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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. 双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(5): 1304-1310. doi: 10.12030/j.cjee.201907074
引用本文: 张江石, 周和军. 双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(5): 1304-1310. doi: 10.12030/j.cjee.201907074
ZHANG Jiangshi, ZHOU Hejun. Effect of two-zone electrocoagulation technology on improving the coagulation efficiency of fine dust[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(5): 1304-1310. doi: 10.12030/j.cjee.201907074
Citation: ZHANG Jiangshi, ZHOU Hejun. Effect of two-zone electrocoagulation technology on improving the coagulation efficiency of fine dust[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(5): 1304-1310. 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

    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

    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。
  • 随着城乡水环境保护治理要求日益严格,农村水环境污染治理问题逐渐成为关注的焦点[1]。现有的城市污水处理工艺不适宜在污水总量小、分散且经济条件差、技术匮乏的农村地区采用,因此针对农村地区开发出水稳定达标、能耗低、运行管理简单的分散污水处理工艺对强化农村地区生活污水处理具有重要意义。

    多级A/O工艺是一种高效的脱氮除磷污水处理工艺,在水处理中应用广泛,但由于好氧段的硝化液需要回流至缺氧段进行反硝化脱氮,能耗相对较高[2-3]。分段进水多级A/O工艺通过将污水分段加入各缺氧段实现反硝化过程中的碳源补充,可有效降低工艺运行成本,具有操作灵活简便的特点,但传统的分段进水多级A/O工艺主要基于活性污泥法开发。多级生物接触氧化工艺具有填料固定生物量大、挂膜周期短、水力停留时间短、体积小等特点,在分散生活污水处理方面表现出优异潜力[4-5]。将生物接触氧化工艺与多点进水技术相结合,实现生物接触氧化系统中碳源、溶解氧的再分配,有望进一步强化多级生物接触氧化工艺对低碳氮比生活污水的净化效能。

    本研究针对传统生物接触氧化工艺的弊端,结合农村分散型生活污水的特点,设计多点进水的多级生物接触氧化工艺,将进水以不同比例投加到不同的生物接触氧化工艺段,利用原水中的有机物实现对缺氧段碳源补给和溶解氧的再分配,以实现对农村生活污水的高效低耗净化。

    实验装置由不锈钢钢板加工制作而成,分为6个反应区,即调节池、好氧池1# (O1)、缺氧池1# (A1)、缺氧池2# (A2)、好氧池2# (O2)及沉淀池(图1),装置总尺寸为1.225 m×1.2 m×0.7 m,反应区的有效容积为770 L。内填充速分球作为填料,外为直径10 cm的PVC壳体,内为火山岩碎块,填充率采用经验值,即每立方米装填1 000个直径10 cm的速分球。空压机通过与空气管相连的微孔曝气盘向好氧池1#(O1池)和好氧池2#(O2池)充氧曝气。装置污水采用上进下出、下进上出的方式,单点进水时,由自吸泵通过进水管进入配水渠;多点进水时,自吸泵中的污水部分从进水管进入配水渠,部分进入缺氧池1#(A1池)或缺氧池2#(A2池)。

    图 1  实验装置工艺流程图
    Figure 1.  Schematic diagram of the experimental device

    本研究设计2套总体积相同、各段体积不同的装置。装置一各段的水力停留时间比为O1∶A1∶A2∶O2=9∶1∶3∶6,即每个工艺段的体积比为9∶1∶3∶6;装置二各段水力停留时间比为O1∶A1∶A2∶O2=1∶1∶1∶1,即每个工艺段的体积相等。2套装置平面设计图如图2所示。

    图 2  实验装置平面设计图
    Figure 2.  Plan design diagram of two experimental devices

    生物接触氧化装置采用活性污泥挂膜法,接种的活性污泥取自北京市郊区某污水处理厂好氧池,污泥浓度约5.5 g·L−1。将活性污泥闷曝48 h,静置沉淀后排出上清液,然后将接种的活性污泥与生活污水以体积比约1∶20混合后注入生物接触氧化池,好氧池溶解氧控制在4 mg·L−1左右,缺氧池不曝气。继续在池内污水闷曝24 h后,排出底部老化的活性污泥,连续通入生活污水,挂膜至24 d时,可观察到好氧池填料上有棕黄色的生物膜,缺氧池内的生物膜呈黑色(图3),此时COD和氨氮的去除率均高于75%,出水水质良好,表明挂膜成功[6-7],可以进行下一阶段实验。

