申请日2018.12.26
公开(公告)日2019.02.22
IPC分类号C02F11/00; C02F11/13; C02F103/28
摘要
本发明属于动植物组织及微生物破碎技术领域，特别涉及一种利用DC辅助高压脉冲电场处理造纸污泥的装置和方法。利用DC辅助高压脉冲电场放电破解造纸污泥的装置，依次包括直流电晕处理装置和高压脉冲处理装置，直流电晕处理装置和高压脉冲处理装置经污泥流动管道连接。造纸污泥经过DC处理装置处理后通过抽吸泵经第一污泥流动管道进入高压脉冲处理装置的第二污泥流动管道。本发明结构简单，制造成本低廉，安全性高，由于对DC电晕和高频脉冲放电现象的有效应用，大幅降低了造纸污泥破解的能耗，提高了污泥破解的效果与效率，有助于更高效经济的是想造纸污泥的减量化。
权利要求书
1.一种利用DC辅助高压脉冲电场放电破解造纸污泥的装置，依次包括直流电晕处理装置和高压脉冲处理装置，直流电晕处理装置和高压脉冲处理装置经污泥流动管道连接。造纸污泥经过DC处理装置处理后通过抽吸泵经第一污泥流动管道进入高压脉冲处理装置的第二污泥流动管道。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DC电晕处理装置包括：绝缘容器(8)、第一放电电极、第一污泥流动管道(9)、输电设备。所述绝缘容器(8)为壳体，壳体上设有第一污泥流动管道且上部留有针型电极插口(10);所述第一放电电极包括针型电极(6)和平板电极(7)，所述针型电极(6)放电段通过绝缘容器上部的针型电极插口(10)插入绝缘容器内，平板电极(7)平铺于绝缘容器(8)底端;所述输电设备为HVDC输电设备;
所述高压脉冲处理装置包括：耐压容器(4)、第二污泥流动管道(3)、第二放电电极(2)、输电设备、绝缘螺母(1)。所述耐压容器(4)为壳体，并且在耐压容器(4)上设有第二污泥流动管道(3)和电极插口(11);第二污泥流动管道(3)位于耐压容器(4)外侧，第二污泥流动管道(3)的进泥口通过抽吸泵与和绝缘容器相连接的第一污泥流动管道(9)出泥口相连接;所述第二放电电极(2)的放电端通过电极插口放入容器内。将绝缘螺母(1)套在电极外部，将电极固定在耐压容器(4)上。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，第一污泥流动管道(9)在绝缘容器侧壁位于距离底板15-25cm处。
4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述高压脉冲处理装置还包括侧盖套(12)，所述侧盖套(12)在绝缘螺母(1)外，将绝缘螺母(1)固定在耐压容器(4)上。
5.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述DC处理装置的第一放电电极包括针型电极(6)和平板电极(7)，其中，针型电极个数为20～40个;并且针型电极放电端延长线与绝缘容器底部的平板电极(7)垂直;所述针型电极(6)由内及外按环形排布，所述平板电极(7)平铺于绝缘容器底部，所述绝缘容器为长方体;
所述高压脉冲处理装置放电电极个数为2个2～5个;并且放电电极放电端延长线相交于耐压容器的中心点;所述耐压容器为球形壳体。所述电极上设有螺纹或卡槽等调节电极穿入容器长度的结构。
6.如权利要求1-5任一项所述的装置的使用方法,包括如下步骤：
DC电晕处理装置使用方法：
1)将绝缘螺母套在针型电极上，然后将针型电极通过电极插口伸入到绝缘容器内部，并通过绝缘螺母将针型电极固定在绝缘容器上表面上，其中，电极距离污泥的距离可调;
2)将平板电极平铺于绝缘容器底部;
