基于高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的污水處理系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

李 唐，王亞偉，趙振良，尤麗華

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

基于高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的污水處理系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

李 唐，王亞偉，趙振良，尤麗華

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

針對(duì)污水處理廠剩余污泥含水率高，達(dá)到70%～80%，不利于進(jìn)一步處理的問(wèn)題，根據(jù)污水成分及其處理工藝特點(diǎn)，提出了一種基于高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的污水處理的方法。本文從理論上系統(tǒng)地闡述了高壓脈沖電場(chǎng)處理裝置的研制，設(shè)計(jì)了低成本高壓脈沖電源，最高電壓10 kV，最大電流50 A，并且能方便的調(diào)節(jié)電場(chǎng)參數(shù)。

高壓脈沖電場(chǎng)；污水處理；含水率；參數(shù)

從污水處理后剩余污泥的處理和處置技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，工藝依然是基本的四類：填埋、土地利用、焚燒和建材利用。其中對(duì)剩余污泥進(jìn)行焚燒處理，因?yàn)槟軌蚴刮勰嘧儚U為寶，制成建筑用材，實(shí)現(xiàn)了可循環(huán)利用，因而該方法要優(yōu)于簡(jiǎn)單的填埋。

但是污水處理廠剩余污泥含水率高，達(dá)到70%～80%，導(dǎo)致了在焚燒過(guò)程中需要消耗大量的煤，所以要考慮降低污泥的含水率。分析污泥中水分的主要形式發(fā)現(xiàn)，空隙水（顆粒間隙中的游離水）約占70%，毛細(xì)水（是在高度密集的細(xì)小污泥顆粒周圍的水，由毛細(xì)管現(xiàn)象而形成的）約占20%，顆粒表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水約占10%[1]。傳統(tǒng)的濃縮/機(jī)械脫水工藝，只能去除大部分呈自由狀態(tài)和部分毛細(xì)水。要進(jìn)一步降低污泥的含水率，必須改變污泥的理化結(jié)構(gòu)，減少膠體顆粒與水的親和力，對(duì)污泥中的微生物進(jìn)行破壁處理，改善污泥的脫水性能。

高壓脈沖電場(chǎng)（pulsed electrical fields，簡(jiǎn)稱PEF）技術(shù)是近年來(lái)研究最多的非熱加工技術(shù)之一[2]，目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的機(jī)理是通過(guò)外部電場(chǎng)與微生物細(xì)胞膜直接作用，從而破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，形成“電穿孔”即破壁而導(dǎo)致微生物滅亡[3]。穿孔效應(yīng)假說(shuō)可以通過(guò)電子顯微鏡下的照片顯示來(lái)證實(shí)，酵母菌被處理后可以見(jiàn)到菌體上有明顯的裂痕。因此提出可以先利用高壓脈沖電穿孔機(jī)理在瞬間使細(xì)胞破壁，使細(xì)胞內(nèi)的水分流出，改變污泥理化結(jié)構(gòu)，再通過(guò)濃縮/脫水，從而達(dá)到降低污泥含水率的目的。

文章提出了這種新的污水處理方法，設(shè)計(jì)了一種污水處理實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)該方法的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較分析。

1 總體設(shè)計(jì)方案

首先是實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，包括高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)和處理室的設(shè)計(jì)。

處理室有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類。靜態(tài)處理室處理腔容積小，考慮因素少，不適合大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。但是，靜態(tài)處理室適合實(shí)驗(yàn)室操作，可以找出相關(guān)因素的參數(shù)。因此在實(shí)驗(yàn)初級(jí)階段靜態(tài)處理室的建立是必不可少的[4]。本文介紹的是基于靜態(tài)處理室的高壓脈沖污水處理研究。系統(tǒng)的工作方式是：污水預(yù)先無(wú)菌灌裝成袋后放人處理室處理，經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理后，取出污水袋，通過(guò)顯微鏡觀察含水污泥成分，依此循環(huán)，在不同的高壓脈沖參數(shù)下取樣，來(lái)觀察處理效果。

圖1 高壓脈沖電場(chǎng)污水處理裝置示意圖Fig.1 The schematic of HPEF sewage treatment plant

2 高壓脈沖電源設(shè)計(jì)方案

高壓脈沖電源即高壓脈沖發(fā)生器是整個(gè)殺菌系統(tǒng)的核心部件之一，在整個(gè)裝置中占有舉足輕重的地位，是實(shí)驗(yàn)?zāi)芊袢〉贸晒Φ年P(guān)鍵。高壓脈沖電源主要由直流高壓，脈沖形成和觸發(fā)開(kāi)關(guān)組成。由于所使用的脈沖電源不同，其波形可以分為矩形波、指數(shù)衰減波、振蕩波等多種形式，在所有波形中矩形波殺菌效率最高，指數(shù)波次之，振蕩波殺菌效果最差[5]。這里選用的是簡(jiǎn)單易得到的指數(shù)波。

