eo ft h e p o w e rs u p p l y , t h el a s t i ss l u d g ev o l u m ei n d e x ( s v i ) t h es e t t l i n gem c i e n c yo ft h e a c t i v a t e ds l u d g ef l o c si m p a c t e db ypho fs a m p l e ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yofs a m p l e a n dt h ec o a g u l a n ti sn o tc l e a r i ti sa l s of o a n dt h a ta f t e rh v e ft r e a m e n t ，o x y g e n u p t a k er a t e ( o u r ) a n dp hi n c r e a s e w h i l ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dt u r b i d i t y d e c r e a s e si nt h ee x p e r i m e n t a l lo ft h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n as h o wt h a th v e fc a n a m e l i o r a t et h e1 i r ea c t i v i t yo f m i c r o o r g a n i s mi na c t i v a t e ds l u d g ef l o c s ( 2 ) t h r o u g ht h e f o r c e a n a l y s i s o ft h ea c t i v a t e ds l u d g e p a r t i c u l a t e s a n d c a c u l a t e i n ga l lk i n d so ff o r c e ，i n c l u d i n gg r a v i t y , e l e c t r i cf i e l df o r c e ，d i e l e c t r o p h o r e t i c f o r c ea n ds t i c k yf o r c e ，i ti sf o u n dt h a tt h em a i n l yf o r c e sa f f e c t i n gt h es e t t l i n gv e l o c i t y o ft h ea c t i v a t e d s l u d g ep a r t i c u l a t e c o n s i s to f g r a v i t y , e l e c t r i c f i e l d f o r c e ， d i e l e c t r o d h o r e t i cf o r c ea n ds t i c k yf o r c e ，a n dt a b l eap r o p o s a lt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c y o fs e t t l i n gt h r o u g hi n c r e a s i n gv o l t a g eo ft h ep o w e rs u p p l ya n de n l a r g et h ec o u l o m bo f t h ea c t i v a t e ds l u d g ep a r t i c u l a t e ( 3 ) h v e fc a na m e l i o r a t et 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 e f l o c st h ea b s o r p t i o nc a p a b i l i t yo ft h ea c t i v a t e ds l u d g ef l o c sc a ni n c r e a s eb y2 0 p e r c e n t ，o x y g e nu p t a k er a t e ( o u r ) c a ni n c r e a s eb ya b o u t2 5p e r c e n t t h ec a p a b i l i t y o fa b s o r p t i o na n db i o d e g j a c l a t i o ni sr e l a t i v