双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的影响

张江石; 周和军

doi:10.12030/j.cjee.201907074

双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的影响

张江石^1,2, ,,
周和军¹

1.
中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083
2.
华北科技学院，河北省矿井灾害防治重点实验室，三河 065201

作者简介: 张江石(1973—)，男，博士，教授。研究方向：矿井粉尘治理。E-mail：zhangjs@cumtb.edu.cn

通讯作者: 张江石, E-mail: zhangjs@cumtb.edu.cn ;

基金项目:
河北省矿井灾害防治重点实验室开放基金(KJZH2016K03)
中图分类号: X701

Effect of two-zone electrocoagulation technology on improving the coagulation efficiency of fine dust

ZHANG Jiangshi^1,2, ,,
ZHOU Hejun¹

1.
College of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China
2.
Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, North China Institute of Science and Technology, Sanhe 065201, China

Corresponding author: ZHANG Jiangshi, zhangjs@cumtb.edu.cn ;

摘要: 为了进一步提高电凝并装置对细微粉尘的凝并效率，降低细微粉尘对人体的危害，设计一种由双极芒刺预荷电区和平行板收尘区组成的双区芒刺式电凝并装置，通过实验探究了安装双区芒刺预荷电装置、极配间距、外加电压3个凝并参数对细微粉尘凝并效率的影响。结果表明：当外加电压≤13 kV时，细微粉尘的凝并效率随外加电压的升高而增大，而当外加电压>13 kV时，电凝并效率无明显提高；安装双极芒刺预荷电装置和缩短极配间距都可以有效提高细微粉尘凝并效率，当外加电压为13 kV时，极配间距由0.03 m缩短至0.02 m，各粒径粉尘的凝并效率均有10%以上的提高。根据实验结果可以得出，细微粉尘电凝并最优实验参数为安装双极芒刺预荷电装置、极配间距0.02 m、外加电压13 kV。以上研究结果可为电凝并技术的推广及工业应用提供参考。
- 细微粉尘 /
- 电凝并 /
- 极配间距 /
- 外加电压
Abstract: In order to further improve the coagulation efficiency of fine dust by electrocoagulation device and reduce its harm to human body, a type of two-zone thorn-type electrocoagulation device consisting of bipolar burr pre-charged area and parallel plate dust collection area was developed. And the experiments were conducted to study the effects of three coagulation parameters: the installation of two-zone burr pre-charged device, the polar spacing, the applied voltage on the coagulation efficiency of fine dust. The results showed that when the applied voltage was not higher than 13 kV, the coagulation efficiency of fine dust increased with the increase of applied voltage. While the electrocoagulation efficiency didn’t increase obviously when the applied voltage exceeded 13 kV. The installation of bipolar burr pre-charge device and shortening polar spacing could effectively improve the coagulation efficiency of fine dust. When the applied voltage was 13 kV and the polar spacing was reduced from 0.03 m to 0.02 m, the coagulation efficiencies of dusts with all sizes increased by over 10%. According to the experimental results, the optimal experimental parameters for fine dust electrocoagulation were as follows: the installation of the bipolar burr pre-charge device, the polar spacing of 0.02 m, and the applied voltage of 13 kV. The research results can provide a theoretical basis for the promotion of electrocoagulation technology and industrial applications.
- fine dust /
- electrocoagulation /
- polar spacing /
- applied voltage

精神活性物质是指对人类中枢神经系统具有强烈兴奋或抑制作用的成瘾性物质，主要包括：阿片类，可卡因、海洛因和美沙酮等；安非他命类，苯丙胺、甲基苯丙胺和摇头丸等；大麻类，大麻酚和四氢大麻酚等^[1]。《2021年世界毒品形势报告》显示，全球超过约2.75亿（15—64岁）人口，在过去一年中至少使用过一次精神活性物质，比2010年增加22%，每年约50万人直接死于精神活性物质的滥用^[2]，精神活性物质的滥用已经成为全球关注的问题。精神活性物质进入人体后，经过肌体的新陈代谢，以药物母体及其代谢产物的形式排出体外，经由下水道进入污水处理系统。Christian^[3]在2001年首次提出，通过检测市政污水中目标物质的浓度与人体药物代谢动力学相结合，可以反推评估该地区精神活性物质的滥用情况及流行率。目前对市政污水中低浓度精神活性物质定性定量检测的主流方法为液相色谱质谱联用法^[4]及气相色谱质谱联用法^[5]。美国^[6-7]、意大利^[8]、西班牙^[9]、澳大利亚^[10]等多个国家已经利用Christian提出的方法开展了多种精神活性物质滥用情况的调查研究。