3)将HVDC(高压直流电流)电源的接线柱通过电缆分别连接在针型电极和平板电极上，调整电源参数，及通电时间;
4)调节进入容器中造纸污泥的流动速度，使其与放电间隔相一致，使流经该装置的造纸污泥得到相同强度的直流电晕处理，通过电晕处理后在污泥体系中引入大量OH自由基及臭氧等氧化性物质，使得污泥中的自由电子数增加。
高压脉冲处理装置使用方法：
a、将绝缘螺母套在放电电极上，然后将放电电极的放电端通过电极插口伸入到耐压容器内部，并通过绝缘螺母将电极固定在耐压容器外表面上;
b、通过绝缘螺母和放电电极上的螺纹、卡槽或者通过其他方式调节电极穿入容器长度以调节放电端距离，同时两个电极均与水平面的夹角为50°～70°，并且放电电极放电端的延长线相交于耐压容器的中心点;
c、将高频脉冲电源的接线柱通过电缆分别连接在放电电极上，调整脉冲电源参数，打开电源开关，控制放电破解时间在2～10s;
d、调节进入容器中造纸污泥的流动速度，使其与放电间隔相一致，使流经该装置的剩余污泥得到相同能量的冲击波，产生爆炸，将造纸污泥中的菌胶团冲散，细菌细胞壁及大分子物质破碎，细菌胞内物质流出;
e、将脉冲处理后的造纸污泥排出高压脉冲处理装置。
7.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于：步骤3)所述的电源参数为，输入电压范围为1kV～12kV;所述的通电时间为3～9s。优选的，步骤3)中，电压范围为2～5kV，放电时间为3～7s;可以通过调节可控HVDC电源来实现调控。
步骤5)所述的造纸污泥的流动速度为1.2m/s～1.8m/s。
步骤c)中，所述的脉冲电源为TD2202，电源参数为：输出电压1kV～100Kv，输出功率1.5～2.5kW。优选的，步骤c)中，高频脉冲电源的电压范围为10kV～40kV，放电时间为2～8s。
优选的，步骤d)所述的造纸污泥的流动速度为1.4m/s～1.6m/s。
8.一种利用DC辅助高压脉冲电场放电破解造纸污泥的方法，包括下列步骤：
1)造纸污泥经第一污泥流动管道进入DC电晕处理装置，污泥流动速度在1.4m/s～1.6m/s 变化，DC电晕处理装置输入电压范围为1kV～10kV;通电时间为3～9s;
2)DC电晕处理装置后的造纸污泥，经第二污泥流动管道进入高压脉冲处理装置，污泥流动速度在1.4m/s～1.6m/s变化，所述的高压脉冲处理装置的电源为TD2202，电源参数为：输出电压1kV～100Kv，输出功率1.5～2.5kW，放电破解时间在2～10s;
3)将脉冲处理后的造纸污泥排出高压脉冲处理装置。
9.如权利要8所述的方法，其特征在于，步骤1)中，电压范围为2～5kV，放电时间为3～7s。
10.如权利要8所述的方法，其特征在于，步骤2)中，高频脉冲电源的电压范围为10kV～40kV，放电时间为2～8s。更优选的，高频脉冲电源的电压范围为20kV～30kV。
说明书
一种DC辅助高压脉冲电场处理造纸污泥的方法
技术领域
本发明属于动植物组织及微生物破碎技术领域，特别涉及一种利用DC辅助高压脉冲电场处理造纸污泥的装置和方法。
背景技术
造纸污泥随着我国造纸工业的迅速发展，它也成为污染环境的主要行业之一。在制浆造纸过程中，从不同工段产生大量的造纸废水，经过一段和二段的水处理生成大量的造纸污泥，它含有大量的重金属离子、病原体、有机污染物等其他有害物质，如果处理不当会给环境带来二次污染。其处理处置是造纸生产处理工艺的延伸，是造纸企业开展清洁生产的必要步骤，也是控制水污染、保护城市环境不可缺少的必要步骤。