et o t h et r e a t m e n t t i m ea n dt r e a t m e n t v o l t a g eo fp o w e rs u p p l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et r e a t m e n tv o l t a g e a n dt h e t r e a t m e n tt i m ei si n v e r s ep r o p o r t i o n k e y w o r d s ：h i g hh o l t a g eh l e c t r o s t a t i ch i e l d ( h v e f ) ，a c t i v a t e ds l u d g ef l o c s ，s e t t l i n g ， a c t i v i t y , o x y g e nu 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。 签名日期： 关于论文使用授权的说明 7 t g 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 保留送交论文的复印件，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) 签名导师签名：才翌宝日期：巡： 第l 蕈绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 我国是一个水资源短缺的国家，水资源入均占有量仅为2 2 5 l m 3 ，是世界人 均水平的四分之一，居世界1 4 9 个国家的第1 1 0 位。同时，水资源在时空上分布 不均匀，使一些地区处于严峻的缺水状态。随着我国经济的发展和城市化进程的 加快，城市缺水问题同益突出。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1 1 0 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万r n 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。 方面水资源严重短缺，另一方面水环境污染状况却相当严重。根据2 0 0 3 年中国环境状况公报，由于污水的处理率很低，近6 0 的污水未经处理就直接排 放，导致全国近1 2 的河流遭受污染，使河流、湖泊等水体水质急剧恶化。2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的 断面属劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个国控断面中，、v 类水质断面 占3 7 - 3 ，劣v 类水质断面占9 3 。2 0 0 3 年全国工业和城镇生活废水排放总量 为4 6 0 ，0 亿吨，比上年增加4 7 ，废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 3 3 3 6 万吨，比上年减少2 4 t “。 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。污水处理是水环境恢复与水资源可 持续利用的重要措施和保障【2 - 4 】。通过污水处理一方面可以减少污染物的排放且 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，我国已经建设污水处理设施4 0 0 余座，城市污水处理率达到3 0 ，二级处 理率达到1 5 。未来几年内，国家将投入巨资提高污水处理率，根据十五规划 和关于加强城市供水节水和水污染防治工作的通知，到2 0 0 5 年我国所有城市 部必须建设污水处理设施，即至少将要建设6 6 9 座污水处理厂，污水处理规模将 达到每闩4 0 0 0 万一5 0 0 0 万立方米，处理率将达到4 5 ，5 0 万人口以上的城市污 水处理率应达到6 0 。到2 0 10 年城市排水管道普及率和城市污水处理率将分别 达到9 0 午1 36 0 ，直辖市、省会城市、计划单列市以及重点风景旅游城市不得 低于7 0 。预计未来1 0 年问中国用于污水处理的总投资约需3 0 0 0 亿元。 北京工业大学t 学硕士学1 _ i ) = 沦文 为了迎接2 0 0 8 年奥运会，北京尤其重视水环境的改善。北京市年污水排放 1 3 亿m 3 ，其中市区8 亿m 3 ；全市已建成了4 l 座污水处理厂，f 1 处理能力达到 2 4 7 ，4 6 万m 3 。其中规划市区己建成高碑店、酒仙桥、肖家河等7 座污水处理厂， 日处理能力1 5 8 万m 3 ，污水处理率达到5 6 。