介质阻挡放电破解污泥实验装置及其在预处理污泥中的应用的制作方法

本发明属于污泥处理技术领域，具体涉及一种介质阻挡放电破解污泥实验装置及其在预处理污泥中的应用。

背景技术：

近年来，随着国民环保意识的不断进步，人们对于城市污水厂剩余污泥的无害化、减量化和资源化处置越发关注。厌氧消化由于其具有良好的处置能力，并且在处理过程中可产生甲烷等燃料，因而成为污水厂剩余污泥资源化处置最理想的处理技术。

但在实际生产中污泥厌氧消化技术处置受到了一定程度的限制。其原因是厌氧消化三阶段中的水解阶段耗时较长引起的，因而缩短污泥厌氧消化时长，加快这一阶段进程具有重要意义。通过对微生物细胞壁(膜)进行破壁处理，可以达到这一目的。目前主要的细胞破壁思路有物理/机械、化学、生物预处理以及联合预处理方法四种。

物理/机械法中，水热法是较为常见的方法之一，如jose(abelleira-pereiraj.m.,perez-elviras.i.sanchez-onetoj.,etal.enhancementofmethaneproductioninmesophilicanaerobicdigestionofsecondarysewagesludgebyadvancedthermalhydrolysispretreatment[j].waterresearch,2015,71:330-40.)通过实验证明，在170℃下污泥水热预处理半小时其甲烷产气量较比未经水热预处理的甲烷产气量上升60％。但由于其需要在加热过程中输入大量的热量，能耗较高，故实际工程中运用具有一定的局限性。

化学法预处理的工艺由于需要投加化学药剂，而实际作用效果有限，距实际工程运用仍有一定难度。石璞玉(石璞玉,孙力平,谢春雨,郑亚哲,邱春生.臭氧预处理对剩余污泥特性及厌氧消化的影响[j].环境工程学报,2017,11(06):3740-3746.)的实验表明，剩余污泥经臭氧处理10分钟后，甲烷产量高达318.29ml，对比未经预处理的污泥甲烷产量提升约4倍。但臭氧在水中溶解率较低，同时存在曝气难的问题，输入的臭氧量远大于实际溶解，故限制了臭氧在污泥预处理中的使用。

生物预处理法在实际运用过程中仍存在较多不可控因素。赵维纳(赵维纳.嗜热酶溶解法促进剩余污泥减量的行为研究[d].2008.)等人利用嗜热菌预处理污泥，在培养温度为65摄氏度的条件下，污泥的tss与vss溶解率可到32％，48％，较比未接种的提升12％与20％。但微生物在污泥中成为优势菌种仍需一定条件。受此限制，微生物法在污泥预处理中运用有限。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，而提供一种介质阻挡放电破解污泥实验装置及其在预处理污泥中的应用，用该方法处理后的污泥，经厌氧发酵，产气量有显著提升。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种介质阻挡放电破解污泥实验装置，包括等离子体发生器、变压器、示波器和放电反应容器，所述等离子体发生器的输入端与变压器连接，所述示波器与所述等离子体发生器的输出端连接；

所述放电反应容器包括：

螺纹铜棒；

高压电极，该高压电极与所述螺纹铜棒的一端连接，所述螺纹铜棒的另一端通过导线与所述等离子体发生器的电源输出端连接；

石英玻璃容器，所述高压电极与该石英玻璃容器的底部紧密接触，以获得均匀放电；

低压电极，该低压电极与所述高压电极相对平行设置；

污泥反应槽，所述低压电极布设于所述污泥反应槽底部，且与所述污泥反应槽底部紧密接触；

所述低压电极通过导线与所述等离子体发生器的电源输出端连接并接地线；

所述石英玻璃容器和污泥反应槽的外部罩设有绝缘板，且所述螺纹铜棒竖直穿过所述绝缘板。

其中一些实施例中，所述放电反应容器的底部放置有亚克力下面板，所述亚克力下面板上设有数根亚克力柱，所述亚克力柱的另一端连接亚克力上面板，且所述螺纹铜棒穿过所述亚克力上面板。

其中一些实施例中，所述等离子体发生器电源采用tdgc2-1型单相接触式自耦调压器，所述示波器为gds-820c示波器。该调节器将民用220v电压调节至实验所需电压，并输入等离子体发生器中，该调压器可进行电压调节。等离子体发生器具有电流调节功能，在产生等离子体过程中可进行电流流量调节，并借助gds-820c示波器对放电过程中的电压，电流，放电频率进行实时监控，并借助变压器，等离子体发生器进行电压，电流的调节；

其中一些实施例中，所述高压电极为矩形铜板，且长9cm，宽8cm，厚0.15cm；所述螺纹铜棒长30cm；所述石英玻璃容器的厚度为0.2cm，所述高压电极8的尺寸小于所述石英玻璃容器的底部面积；所述石英玻璃容器内装有五水合硫酸铜溶液，保证放电过程中放电均匀，且由于五水合硫酸铜溶液的蒸发避免了高电压极在放电过程中过热。

