周義文，周義斌，陳麗雯，韋櫻花，戴猷元（.廣東沃杰森環(huán)?？萍加邢薰荆瑥V東 東莞 5307；.北京清華工業(yè)開發(fā)研究院，北京 00084）

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高壓脈沖電絮凝技術(shù)在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

周義文1，周義斌1，陳麗雯1，韋櫻花1，戴猷元2
（1.廣東沃杰森環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 東莞 523071；2.北京清華工業(yè)開發(fā)研究院，北京 100084）

摘 要：高壓脈沖電絮凝技術(shù)是較為理想的廢水處理技術(shù)。簡要敘述了高壓脈沖電絮凝技術(shù)處理廢水的特點(diǎn)，描述了高壓脈沖電絮凝技術(shù)處理工業(yè)廢水的應(yīng)用實(shí)例。結(jié)果表明，在優(yōu)化的操作條件下，高壓脈沖電絮凝技術(shù)可以有效處理工業(yè)廢水，使之達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)或回用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)高壓脈沖電絮凝技術(shù)處理廢水中的問題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：電絮凝；高壓脈沖；廢水處理；工業(yè)廢水

1 引言

電絮凝技術(shù)能高效去除重金屬離子，吸附凝聚并去除水中膠體和懸浮類污染物，并且對(duì)乳化油、大分子有機(jī)物、微生物、氟離子和部分有色物質(zhì)也具有良好的去除效果。與傳統(tǒng)的化學(xué)混凝方法相比，電絮凝技術(shù)具有分離效率高、設(shè)備占地面積小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。因此，電絮凝技術(shù)在廢水治理和給水處理工程領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［1-5］。

電絮凝技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)初，受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平低和能耗過高的局限，其應(yīng)用受到了嚴(yán)重制約。近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電絮凝技術(shù)的處理效果明顯提高，且處理能耗和成本也得到了很好的控制。國際上對(duì)電絮凝技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較早，并取得了大量、優(yōu)秀的專利技術(shù)，這些專利研究成果推動(dòng)了電絮凝技術(shù)的發(fā)展，拓展了電絮凝技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用。國外已有公司專業(yè)生產(chǎn)電絮凝設(shè)備，這些設(shè)備具有良好的適應(yīng)性、較理想的處理效果和能耗。

近年來，我國對(duì)電絮凝技術(shù)的應(yīng)用也進(jìn)行了較系統(tǒng)的工藝研究工作，研究對(duì)象包括電鍍、化工、印染、制藥、制革等行業(yè)的工業(yè)廢水。其中，電絮凝技術(shù)處理電鍍廢水（包括有機(jī)廢水、重金屬廢水）、印染廢水的研究具有一定的實(shí)用性。隨著電化學(xué)處理效率的不斷提升及處理成本的逐漸降低，以及工業(yè)廢水排放或回用標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格實(shí)施，電絮凝技術(shù)開始應(yīng)用于廢水處理和凈化工程，并已成功應(yīng)用于處理電鍍廢水和印染廢水的實(shí)際工程。

2 高壓脈沖電絮凝技術(shù)工作原理和特點(diǎn)

本文論述的高壓脈沖電絮凝設(shè)備為復(fù)極式電絮凝反應(yīng)設(shè)備。電絮凝反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行方式采用連續(xù)式運(yùn)行，極板垂直平行擺布，進(jìn)水自下而上，便于布水均勻，利用多級(jí)串聯(lián)的形式，對(duì)水體進(jìn)行多次反應(yīng)，以得到充分電解，設(shè)備分布水區(qū)、極板反應(yīng)區(qū)、污泥收集區(qū)、電凝反應(yīng)區(qū)和刮渣區(qū)以及排水堰。