周边地区建设亦庄等6 座污水处 理厂，r 处理能力1 3 9 6 万m 3 。卫星城、镇建有污水处理厂2 8 座，日处理能力 7 5 5 万m 3 。2 0 0 4 年郊区污水处理率达到2 3 。到2 0 0 8 年北京城区污水处理率 要达到9 0 ，郊区污水处理率要达到5 0 。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 题就是将高压静电应用于现有的污水处理厂中的沉淀池，以提高沉淀池的工作效 率。这种技术可以提高沉淀池的处理效率，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。各种研究结果表明： 静电水处理技术，尤其是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 高压静电场用于防垢、除垢 高压静电水处理技术是一种比较新的水处理技术，目前这方面的研究比较 成熟的技术是将高压静电应用于循环水的除垢、防垢。高压静电场防垢、除垢技 术的研究开发和利用最先从美国开始。上世纪六十年代末，美国新泻华盛顿公司 第1 章绪论 研制成功第一台静电水垢控制器。此后短短几十年，这种静电水垢控制器就迅速 被美国的许多一流企业所采用，并对该种设备评价颇高。上世纪七十年代末，该 技术在日本开始研究。我国第一台静电水水垢控制器是1 9 7 5 年研制成功的，目 前已经广泛用于各地的水处理系统中。该设备不仅可以除垢防垢，还可以用于杀 菌消毒、灭藻。 关于高压静电场防垢、除垢机理，一般 认为，高压静电场的作用使大的缔合水分子 变成单个水分子，且水分子进一步极化，偶 极矩增大，极性增强。极化的水分强烈吸附 水中成垢的阴阳离子，使阴阳离子不能聚合 成垢。也有人从离子能级和化学键的角度对 高压静电场的防垢、除垢机理进行了解释。 上世纪四十年代中期，比利时的工程师弗米 仑( t h v e r m i r e n ) 认为水通过电( 磁) 场后， 图1 - 1 静电水垢控制器 电( 磁) 场使水中盐类离子的能级发生改变，影响所生成的水垢晶体形态，使之 不易生成排列有序的硬垢。美国麦克林博士认为电( 磁) 场能够引起电子的激发， 影响形成水垢沉淀的化学键，导致所形成的水垢结构松散，或者不容易结垢。这 种理论同时也可以解释电( 磁) 场能够使旧水垢脱落的现象 5 i o j 。 利用高压静电除垢防垢机理制成的静电水垢控制器名称很多，除稍加改进 之外，主要的设备组成相同( 见图1 - 1 ) 。目前静电水垢控制器广泛应用于炼油、 化工、热电、空调制冷等行业中各种反应器、冷却( 凝) 器和钢铁行业中的各种 加热炉的炉体系统。 1 2 2 静电污泥脱水技术 污泥脱水是污水处理过程中一个非常重要的环节，研究表明利用静电能够 有效提高污泥脱水率。目前静电脱水装置主要有两种，一种是采用上下两极板中 川施加竖直电场，并且在阳极上施加压力，形成加压电脱水过程；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 过小型试验发现，通过添加絮凝剂，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 i “l 。水平 北京l 。业人学r 学硕f 一学位论文 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试验，结果 发现在场强为1 2 0 0 w i n ( 电压8 0 v ) 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 0v m ( 电压为4 0 v ) 时1 h 内水去除率也可以达到 5 0 ，与竖直电场相比水去除率能提高1 5 f j2 1 。 静电脱水是基于污泥颗粒表面的电渗现象。在电场作用下，颗粒固定，液 体( 如水) 通过多孑l 性固体作定向运动称为电渗透( e l e c t r o o sm o s i s ) 。在固体移动受 到限制的系统中施加电场，扩散层中的反离子沿滑移界面向电极移动，同时带动 水分子移动。对于负电位的胶粒受到指向阳极的电场力，污泥中的水受到向负 极运动的力，这样就达到污泥脱水的目的邮1 5 16 1 。静电脱水作用面在污泥颗粒 表面s t e r n 层，使脱水过程同时发生在污泥颗粒的内、外表面，污泥浓度均匀增 加，可脱除污泥颗粒毛细结构中的毛细管水和污泥颗粒之间的自由水，而在机械 脱水过程中，随着自由水的脱除，污泥颗粒堆积在过滤介质上最终堵塞而停止脱 水( 12 、1 6 1 ”。 在实际工程中静电脱水没各中较为成熟的方法是串联式和叠加式。串联式 是先将污泥经机械脱水后，再将脱水絮体加直流电进行电渗透脱水。叠加式是将 机械压力与电场作用力同时作用于污泥上进行脱水。