    图 3  挂膜前后好氧池和厌氧池填料照片
    Figure 3.  Photos of bio-carrier in aerobic and anaerobic tank before and after biofilm formation

    实验进水取自北京市郊区某污水处理厂进水口,污水源为周边农村居民生活污水,实验期间进水水质指标:COD、TN、NH4+-N质量浓度为101~364、22~42、4~25.8 mg·L−1,温度为18.3~31.3 ℃,pH为7.69~7.98。实验周期为5个月。

    装置运行参数为:生物接触氧化系统进水流量为120 L·h−1,不设回流。O1段溶解氧控制为(4.0±0.1) mg·L−1,O2段溶解氧控制为(3.0±0.1) mg·L−1。由于装置不设回流,多点进水时将污水以4∶1及2∶1的比例进入O1段、A1段或O1段、A2段,把系统进水分为O1∶A1=4∶1 (工况I),O1∶A1=2∶1 (工况II),O1∶A2=4∶1 (工况III),O1∶A2=2∶1 (工况IV)4个工况。

    温度、pH、DO采用YSI ProPlus便携式多参数水质分析仪,COD采用快速消解法,TN采用过硫酸钾氧化法,NH4+-N采用纳氏试剂法。

    图4所示为单点和多点进水情况下生物接触氧化工艺对生活污水中COD的去除效果变化情况。尽管进水COD波动较大,但单点和多点进水情况下出水COD值始终在30 mg·L−1左右。单点进水与多点进水下的出水COD值相差不大,甚至在多点进水情况下出现出水COD值升高的现象。多点进水时,装置一在工况I时的出水COD值最低,为20.2 mg·L1,平均去除率为92.0%。

    图 4  进水位置及比例对COD去除效果的影响
    Figure 4.  Effect of the inlet position and proportion on COD removal efficiency

    多点进水时,对比工况I和工况II,进水位置相同、进水比例不同时出水COD值相差不大,但工况I的进水COD去除率较工况II高,很可能是因为O1段进水在装置中停留时间较长,有较好的生化效果;对比工况I和工况III,相同的进水比例在不同的进水位置也会有不同的出水COD值,进水O1段流量相同,A1段进水较A2段进水时COD的去除率高,很可能是缺氧段时间越长,反硝化作用越强;对比工况I和工况IV,尽管进水位置及比例均不同,但出水COD值均稳定在30 mg·L−1以下,且去除率处于较高的水平。

    图5为单点和多点进水情况下生物接触氧化工艺对生活污水中氨氮的去除效果。单点进水条件下2套装置对氨氮的去除率相近,平均去除率为95.5%。多点进水时在不同的工况下,氨氮的出水浓度有所差异,去除率变化明显。当进水位置及比例有所改变时,装置一在工况I时对氨氮的处理效果最好,出水平均浓度为0.5 mg·L−1,平均去除率为97.1%。

    图 5  进水位置及比例对氨氮去除效果的影响
    Figure 5.  Effect of the inlet position and proportion on ammonia nitrogen removal efficiency

    对比工况I和工况II,进水位置相同、进水比例不同时,O1段进水流量较高,A1段进水较低时的氨氮去除率较高;对比工况I和工况III,进水比例相同、进水位置不同时,进水A1段较A2段的氨氮去除率稍高;对比工况I和工况IV,在进水总量相同,进水位置及比例均不同时,工况I对氨氮的去除率较高,原因是好氧段水力停留时间越长,氨氮的出水效果越好[7]

    图6所示为单点和多点进水情况下生物接触氧化工艺对生活污水中TN的去除效果变化情况。单点进水时,进水总氮在24~28 mg·L−1,2套装置对总氮的去除效果均不佳,平均出水浓度为18.2 mg·L−1,平均去除率为31.5%,不能达到排放标准。多点进水时,2套装置在4个工况下的出水总氮浓度变化幅度较大,总体来说,装置一的总氮去除效果优于装置二,且在工况I时的装置一总氮平均出水浓度为9.0 mg·L−1,平均去除率为64.3%,可以稳定达到北京市地标农村生活污水一级A排放标准,这在不设回流、不外加碳源的情况下是较难实现的。