本文研究的是將電網(wǎng)輸入的220 V交流電先經(jīng)過(guò)調(diào)壓器調(diào)壓，再經(jīng)過(guò)整流后變成低壓直流電，利用IGBT在觸發(fā)脈沖的作用下交替導(dǎo)通，將其頻率升高，變成交變的脈沖電壓，再經(jīng)高頻脈沖變壓器升壓，最后輸出10 kV的高頻的脈沖電壓，其基本組成框圖如圖2所示。

圖2 脈沖電源設(shè)計(jì)的基本組成框圖Fig.2 The basic composition diagram of the pulsed power supply design

此方法得到高壓脈沖就必須要使用脈沖變壓器，如果處理室內(nèi)電流過(guò)大，脈沖變壓器的瞬間輸出功率也可能很大。本文采用的靜態(tài)處理室，污水無(wú)菌灌裝成袋，所以電流不大，故可以選用此方法。

2.1 高壓脈沖發(fā)生器工作原理

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高壓脈沖發(fā)生器工作原理電路如圖3所示。

圖3 高壓脈沖發(fā)生器工作原理電路Fig.3 High-voltage pulse generator works circuits

由于本實(shí)驗(yàn)要求輸出的峰值電壓可控，所以將普通的220 V工頻交流電通過(guò)調(diào)壓器輸入到整流橋；經(jīng)橋式整流和限流電阻后對(duì)電容器進(jìn)行充電；通過(guò)控制IGBT模塊的導(dǎo)通、關(guān)斷獲得脈沖高電壓，并施加于電極系統(tǒng)上，脈沖電壓的幅值可以通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓器調(diào)節(jié)。開(kāi)關(guān)的速度直接控制著施加在含水污泥上的頻率，脈沖寬度，脈沖前沿等參數(shù)。

2.2 主要元件的典型參數(shù)選取

調(diào)壓器選用TDGC2-20 KV·A調(diào)壓器，額定容量20 KV·A，額定頻率 50 Hz，輸入電壓220 V，輸出電壓（調(diào)壓范圍）0～250 V，額定電流80A；儲(chǔ)能電容選用的是兩個(gè)500 V 1 000 μF電解電容。整流橋選用的是樂(lè)清市光華電子有限公司的單相整流橋模塊MDQ200A 1 600 V。觸發(fā)開(kāi)關(guān)選用的是英飛凌的BSM200GA120DN2的IGBT模塊，規(guī)格是200A/1200V/1單元。

2.3 高壓脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.3.1 主芯片的選用

因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)脈沖寬度和頻率的調(diào)節(jié)，所以選用帶有PWM（脈沖寬度調(diào)制）模塊的主芯片，通過(guò)采集可變電阻的電壓值，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，可以方便調(diào)節(jié)脈寬和頻率。因此在滿足硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上選用了采用飛思卡爾公司汽車電子芯片MC9S12XS 128MAL作為主芯片。飛思卡爾是全球十大半導(dǎo)體廠商之一，也是最大的汽車和通訊產(chǎn)業(yè)嵌入式芯片制造商。2004年，飛思卡爾從摩托羅拉中脫離出來(lái)。飛思卡爾提供所有16位汽車電子解決方案，有著30多年汽車電子的領(lǐng)導(dǎo)地位，并將繼續(xù)開(kāi)拓微控制器技術(shù)。MC9S12XS128MAL芯片為112引腳貼片封裝，有8KB的RAM、128KB的FLASH、8KB的EEPROM、2個(gè)異步串口通信SCI、1個(gè)串行外設(shè)接口SPI、16通道AD轉(zhuǎn)換模塊ADC、1個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊PWM[6]。

2.3.2 信號(hào)的采集

本課題是研究高壓脈沖的占空比D、周期T、電壓幅值V對(duì)含水污泥脫水的影響。所以在搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的時(shí)候要考慮這些參數(shù)的測(cè)量和調(diào)節(jié)，這里測(cè)量的是單片機(jī)PWM輸出信號(hào)的周期T和占空比D。電壓幅值V通過(guò)交流調(diào)壓器調(diào)節(jié)，檢測(cè)通過(guò)測(cè)量脈沖變壓器原邊上線圈上的電壓來(lái)檢測(cè)，進(jìn)而在液晶屏上顯示；占空比D和周期T的調(diào)節(jié)，通過(guò)檢測(cè)可調(diào)電位器上的電壓值，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)檢測(cè)到的不同的電壓值，與事先標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓（5 V）對(duì)應(yīng)的占空比和周期比較，往相應(yīng)的PWM模塊寄存器[6]中寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電壓參數(shù)的目的，顯示就是讀取寄存器中的值。本設(shè)計(jì)同時(shí)檢測(cè)處理室的電流I，便于觀察處理室的狀態(tài)?；ジ芯€圈和脈沖變壓器一同繞制；電位器選用美國(guó)BOURNS多圈精密電位器 3590S-2-103 10K多圈電位器；測(cè)處理室上的電流選用南京托肯TKC 200F電流傳感器，最大檢測(cè)電流200 A。