其中一些实施例中，所述污泥反应槽为亚克力反应槽，且尺寸与所述石英玻璃容器一致，所述低压电极为矩形铜板，且尺寸与所述高压电极尺寸一致。

本发明还提供一种所述介质阻挡放电破解污泥实验装置在预处理污泥中的应用，包括如下步骤：

步骤一、取待处理污泥，备用；

步骤二、将待处理污泥与ca(oh)2均匀混合，进行碱性物质预处理；

步骤三、将经过碱性物质预处理后的污泥置于介质阻挡放电破解污泥实验装置的污泥反应槽中10，进行放电等离子体预处理，放电电压为10kv～12kv，放电频率为11khz～12khz，放电时间为10min～24min。

其中一些实施例中，步骤二中所述ca(oh)2的投加浓度为0.02mol/l～0.05mol/l待处理污泥，ca(oh)2的投加时间为10min～60min。

其中一些实施例中，步骤三中所述放电电压为10.62kv，放电频率为12khz，放电时间为23.8min。

其中一些实施例中，步骤二中所述ca(oh)2的投加浓度为0.03mol/l待处理污泥，ca(oh)2的投加时间为60min。

其中一些实施例中，步骤三中进行放电等离子体预处理时，加入1mol/l五水合硫酸铜溶液100ml。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明通过ca(oh)2联合dbd等离子体放电提升污泥可生化性的应用研究，借助dbd放电过程产生的强电流、高能量密度、强紫外辐射、强冲击波破解污泥中的微生物细胞，在放电过程中产生的臭氧，·oh与碱联合作用增强对污泥预处理的效果。

本发明检测得到预处理后的污泥scod浓度为1993.4mol/l，蛋白质浓度为331.1mol/l，多糖浓度为225.8mol/l，氨氮为145.2mol/l，ph为7.999。

将本发明预处理后的污泥经厌氧发酵后，甲烷产气量可达361ml。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图2是本发明的介质阻挡放电破解污泥实验装置示意图；

图中：1、等离子体发生器；2、变压器；3、示波器；4、低压电极；5、螺纹铜棒；6、石英玻璃容器；7、五水合硫酸铜溶液；8、高压电极；9、污泥样液；10、污泥反应槽；11、绝缘板；12、亚克力柱；13、亚克力上面板；14、导线；15、亚克力下面板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明提供一种介质阻挡放电破解污泥实验装置，包括等离子体发生器1、变压器2、示波器3和放电反应容器，所述等离子体发生器1的输入端与变压器2连接，所述示波器3与所述等离子体发生器1的输出端连接；

所述放电反应容器包括：

螺纹铜棒5；

高压电极8，该高压电极8与所述螺纹铜棒5的一端连接，所述螺纹铜棒5的另一端通过导线与所述等离子体发生器1的电源输出端连接；

石英玻璃容器6，所述高压电极8与该石英玻璃容器6的底部紧密接触，以获得均匀放电；

低压电极4，该低压电极4与所述高压电极8相对平行设置；

污泥反应槽10，所述低压电极4布设于所述污泥反应槽10底部，且与所述污泥反应槽10底部紧密接触；

所述低压电极4通过导线与所述等离子体发生器1的电源输出端连接并接地线；

所述石英玻璃容器6和污泥反应槽10的外部罩设有绝缘板11，且所述螺纹铜棒5竖直穿过所述绝缘板11。

在一个实施例中，所述放电反应容器的底部放置有亚克力下面板15，所述亚克力下面板15上设有数根亚克力柱12，所述亚克力柱12的另一端连接亚克力上面板13，且所述螺纹铜棒5穿过所述亚克力上面板13。

在一个实施例中，所述等离子体发生器1电源采用tdgc2-1型单相接触式自耦调压器，所述示波器3为gds-820c示波器。该调节器将民用220v电压调节至实验所需电压，并输入等离子体发生器中，该调压器可进行电压调节。等离子体发生器具有电流调节功能，在产生等离子体过程中可进行电流流量调节，并借助gds-820c示波器对放电过程中的电压，电流，放电频率进行实时监控，并借助变压器，等离子体发生器进行电压，电流的调节；

在一个实施例中，所述高压电极8为矩形铜板，且长9cm，宽8cm，厚0.15cm；所述螺纹铜棒5长30cm；所述石英玻璃容器6的厚度为0.2cm，所述高压电极8的尺寸小于所述石英玻璃容器6的底部面积。

在一个实施例中，所述石英玻璃容器6内装有五水合硫酸铜溶液7，保证放电过程中放电均匀，且由于五水合硫酸铜溶液的蒸发避免了高电压极在放电过程中过热。

在一个实施例中，所述污泥反应槽10为亚克力反应槽，且尺寸与所述石英玻璃容器6一致，所述低压电极4为矩形铜板，且尺寸与所述高压电极8尺寸一致。

本发明还提供一种所述介质阻挡放电破解污泥实验装置在预处理污泥中的应用，包括如下步骤：

步骤一、取待处理污泥，备用；

步骤二、将待处理污泥与ca(oh)2均匀混合，进行碱性物质预处理，ca(oh)2的投加有利于促进dbd放电等离子体活性物质如·oh等产生，促进污泥微生物细胞的破解；