    图 6  进水位置及比例对总氮去除效果的影响
    Figure 6.  Effect of the inlet position and proportion on total nitrogen removal efficiency

    对比工况I和工况II,进水位置相同、进水比例不同时,O1段进水流量越大,出水总氮越低;对比工况I和工况III,进水比例相同、进水位置不同时,原水进入A1段时的总氮去除率较进入A2段时高;对比工况I和工况IV,在进水总量相同,进水位置及比例都不相同时,工况I运行时出水总氮浓度较低,脱氮效果最好。多点进水模式实现了碳源在多级A/O工艺中的再分配,A1或A2段进水弥补了厌氧段由于碳源不足导致的反硝化能力不足问题,但同时当缺氧段存在大量有机物时,容易造成缺氧段异养菌繁殖,进而与反硝化细菌产生竞争作用,限制反硝化细菌的生长,在一定程度上抑制反硝化效率[8-9]

    综上可知,多点进水时多级生物接触氧化工艺对生活污水的处理效果优于单点进水。在工况I(O1∶A1=4∶1)的进水情况下出水效果最优,且装置一的出水效果优于装置二,最优的COD、氨氮、总氮的出水平均浓度分别为20.2、0.5、9 mg·L−1,平均去除率分别为92.0%、97.1%、64.3%。

    图7所示不同水力停留时间下多级生物接触氧化工艺COD去除变化曲线。单点进水时,2套装置出水的COD值相近,COD的去除率随着水力停留时间(HRT)的减小而降低,当HRT为6.55 h时,装置一中出水COD平均值为10.8 mg·L−1,平均去除率为92.1%;当HRT为4.91 h时,装置一中出水COD平均值为28.4 mg·L−1,平均去除率为81.8%。多点进水下,当HRT从6.55 h减少到4.91 h时,装置一的出水COD平均值由20.2 mg·L−1增加至31.2 mg·L−1,平均去除率随之降低。

    图 7  水力停留时间对COD去除效果的影响
    Figure 7.  Effect of the hydraulic retention time on COD removal efficiency

    随着HRT的减小,反应器的水力负荷有所增加,必然会影响有机物的处理效率。缩短HRT,使得反应器内的生物膜受到气流的扰动作用和水力的剪切作用加强,接触时间变短,生物氧化作用不完全,再加上生物量流失增加,导致反应不完全,出水水质下降[8]。同时发现减少HRT时,COD去除下降效果不太显著,表明系统对COD的去除有较高的抗冲击负荷能力,增加水力负荷时,对COD仍有较高的去除率。

    图8所示为不同水力停留时间下多级生物接触氧化工艺氨氮去除变化曲线。单点进水时,装置一对氨氮的去除率略好于装置二。当HRT为6.55 h时,装置一中氨氮的平均出水浓度为0.66 mg·L−1,平均去除率为95.5%;当HRT为4.91 h时,装置一中氨氮的平均出水浓度为1.76 mg·L−1,平均去除率为87.7%。多点进水时,装置一对氨氮的去除率稍高于装置二,其在水力停留时间较长的6.55 h时,氨氮的出水效果最好,平均出水浓度为0.5 mg·L−1,平均去除率高达97.1%。随着水力停留时间的减少,反应器内硝化菌去除氨氮的作用减弱,当水力停留时间减少至4.91 h时,氨氮平均出水浓度为3.10 mg·L−1,平均去除率减至86.8%。

    图 8  水力停留时间对氨氮去除效果的影响
    Figure 8.  Effect of the hydraulic retention time on ammonia nitrogen removal efficiency

    HRT是影响氨氮去除效果的重要影响因素。在一定范围内,HRT越长,氨氮的去除率越高;HRT越短,氨氮的去除率越低。HRT由6.55 h降低为4.91 h时,系统对氨氮的去除有所下降,下降幅度较小。这可能是随着进水流量的增加,O2段可供利用的有机物含量升高,加快了微生物的新陈代谢,使得生物活性得到提高,使得出水氨氮浓度下降的幅度较小。

    图9所示为2套生物接触氧化装置的总氮去除变化情况。在单点进水条件下,当水力停留时间为6.55 h时,平均出水总氮浓度为18.2 mg·L−1,平均去除率仅为31.5%。多点进水时,随着水力停留时间逐渐减少,总氮的去除率呈现直线下降的趋势,且装置一较装置二对总氮的去除率稍高。当水力停留时间为6.55 h时,装置一中总氮的出水浓度最低,去除率最高,平均出水浓度为9.0 mg·L−1,平均去除率可达到64.3%,随着水力停留时间减少至4.91 h,总氮的平均出水浓度增加至16.6 mg·L−1,平均去除率降低为54.1%。