目标覆盖区域的服务人口数是利用精神活性物质滥用情况反推其滥用量及流行率过程中一个非常重要的参数，其数值的合理性和准确程度极大影响着推算结果的准确度。目前，目标覆盖区域服务人口数的推算方法主要有静态法和动态法，静态法有设计容量法和人口普查法等；动态法有水质参数法，常用的水质参数包括氨氮（NH₄-N）、化学需氧量（COD）和总氮（TN）等^[11]，生物标志物法，常用的生物标志物包括可替宁、肌酸酐和咖啡因等^[12]。其中设计容量法更偏向污水处理厂初建时设计的服务人口数，水质参数法和人均用水量法受工业污水占比影响较大，生物标志物法会受到年龄和身体状况等参数的影响，造成吸收和代谢的比例不一致。每种推算方法都有自身的特点和局限性，会给调查结果带来不确定性。因此，服务人口数的估算直接影响目标物滥用量和流行率的反演推算结果。

本研究使用层次分析法，综合多种目标覆盖区域服务人口数的估算方法，建立多参数人口模型，以此获得更为准确的服务人口数，并应用于精神活性物质滥用量和流行率的评估。

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 实验材料

实验试剂与耗材：甲基苯丙胺（METH）、苯丙胺（AMP）、吗啡（MOR）、O⁶乙酰吗啡（6MAM）、可替宁（CTN）（1 mg·mL⁻¹，美国Cerilliant公司）；甲基苯丙胺-d₈（METH-d₈）、苯丙胺-d₈（AMP-d₈）、吗啡-d₃（MOR-d₃）、O⁶乙酰吗啡-d₃（6MAM-d₃）、可替宁-d₃（CTN-d₃）（100 μg·mL⁻¹，美国Cerilliant公司）；甲醇、二氯甲烷、氨水（色谱纯，上海安谱实验科技股份有限公司）；盐酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、MCX固相萃取柱（3mL, 60 mg，美国Waters公司），玻璃纤维滤膜（0.45 μm，Whatman GF/F）；

实验设备：Thermo Scientific TSQ Endura型高效液相色谱质谱仪（美国Thermo Scientific公司），WD-12型氮吹仪（杭州奥盛仪器有限公司），12孔配真空抽干装置固相萃取仪（美国Supelco公司），XW-80A型旋涡混合器（上海精科实业有限公司）。

1.2 样品采集

样品采集于我国西北部某城市主城区污水处理厂（S1、S2、S3、S4）和县（市、区）污水处理厂（X1、X2、X3、X4），以上8个污水处理厂基本覆盖该市所有行政区，覆盖人口数约占全市人口总数的89%。使用自动取样器于2019年冬季和2020年夏季，在污水处理厂进水口采集24 h混合水样约400 mL，样品连续采集一周。精神活性物质的吸食频率存在一定的周期性，连续采集样品一周基本能反映一个地区精神活性物质的滥用情况。样品采集后存放于聚酯（PET）瓶内，加盐酸调节pH≤2，冷冻运输至实验室，待后续分析。

1.3 样品前处理

样品在常温下解冻，经0.45 μm的玻璃纤维滤膜过滤，振荡混合均匀，量取50 mL滤液并添加氘代内标为待测样，固相萃取富集目标物：分别用甲醇、超纯水和pH 2的盐酸水溶液充分活化并平衡固相萃取柱，固相萃取待测样，样品流速控制在每滴1—2 s。富集完成后真空干燥固相萃取柱，依次用甲醇和5%氨水/甲醇溶液（M/M）淋洗洗脱并收集洗脱液。洗脱液在柔和氮气吹至近干后用20%（V/V）甲醇水复溶，转移至色谱瓶进行二次氮吹，最后用200 μL 20%（V/V）甲醇水溶液定容。

1.4 样品分析

使用Thermo Scientific TSQ Endura型高效液相色谱-质谱联用仪进行分析。色谱条件为：Waters XTerra MS C18反相色谱柱（100 mm×2.1 mm, 3.5 μm），流动相A为0.12%甲酸和30 mmol·L⁻¹甲酸铵水溶液，B相为甲醇，流速0.3 mL·min⁻¹，柱温30℃，进样量5 μL。质谱选用电喷雾离子源（ESI），采用ESI（＋）模式。目标物特征选择离子、质谱条件及回收率如表1所示。

