基于高压脉冲电场技术的污水处理系统研究设计

李 唐，王亚伟，赵振良，尤丽华

（江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122）

基于高压脉冲电场技术的污水处理系统研究设计

李 唐，王亚伟，赵振良，尤丽华

（江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122）

针对污水处理厂剩余污泥含水率高，达到70%～80%，不利于进一步处理的问题，根据污水成分及其处理工艺特点，提出了一种基于高压脉冲电场技术的污水处理的方法。本文从理论上系统地阐述了高压脉冲电场处理装置的研制，设计了低成本高压脉冲电源，最高电压10 kV，最大电流50 A，并且能方便的调节电场参数。

高压脉冲电场；污水处理；含水率；参数

从污水处理后剩余污泥的处理和处置技术的发展来看，工艺依然是基本的四类：填埋、土地利用、焚烧和建材利用。其中对剩余污泥进行焚烧处理，因为能够使污泥变废为宝，制成建筑用材，实现了可循环利用，因而该方法要优于简单的填埋。

但是污水处理厂剩余污泥含水率高，达到70%～80%，导致了在焚烧过程中需要消耗大量的煤，所以要考虑降低污泥的含水率。分析污泥中水分的主要形式发现，空隙水（颗粒间隙中的游离水）约占70%，毛细水（是在高度密集的细小污泥颗粒周围的水，由毛细管现象而形成的）约占20%，颗粒表面吸附水和内部结合水约占10%[1]。传统的浓缩/机械脱水工艺，只能去除大部分呈自由状态和部分毛细水。要进一步降低污泥的含水率，必须改变污泥的理化结构，减少胶体颗粒与水的亲和力，对污泥中的微生物进行破壁处理，改善污泥的脱水性能。

高压脉冲电场（pulsed electrical fields，简称PEF）技术是近年来研究最多的非热加工技术之一[2]，目前多数学者认为高压脉冲电场技术的机理是通过外部电场与微生物细胞膜直接作用，从而破坏细胞膜的结构，形成“电穿孔”即破壁而导致微生物灭亡[3]。穿孔效应假说可以通过电子显微镜下的照片显示来证实，酵母菌被处理后可以见到菌体上有明显的裂痕。因此提出可以先利用高压脉冲电穿孔机理在瞬间使细胞破壁，使细胞内的水分流出，改变污泥理化结构，再通过浓缩/脱水，从而达到降低污泥含水率的目的。

文章提出了这种新的污水处理方法，设计了一种污水处理实验装置，并对该方法的经济性进行了比较分析。

1 总体设计方案

首先是实验装置的设计，包括高压脉冲电源的设计和处理室的设计。

处理室有静态和动态两类。静态处理室处理腔容积小，考虑因素少，不适合大规模工业化应用。但是，静态处理室适合实验室操作，可以找出相关因素的参数。因此在实验初级阶段静态处理室的建立是必不可少的[4]。本文介绍的是基于静态处理室的高压脉冲污水处理研究。系统的工作方式是：污水预先无菌灌装成袋后放人处理室处理，经脉冲电场处理后，取出污水袋，通过显微镜观察含水污泥成分，依此循环，在不同的高压脉冲参数下取样，来观察处理效果。

图1 高压脉冲电场污水处理装置示意图Fig.1 The schematic of HPEF sewage treatment plant

2 高压脉冲电源设计方案

高压脉冲电源即高压脉冲发生器是整个杀菌系统的核心部件之一，在整个装置中占有举足轻重的地位，是实验能否取得成功的关键。高压脉冲电源主要由直流高压，脉冲形成和触发开关组成。由于所使用的脉冲电源不同，其波形可以分为矩形波、指数衰减波、振荡波等多种形式，在所有波形中矩形波杀菌效率最高，指数波次之，振荡波杀菌效果最差[5]。这里选用的是简单易得到的指数波。

本文研究的是将电网输入的220 V交流电先经过调压器调压，再经过整流后变成低压直流电，利用IGBT在触发脉冲的作用下交替导通，将其频率升高，变成交变的脉冲电压，再经高频脉冲变压器升压，最后输出10 kV的高频的脉冲电压，其基本组成框图如图2所示。

图2 脉冲电源设计的基本组成框图Fig.2 The basic composition diagram of the pulsed power supply design

此方法得到高压脉冲就必须要使用脉冲变压器，如果处理室内电流过大，脉冲变压器的瞬间输出功率也可能很大。本文采用的静态处理室，污水无菌灌装成袋，所以电流不大，故可以选用此方法。

2.1 高压脉冲发生器工作原理

本实验设计的高压脉冲发生器工作原理电路如图3所示。

图3 高压脉冲发生器工作原理电路Fig.3 High-voltage pulse generator works circuits

由于本实验要求输出的峰值电压可控，所以将普通的220 V工频交流电通过调压器输入到整流桥；经桥式整流和限流电阻后对电容器进行充电；通过控制IGBT模块的导通、关断获得脉冲高电压，并施加于电极系统上，脉冲电压的幅值可以通过调节调压器调节。开关的速度直接控制着施加在含水污泥上的频率，脉冲宽度，脉冲前沿等参数。

2.2 主要元件的典型参数选取

调压器选用TDGC2-20 KV·A调压器，额定容量20 KV·A，额定频率 50 Hz，输入电压220 V，输出电压（调压范围）0～250 V，额定电流80A；储能电容选用的是两个500 V 1 000 μF电解电容。整流桥选用的是乐清市光华电子有限公司的单相整流桥模块MDQ200A 1 600 V。触发开关选用的是英飞凌的BSM200GA120DN2的IGBT模块，规格是200A/1200V/1单元。