    图 9  水力停留时间对总氮去除效果的影响
    Figure 9.  Effect of the hydraulic retention time on total nitrogen removal efficiency

    总氮的去除依靠同步硝化反硝化过程和缺氧段的反硝化过程。当系统的水力负荷随水体停留时间的减少而逐渐增加时,水流的水力冲刷作用增强,生物膜的附着性变差,缺氧段生物膜分泌物质的粘性作用不足以抗拒水流的冲刷,将会加快生物膜的脱落,使得反硝化菌随水流流失严重,反硝化脱氮的效果减弱,总氮的去除率降低[9-10]。另外,水力负荷的增加,使得好氧段微生物对氨氮的转化能力减弱,氨氮转化为硝态氮和亚硝态氮的效率较低,反硝化过程受到制约,从而降低总氮的去除效果。

    由多点进水条件下多级生物接触氧化工艺对COD、氨氮及总氮的去除效果的影响结果表明,进水位置及比例为O1∶A1=4∶1,水力停留时间为6.55 h的运行工况下的出水效果最好,因此,以装置一中工况I的氮浓度变化来探究总氮的去除机理。

    图10所示为多级生物接触氧化工艺不同段出水中氮浓度变化曲线。进水中的总氮及氨氮浓度较高,硝态氮和亚硝态氮浓度较低,经好氧段O1后,总氮及氨氮值均有明显下降,且氨氮降幅较大,硝态氮及亚硝态氮值均有提高,说明氨氮在O1段硝化菌的作用下转化为硝态氮和亚硝态氮[10],同时总氮在在O1段有所减少表明在好氧段O1段发生了反硝化作用。值得注意的是,由于进水中有机物浓度较高,导致硝化速度不及反硝化速度,导致在O1段存在一定的亚硝酸盐累计;同时,O1段内的微生物可以获取进水中的有机物质供给自身进行增殖,随着生物膜厚度的逐渐增加,水中的溶解氧穿透生物膜表层的能力越来越弱,使得填料内部火山岩上生长的微生物处于缺氧的环境,在生物膜内外形成一定的缺氧区和好氧区,同步硝化反硝化作用得以进行[10]

    图 10  多级生物接触氧化工艺不同段出水中氮浓度变化曲线
    Figure 10.  Variation curve of nitrogen concentration in the effluent of multi-stage biological contact oxidation process

    当污水经好氧段O1流入缺氧段A1的同时,部分原水进入A1段,由于原水中的氨氮及总氮浓度较高,直接进入A1段时,提高了缺氧段出水的总氮和氨氮值。然而缺氧段的反硝化菌可利用原水中的有机物将好氧段提供的硝态氮、亚硝态氮还原为氮气,从而降低了总氮及硝态氮和亚硝态氮的浓度,所以在A2段出水时很难检测到硝态氮和亚硝态氮的存在。但总氮在缺氧段呈现下降的趋势,表明缺氧段的反硝化作用强于进水和O1段出水浓度的混合提高,因此,总氮的去除效果较为明显。污水流出O2段时,氨氮在好氧的条件下得到转化,硝态氮及亚硝态氮的浓度均有所提高;总氮浓度的降低也表明了O2段内同步硝化反硝化过程依然存在,因此,系统对总氮的去除效果较好。

    当反应器运行至稳定状况时,填料上的生物膜经长期运行后达到稳定,分析装置一中O1段、A1段、A2段、O2段中生物膜中微生物的菌群结构。图11(a)为好氧段生物膜门水平上微生物top15及相对丰度。相对丰度最高的为变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),二者可有效去除水中的有机污染物,同时具有脱氮功能。此外,在好氧段生物膜中也存在较高的硝化螺旋菌门,是重要的亚硝酸盐氧化细菌,是污水处理中执行亚硝酸盐氧化功能的关键菌群。图11(b)所示为缺氧段生物膜门水平上微生物组成情况。与好氧段类似,相对丰度最高的为变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),其次相对丰度较高的是厚壁菌门(Firmicutes),厚壁菌门中大都可以产生芽孢,可用以抵抗外部极端环境,是污水处理中被的重要功能菌群。