表 1 目标物特征选择离子、质谱条件及回收率

Table 1. Target feature selection ions, mass spectrometry conditions and recovery rate

物质Compound	母离子Parent ionm/z	定量离子Quantitative ion			定性离子Qualitative ion			保留时间/minRetention time	回收率/%Recovery rate
物质Compound	母离子Parent ionm/z	m/z	DP/V	CE/V	m/z	DP/V	CE/V	保留时间/minRetention time	回收率/%Recovery rate
MOR	286.0	152.1	82.0	55.0	165.0	82.0	32.0	2.73	88.45±5.22
MOR-d₃	289.2	152.1	80.0	55.0	165.0	80.0	41.0	2.72	—
6MAM	328.1	165.3	90.0	36.0	211.3	90.0	36.0	4.35	84.61±3.40
6MAM-d₃	331.1	165.1	90.0	38.3	211.2	90.0	25.0	4.36	—
METH	150.1	91.1	30.0	16.0	119.1	30.0	16.0	4.62	101.65±4.95
METH-d₈	158.2	93.2	40.0	19.0	124.2	40.0	10.3	4.59	—
AMP	136.1	91.1	40.0	21.0	119.1	40.0	21.0	4.51	99.00±4.90
AMP-d₈	144.2	127.2	40.0	10.3	97.2	40.0	16.0	4.44	—
CTN	177.2	80.2	30.0	24.0	101.2	30.0	11.0	3.09	98.31±4.78
CTN-d₃	180.1	80.2	30.0	25.0	101.2	30.0	22.4	3.08	—

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1.5 质量控制

配制浓度分别为：1.56、3.13、6.25、12.50、25.00、50.00、100.00、150.00、200.00、250.00、300.00 μg·L⁻¹的混合标准溶液，绘制标准曲线，线性良好（R²≥0.999）。

为确定目标物回收率在合理范围内，每12个样品添加一组浓度为100.00 μg·L⁻¹的混合标准溶液为质控样品，结果显示目标物的回收率均在85%—105%之间。同时每12个样品添一组空白实验。

1.6 计算方法

利用水质参数法、生物标志物法和人均用水量法计算服务人口数，具体计算方法如式所示：

${{P}}_{{T}}\text=\frac{{C}_{T}\times F}{{{m}}_{{T}}}$

$(1)$

式（1）中，P_T是通过水质参数T计算后得到的服务人口数（万人）；C_T为水质参数T的浓度（mg·L⁻¹）；m_T是水质参数T的人均产生量（g·d⁻¹）；F为污水处理厂日均处理量（10⁴ m³·d⁻¹）。

本文选用的水质参数T为氨氮（NH₄-N），由于地区、生活习惯、年龄和性别比例的不同，人均排放量的比例亦不相同，结合文献调查结果^[13-14]和该市具体情况，人均排放量m_T取值为10 g·d⁻¹。

${{P}}_{{{S}}}=\frac{{C}_{{{S}}}\times F}{{{m}}_{{S}}}$

$(2)$

式（2）中，P_S是通过生物标志物S计算后得到的服务人口数（万人）；C_S为生物标志物S的浓度（mg·L⁻¹）；m_S是生物标志物的日产生量（g·d⁻¹）；F为污水处理厂日均处理量（10⁴ m³·d⁻¹）。

本文选用的生物标志物为可替宁，根据该市的烟草消耗、尼古丁含量及其在人体内代谢比例，运用水晶球软件模拟得到该市人均可替宁日产生量为1.47 mg·d⁻¹。

${{P}}_{Q}=\frac{Q}{1{0}^{-3}\overline{Q}}$

$(3)$

式（3）中，P_Q是通过人均用水量法计算得到的服务人口数（万人）；Q为污水处理厂日均处理污水量（10⁴ m³·d⁻¹）； $\overline Q$ 为该市人均用水量（L·d⁻¹）。