随着设备的运行电极的脱水 床层含水率快速降低，出现不饱和层，使该部分的电阻急剧增加，电源电压几乎 全部降在上部脱水层中，下部的电场强度逐渐减小，使下部脱水驱动力减小。另 外，出于电极附近发生电化学反应产生离子，在下部电极处离子浓度增高，电 位降低，电渗透驱动力减小，反应产生的气体也影响脱水的进行。针对这种情况， 一般可以采用电极短路、交变电场、电渗透和机械脱水结合、多段电极或在电极 与物料处添加极化物质等方法解决这种问题41 8 “”，但是各种方法各有优缺点， 效果总的来说不是太理想。要真正将电脱水技术加以推广，应该积极进行设备和 工艺的改进，解决上面提到的问题。 1 2 3 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。在水中施加适宜的高压静电 场即可以影响水中生物的生命活动，达到杀菌消毒、灭藻，或者提高活性污泥处 理污水效率的目的。 第1 章绪论 1 2 3 1 高压静电场杀菌消毒和灭藻技术研究 消毒是水处理工艺中的重要组成部分。自来水厂出厂前要经过严格的消毒； 许多生活用水系统的构筑物( 如蓄水池、水箱、游泳池) 中的水体和工业循环水 体中由于很容易滋生细菌和藻类也需要消毒；生活污水和工业废水经过污水厂处 理之后仍然含有大量的细菌，尽管大部分细菌是无害的，但是其中还有一些对人 体健康有危害的病原菌和寄生虫卵将引起肠道传染病( 主要是伤寒、副伤寒和痢 疾) ，一旦含有这些病原体的水排水水体，将会污染地表水体和地下水，引起传 染病的流行，所以二沉池出水也要进行杀菌消毒。 除了传统的消毒技术以外，高压静电场消毒技术因其适用水质范围广泛， 管理方便，运行成本低，不会产生二次污染等优点而迅速发展。到目前为止，有 关高压静电场消毒技术的研究已经比较成熟，已经应用到部分工程中去。徐洪斌 等人利用高压静电场对天然水体进行杀菌灭藻处理，发现在最佳电场强度 2 0 k v m ，处理6 h 的条件下，杀菌率为7 0 1 0 0 ，平均杀菌率为9 13 1 2 0 2 甜。 利用高压静电场处理二沉池出水，消毒效果也很好。向阳等人利用高压静电场对 城市水厂的二沉池出水进行处理，结果表明在4 0 0 0 v 的电压下，处理0 5 h 以后， 杀菌率可达9 8 以上，而且该设备能耗很低( l w ) 2 3 - 2 5 。可以况高压静电场 消毒技术有望成为一种灭菌效率高，能耗低的污水消毒技术。 高压静电消毒设备和静电水垢控制器在结构上基本相同，主要区别在于处 理时问不同，前者处理时蚓要比后者长的多，但是通过调整处理时间可以做到同 时控垢和消毒，这对于既要求防止结垢，又要求防止滋生藻类的循环冷却水的处 理很具有优势。工程中一般将高压静电场消毒和其他消毒技术配合时候，例如利 用紫外线和高压静电场消毒处理游泳池循环水。高压静电场消毒除了消耗功率很 小之外，另一个很重要的优点是不会产生氯消毒过程中产生的产生致癌物质，但 是又不能象氯消毒那样可以通过使水中保持一定的余氯达到较长时间消毒的效 果，因此比较适用于循环水的消毒。另外高压静电场消毒不能对水中的c o d 、 b o d 、n h 。一n 、n 0 3 n 等物质产生去除作用1 2 3 l ，在实际的应用中应该考虑这个 问题。 一般认为高压静电场作用之所以能够杀菌灭藻是因为在高压电场的作用下 水中产生超氧化物阴离子自由基u ：和过氧化氢，超氧阴离子自由基破坏细菌的 生物膜和细胞核。破坏碳水化合物及蛋白质，最终导致细胞突变、老化和死亡。 北京丁业大学j 二掌颐士学位论文 过氧化氢则可使细菌细胞膜氧化破裂，失去物质交换能力促使细胞死亡口。 1 2 3 - 2 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。试验证明通过高压静电电场 处理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，试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，较低电压所需时问较长【2 6 】。目前这方面的研究还比较谨 慎，主要担心电场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4 i 能直接影响微生物和细胞体内的酶活r 生，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 2 7 - 3 2 】。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。同时应浚说明的是，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面 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 3 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o 。