造纸工业的污泥按纤维来源可分为以下几类：用原木浆造纸产生的污泥，叫作一次污泥;二次纤维利用在脱墨过程中产生的污泥，叫作脱墨污泥;经过二次生化处理产生的活性污泥叫作二次污泥;废纸和活性污泥混合在一起的污泥叫作混合污泥。一次污泥的主要成分是纤维、灰分、填料等;二次污泥的含细菌、真菌等微小有机体较多;脱墨污泥含大量油墨及各种杂质、灰分等。根据目前我国的技术状况，造纸行业污水能达到排放标准，但其产生的污泥由于其固体性质和生物性质，无论采用填埋、焚烧、投海等何种处置方式，都存在着二次污染、成本高、耗费能源、处置空间的问题。造纸废水的污泥产量大，一般是同等规模市政污水处理厂的5～10倍，且成分复杂，含水量高，处理难度大。
目前的剩余污泥破解方法包括超声波破解法、流体剪切破解法、微波破碎法、臭氧、氧化法、热水解法,以及碱解法结合超声破解或微波照射等。虽然目前的各种方法各有优势,但共同存在高能耗、高成本、低破解率的问题。
如何提高污泥的破解效果并大幅降低能耗,改善污泥理化性质及提高其可生物降解性是目前函待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种利用DC(direct current，直流电流)辅助高压脉冲电场放电处理造纸污泥的方法,即利用高压脉冲放电产生的瞬间超高温高压形成的冲击波和污泥处于直流电晕中DC可将OH自由基和臭氧等氧化物质引入污泥系统中，实现高效破解造纸污泥的一种新技术。该技术可以高效的打散造纸污泥中的菌胶团，烧蚀细菌并破坏微生物细胞结构及大分子物质，大幅度改善造纸污泥的理化性质，促使细菌胞内物质流出，为大规模高效处理造纸污泥提供了途径。该技术还可以通过变换不同的工艺参数应用于各个行业的灭菌和组织破碎等过程中，并发挥出很好的效果。
一种利用DC辅助高压脉冲电场放电破解造纸污泥的装置，依次包括直流电晕处理装置和高压脉冲处理装置，直流电晕处理装置和高压脉冲处理装置经污泥流动管道连接。造纸污泥经过DC处理装置处理后通过抽吸泵经第一污泥流动管道进入高压脉冲处理装置的第二污泥流动管道，如图4，图中箭头表示污泥流动管道。
所述DC电晕处理装置包括：绝缘容器(8)、第一放电电极、第一污泥流动管道(9)、输电设备。所述绝缘容器(8)为壳体，壳体上设有第一污泥流动管道且上部留有针型电极插口(10);所述第一放电电极包括针型电极(6)和平板电极(7)，所述针型电极(6)放电段通过绝缘容器上部的针型电极插口(10)插入绝缘容器内，平板电极(7)平铺于绝缘容器(8)底端;所述输电设备为HVDC输电设备。优选的，第一污泥流动管道(9)在绝缘容器侧壁位于距离底板15-25cm处，如图1所示。更优选的，第一污泥流动管道(9)在绝缘容器侧壁位于距离底板20cm处。
名词解释：HVDC(high voltage direct current)，高压直流电流。
优选的，所述DC电晕处理装置除电极放电部位外，外表面均涂有绝缘材料。
所述高压脉冲处理装置包括：耐压容器(4)、第二污泥流动管道(3)、第二放电电极(2)、输电设备、绝缘螺母(1)。所述耐压容器(4)为壳体，并且在耐压容器(4)上设有第二污泥流动管道(3)和电极插口(11)。第二污泥流动管道(3)位置如图3，第二污泥流动管道(3)位于耐压容器(4)外侧，第二污泥流动管道(3)的进泥口通过抽吸泵与和绝缘容器相连接的第一污泥流动管道(9)出泥口相连接，两污泥流动管道并非同一流动管道。所述第二放电电极(2)的放电端通过电极插口放入容器内。将绝缘螺母(1)套在电极外部，将电极固定在耐压容器(4)上。
优选的，所述高压脉冲处理装置还包括侧盖套(12)，所述侧盖套在绝缘螺母(1)外，用于保护绝缘螺母，将绝缘螺母(1)固定在耐压容器(4)上。所述装置除电极放电部位外,外表面均涂有绝缘材料。