该市2019年水资源利用公报显示，城镇居民和农村居民人均用水量分别为123 L·d⁻¹和52.9 L·d⁻¹。

检验层次分析法建立模型的合理性与可靠性，需要对判断矩阵一致性进行检验，公式为：

$\mathrm{C}.\mathrm{I}.=\frac{{\lambda }_{max}-n}{n-1}$

$(4)$

$\mathrm{C}.\mathrm{R}.=\frac{{\rm{C}}.{\rm{I}}.}{{\rm{R}}.{\rm{I}}.}$

$(5)$

式（4）和（5）中，C.I.为计算一致性指标；λ_max为判断矩阵的最大特征值；n为矩阵阶数；R.I.是判断矩阵特征值的算术平均数，当n=4时取值0.90；C.R.为计算一致性比例。

精神活性物质滥用量及流行率的具体计算公式如下：

${{C}}_{\text{i,1}}=\frac{{{C}}_{\text{i,2}}\times {{M}}_{\text{i,1}}}{{E}\times{{M}}_{\text{i,2}}}$

$(6)$

式（6）中，C_i,1是精神活性物的浓度（μg·L⁻¹）；C_i,2是精神活性物质标志物的浓度（μg·L⁻¹）；M_i,1和M_i,2分别是精神活性物及其标志物的分子质量；E是精神活性物质标志物的代谢率，甲基苯丙胺的生物标志物为母体，代谢率为42%，海洛因的生物标志物为吗啡，代谢率为77%^[15]。

${m}_{i}=\frac{{C}_{i,1}\times {F}^{\text{'}}}{P}$

$(7)$

式（7）中，m_i是精神活性物质的人均滥用量（μg·d⁻¹）；C_i,1是精神活性物的浓度（10⁻³ μg·L⁻¹）；F'是污水处理厂进水流量（10⁴ m³·d⁻¹）；P是服务人口数（万人）。

$\mathrm{P}\mathrm{R}\left(\%\right)=\frac{{m}_{i}}{{R}_{18—60}\times D\times n}\times \text{100\%}$

$(8)$

式（8）中，PR为特定时间内，使用某种精神活性物质的人群数量占18——60岁总人数数量的比例；R_18—60是该市居民中18—60岁的成年人口比例，经调查该市居民18—60岁成年人口的比例为62.4%；D是精神活性物质使用的典型剂量大小（mg·次⁻¹），n是每天的平均使用频率（次·d⁻¹）。

Bao等^[16]研究发现，甲基苯丙胺的典型剂量为（135±80）mg·次⁻¹，平均使用频率为0.31 次·d⁻¹；陈小波，乔静等^[17-18]研究发现，海洛因的典型剂量为44 mg·次⁻¹，平均使用频率为2.40 次·d⁻¹。

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 污水处理厂服务人口数计算模型

计算所需相关参数大小如表2所示。通过各方法获得的污水处理厂服务人口数，相关数据如表3所示。

表 2 各方法相关参数

Table 2. Correlation parameters of each method

污水处理厂Sewage treatment plant	日处理污水量/万tDaily amount of sewage treated	NH₄-N/（mg·L⁻¹）	可替宁/（μg·L⁻¹）Cotinine concentration
S1	7.50	67.50	5.88
S2	15.00	60.72	5.29
S3	7.50	49.98	6.21
S4	5.50	49.57	6.07
X1	1.00	107.93	8.05
X2	0.50	30.97	4.46
X3	0.30	50.45	6.34
X4	2.00	28.39	4.14

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表 3 污水处理厂服务人口数（万人）

Table 3. Population served by sewage treatment plant （ten thousand people）

污水处理厂Sewagetreatment plant	专家估算人口Expert estimates of population	设计容量法Design capacity method	水质参数法Water quality parameter method	生物标志物法Biomarker method	人均用水量法Per capita water consumption	多参数模型法Multi-parameter model method
S1	41.1	30.0	50.6	30	48.8	37.2
S2	52.1	70.0	91.1	54	85.4	68.1
S3	40.7	50.0	37.5	32	42.7	36.3
S4	22.0	27.0	27.3	23	44.7	27.2
X1	4.70	6.00	11.0	5.5	15.3	8.08
X2	2.00	2.30	1.50	1.5	4.80	2.00
X3	1.54	3.00	1.50	1.3	4.00	1.85
X4	5.72	8.00	5.70	5.6	30.7	9.10