在復(fù)極式的電絮凝反應(yīng)設(shè)備中，僅有兩端的電極與電源的兩端連接，每一電極的兩面均具有不同的極性，即一面是陽極，另一面是陰極。在復(fù)極式電化學(xué)反應(yīng)設(shè)備中，電極和直流電源連接，在電場感應(yīng)電流作用下，極板兩面分別發(fā)生陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)。

陽極反應(yīng)：

當(dāng)溶液中含有Cl-時(shí)，陽極同時(shí)發(fā)生如下電化學(xué)與化學(xué)反應(yīng)：

陽極表面的直接電氧化作用和 Cl-電解產(chǎn)物的間接氧化作用，可有效降解廢水中溶解性有機(jī)物和還原性無機(jī)物，降低水體中的COD濃度；在外加電場的作用下及適當(dāng)?shù)膒H條件下，可溶性陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的陽離子，陽離子經(jīng)過水解、聚合形成一系列吸附能力較強(qiáng)的多核羥基絡(luò)合物和氫氧化物，如Fe3+可形成絡(luò)合物Fe（H2O）63+、Fe（H2O）5（OH）2+、Fe（H2O）4（OH）2+等。這些產(chǎn)物活性高、吸附能力強(qiáng)，發(fā)揮吸附電中和以及網(wǎng)捕作用，有效凝聚、吸附、共沉淀水體中污染物。

在水處理過程中，電絮凝技術(shù)具有多種功能。在極板間加上一定電壓，電流經(jīng)電極流過待處理水，通過電絮凝作用、電化學(xué)氧化還原作用及電氣浮作用完成水處理操作。利用電絮凝進(jìn)行水處理的主要影響因素包括施加電源的種類及強(qiáng)度、電極的設(shè)計(jì)及材料選擇、電流密度、反應(yīng)時(shí)間、原水pH值及待分離組分濃度等［5-8］。

電絮凝設(shè)備施加電源的種類包括直流電源和脈沖電源［5、6］。電絮凝設(shè)備采用脈沖電源時(shí)，能耗明顯降低，而且脈沖電壓的加入使電極反應(yīng)斷續(xù)進(jìn)行，防止電極鈍化，且有利于減少濃差極化。另外，當(dāng)絮凝槽電極施加電場定時(shí)換相時(shí)，可以從兩極產(chǎn)生陽離子，且由于兩極極性的周期性變化，也對(duì)防止電極鈍化有積極作用。

自2006年起，國內(nèi)一些企業(yè)開始進(jìn)行電絮凝技術(shù)的研發(fā)，自行設(shè)計(jì)制造了不同型號(hào)的高壓脈沖電絮凝處理裝置，單臺(tái)日處理廢水量范圍為10～1000m3，成功完成了多個(gè)工業(yè)廢水處理工程，獲得了滿意的治理效果。近兩年，完成了第三代高壓脈沖電絮凝器的定型設(shè)計(jì)，并投入生產(chǎn)。新型電絮凝器優(yōu)化了電極極板的排布組合方式及水體流道的設(shè)計(jì)，較好地解決了電極鈍化問題，延長了電極的使用壽命；完成了電極的組合模塊設(shè)計(jì)，解決了電極連接及更換困難的問題，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，針對(duì)高濃度、難降解有機(jī)物廢水的處理，試制了封閉式高壓溶氧/電絮凝設(shè)備。

高壓脈沖電絮凝技術(shù)處理工業(yè)廢水的特點(diǎn)：

（1）比傳統(tǒng)化學(xué)混凝法減少投藥量1/2，避免了二次污染；

（2）連接后續(xù)水回用處理設(shè)備可降低膜管阻塞的幾率、提高水回收率、降低膜管清洗頻率，延長膜管的使用壽命；

（3）油脂、膠體、色度、細(xì)菌及SS等的去除效果較傳統(tǒng)技術(shù)更佳；

（4）集氧化、還原、氣浮、絮凝、沉淀等為一體，占地省、效率高；

（5）處理時(shí)間短，處理全程僅約30分鐘；

（6）模組化套裝設(shè)備，可大量生產(chǎn)，土木工程量減少1/3以上，施工容易，安裝迅速；

（7）移動(dòng)式設(shè)備，可配合廠房遷移搬動(dòng)繼續(xù)使用；

（8）可單獨(dú)或與傳統(tǒng)處理設(shè)備串聯(lián)或并聯(lián)，或直接搭配改善現(xiàn)有系統(tǒng)增加其效能，確保處理水質(zhì)穩(wěn)定，符合排放標(biāo)準(zhǔn)；