2.3.3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。

2.3.4 IGBT模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

M579系列驅(qū)動(dòng)器是日本三菱公司為IGBT提供的一種系列驅(qū)動(dòng)模塊。隨著逆變器功率的增大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的抗干擾能力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷IGBT時(shí)的負(fù)電壓。M57962L的內(nèi)部集成了退飽和、檢測(cè)和保護(hù)單元，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT并向外部電路給出故障信號(hào)[7]。它輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為-15 V。其應(yīng)用如圖5所示。

2.3.5 通訊模塊

檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用到的通訊模塊只有一個(gè)SCI。SCI0串口通訊用于液晶顯示模塊。這里采用的是迪文公司帶時(shí)鐘芯片的7寸液晶模塊DMG80480S070_02W，只需要比較簡(jiǎn)單的串口指令就可以完成友好的人機(jī)交互任務(wù)。SCI用一個(gè)MAX232實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面如圖6所示。

圖4 硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram

圖5 基于M57962L的驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 A driving circuit based on M57962L

圖6 觸摸屏界面設(shè)計(jì)Fig.6 Touch-screen interface design

2.5 軟件設(shè)計(jì)

打開(kāi)電源，單片機(jī)上電源指示燈亮，液晶屏工作，顯示的是上次工作參數(shù)界面；通過(guò)可調(diào)電阻，設(shè)置占空比，頻率的參數(shù)值，按下運(yùn)行鍵，單片機(jī)PWM模塊輸出要求的PWM波，驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)工作，電壓曲線實(shí)時(shí)顯示；按下停止鍵，PWM模塊停止工作。在運(yùn)行過(guò)程中，若發(fā)生過(guò)電壓或者過(guò)電流，單片機(jī)停止工作，報(bào)警燈亮。

3 處理室的設(shè)計(jì)

處理室根據(jù)物流可分為靜態(tài)處理室和動(dòng)態(tài)處理室。靜態(tài)處理室相對(duì)簡(jiǎn)單，考慮影響因素少，采用分批次處理，適合可行性研究或流動(dòng)性能較差樣品的處理。

由于受實(shí)驗(yàn)室條件的限制，污水處理量少，且為手工間隙操作，因此處理室可以設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)易的靜態(tài)處理室。該處理室內(nèi)物料是靜止的，由脈沖電源提供極板間的電壓。本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)調(diào)節(jié)兩極板的間距來(lái)獲得不同的場(chǎng)強(qiáng)。樣品無(wú)菌灌裝成小袋，置于極板之間，采用不同的脈沖場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行處理對(duì)比，此處理室尤其適合對(duì)流動(dòng)性能較差的污水進(jìn)行處理[8]。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow diagram

圖8 靜態(tài)處理室Fig.8 Static chamber

4 結(jié)束語(yǔ)

處理裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是PEF技術(shù)研究的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文提出將該技術(shù)應(yīng)用于污水處理上，探求污水處理新的方法。

本文設(shè)計(jì)了高壓脈沖電場(chǎng)處理裝置，其優(yōu)點(diǎn)在于：

1）是基于單片機(jī)控制的低成本的高壓脈沖電源，最高電壓10 kV，最大電流50 A；

2）通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓器和電位器，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖電場(chǎng)主要參數(shù)的方便調(diào)節(jié)，電壓幅值0～10 kV，占空比10%～90%，脈沖頻率 1～100 Hz；

3）能夠?qū)崿F(xiàn)處理電流、電壓、脈寬、頻率的監(jiān)控，液晶屏直觀顯示，有過(guò)載保護(hù)電路；

4）本文設(shè)計(jì)的處理裝置是為了研究高壓脈沖在污水處理上的應(yīng)用，但還有很多問(wèn)題尚待解決，包括功率不夠大，處理室尚屬于靜態(tài)處理室等。

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Design of sewage treatment system based on high-voltage pulsed electric field technology

LI Tang， WANG Ya-wei， ZHAO Zhen-liang， YOU Li-hua
（School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Contrary to the problem that the high moisture content of the excess sludge of the sewage treatment plant，up to 70%to 80% ， the paper proposed a sewage treatment method based on the high-voltage pulse electric field （HPEF）technology，according to the composition of sewage and the feature of its treatment technology.The paper systematically expounded of how to design a pulsed electric field theoretically，and design a low-cost high-voltage pulse power supply with the peak impulse voltage 10 kV and impulse current to 50 A，which also can easily adjust the electric field parameters.

high-voltage pulse electric field； sewage treatment； moisture content； parameters

TM135

A

1674－6236（2013）04－0104－03

2012－10－24稿件編號(hào)201210156

李 唐（1987—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生。研究方向：檢測(cè)與控制。