    图 11  多级生物接触氧化工艺不同段属水平和门水平的微生物组成和相对丰度
    Figure 11.  Relative abundances of top 15 from bacterial communities at genus and phylum levels along multi-stage biological contact oxidation process

    图11(c)所示为好氧段生物膜属水平上微生物top15及相对丰度。相对丰度较高的黄杆菌属(Flavobacterium)、Denitratisoma菌属、Phaeodactylibacter菌属、硝化螺旋菌属(Nitrospira)、噬氢菌属(Hydrogenophaga)等都有利于生物脱氮反应的进行,而球衣菌属(Sphaerotilus)具有降解有机污染物的功能,可促进COD去除;亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)可以调节酶来控制硝化过程。在反应器的好氧段生物膜中存在部分反硝化菌属,表明好氧段内存在缺氧甚至是厌氧环境,证实了好氧段同步硝化反硝化过程的存在。

    图11(d)所示为缺氧段生物膜属水平上微生物群落结构。属水平上相对丰度较高的为球衣菌属(Sphaerotilus),具有降解有机污染物的功能;丝硫菌属(Thiothrix)常出现在氮源较少,碳源及能源丰富的环境中;弓形杆菌属(Arcobacter)、黄杆菌属(Flavobacterium)、Denitratisoma菌属、Phaeodactylibacter菌属、索氏菌属(Thauera)等菌属均为重要的脱氮微生物。缺氧段中存在的丰富弓形杆菌属(Arcobacter)、黄杆菌属(Flavobacterium)、Phaeodactylibacter菌属、和Denitratisoma菌属等微生物,有利于生物的反硝化过程,进而提高总氮去除率。

    1)多点进水的多级生物接触氧化条件下,进水位置及比例对污染物去除效果具有明显影响。进水位置及比例为O1∶A1=4∶1时的出水效果最好,COD、NH4+-N及TN的平均出水浓度分别为20.2、0.5、9.0 mg·L−1,平均去除率分别为92.0%、97.1%、64.3%。

    2) HRT对COD、氨氮和总氮去除效果有显著影响。随着HRT的减少,COD、氨氮和总氮的出水浓度逐渐升高,去除率逐渐降低,出水水质恶化,实验得出的最优水力停留时间为6.55 h。

    3)多点进水条件下多级生物接触氧化工艺在好氧段内存在同步硝化反硝化过程,对总氮去除具有一定的提升作用,经缺氧段后总氮出水继续降低,末端好氧段后COD、氨氮及总氮均可达标出水。

  • 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

    图 2  样品粉尘粒径分布

    Figure 2.  Particle size distribution of sample dust

    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

    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

    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

    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/%
    0.37502.4027.66
    0.57812.5031.66
    112504.0034.00
    3437514.077.66
    59373.0099.97
    1090.03100.00
    粒径/μm数量浓度/(个·mL−1)占比/%累计比例/%
    0.37502.4027.66
    0.57812.5031.66
    112504.0034.00
    3437514.077.66
    59373.0099.97
    1090.03100.00
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-15
  • 录用日期:  2019-09-27
  • 刊出日期:  2020-05-01
张江石, 周和军. 双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(5): 1304-1310. doi: 10.12030/j.cjee.201907074
引用本文: 张江石, 周和军. 双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(5): 1304-1310. doi: 10.12030/j.cjee.201907074
ZHANG Jiangshi, ZHOU Hejun. Effect of two-zone electrocoagulation technology on improving the coagulation efficiency of fine dust[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(5): 1304-1310. doi: 10.12030/j.cjee.201907074
Citation: ZHANG Jiangshi, ZHOU Hejun. Effect of two-zone electrocoagulation technology on improving the coagulation efficiency of fine dust[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(5): 1304-1310. 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

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

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。

English Abstract

  • 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(PM2.5)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。