所述DC处理装置的第一放电电极包括针型电极(6)和平板电极(7)，其中，针型电极个数为20个及以上;优选20～40个;并且针型电极放电端延长线与绝缘容器底部的平板电极(7)垂直。所述针型电极(6)由内及外按环形排布，且电极个数可调。所述平板电极(7)平铺于绝缘容器底部，所述绝缘容器较好的为长方体。
所述高压脉冲处理装置放电电极个数较好的为2个及以上;优选2～5个;并且放电电极放电端延长线相交于耐压容器的中心点。所述耐压容器较好的为球形壳体。所述电极上设有螺纹或卡槽等调节电极穿入容器长度的结构。
优选的，采用内阻小的紫铜作为电极材料。
上述装置通过污泥流动管道相连接串联成多级装置，也可以分成两个装置单独运行。
本发明还提供了上述装置的使用方法,包括如下步骤：
DC电晕处理装置使用方法：
1)将绝缘螺母套在针型电极上，然后将针型电极通过电极插口伸入到绝缘容器内部，并通过绝缘螺母将针型电极固定在绝缘容器上表面上，其中，电极距离污泥的距离可调;
2)将平板电极平铺于绝缘容器底部;
3)将HVDC(高压直流电流)电源的接线柱通过电缆分别连接在针型电极和平板电极上，调整电源参数，及通电时间;
步骤3)所述的电源参数为，额定输入电压为12kV，输入电压范围为1kV～12kV;所述的通电时间为3～9s。
优选的，步骤3)中，电压范围为2～5kV，放电时间为3～7s;可以通过调节可控HVDC电源来实现调控。
4)调节进入容器中造纸污泥的流动速度，使其与放电间隔相一致，使流经该装置的造纸污泥得到相同强度的直流电晕处理，通过电晕处理后在污泥体系中引入大量OH自由基及臭氧等氧化性物质，使得污泥中的自由电子数增加。
优选的，步骤5)所述的造纸污泥的流动速度为1.2m/s～1.8m/s。
高压脉冲处理装置使用方法：
a、将绝缘螺母套在放电电极上，然后将放电电极的放电端通过电极插口伸入到耐压容器内部，并通过绝缘螺母将电极固定在耐压容器外表面上;
b、通过绝缘螺母和放电电极上的螺纹、卡槽或者通过其他方式调节电极穿入容器长度以调节放电端距离，同时两个电极均与水平面的夹角为50°～70°，更有利于灵敏调节，并且放电电极放电端的延长线相交于耐压容器的中心点;优选的，两个电极均与水平面的夹角为60°。
c、将高频脉冲电源的接线柱通过电缆分别连接在放电电极上，调整脉冲电源参数，打开电源开关，控制放电破解时间在2～10s;
优选的，所述的脉冲电源为TD2202，电源参数为：输出电压1kV～100Kv，输出功率1.5～2.5kW。更优选的，输出功率2kW。
d、调节进入容器中造纸污泥的流动速度，使其与放电间隔相一致，使流经该装置的剩余污泥得到相同能量的冲击波，产生爆炸，将造纸污泥中的菌胶团冲散，细菌细胞壁及大分子物质破碎，细菌胞内物质流出;
e、将脉冲处理后的造纸污泥排出高压脉冲处理装置。
优选的，步骤c)中，高频脉冲电源的电压范围为10kV～40kV，放电时间为2～8s;通过对高压脉冲电源进行调节实现对电压大小和放电时间的调控。
优选的，步骤d)所述的造纸污泥的流动速度为1.4m/s～1.6m/s。
本项发明所设计的装置工作原理如下：
DC电晕处理原理：
DVDC电源产生的高压直流电流通过电缆作用到针型电极上，造纸污泥作为介质，通过针型电极放电经过造纸污泥到达底部的平板电极。电晕放电可以形成多种氧化物质，包括高能粒子和臭氧。直流电晕作用下高能粒子和水分子的电化学反应如下：
e-+O2→O(3P)+O(1D)+e-;O+O2+M→O3+M;O(1D)+H2O→·OH+·OH;
反应可以产生强氧化性的·OH和臭氧。
臭氧能够将自由电子e-和H·转化为羟基自由基(·OH)。在正电晕放电中可形成H·，相关反应如下：
H2O+e-→H·+·OH+e-;2H2O+e-→H2O2+H2+e-;e-+O3→O3·-;H·+O3→HO3·;
O3-+H+→HO3·;HO3·→·OH+O2.