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专家估算人口是以该市统计年鉴人口数为基础，结合污水处理厂日内污水流量波动、日间污水处理量波动和污水来源组成等因素综合推算得到的污水处理厂服务人口数。Castiglioni等^[19]认为专家估算人口是最可靠的服务人口数的估算方法，因此以专家估算人口数为标准判断各方法推算服务人口数的准确度。但是该方法耗时耗力且经济成本较高。设计容量法是一种较为方便和简单获得服务人口数的方法，但是设计容量法获得的人口数更偏向污水处理厂初建设计的服务人口数，获得的服务人口数往往高于实际人口数。但也存在一些污水处理厂满负荷运行，甚至高于污水处理厂初建设计的服务人口数，如S1。而通过水质参数法推算的服务人口数，会受到工业污水的影响，导致主城区服务人口数偏高。主要是因为主城区4个污水处理厂的工业污水业占比较高，导致氨氮数据偏高，从而影响服务人口数的估算。生物标志物法推算的服务人口数也会与真实服务人口数有所差异，这是因为可替宁是尼古丁通过细胞色素P450（CYP）亚型2A6介导产生的代谢物^[20]，年龄和身体状况的差异，会导致尼古丁代谢为可替宁的比例不同。人均用水量法推算得到的服务人口数明显偏高，主要原因有两个方面，一是污水处理厂的人均用水量数据比实际值高；二是污水处理厂的工业污水占比比登记值高，从而导致推算结果的偏高。

由此可见，使用不同方法推算污水处理厂的服务人口数会得到不同的数据，每种方法都有其自身的特点和局限性，为减小单个计算方法带来的不确定性，本文使用层次分析法对不同参数所占的权重进行计算，建立污水处理厂服务人口数多参数计算模型。

在层次分析中，以可替宁计算得到的服务人口数为基础，其他方法推算的服务人口数与可替宁推算人口的相关系数矩阵（表4）作为依据，使用1—9标度法对重要性进行对比打分，将服务人口数相关系数矩阵转为服务人口数判断矩阵（表5），对不同方法的权重进行赋值。

表 4 服务人口数相关系数矩阵

Table 4. Correlation coefficient matrix of service population

	设计容量人口Design capacity population	水质参数法Water quality parameter method	生物标志物法Biomarker method	人均用水量法Per capita water consumption
设计容量人口	1	0.55	0.43	0.83
水质参数法		1	0.53	0.77
生物标志物法			1	0.57
人均用水量法				1

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表 5 服务人口数判断矩阵

Table 5. Judgment matrix of service population

	设计容量人口Design capacity population	水质参数法Water quality parameter method	生物标志物法Biomarker method	人均用水量法Per capita water consumption
设计容量人口	1	1/4	1/5	1
水质参数法	4	1	1/4	2
生物标志物法	5	4	1	3
人均用水量法	1	1/2	1/3	1

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计算得到的多参数人口模型公式为：

$P=0.09\times P_{设计容量法}+0.23\times P_{水质参数法}+0.55\times P_{生物标志物法}+0.13\times P_{人均用水量法}$

$(9)$

对矩阵的一致性进行检验，得到C.R.为0.078<0.1，认为矩阵的一致性是可以接受的。

各方法计算得到的服务人口数与专家估算服务人口数相关性分析如图1所示。相关性分析中，设计容量法的R²=0.9037，水质参数法的R²=0.8850，生物标志物法的R²=0.9238，人均用水量法的R²=0.8238，多参数模型法的R²=0.9472，其中多参数模型法得到的服务人口数与专家估算的服务人口数相关性最强,更能够准确反映服务人口数。