  • 实验采用双极芒刺预荷电装置来实现荷电凝并收尘,电晕极板和反电晕极板均安装有相互交错的芒刺[19],双芒刺预荷电凝并实验装置系统如图1所示。双芒刺荷电区上下极板分别与高压电源的正负极相连,并使荷电区芒刺极板接地。收尘区极配形式为线-板式,收尘极板为长200 mm、宽200 mm的金属板,异极间距为200 mm,收尘区由平行交错放置的平行极板和收尘极组成,平行极板和收尘极的平面平行于粉尘气体流动的方向,输入电压为220 V。收尘极为鱼骨刺状,为刺间距30 mm,长度10 mm的芒刺,2个收尘极分别平行布置在距收尘极板20 mm处。参考双极荷电伏安特性和芒刺电晕极的间距对收尘的影响进行实验,对电凝并后的粉尘进行粉尘粒度分布测定,然后利用显微镜进行观察。实验装置系统主要由以下几部分组成:空气压缩机和气溶胶发生器组成的粉尘发生装置;橡胶绝缘塑料板外壳和金属电极平板组成的荷电凝并装置;外加直流高压电源装置、直流微安表和DusTrak DRX8533粉尘浓度测定仪组成的分析检测装置;实验模拟管道和风机。凝并区后的采样头从模拟巷道外部插入,测量时将采样头向左延伸至收尘区内部靠前的位置,模拟管道的尺寸为1.5 m×0.24 m×0.24 m。

  • 本研究采用Mastersizer 3000激光粒度分析仪,干法测量样本粉尘(Nominal ATD粉尘)的粒径分布,结果如表1所示,粒径分布累计百分比如图2所示。可以看出,实验粉尘的粒径分布为0~5 μm,中粒径为2.6 μm。由表1可知,小于3 μm的粉尘颗粒占比为77.66%,满足实验要求的细微粉尘即粒径小于5 μm的颗粒占比为99.97%。实验研究对象是细微粉尘(粒径<5 μm),粒径大小满足实验要求。

  • 实验粉尘选用美国PTI厂家生产的无可燃性、无爆炸性的Nominal ATD粉尘。该粉尘性质稳定,主要成分为SiO2,粒径分布均匀,中粒径D50为2.1 μm,粒径范围为0~5 μm,比电阻为5×10−9 Ω·m。在使用实验粉尘前,先用干燥箱进行干燥处理,干燥箱温度设定为120 ℃,恒定后,将实验粉尘平铺于铁圆盘上,置于干燥箱内,定时30 min加热处理。粉尘浓度大小通过改变气溶胶发生器给料速率来进行调节,设定空气压缩机初始的工作压力为0.4 MPa,相对应的压缩空气流量为1.2 m3·h−1,含尘气体的流速为0.5 m·s−1。在实验过程中,通过调节空气压缩机工作风量及出风口阀门大小来实现风量调节,使用风速仪对风速进行测定,最后使用DusTrak DRX8533粉尘浓度测定仪测量凝并前后的粉尘浓度。

  • 由于细微粉尘粒径小、质量轻且初始浓度较小,采用计重法进行称量计算误差较大,所以采用计数法对不同粒径大小的粉尘分别计数。细微粉尘的凝并效率通过粒子数浓度来计算,针对不同粒径大小的细微粉尘,采用粉尘浓度测定仪对凝并前后的粒子数浓度进行测量,计算各粒径细微粉尘的凝并效率[20],凝并效率的计算方法见式(1)。

    式中:ηi为粒径i的粉尘的凝并效率;ηt为凝并后粒径i的粒子数浓度,个·mL−1η0为凝并前粒径i的粒子数浓度,个·mL−1

  • 在实验过程中,当未安装双极芒刺预荷电装置和极配间距为0.025 m时,巷道风速设定为0.5 m·s−1。向粉尘发生器中加入干燥粉尘,连接各设备和电源,调节粉尘发生口阀门来控制粉尘量大小,测定粉尘发生器的最小发尘量并稳定在1 g·m−3。分析外加电压为6、7、8、9、10、11、12,13、14、15、16、17、18 kV时对凝并效果的影响。每种对应条件测量5次来计算凝并效率,不同外加电压条件下各种粒径的粉尘凝并效率见图3。由此可知,相同外加电压下粉尘凝并效率随粉尘粒径的增大而升高,即粉尘粒径越小,同一外加电压下的凝并效率越低。外加电压由6 kV增加到12 kV时,不同粒径粉尘的凝并效率显著提高。当外加电压为6 kV时,实验测得粒径为0.3、0.5、1、3、5 μm粉尘的凝并效率分别为15.74%、19.97%、45.26%、61.15%、60.82%。当外加电压升高至12 kV时,各粒径粉尘的凝并效率均达到80%以上。外加电压由13 kV增加到18 kV时,各粒径粉尘的凝并效率基本不再上升。