上述反应可以看出DC电晕处理产生了具有高氧化能力的·OH自由基，臭氧，原子氧和亚稳氧分子。当这些氧化物质出现在造纸污泥系统中时，强氧化物质和细胞膜回发生化学反应，微生物细胞结构会发生变化。细胞膜由脂质双层制成，其重要组分是不饱和脂肪酸。不饱和脂肪酸使得膜具有凝胶状性质。臭氧和·OH的存在可以损害膜脂质，使得膜脂质失去阻止离子和极性化合物运输的屏障作用。因此，离子和电子更容易在污泥介质中运动。蛋白质分子作为细胞膜的另一组分，基本上由氨基酸的线性链构成，其易受原子氧或亚稳氧分子的氧化。因此，电晕放电产生的氧化物质往往会破坏造纸污泥内微生物细胞结构，并改变污泥的导电性质，破坏细胞结构的同时还有助于后续的高压脉冲处理。
脉冲电源产生的高频单向脉冲电流通过电缆作用到放电电极上，当电极间隙达到一定距离时，由于电极之间充满着含水率高且含有杂质及大量自由电子的造纸污泥，脉冲电场极板间形成的电场的作用下形成带电粒子，并且电子数回随着电场强度的增加而增加;当极板电压达到某一特定值时，污泥介质将被击穿，形成由大量高速运动的正电、负电以及中性粒子组成的放电通道，因为污泥介质经过了DC电晕处理所以此放电通道会更容易形成;通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，在运动的过程中粒子间相互撞击，动能迅速转化为热能，使通道瞬间达到极高温度，液体汽化并携带高温向四周扩散，由于碰撞粒子数量巨大导致蒸汽体积增大速度极快，瞬时产生巨大冲击波向四周传播，即产生爆炸冲击波效应。
脉冲电源在一秒内可以产生数几千甚至几万次的单个脉冲,当一个脉冲放电产生爆炸冲击波效应,放电结束进入脉冲间隔时间后，液体介质逐渐恢复绝缘;当耐压容器为球形时,放电产生的冲击波在球形容器壁上可产生反射，形成二次波,三次波甚至更多次反射，这些波与下一个冲击波可以产生叠加效应,叠加效应的产生极大的增强了脉冲波的能量;超高温高压引起的冲击波穿过污泥介质不断向四周冲击，对污泥介质产生极强的破坏能力;如此周而复始重复上述过程，造纸污泥中的菌胶团被冲散，细菌细胞壁及大分子物质被烧蚀并破碎，细菌胞内物质流出，从而达到破解造纸污泥的目的。
本发明还提供利用DC辅助高压脉冲电场放电破解造纸污泥的方法，包括下列步骤：
1)造纸污泥经第一污泥流动管道进入DC电晕处理装置，污泥流动速度在1.4m/s～1.6m/s变化，造纸污泥进入DC装置后经电晕的处理后微生物细胞被破坏，造纸污泥理化性质得到改善，造纸污泥变得松散且污泥溶液中自由电子数和自由基数大量增加。污泥中部分非溶解性有机物被强氧化性的自由基氧化分解为CO2和H2O，所以污泥表面会有气泡产生。
2)DC电晕处理装置后的造纸污泥，经第二污泥流动管道进入高压脉冲处理装置，污泥流动速度在1.4m/s～1.6m/s变化，造纸污泥进一步经高压脉冲处理后细菌细胞和污泥菌胶团完全被破碎打散，胞内物质可自由排出，造纸污泥呈稀溶液状，可实现造纸污泥深度减量化的目的。