、过氧化氢和自由质子等物质1 3 3 ，使水的电导率增大，溶解氧增大， p h 值减小”i 。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u ：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 第1 章绪论 膜电位发生改变，从而提高膜的透过性【3 4 - 3 5 1 ，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。这和南京大学罔签卿教授的研究结论( 在 电场强度( e ) 2 0 0 0 4 3 0 0 v c m 内，细菌呈现先快速繁殖，随后快速死亡) 相一致 3 6 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 m i n 的条件下，曝气 池出水的杀菌率可以达到9 0 3 7 1 。笔者在高压静电场处理活性污泥实验中发现 在2 m a ( 电压1 0 v ) ，处理3 0 m 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1 0 p a 以下。因此在使用电场处理污水时一 定要控制好电流，这样爿能达到处理目标。具体做法可以采用双电源的方法，即 高压电源向水中施加高压静电场，低压电源向水中施加电流。 1 2 4 电化学水处理技术 废水的电化学处理技术都是通过电极发生电化学反应而达到净化水的目 的。根据电极反应发生的方式可分为内电解、电凝聚、电气浮、电氧化、电沉积。 电化学方法主要用于难生物法处理的有机氯、磷、硫等合成药物废水，造纸、印 染废水恻。 内电解法是指在电流的作用下，水中具有还原性质和具有氧化性质的污染 物发生电化学反应，达到处理污水的目的。其特点是以污水中的废物治理污水中 的废物，因此成为内电解法。内电解法中应用最广泛的主要是铁屑炭法，处理对 象多为印染废水、含油生活污水、洗涤剂废水、煤气洗涤水、电镀废水等。 电混凝技术是电化学水处理技术的一种，其处理过程和处理机理与化学混 凝法基本相同。在外电压作用下，可溶性阳极( 铁或铝) 产生大量阳离子，阳离 子水解产生大分子水解产物，对胶体废水进行凝聚沉淀，达到去除水中污染物的 目的。电凝聚的特点是可同时除去水中的有机物、细菌、浊度、重金属及其他毒 物，是一种有前途的电化学处理方法。电气浮技术和电混凝区别在于不是利用阳 极反应，而是利用阴极产生的h 2 达到气浮的目的f ”“i 。 北京j 业大学_ 【= 学硕十学位论文 电氧化、电沉积等技术的原理和应用与内电解与电混凝技术相似，只是电 极和发生的反应有些区别，因此不做详细的叙述。 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部分，该项目的研究内容是将高压静电场施 加到a 2 o 工艺沉淀池上，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，增大a 2 0 工艺负荷的目的。本试验主要研究高压静电 场促进活性污泥沉淀的效果和对活性污泥活性影响。通过本试验为该项目进一步 研究提供可行性研究，为进一步扩大试验规模和调整试验路线提供技术和资料。 1 3 2 试验研究内容 本实验采用a 2 o 工艺和s b r 工艺中曝气池中泥水混合液作为试验水样， 通过沉淀筒试验确定高压静电场促进活性污泥沉淀的效果，通过测定活性污泥的 活性试验，考察高压静电场对活性污泥活性的影响。主要包括以下三方面： ( 1 ) 确定高压静电场能够促进活性污泥絮凝体的沉淀，找到影响高压电场 促进活性污泥絮体沉淀的影响因素，确定各因素对高压静电场促沉效果影响的程 度，研究高压静电场对水样水质指标的影响。 ( 2 ) 测定高压静电场促沉曲线，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能力，考察不同电压和处理时间条 件下高压静电场对活性污泥吸附性能、沉降性能、降解有机物能力等方面的影响 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促沉的安全性。 l - 3 3 试验进度安排 整个研究过程分六个阶段：第一阶段( 2 0 0 3 6 2 0 0 3 8 ) 调研与文件检索；第 二阶段( 2 0 0 3 9 2 0 0 3 1 2 1 试验装置的设计、加工、安装和调试；第三阶段 ( 2 0 0 4 3 2 0 0 4 8 ) 高压静电场促进活性污泥沉淀试验：第四阶段( 2 0 0 4 9 2 0 0 5 1 ) 高压静电场改善活性污泥活性研究；第五阶段( 2 0 0 5 3 2 0 0 5 4 ) 试验数据的分析 与补充完善：第六阶段( 2 0 0 5 4 2 0 0 5 5 ) 实验资料分析与论文撰写。 