（9）操作簡單容易，采用全自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)云端控制，人力需求少；

（10）采用復(fù)極式串聯(lián)連接，歐姆降壓小，槽間電壓高，運(yùn)行電流小，低能耗（1～1.5kW·h/m3），僅為傳統(tǒng)電解法的1/15～1/10；

（11）通過調(diào)節(jié)極板組合、電壓、電流密度、脈沖頻率、廢水pH值、電導(dǎo)率等，可獲得最佳的處理效果；

（12）根據(jù)處理廢水種類的不同，可與其他工藝過程靈活結(jié)合，提升效能。

3 高壓脈沖電絮凝技術(shù)的工程案例

3.1 案例1

廣州精美集團(tuán)番禺五金塑料制品有限公司，在生產(chǎn)塑膠電鍍產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的工藝廢水屬于混流廢水，且較難進(jìn)行分流。廢水中Cr2O72-、Ni2+、Cu2+等重金屬離子濃度偏高，處理難度較大。原有的水處理系統(tǒng)采用化學(xué)沉降工藝，直接投放化學(xué)藥劑，處理費(fèi)用高、污泥量大，且處理后的廢水仍難以達(dá)到排放要求。改造后的廢水處理系統(tǒng)，使用高壓脈沖電絮凝裝置，兩臺(tái)并聯(lián)操作，單臺(tái)處理能力為30t/h。電絮凝槽體尺寸為3600×2900×2200mm，采用Fe極，極板厚度是6mm，極板間距為25mm，操作條件為直接接入380V電壓，經(jīng)直流電源控制器輸出，電極電流密度為60.5A/m2。廢水經(jīng)電絮凝處理后，經(jīng)現(xiàn)場原有沉淀池設(shè)備進(jìn)入總排出口。表1為精美集團(tuán)電鍍廢水的水質(zhì)及處理后的電絮凝裝置出口水質(zhì)及總排口水質(zhì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 精美集團(tuán)電鍍廢水水質(zhì)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

精美集團(tuán)電鍍廢水工程自2009年10月開始運(yùn)行，實(shí)踐結(jié)果表明，在優(yōu)化的操作條件下，使用高壓脈沖電絮凝裝置處理混流電鍍廢水效率高、能耗較低，與傳統(tǒng)的化學(xué)沉降處理技術(shù)比較，不僅處理后廢水的污染物凈化水平達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且減少了污泥排放量，降低了處理費(fèi)用，每月節(jié)約廢水處理費(fèi)用約20多萬元，廢水處理工程的綜合效果良好。另外，由于使用高壓脈沖電絮凝裝置作為前處理工序，凈化分離了水體中的主要污染物，減小了回用水系統(tǒng)的處理負(fù)荷，改善了回用水系統(tǒng)使用的反滲透膜易結(jié)垢阻塞的狀況，延長了膜組件清洗和再生保養(yǎng)的周期，有效提高了反滲透膜的產(chǎn)水量，降低了可回用水的處理成本，實(shí)現(xiàn)了日回用水超過800噸的設(shè)計(jì)指標(biāo)，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、減排和降耗，創(chuàng)造了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 案例2