步骤三、将经过碱性物质预处理后的污泥置于介质阻挡放电破解污泥实验装置的污泥反应槽中10，进行放电等离子体预处理，放电电压为10kv～12kv，放电频率为11khz～12khz，放电时间为10min～24min。

在一个实施例中，步骤二中所述ca(oh)2的投加浓度为0.02mol/l～0.05mol/l待处理污泥，ca(oh)2的投加时间为10min～60min。

在一个实施例中，步骤三中所述放电电压为10.62kv，放电频率为12khz，放电时间为23.8min。

在一个实施例中，步骤二中所述ca(oh)2的投加浓度为0.03mol/l待处理污泥，ca(oh)2的投加时间为60min。

在一个实施例中，步骤三中进行放电等离子体预处理时，加入1mol/l五水合硫酸铜溶液100ml。

本发明对所述待处理的污泥的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的污泥即可。如，本发明提供的方法可以处理剩余污泥，也可以用来处理淤泥。

在本发明中，所述剩余污泥为污水经过处理产生的污泥，包括浮渣、微生物菌团，是污水厂污水生化处理后的二次产物；

本发明对所述待预处理污泥与ca(oh)2混合时的加料顺序没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的加料顺序即可。本发明优选首先向待预处理污泥中加入ca(oh)2，在搅拌后进行dbd放电预处理。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的预处理污泥的方法进行详细地描述，但不能将他们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例

如图1所示工艺，自污水处理厂二沉池排泥井取待预处理污泥500ml，投加0.015molca(oh)2。

采用磁力搅拌机将两者混合均匀，搅拌60min后，移送至dbd放电装置中。

调节dbd放电装置各参数，放电电压为10.62kv，放电频率为12khz，放电时间为23.80min。

本发明检测得到预处理后的污泥scod浓度为1993.4mol/l，蛋白质浓度为331.1mol/l，多糖浓度为225.8mol/l，氨氮为145.2mol/l，ph为7.999。

将污泥移送至锥形瓶中进行中温厌氧发酵，并采用排水法收集甲烷气体。厌氧发酵21d。测定甲烷产气量为361ml。

本发明的污泥预处理的方法，包括以下步骤：将待预处理的污泥与ca(oh)2均匀混合，进行碱性物质预处理。ca(oh)2的投加浓度为0.03mol/l。ca(oh)2的投加时间为60min。而后采用本发明的介质阻挡放电破解污泥实验装置进行dbd放电等离子体预处理，dbd放电条件为放电电压为10.62kv，放电频率为12khz，放电时间为23.82min。ca(oh)2的投加有利于促进dbd放电等离子体活性物质如·oh等产生，促进污泥微生物细胞的破解。实验结果表明，经ca(oh)2与dbd放电等离子体联合预处理后的污泥scod为1993.4mol/l，蛋白质浓度为331.1mol/l，多糖浓度为225.8mol/l，氨氮为145.2mol/l，ph为7.999。联合处理实验条件下产气量达到最大386ml，而原污泥正常条件下仅为261ml。

如图2所示，本发明的介质阻挡放电破解污泥实验装置，包括等离子体发生器1、变压器2、示波器3和放电反应容器，所述等离子体发生器1的输入端与变压器2连接，所述示波器3与所述等离子体发生器1的输出端连接，所述等离子体发生器1电源采用tdgc2-1型单相接触式自耦调压器，所述示波器3为gds-820c示波器；

所述放电反应容器包括：

螺纹铜棒5；

高压电极8，该高压电极8与所述螺纹铜棒5的一端连接，所述螺纹铜棒5的另一端通过导线与所述等离子体发生器1的电源输出端连接，所述高压电极8为矩形铜板，且长9cm，宽8cm，厚0.15cm；所述螺纹铜棒5长30cm；所述石英玻璃容器6的厚度为0.2cm，所述高压电极8的尺寸小于所述石英玻璃容器6的底部面积；

石英玻璃容器6，所述高压电极8与该石英玻璃容器6的底部紧密接触，所述石英玻璃容器6内装有五水合硫酸铜溶液7，保证放电过程中放电均匀，且由于五水合硫酸铜溶液的蒸发避免了高电压极在放电过程中过热；

低压电极4，该低压电极4与所述高压电极8相对平行设置；

污泥反应槽10，所述低压电极4布设于所述污泥反应槽10底部，且与所述污泥反应槽10底部紧密接触，所述污泥反应槽10为亚克力反应槽，且尺寸与所述石英玻璃容器6一致，所述低压电极4为矩形铜板，且尺寸与所述高压电极8尺寸一致；

所述低压电极4通过导线与所述等离子体发生器1的电源输出端连接并接地线；

所述石英玻璃容器6和污泥反应槽10的外部罩设有绝缘板11，且所述螺纹铜棒5竖直穿过所述绝缘板11；

上述放电反应容器的底部放置有亚克力下面板15，所述亚克力下面板15上设有数根亚克力柱12所述亚克力柱12的另一端连接亚克力上面板13，且所述螺纹铜棒5穿过所述亚克力上面板13。

上述实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。