图 1 各方法相关性分析

Figure 1. Correlation analysis of different methods

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2.2 全市精神活性物滥用情况

该市2019和2020年甲基苯丙胺和海洛因人均滥用量如图2所示。在2019年和2020年两次精神活性物质滥用调查中，每个样品均检出甲基苯丙胺和吗啡，甲基苯丙胺的人均滥用量分别为（112.60±25.20）μg·d⁻¹和（92.81±28.41）μg·d⁻¹；海洛因的人均滥用量分别为（31.70±10.93）μg·d⁻¹和（25.65±11.42）μg·d⁻¹。以《2019年中国毒品形势报告》、《2020年中国毒情形势报告》和该市公安部门提供的吸食精神活性物质信息为基础，从图2可以看出，该市主要吸食的传统精神活性物质为甲基苯丙胺，这也与《2020年中国毒情形势报告》相一致，同时该地区海洛因滥用量水平低于全国滥用量水平^[21-22]。与2019年相比，2020年精神活性物质滥用量有所减小。我国传统精神活性物质以甲基苯丙胺和海洛因为主，因此精神活性物质总滥用量多采用两种物质加和的形式^[21-22]，该市精神活性物质总滥用情况为2019年（144.30±30.56）μg·d⁻¹和2020年（118.46±37.34）μg·d⁻¹。这与该市公安部门自2019年起加强对精神活性物质制造、贩售和吸食等行为的打击力度有着密不可分的关系。同时考虑到我国有近85%的毒品来源于金三角、金新月和北美等境外地区，2020年新冠疫情致使国内涉毒行为和境外流动受限也是导致精神活性物质滥用量下降的一个原因。对该市八个主城区及县（市、区）的精神活性物质滥用调查发现该市S2和S3的AMP/METH比值高于苯丙胺全部由甲基苯丙胺代谢的理论比值0.05—0.24^[23]（S2比值为0.99±0.17，S3比值为0.83±0.19），说明这两个地区苯丙胺存在其他来源。我国临床禁止使用苯丙胺类药物，因此可以推断这两个地区存在苯丙胺的滥用。同时该市的滥用量均小于北京、广州和大连等地^[24-26]，主城区高于县（市、区），说明精神活性物质的滥用情况与经济发展程度有关。这也与Bishop等^[27]对小城市和农村精神活性物质的滥用量调查结果相一致，城市化水平和经济发展程度更高以及富裕人口更多的小城市，精神活性物质的滥用量高于农村精神活性物质的滥用量。经济的迅速发展导致人们生活节奏变快，在心理上，人们往往会选择吸食精神活性物质来释放压力，从而使得经济条件发达的地区精神活性物质的滥用情况更严重。

图 2 目标区域甲基苯丙胺（a）和海洛因（b）人均滥用量

Figure 2. Methamphetamine （a） and heroin （b） abuse per capita in target areas

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2.3 全市精神活性物质流行率

该市2019和2020年精神活性物质流行率，如表6所示。该市2019和2020年甲基苯丙胺的流行率分别为0.49%±0.17%和0.34%±0.11%，2019和2020年海洛因的流行率分别为0.48‰±0.17‰和0.39‰±0.18‰。该市18—60岁成年人甲基苯丙胺的流行率在Shao等^[28]调查的全国15—65岁成年人甲基苯丙胺流行率0.08%—1.25%范围内，低于Pei等^[29]对北京甲基苯丙胺流行率的估算。海洛因流行率低于Du等^[26]调查的全国主要城市海洛因的平均流行率1.01‰。甲基苯丙胺的流行率与海洛因的流行率相比处于较高水平，这也与近年来甲基苯丙胺缉获量远高于海洛因缉获量这一事实相符合。造成以上现象的主要原因是甲基苯丙胺在中国更容易获得，其合成几乎不受地理位置的限制，从而导致甲基苯丙胺的流行率在某种程度上远高于海洛因的流行率。

表 6 精神活性物质流行率

Table 6. Epidemic rate of psychoactive substances

污水处理厂Sewage treatment plant	2019年		2020年
污水处理厂Sewage treatment plant	METH流行率/%Prevalence rate	MOR流行率/‰Prevalence rate	METH流行率/%Prevalence rate	MOR流行率/‰ Prevalence rate
S1	0.46	0.48	0.57	0.56
S2	0.60	0.48	0.41	0.55
S3	0.49	0.39	0.37	0.23
S4	0.45	0.43	0.28	0.35
X1	0.30	0.54	0.24	0.44
X2	0.26	0.19	0.19	0.05
X3	0.50	0.52	0.32	0.60
X4	0.83	0.83	0.35	0.35

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3. 结论（Conclusion）

利用设计容量法、水质参数法、生物标志物法和人均用水量法对污水处理厂的服务人口数进行推算，使用层次分析法对权重进行赋值，建立了更合理的污水处理厂服务人口数估算模型，同时评估了2019和2020年该市精神活性物质的滥用量和流行率。结果显示，该市2019和2020年甲基苯丙胺的人均滥用量为（112.60±25.20）μg·d⁻¹和（92.81±28.41）μg·d⁻¹，流行率为0.49%±0.17%和0.34%±0.11%；海洛因的人均滥用量（31.70±10.93）μg·d⁻¹和（25.65±11.42）μg·d⁻¹，流行率为0.43‰±0.10‰和0.41‰±0.18‰。该市2020年较2019年精神活性物质的滥用量有所下降，不仅是因为公安机关加大了对毒品制造、贩卖、吸食的打击力度，也是新冠疫情防疫措施导致毒品的流通受阻所带来的结果，同时经济发展水平在一定程度上也影响了精神活性物质的滥用程度。

