基于高壓脈沖電場技術的污水處理系統研究設計

李 唐，王亞偉，趙振良，尤麗華

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

基于高壓脈沖電場技術的污水處理系統研究設計

李 唐，王亞偉，趙振良，尤麗華

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

針對污水處理廠剩余污泥含水率高，達到70%～80%，不利于進一步處理的問題，根據污水成分及其處理工藝特點，提出了一種基于高壓脈沖電場技術的污水處理的方法。本文從理論上系統地闡述了高壓脈沖電場處理裝置的研制，設計了低成本高壓脈沖電源，最高電壓10 kV，最大電流50 A，并且能方便的調節電場參數。

高壓脈沖電場；污水處理；含水率；參數

從污水處理后剩余污泥的處理和處置技術的發展來看，工藝依然是基本的四類：填埋、土地利用、焚燒和建材利用。其中對剩余污泥進行焚燒處理，因為能夠使污泥變廢為寶，制成建筑用材，實現了可循環利用，因而該方法要優于簡單的填埋。

但是污水處理廠剩余污泥含水率高，達到70%～80%，導致了在焚燒過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現，空隙水（顆粒間隙中的游離水）約占70%，毛細水（是在高度密集的細小污泥顆粒周圍的水，由毛細管現象而形成的）約占20%，顆粒表面吸附水和內部結合水約占10%[1]。傳統的濃縮/機械脫水工藝，只能去除大部分呈自由狀態和部分毛細水。要進一步降低污泥的含水率，必須改變污泥的理化結構，減少膠體顆粒與水的親和力，對污泥中的微生物進行破壁處理，改善污泥的脫水性能。

高壓脈沖電場（pulsed electrical fields，簡稱PEF）技術是近年來研究最多的非熱加工技術之一[2]，目前多數學者認為高壓脈沖電場技術的機理是通過外部電場與微生物細胞膜直接作用，從而破壞細胞膜的結構，形成“電穿孔”即破壁而導致微生物滅亡[3]。穿孔效應假說可以通過電子顯微鏡下的照片顯示來證實，酵母菌被處理后可以見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理在瞬間使細胞破壁，使細胞內的水分流出，改變污泥理化結構，再通過濃縮/脫水，從而達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，設計了一種污水處理實驗裝置，并對該方法的經濟性進行了比較分析。

1 總體設計方案

首先是實驗裝置的設計，包括高壓脈沖電源的設計和處理室的設計。

處理室有靜態和動態兩類。靜態處理室處理腔容積小，考慮因素少，不適合大規模工業化應用。但是，靜態處理室適合實驗室操作，可以找出相關因素的參數。因此在實驗初級階段靜態處理室的建立是必不可少的[4]。本文介紹的是基于靜態處理室的高壓脈沖污水處理研究。系統的工作方式是：污水預先無菌灌裝成袋后放人處理室處理，經脈沖電場處理后，取出污水袋，通過顯微鏡觀察含水污泥成分，依此循環，在不同的高壓脈沖參數下取樣，來觀察處理效果。

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

2 高壓脈沖電源設計方案

高壓脈沖電源即高壓脈沖發生器是整個殺菌系統的核心部件之一，在整個裝置中占有舉足輕重的地位，是實驗能否取得成功的關鍵。高壓脈沖電源主要由直流高壓，脈沖形成和觸發開關組成。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，指數波次之，振蕩波殺菌效果最差[5]。這里選用的是簡單易得到的指數波。

本文研究的是將電網輸入的220 V交流電先經過調壓器調壓，再經過整流后變成低壓直流電，利用IGBT在觸發脈沖的作用下交替導通，將其頻率升高，變成交變的脈沖電壓，再經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 脈沖電源設計的基本組成框圖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，如果處理室內電流過大，脈沖變壓器的瞬間輸出功率也可能很大。本文采用的靜態處理室，污水無菌灌裝成袋，所以電流不大，故可以選用此方法。

2.1 高壓脈沖發生器工作原理

本實驗設計的高壓脈沖發生器工作原理電路如圖3所示。

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

由于本實驗要求輸出的峰值電壓可控，所以將普通的220 V工頻交流電通過調壓器輸入到整流橋；經橋式整流和限流電阻后對電容器進行充電；通過控制IGBT模塊的導通、關斷獲得脈沖高電壓，并施加于電極系統上，脈沖電壓的幅值可以通過調節調壓器調節。開關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。

2.2 主要元件的典型參數選取

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

2.3 高壓脈沖發生器驅動設計

2.3.1 主芯片的選用

因為要實現脈沖寬度和頻率的調節，所以選用帶有PWM（脈沖寬度調制）模塊的主芯片，通過采集可變電阻的電壓值，經AD轉換，可以方便調節脈寬和頻率。因此在滿足硬件設計的基礎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體廠商之一，也是最大的汽車和通訊產業嵌入式芯片制造商。2004年，飛思卡爾從摩托羅拉中脫離出來。飛思卡爾提供所有16位汽車電子解決方案，有著30多年汽車電子的領導地位，并將繼續開拓微控制器技術。MC9S12XS128MAL芯片為112引腳貼片封裝，有8KB的RAM、128KB的FLASH、8KB的EEPROM、2個異步串口通信SCI、1個串行外設接口SPI、16通道AD轉換模塊ADC、1個8通道脈沖寬度調制模塊PWM[6]。