深圳賓士五金電鍍廠電鍍廢水處理及回用工程，日處理電鍍廢水240m3，該廢水處理系統(tǒng)使用高壓脈沖電絮凝裝置，兩臺(tái)并聯(lián)操作，單臺(tái)處理能力為10m3/h。電絮凝槽體尺寸為2600×2000×2400mm，采用Fe極，極板厚度是6mm，極板間距為25mm，操作條件為直接接入380V電壓，經(jīng)直流電源控制器輸出，電極電流密度為70.5A/m2。廢水流經(jīng)電絮凝裝置，處理后廢水的污染物凈化水平達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。處理后廢水再進(jìn)入回用水處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了日回用水的設(shè)計(jì)指標(biāo)，提高了可回用水的處理效率（見表2）。

表2 深圳賓士五金電鍍廠廢水水質(zhì)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3.3 案例3

浙江福發(fā)紡織有限公司，主營布匹染色，排放廢水2000m3/d，主要含有懸浮物、COD、染色劑等。2013年11月開始使用高壓脈沖電絮凝裝置，設(shè)備置于廢水回用系統(tǒng)前端，作為廢水回用預(yù)處理工藝：電絮凝+砂濾+超濾+ RO系統(tǒng)。處理能力為50m3/h×2臺(tái)，采用Fe極，極板厚度6mm，極板間距25mm，操作條件為直接接入380V電壓，經(jīng)直流電源控制器輸出，電極電流密度為60.8A/m2。廢水流經(jīng)電絮凝裝置，處理后的廢水再進(jìn)入回用水處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了日回用水的設(shè)計(jì)指標(biāo)，提高了可回用水的處理效率（見表3）。

表3 杭州福發(fā)紡織有限公司印染廢水水質(zhì)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)

此外，湖北十堰佳恒汽車五金電鍍廢水電絮凝處理工程（500m3/d）、四川宏達(dá)鋅冶廢水處理工程（1000m3/d）、云南鋅銦礦業(yè)污水處理工程（1000m3/h）、珠海某五金廠電鍍廢水處理及回用工程（800m3/h）江蘇某環(huán)?？萍加邢薰緹煹罋鈴U水深度處理項(xiàng)目（400m3/d）、北京大學(xué)深圳研究生院電絮凝中試設(shè)備（4m3/d）等數(shù)十項(xiàng)成功工程案例，也都取得了良好的處理效果。目前，脈沖電絮凝裝置已開始進(jìn)入電鍍廢水回用工程的反滲透（RO）濃水處理系統(tǒng)。

4 高壓脈沖電絮凝技術(shù)應(yīng)用探討

4.1 出水pH值條件控制

在電絮凝技術(shù)處理電鍍廢水的過程中，廢水組成及其自身的理化性質(zhì)，尤其是廢水的pH值，對(duì)電絮凝處理效果有明顯的影響。電鍍廢水pH值的調(diào)節(jié)會(huì)直接影響電絮凝過程的絮凝劑生成和除污效率［5、6］。一方面，絮凝劑生成的適宜pH值為中性或弱堿性，過低的pH值條件不利于絮凝劑的生成，而且，聚鋁絮凝劑或聚鐵絮凝劑在中性或弱堿性條件下，吸附能力更強(qiáng)，混凝效果更好。另一方面，pH值的選取又應(yīng)根據(jù)具體水質(zhì)情況來確定。例如，處理含重金屬離子的電鍍廢水時(shí)，其最佳出水pH值應(yīng)控制在略高于重金屬氫氧化物易于形成沉淀的pH值范圍，才能提高除污效率。如文獻(xiàn)報(bào)道稱，Cu2+、Ni2+、Mn2+的氫氧化物易于形成沉淀的pH值分別應(yīng)大于8、9.5和10［9、10］。又如，在對(duì)含Pb2+、Zn2+、Cd2+的電鍍廢水的電絮凝條件試驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)Pb2+和Zn2+的去除率不夠理想，而且調(diào)高出水pH值條件又需要考慮其對(duì)應(yīng)氫氧化物的兩性特征?？傊婂儚U水中有時(shí)含有多種重金屬離子，各種離子易于形成沉淀的pH值范圍有較大區(qū)別。