2.3 高压脉冲发生器驱动设计

2.3.1 主芯片的选用

因为要实现脉冲宽度和频率的调节，所以选用带有PWM（脉冲宽度调制）模块的主芯片，通过采集可变电阻的电压值，经AD转换，可以方便调节脉宽和频率。因此在满足硬件设计的基础上选用了采用飞思卡尔公司汽车电子芯片MC9S12XS 128MAL作为主芯片。飞思卡尔是全球十大半导体厂商之一，也是最大的汽车和通讯产业嵌入式芯片制造商。2004年，飞思卡尔从摩托罗拉中脱离出来。飞思卡尔提供所有16位汽车电子解决方案，有着30多年汽车电子的领导地位，并将继续开拓微控制器技术。MC9S12XS128MAL芯片为112引脚贴片封装，有8KB的RAM、128KB的FLASH、8KB的EEPROM、2个异步串口通信SCI、1个串行外设接口SPI、16通道AD转换模块ADC、1个8通道脉冲宽度调制模块PWM[6]。

2.3.2 信号的采集

本课题是研究高压脉冲的占空比D、周期T、电压幅值V对含水污泥脱水的影响。所以在搭建实验平台的时候要考虑这些参数的测量和调节，这里测量的是单片机PWM输出信号的周期T和占空比D。电压幅值V通过交流调压器调节，检测通过测量脉冲变压器原边上线圈上的电压来检测，进而在液晶屏上显示；占空比D和周期T的调节，通过检测可调电位器上的电压值，经AD转换，根据检测到的不同的电压值，与事先标定的标准电压（5 V）对应的占空比和周期比较，往相应的PWM模块寄存器[6]中写入相应的数据，从而达到调节电压参数的目的，显示就是读取寄存器中的值。本设计同时检测处理室的电流I，便于观察处理室的状态。互感线圈和脉冲变压器一同绕制；电位器选用美国BOURNS多圈精密电位器 3590S-2-103 10K多圈电位器；测处理室上的电流选用南京托肯TKC 200F电流传感器，最大检测电流200 A。

2.3.3 硬件设计

系统的硬件框图如图4所示。

2.3.4 IGBT模块驱动设计

M579系列驱动器是日本三菱公司为IGBT提供的一种系列驱动模块。随着逆变器功率的增大和结构的复杂，驱动信号的抗干扰能力显得尤为重要，比较有效的办法就是提高驱动信号关断IGBT时的负电压。M57962L的内部集成了退饱和、检测和保护单元，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT并向外部电路给出故障信号[7]。它输出的正驱动电压为+15 V，负驱动电压为-15 V。其应用如图5所示。

2.3.5 通讯模块

检测系统中应用到的通讯模块只有一个SCI。SCI0串口通讯用于液晶显示模块。这里采用的是迪文公司带时钟芯片的7寸液晶模块DMG80480S070_02W，只需要比较简单的串口指令就可以完成友好的人机交互任务。SCI用一个MAX232实现电平转换。

2.4 触摸屏界面设计

人机界面如图6所示。

图4 硬件框图Fig.4 Hardware block diagram

图5 基于M57962L的驱动电路Fig.5 A driving circuit based on M57962L

图6 触摸屏界面设计Fig.6 Touch-screen interface design

2.5 软件设计

打开电源，单片机上电源指示灯亮，液晶屏工作，显示的是上次工作参数界面；通过可调电阻，设置占空比，频率的参数值，按下运行键，单片机PWM模块输出要求的PWM波，驱动IGBT开关工作，电压曲线实时显示；按下停止键，PWM模块停止工作。在运行过程中，若发生过电压或者过电流，单片机停止工作，报警灯亮。

3 处理室的设计

处理室根据物流可分为静态处理室和动态处理室。静态处理室相对简单，考虑影响因素少，采用分批次处理，适合可行性研究或流动性能较差样品的处理。

由于受实验室条件的限制，污水处理量少，且为手工间隙操作，因此处理室可以设计成简易的静态处理室。该处理室内物料是静止的，由脉冲电源提供极板间的电压。本实验是通过调节两极板的间距来获得不同的场强。样品无菌灌装成小袋，置于极板之间，采用不同的脉冲场强进行处理对比，此处理室尤其适合对流动性能较差的污水进行处理[8]。

图7 程序流程图Fig.7 Program flow diagram

图8 静态处理室Fig.8 Static chamber

4 结束语

处理装置系统的设计是PEF技术研究的一项关键技术。本文提出将该技术应用于污水处理上，探求污水处理新的方法。

本文设计了高压脉冲电场处理装置，其优点在于：

1）是基于单片机控制的低成本的高压脉冲电源，最高电压10 kV，最大电流50 A；

2）通过调节调压器和电位器，能够实现脉冲电场主要参数的方便调节，电压幅值0～10 kV，占空比10%～90%，脉冲频率 1～100 Hz；

3）能够实现处理电流、电压、脉宽、频率的监控，液晶屏直观显示，有过载保护电路；

4）本文设计的处理装置是为了研究高压脉冲在污水处理上的应用，但还有很多问题尚待解决，包括功率不够大，处理室尚属于静态处理室等。

[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]柳贡强.一种新型高压脉冲电场杀菌装置的研制[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2008.

[5]吴为民，李树杰，许东卫.脉冲高电压液体灭菌技术的研究[J].高电压技术，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驱动与保护电路设计及应用电路设计[M].北京:机械工业出版社，2011.

[8]尤吉，颜惠庚，杜存臣.小型高压脉冲电场杀菌系统的试制[J].食品与机械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稿件编号201210156

李 唐（1987—），男，江苏扬州人，硕士研究生。研究方向：检测与控制。