第t 章绪论 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，严格控制污水排放水质，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。目前静电广泛应用于给水 处理( 循环冷却水处理) 、污水处理以及污泥脱水等方面。 3 、静电水垢控制器能够能够达到防垢、除垢和杀菌消毒的目的，现已经广 泛应用于锅炉的循环水、工业冷却水以及游泳池循环水的杀菌消毒；利用静电场 可以进行污泥脱水，加压电脱水能够使泥的含水率比单纯的机械脱水降低1 5 ， 但是随着污泥含水率降低，电脱水能力下降很快；利用静电场处理后的水能够有 效地提高活性污泥的耗氧速率。 北京工业大学丁学硕士学位论文 第2 章高压静电场促进活性污泥絮体沉淀 2 1 引言 二次沉淀池是活性污泥反应系统及生物膜反应系统不可缺少的组成部分， 它们运行正常与否直接关系到活性污泥或生物膜系统的运行和净化效果的好坏。 二次沉淀池的功能是将生物处理构筑物中产 生的污泥絮体沉淀去除，排出清澈的处理水， 同时浓缩污泥，使回流到曝气池的污泥及剩 余污泥达到一定的浓度。目前，人们主要通 过改善污水中悬浮物本身的沉淀性能和改善 沉淀池结构两方面出发对以上沉淀池进行改 造，从而出现了预曝气池、向心式辐流沉淀 池和斜板斜管沉淀池【42 1 。这样的改进使沉淀 池的体积和沉淀效率有所提高，并且对整个 污水处理系统都起到重要的作用。但是就目 前沉淀池的情况仍然不能令人满意，各种沉 淀池仍然存在运行状况稳定性差，去除效率 不高，池体体积大，占地面积大等缺点，因 此本试验的目的就是考察静电场促进沉淀池 活性污泥絮体沉淀的情况，为设计高压静电。+ 场沉淀池提供可行性依据。利用电场产生的 电泳力和介电泳力的作用，可以促使沉淀池 图2 - 3 连续流电泳动装置 中活性污泥絮体的沉淀；同时电场的生物效应可以提高活性污泥的活性，通过回 流污泥达到促进整个工艺的处理效率。由此可见，高压静电沉淀池具有进一步提 高沉淀池的沉淀效率。减小沉淀池的体积，提高污泥沉淀稳定性，改善沉淀池出 水水质。 2 2 国内外相关研究概况及意义 2 2 1 国内外研究现状 液体中的浮游固体粒子和胶体粒子可以用静电进行分离，高压静电场促进 第2 章高j 蕾静电场促进活性污泥絮体沉淀 活性污泥絮体沉淀就是根据这个原理进行的。在介电液体平行板电极上施加直流 高电压，形成均匀电场。在电场中的带正电荷的微粒在电泳力作用卜i 向负极移动， 带负电荷的微粒则向正极方向移动，中性离子由于左右受力平衡不发生移动见图 2 一l 。利用电泳力的作用可以对不纯净的油进行提纯。在两个平板电极中插入折 叠状的电介质，电压加在电极板上，如图2 2 所示。将通过该装置，油中的粒 子受到电泳力的作用而被吸附在电介质上。大部分的生物聚合物都具有电荷，若 加上电场，则离子就会在溶液媒介质中移动，这就是电泳现象。它广泛应用于蛋 白质的分离精制和纯度的检定等高分子物质的分离和鉴定方面。广泛使用的电泳 法有区域法、连续法、等电法等。图2 3 为连续流电泳动装置，缓冲液从顶部沿 平面流下，而试料从某一点纵向连续流下，电压加在缓冲液流动的垂直方向，利 用这种装置可以分离蛋白质、肽、氨基酸、无机离子等。图2 - 4 是按照同样原理 设计的自山流动电泳装置以及用这种装置分离x 、y 精予的结果1 4 3 1 。 介电泳力同样可以用于固液分离。处于非均匀电 场中的电中性粒子，受到一种称之为梯度力的作用， 如图2 - 5 。在金属圆筒电极的轴上张以金属线电极w ， 再在两个电极间加以直流高电压，那么圆筒内形成辐 射状均匀电场。粒子在该空问时，会发生极化，产生 的正负电荷受到的力将分别叠加于主电场形成的电力 线上。由于这是辐射状发射电场，当粒子的介电常数 大于周围媒质的介电常数是，粒予上有受朝向电场强 的方向( 即靠近w ) 的力的作用。周围媒质即使是气 体、液体都无妨。考虑液体中的气泡时，作用于气泡 的力则与前相反，朝向电场弱的方向。该力成为介电 泳力。一般情况下，在液体电介质中施加电场时，不 仅出现电泳力，若粒子有过剩的电荷，同时还将受到 电泳力的作用4 3 l 。 另外，在处理废水时，很小的胶体颗粒用过滤， 离心分离等也很难去除。为此可在水中插入正负电极， 形成水下电弧，便能使不合群的胶体颗粒凝聚在一起， 泳功渣 特子 e 口 d 茸目日日 图2 _ 4 白由流动电泳动法 例2 5 粒子在非均匀电场 中受到的介电泳力 北京工业大学工学硕士学何论文 还能使一些溶解在水中的有机杂质的分子结构破坏，形成沉降物，从而有效地去 除水中有机杂质，起到出色的消毒作用【4 3 46 1 。 2 2 2 高压静电沉淀池的研究意义 首先研究高压静电场沉淀池是适应北京发展的需要。