图 1 双区芒刺式电凝并装置示意图

Figure 1. Schematic diagram of electrocoagulation device of double area burr type

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图 2 样品粉尘粒径分布

Figure 2. Particle size distribution of sample dust

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图 3 不同电压下各种粒径粉尘的凝并效率

Figure 3. Coagulation efficiency of dust with different particle sizes at different voltages

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图 4 有无双极荷电装置情况下不同粒径粉尘的凝并效果对比

Figure 4. Comparison of the coagulation effects of dusts with different particle sizes under the conditions with or without dipole charge device

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图 5 不同极配间距下各粒径粉尘的凝并效率

Figure 5. Coagulation efficiency of dust with all sizes at different polar spacings

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表 1 样品粉尘粒度分布结果

Table 1. Particle size distribution results of sample dust

粒径/μm 数量浓度/(个·mL⁻¹) 占比/% 累计比例/%

0.3 750 2.40 27.66
0.5 781 2.50 31.66
1 1250 4.00 34.00
3 4375 14.0 77.66
5 937 3.00 99.97
10 9 0.03 100.00

粒径/μm 数量浓度/(个·mL⁻¹) 占比/% 累计比例/%

0.3 750 2.40 27.66
0.5 781 2.50 31.66
1 1250 4.00 34.00
3 4375 14.0 77.66
5 937 3.00 99.97
10 9 0.03 100.00

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图( 5) 表( 1)

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1. 材料与方法（Materials and methods）
1.1 实验材料
1.2 样品采集
1.3 样品前处理
1.4 样品分析
1.5 质量控制
1.6 计算方法
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 污水处理厂服务人口数计算模型
2.2 全市精神活性物滥用情况
2.3 全市精神活性物质流行率
3. 结论（Conclusion）

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细微粉尘是指空气动力学直径小于5 μm的颗粒物，包括细颗粒物(PM_2.5)和亚微米粉尘^[1]。细微粉尘能够直接进入人体肺泡，易使井下作业人员患上尘肺、硅肺等职业病，对人体危害巨大^[2]。传统的除尘技术难以有效去除细微粉尘，电凝并技术可以使细微粉尘颗粒荷电、凝聚增大，然后通过收尘装置进行除尘^[3]。因此，对细微粉尘电凝并效率影响因素展开实验研究并找出凝并效果最优的实验参数，提高细微粉尘电凝并效率，以进一步减小粉尘对人体的危害具有重要的现实意义。

凝并技术主要包括声凝并^[4]、磁凝并^[5]、湍流凝并^[6]、化学凝并^[7]、电凝并^[8]和光凝并^[9]等。电凝并是指通过外加电场增强细微颗粒的荷电能力，荷电后的细微颗粒在凝并区通过惯性碰撞、空间电荷力、离子风等作用力不断凝并变大的过程。向晓东等^[10]研究发现，电凝并除尘装置主要用于收集细微粉尘，且双区式电凝并除尘装置的结构与性能优于三区式电凝并除尘装置。白敏菂等^[11]通过将预荷电装置安装于模拟烟道中，发现离子浓度比除尘电场中高约1个数量级，粒子粒径增大了21%左右，带电粒子凝并作用增强。陈旺生等^[12]设计了一种静电凝并除尘装置并对其性能进行研究，结果表明，该除尘装置对细微颗粒物的凝并效果较好，除尘效率明显高于普通除尘器。KILDES等^[13]通过改变交变电场中预荷电粉尘的荷电极性，计算了异极性荷电粉尘凝并速率与粉尘荷电量、粒径及外加电压的关系。CHANG等^[14]设计了一种在放电区有穿孔板的双极性预充器，以研究离子风辅助电荷诱导的凝聚收集作用。与无预充器的实验结果相比，具有一定板孔率的预充器可以优化颗粒凝并，提高12%左右的粉尘收集效率。GUAN等^[15]研究了电袋复合式除尘器中风速对电场内气流分布和均匀性的影响，发现速度为0.8 m·s⁻¹时不均匀性波动最小，进而更有利于除尘。张向荣等^[16]利用Fortran程序模拟测算双极电流体场中某粒径的荷电分布，发现外电场与荷电粉尘的凝并系数呈正相关，通过增大外加电场强度可以有效提高凝并速率。