2.3.2 信號的采集

本課題是研究高壓脈沖的占空比D、周期T、電壓幅值V對含水污泥脫水的影響。所以在搭建實驗平臺的時候要考慮這些參數的測量和調節，這里測量的是單片機PWM輸出信號的周期T和占空比D。電壓幅值V通過交流調壓器調節，檢測通過測量脈沖變壓器原邊上線圈上的電壓來檢測，進而在液晶屏上顯示；占空比D和周期T的調節，通過檢測可調電位器上的電壓值，經AD轉換，根據檢測到的不同的電壓值，與事先標定的標準電壓（5 V）對應的占空比和周期比較，往相應的PWM模塊寄存器[6]中寫入相應的數據，從而達到調節電壓參數的目的，顯示就是讀取寄存器中的值。本設計同時檢測處理室的電流I，便于觀察處理室的狀態?；ジ芯€圈和脈沖變壓器一同繞制；電位器選用美國BOURNS多圈精密電位器 3590S-2-103 10K多圈電位器；測處理室上的電流選用南京托肯TKC 200F電流傳感器，最大檢測電流200 A。

2.3.3 硬件設計

系統的硬件框圖如圖4所示。

2.3.4 IGBT模塊驅動設計

M579系列驅動器是日本三菱公司為IGBT提供的一種系列驅動模塊。隨著逆變器功率的增大和結構的復雜，驅動信號的抗干擾能力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅動信號關斷IGBT時的負電壓。M57962L的內部集成了退飽和、檢測和保護單元，當發生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT并向外部電路給出故障信號[7]。它輸出的正驅動電壓為+15 V，負驅動電壓為-15 V。其應用如圖5所示。

2.3.5 通訊模塊

檢測系統中應用到的通訊模塊只有一個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鐘芯片的7寸液晶模塊DMG80480S070_02W，只需要比較簡單的串口指令就可以完成友好的人機交互任務。SCI用一個MAX232實現電平轉換。

2.4 觸摸屏界面設計

人機界面如圖6所示。

圖4 硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram

圖5 基于M57962L的驅動電路Fig.5 A driving circuit based on M57962L

圖6 觸摸屏界面設計Fig.6 Touch-screen interface design

2.5 軟件設計

打開電源，單片機上電源指示燈亮，液晶屏工作，顯示的是上次工作參數界面；通過可調電阻，設置占空比，頻率的參數值，按下運行鍵，單片機PWM模塊輸出要求的PWM波，驅動IGBT開關工作，電壓曲線實時顯示；按下停止鍵，PWM模塊停止工作。在運行過程中，若發生過電壓或者過電流，單片機停止工作，報警燈亮。

3 處理室的設計

處理室根據物流可分為靜態處理室和動態處理室。靜態處理室相對簡單，考慮影響因素少，采用分批次處理，適合可行性研究或流動性能較差樣品的處理。

由于受實驗室條件的限制，污水處理量少，且為手工間隙操作，因此處理室可以設計成簡易的靜態處理室。該處理室內物料是靜止的，由脈沖電源提供極板間的電壓。本實驗是通過調節兩極板的間距來獲得不同的場強。樣品無菌灌裝成小袋，置于極板之間，采用不同的脈沖場強進行處理對比，此處理室尤其適合對流動性能較差的污水進行處理[8]。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow diagram

圖8 靜態處理室Fig.8 Static chamber

4 結束語

處理裝置系統的設計是PEF技術研究的一項關鍵技術。本文提出將該技術應用于污水處理上，探求污水處理新的方法。

本文設計了高壓脈沖電場處理裝置，其優點在于：

1）是基于單片機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）通過調節調壓器和電位器，能夠實現脈沖電場主要參數的方便調節，電壓幅值0～10 kV，占空比10%～90%，脈沖頻率 1～100 Hz；

3）能夠實現處理電流、電壓、脈寬、頻率的監控，液晶屏直觀顯示，有過載保護電路；

4）本文設計的處理裝置是為了研究高壓脈沖在污水處理上的應用，但還有很多問題尚待解決，包括功率不夠大，處理室尚屬于靜態處理室等。

[1]ánchez-Moreno，Concepción，Lucia Plaza，et al.Nutritional approaches and health-related properties of plant foods processed by high pressure and pulsed electric fields[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2009，49（6）:552-576.

[2]Aarne V P，Hsu Cheng-Chao.Limits of sludge dewaterability[J].Wat.Sci.Tech，1997，36（11）:87-91.

[3]Tsong T Y.Electroporation of cell membranes[J].Biophys J，1991（60）:297-306.

[4]柳貢強.一種新型高壓脈沖電場殺菌裝置的研制[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2008.

[5]吳為民，李樹杰，許東衛.脈沖高電壓液體滅菌技術的研究[J].高電壓技術，1994（4）：3-7.

WU Wei-ming，LI Shu-jie，XU wei-dong.Pulsed high voltage liquid sterilization technology[J].High Voltage Engineering，1994（4）：3-7.

[6]Freescale corporation.MC9S12XEP100RMV1.pdf[EB/OL].[2011-10-21].http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=S12XE&fpsp=1&tab=Documentation_Tab.

[7]IGBT驅動與保護電路設計及應用電路設計[M].北京:機械工業出版社，2011.

[8]尤吉，顏惠庚，杜存臣.小型高壓脈沖電場殺菌系統的試制[J].食品與機械2007，23（1）：107-108，138.

YOU Ji，YAN Hui-geng，DU cun-chen.The small HPEF sterilization system trial[J].Food and Machinery，2007，23（1）：107-108，138.

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201210156

李 唐（1987—），男，江蘇揚州人，碩士研究生。研究方向：檢測與控制。