优选的，所述的利用DC辅助高压脉冲电场放电破解造纸污泥的方法，包括下列步骤：
1)造纸污泥经第一污泥流动管道进入DC电晕处理装置，污泥流动速度在1.4m/s～1.6m/s变化，DC电晕处理装置输入电压范围为1kV～10kV;通电时间为3～9s;
2)DC电晕处理装置后的造纸污泥，经第二污泥流动管道进入高压脉冲处理装置，污泥流动速度在1.4m/s～1.6m/s变化，所述的高压脉冲处理装置的电源为TD2202，电源参数为：输出电压1kV～100Kv，输出功率1.5～2.5kW，放电破解时间在2～10s;
3)将脉冲处理后的造纸污泥排出高压脉冲处理装置。
优选的，步骤1)中，电压范围为2～5kV，放电时间为3～7s;优选的可以通过调节可控HVDC电源来实现调控。
优选的，步骤2)中，高频脉冲电源的电压范围为10kV～40kV，放电时间为2～8s;通过对高压脉冲电源进行调节实现对电压大小和放电时间的调控。更优选的，高频脉冲电源的电压范围为20kV～30kV。
本发明的优点在于：
为了污泥介质中更容易形成冲击波，在高压脉冲处理前先用DC电晕处理造纸污泥，改善了污泥的理化性质，经过DC电晕的处理污泥介质中的微生物在一定程度上被破坏且使得污泥介质中生成大量的强氧化性物质和大量自由电子，更有助于后期高压脉冲处理过程中形成高能脉冲冲击波。
为了使得造纸污泥在DC处理装置得打较好的直流电晕处理且降低能耗，针型电极采用正电晕电极，且在绝缘容器顶部以容器中心为圆心呈环状排列，提高DC电晕处理效率。
为了满足冲击波破碎污泥的物理条件，达到高效破解造纸污泥的目的，采用大功率高压脉冲电源作为能源输出装置，使形成的脉冲冲击波具有足够的能量。
为了使冲击波的能量得到高效利用,降低能耗，耐压容器采用球形壳体,冲击波可以再球形壳体上得到多次反射，并且下一次的脉冲放电产生的冲击波可以与反射波形成叠加效应，提高冲击波的破坏能力，加强污泥破解的效果。
DC电晕处理装置中，处理不同物质针型电极与介质的最佳距离不同，为了满足针型电极距离可调，针型电极上设有卡槽，且采用可调式DVDC电源，实现能量的高效利用;脉冲电场装置中火花放电对电极间隙的要求及破解不同物质对冲击波能量的不同需求，实现能量的高效利用，采用电极间隙可调装置和可调式脉冲电源，从而实现装置产生不同程度的破坏能力。
为了实现节约能源及安全运行的目的，采用内阻小的铜作为电极材料，所用电极通过绝缘螺母固定在装置上，并对装置进行绝缘处理，从而保证了DC电晕处理装置和高压脉冲处理装置均可以精准有效的放电，降低了能量的流失又确保了装置运行的安全性。
本发明结构简单，制造成本低廉，安全性高，由于对DC电晕和高频脉冲放电现象的有效应用，大幅降低了造纸污泥破解的能耗，提高了污泥破解的效果与效率，有助于更高效经济的是想造纸污泥的减量化。