电凝并影响因素主要存在于放电、荷电和凝并过程中，放电过程的影响因素主要有电源大小、电极材质、形状、放电特性等，荷电过程的影响因素主要有粉尘性质、风速等，荷电凝并过程的影响因素主要是电场设置、极配间距等^[17-18]。结合实验室现有条件，选取双极芒刺预荷电装置、外加直流电压和极配间距3个主要影响因素进行实验研究，由实验得出双区式电凝并的工况参数，可为电凝并技术在工业粉尘领域的应用提供参考。

3. 结论

1)当外加电压在一定范围内(不大于13 kV)，细微粉尘的凝并效率随外加电压的增大而升高；相同外加电压下，粉尘粒径越大，凝并效率越高；当外加电压大于13 kV时，电压的升高对粉尘的凝并效率无明显影响，证明了外加电压过高或过低都不利于粉尘的凝并。

2)安装双极芒刺预荷电装置可以提高不同粒径粉尘的凝并效果，当外加电压达到14 kV时，安装双极芒刺预荷电装置比未安装预荷电装置的粉尘凝并效率无明显差异。

3)缩短极配间距可以显著提高各粒径粉尘凝并效率，极配间距为0.02 m时凝并效果最佳，0.025 m时次之，0.03 m时凝并效果最差。根据实验数据分析得出，细微粉尘电凝并最佳实验参数为安装双极芒刺预荷电装置、极配间距0.020 m和外加电压13 kV。

4)对比传统的三区式电凝并装置，该双区芒刺式电凝并装置结构简单，能进一步提高细微粉尘的凝并效率，除尘性能优于三区式电凝并装置，可为柴油机尾气颗粒及工业粉尘的去除提供参考。

参考文献 (20)

粒径/μm	数量浓度/(个·mL⁻¹)	占比/%	累计比例/%
0.3	750	2.40	27.66
0.5	781	2.50	31.66
1	1250	4.00	34.00
3	4375	14.0	77.66
5	937	3.00	99.97
10	9	0.03	100.00

双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的影响

作者简介: 张江石(1973—)，男，博士，教授。研究方向：矿井粉尘治理。E-mail：zhangjs@cumtb.edu.cn

通讯作者: 张江石, E-mail: zhangjs@cumtb.edu.cn ;

Effect of two-zone electrocoagulation technology on improving the coagulation efficiency of fine dust

Corresponding author: ZHANG Jiangshi, zhangjs@cumtb.edu.cn ;

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 实验材料

1.2 样品采集

1.3 样品前处理

1.4 样品分析

1.5 质量控制

1.6 计算方法

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 污水处理厂服务人口数计算模型

2.2 全市精神活性物滥用情况

2.3 全市精神活性物质流行率

3. 结论（Conclusion）

计量

出版历程

双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的影响

通讯作者: 张江石, E-mail: zhangjs@cumtb.edu.cn ;

作者简介: 张江石(1973—)，男，博士，教授。研究方向：矿井粉尘治理。E-mail：zhangjs@cumtb.edu.cn 1. 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083 2. 华北科技学院，河北省矿井灾害防治重点实验室，三河 065201

English Abstract

Effect of two-zone electrocoagulation technology on improving the coagulation efficiency of fine dust

Corresponding author: ZHANG Jiangshi, zhangjs@cumtb.edu.cn ;

全文HTML

1.1. 实验装置设计

1.2. 实验样品粉尘粒径分析

1.3. 实验过程

2.1. 凝并效果的评价方法

2.2. 外加电压对凝并效果的影响

2.3. 双极荷电装置对凝并效果的影响

2.4. 极配间距对凝并效果的影响

目录

全文HTML

1.1. 实验装置设计

1.2. 实验样品粉尘粒径分析

1.3. 实验过程

2.1. 凝并效果的评价方法

2.2. 外加电压对凝并效果的影响

2.3. 双极荷电装置对凝并效果的影响

2.4. 极配间距对凝并效果的影响

作者简介: 张江石(1973—)，男，博士，教授。研究方向：矿井粉尘治理。E-mail：zhangjs@cumtb.edu.cn
1. 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083

2. 华北科技学院，河北省矿井灾害防治重点实验室，三河 065201