    综上所述,随着外加电压的升高,电晕极板间的场强不断增加,空气电离的离子增多使得细微粉尘粒子的荷电量增大,荷电粉尘粒子之间的库仑凝并作用随之增强。电压上升的同时,芒刺尖端产生的离子风也增大,微细颗粒不仅能在离子风的作用下向极板运动,而且提高了电场区域的湍流强度,使微细颗粒间的碰撞频率大大增加。因此,正负离子风对电凝并具有很好的促进作用,大部分凝并后的粒子在强离子风以及外加强电场的作用下运移到收尘极板被捕集。当外加电压达到13 kV以后,细微颗粒的荷电量已基本饱和,故继续提高外加电压,粉尘的凝并效率不再增大。当电压相对较低时,在相同风速和浓度下,粉尘荷电量增强,粉尘凝并效果增加,所以增大凝并室电压有利于粉尘的凝并。因此,外加直流电压为13 kV时,对细微粉尘的凝并效果最好。

  • 在实验过程中,选取巷道风速为0.5 m·s−1,粉尘发生器的发尘量稳定在1 g·m−3,在外加电压分别为6、7、8、9、10、11、12,13、14、15、16、17、18 kV时,分析有无双极芒刺预荷电装置对凝并效果的影响。不同粒径粉尘的凝并效果见图4,可以看出,安装双极芒刺预荷电装置后,在外加电压增大初期,粒径为1、3、5 μm粉尘的凝并效率快速增大;但是粒径为0.3、0.5 μm粉尘相比未安装双极荷电装置,其凝并效率增加不明显。实验测得粒径为1、3、5 μm粉尘在外加电压6 kV增大至9 kV的过程中,安装双极芒刺预荷电装置后,凝并效率分别提升24.45%、23.72%和12.11%,平均提升20.09%,比未安装双极芒刺预荷电装置的凝并效率高10%以上。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。相比未安装双极芒刺预荷电装置时,安装后不同粒径粉尘的凝并效率先提升,后渐缓,最后趋于无影响。分析原因为,双极芒刺预荷电装置极板上的芒刺尖端放电产生大量的电子并在电场力的作用下获得一定的能量,大量电子射入到荷电凝并区,撞击空气中的分子而变为离子,粒子与空气中的离子结合可以使荷电更充分,因此,能在一定程度上提高凝并效率。

  • 实验设定巷道风速为0.5 m·s−1,粉尘初始质量浓度为1 g·m−3,外加电压分别为6、7、8、9、10、11、12,13、14、15、16、17、18 kV时,研究极配间距为0.02、0.025、0.03 m时的粉尘的凝并效果。在不同极配间距条件下,各粒径粉尘的凝并效果见图5。由此可知,针对同一粒径粉尘,在相同外加电压下,缩短极配间距可以显著提升粉尘的凝并效率。当外加电压为6 kV时,极配间距由0.03 m缩短至0.025 m,各粒径粉尘的凝并效率均有10%以上的提高。缩短极配间距至0.02 m,当外加电压达到9 kV时,0.3 μm和0.5 μm粒径粉尘的凝并效率超过80%,1、3、5 μm粒径粉尘的凝并效率均超过90%;但是当外加电压达到14 kV时,缩短极配间距对增加各粒径粉尘凝并效率的作用不明显。

    综上所述,在外加直流电压相对较低时,缩短极配间距,电晕放电明显,荷电凝并区内的离子数量增多,粉尘粒子荷电充分,粒子间的库仑凝并作用力较强,在外加电场力、离子风作用力下,凝并后的粒子快速驱进到收尘极板后被捕集,所以凝并效率更高。当芒刺列间距由0.02 m增至0.03 m后,凝并效率明显下降。这是因为芒刺列间距过大,相邻芒刺电晕放电时几乎不受影响,电晕放电区域之间形成了空白区域,在空白区域内产生的离子较少,粉尘粒子荷电不充分,粒子间的凝并作用较小;此外,当列间距较大时,离子风的收尘区域无法完全覆盖2列芒刺间的极板,粉尘粒子主要受到了电场力的作用,不能到达收尘极板;另外,芒刺列间距过大,使电晕放电过于集中,也不利于粉尘的均匀荷电,从而使粉尘的凝并效率降低。

  • 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)

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