4.2 極板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

極板的材料、形狀、排布方式和與之對(duì)應(yīng)的水體流道的設(shè)計(jì)都會(huì)影響電絮凝過程的分離效率。例如，電極材料由利用鐵、鋁等材料向利用復(fù)合材料發(fā)展；極板形狀由平板向球形、網(wǎng)狀、管狀等型式轉(zhuǎn)換；采用三維電極，增大電極的比表面積，從而提高電絮凝過程的電流密度和體積效率。又如，極板厚度和極板間距的確定很重要，極板間距過大，可能導(dǎo)致電解效率低、時(shí)間長，增大濃差極化的影響；極板間距過小，易發(fā)生短路，絮凝過程可能在極板間受阻。選擇適宜的極板厚度和極板間距，配之以適當(dāng)頻率的脈沖電源及定時(shí)換相，有利于防止電極鈍化、降低能耗，提高電絮凝效率。

4.3 廢水COD去除率

通過優(yōu)化工藝條件，電絮凝裝置可以高效處理含重金屬離子廢水、含磷廢水、含氰廢水、含砷廢水等。但是，電絮凝技術(shù)通常對(duì)極性有機(jī)物廢水的處理效果較差，對(duì)溶解性有機(jī)物貢獻(xiàn)的COD值的去除率不高［11］。對(duì)于電鍍廢水的處理，電絮凝技術(shù)在這方面也存在不足，特別是在處理電鍍廢水的回用水系統(tǒng)的反滲透（RO）濃水時(shí)，COD值的去除存在一定的難度。

根據(jù)處理廢水種類的不同，實(shí)現(xiàn)電絮凝技術(shù)與其他物化技術(shù)的過程耦合，可以提高污染物和廢水COD值的去除率，進(jìn)一步拓展電絮凝技術(shù)的應(yīng)用范圍。例如，采用電絮凝/砂濾法處理染色廢水，廢水的COD值從344～806mg/L降低至44～135mg/L，色度從20～100倍降至2～25倍［12］。又如，將電絮凝技術(shù)和微絮凝過濾相結(jié)合，用于生活飲用水制備中處理低濁度原水工藝，處理效果較好［13］。文獻(xiàn)［14-16］比較了多種操作單元耦合過程（包括電氧化/電絮凝、光電絮凝、預(yù)氧化/電絮凝、電絮凝/氣浮等耦合過程）的優(yōu)勢(shì)，這些耦合過程的研究工作已經(jīng)成為拓展電絮凝技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)研究方向，具有重要的參考價(jià)值。

5 結(jié)語

目前，電絮凝裝置在個(gè)別廢水處理過程中仍存在電極鈍化、過程能耗偏高、處理費(fèi)用偏高等問題，電絮凝裝置和電源的設(shè)計(jì)方案還需完善。同時(shí)，由于電絮凝反應(yīng)器加工制造還未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，電極連接及更換存在一定困難，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。電絮凝相關(guān)過程的機(jī)理有待深入研究，電絮凝技術(shù)的應(yīng)用有待推廣。改進(jìn)電源技術(shù)、研究新型電極材料；針對(duì)各種復(fù)雜水質(zhì)特點(diǎn)，優(yōu)化電絮凝處理工藝條件，實(shí)現(xiàn)電絮凝設(shè)備結(jié)構(gòu)的特征設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化；采用過程耦合來強(qiáng)化處理效果，提高電絮凝技術(shù)的體積效率、降低能耗等，都是今后電絮凝技術(shù)的研究發(fā)展的方向。

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中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-5377（2016）06-0016-04

Application of High Voltage， Pulse and Electrocoagulation Technology in Industrial Effluent Treatment

ZHOU Yi-wen， ZHOU Yi-bin， CHEN Li-wen， WEI Ying-hua， DAI You-yuan