在未来的几十年里， 水将成为制约城市和工农业发展的首要因素，北京市更是如此。如果不加快水处 理技术的发展，提高城市污水的处理率，提高用水效率，北京市的水资源也越来 越紧张，水环境将面临更加严峻的考验。为了迎接2 0 0 8 年的奥运会，北京积极 开展环境保护和环境恢复的工作，其中水的问题一直是重中之重。开发耗能小、 无污染，处理效率高的污水处理技术将成为水工工作者的重要任务。开展高压静 电沉淀池正是适应北京市发展的需要，对进一步提高处理效率，污水的处理量， 保护和改善我们赖以生存的环境具有重要的意义。 其次，高压静电场沉淀池可以改善沉淀池的沉淀性能，提高整个污水处理 系统的处理效率。沉淀池是污水处理场中不可或缺的处理构筑物，沉淀池性能的 改善直接影响到整个污水处理系统的处理效率和效果。合理利用高压静电场的作 用不仅可以改善污泥的沉降性能，提高沉淀池的处理效率，提高整个污水处理厂 的处理效率，而且可以大大缩小沉淀池的体积，减小基建费用，提高土地的利用 率，为缓解北京的用地紧张有重要意义。 另外，首次提出沉淀和杀菌消毒或者沉淀与提高活性污泥活性同步的思路。 城市污水经过二级处理之后，水质大大改善，细菌含量大幅度减少，但是水中的 细菌绝对值仍然很可观，而且往往含有病原菌的可能，如果直接排放会影响地表 和地下水。因此在污水排放之前或者在农田灌溉时应该进行消毒处理。如果通过 调整电流和电压，在合适的停留时间的条件下可以同时达到消毒的作用，这样就 可以不用再对污水进行消毒了。或者调整上面的条件就可以提高活性污泥中的微 生物的生命活动，回流到曝气池之后，就可以大大提高曝气池的处理效率。如果 这两种效果之一可以被利用的话其经济效益就会很明显，出水水质就可以大大提 高。 由于高压静电水处理技术在水处理领域是一种新技术，所以有很多方面还 是极其不完善。现在这方面的应用也只是小规模，局部处理，没有应用到工程中 去，很多技术还处于实验阶段，对其处理机理的研究还需要进行。研究高压静电 第2 章高压静电场促进活性污泥絮体沉淀 沉淀池一方面可以使高压静电在水处理技术中的应用系统化，另一方面也为进一 步研究高压静电水处理技术处理机理提供资料和证据特别是在高压静电的生物 效应方面。 2 3 试验目的 本试验的目的就是确定高压静电场能够促进活性污泥絮体沉淀；通过试验 找到影响高压静电场促进活性污泥絮体沉淀试验的因素，并确定各种因素影响的 大小；研究高压静电场对出水水质指标的影响情况。 2 4 试验条件 2 4 1 试验水样 本试验使用水样采用a 2 o 工艺( s v i = 1 6 0m l g 4 0 0m l g ) 曝气池中泥水 混合液和s b r 工艺( s v i = 9 0m i g 1 3 0m l g ) 曝气后期泥水混合液，污泥浓度 在2g l 4g 1 之间。试验中再根据具体的需要，将泥水混合液配置成不同污泥浓 度的水样。 2 4 2 实验装置 高压静电场促进活性污泥沉淀试 验装胃见图2 - 6 。整套装置包括两个部 分，一部分为静电电源、阴极和阳极极 板，另一部分就是沉淀筒。电源为北京 静电设备厂生产的o 8 0 k v 连续可调负 高压输出电源，最大电流2 0 0 9 a ：阴极 出金属芯和绝缘套组成，直径共为为 8 m m ；沉淀筒采用1 0 0 0 m i 量筒，直径 3 4 r a m ，有效水深3 1 0 r a m ：阳极接电流 表接地。另外，在高压静电场促进微小 絮凝体实验中还用到个与上面装置类 似，但是直径为1 5 0 m m ，有效高度 5 0 0 m m ，内插三根电极的有机玻璃沉淀筒 金属阴极 图2 - 6 促沉试验设备图l 见图2 7 。 北京j 一业人学j 一学颂十学位论文 2 4 3 实验方法和参数的定义 将曝气池末端泥水混合液配成不同污泥浓度的水样，然后将水样加到沉淀 简中，插入电极，并将水样定容为10 0 0 m l 。泥水混合液很快形成清晰的泥水分 离界面( 污泥界面) ，每隔2 m i n 记录该界面对应刻度值并计算出3 0 m i n 污泥沉降 比s v ( ) 值，同时做未加高压静电场处理的对照实验。试验设备图见图2 - 6 。 因为和高压静电场促沉试验相关的文献较少，因此在试验中作如下规定： 试验中沉淀筒采用1 0 0 0 m l 的量筒， 为了便于计算，将量筒1 0 m i 的高度定义 为1 个单位长度，缩写为s m ，见图2 - 6 ； 为了便于观察高压静电场的促沉 效果，促沉试验采用对比试验的方法， 将施加电场作用的沉淀筒实验称为实验 组，将未施加电场作用的沉淀实验称为 对照组： 污泥沉降比减小值a s v ：a s v = 无 高压静电场作用时混合液的s v - 高压静 电场作用下时混合液的s v ，a s v 越大说 明高压静电场促沉效果越佳： 图2 7 促沉试验设备图2 电极入水长度工：量筒中混合液液面到电极下端的长度，以s m 计； 沉淀界面高度：是指污泥界面对