王福來

(中交第一公路工程局有限公司， 北京 100024)

0 引 言

隨著造船技術(shù)的發(fā)展，以及環(huán)境保護意識的增強，船舶節(jié)能技術(shù)已成為世界各國船舶工程領(lǐng)域研究的熱點和重要課題之一。很多船舶都配有生活設(shè)備，雖然方便人們的海上或河上出行，但也由此產(chǎn)生了生活污水處理問題。雖然針對船舶生活污水治理問題采取了許多措施，但缺少比較規(guī)范和專業(yè)的處理方式，導(dǎo)致處理效率低、處理不及時等問題[1]。將國內(nèi)很多油田污水處理方式或生活污水處理方式等直接應(yīng)用到船舶生活污水處理中[2]，或者引用國外的船舶生活污水處理技術(shù)，缺少創(chuàng)新，也無法有針對性且高效率地處理船舶生活污水[3]。因此，針對船舶生活污水的污染特點及影響因素進行系統(tǒng)化研究，并選擇合理的船舶生活污水處理技術(shù)，是解決目前海洋污染及淡水污染問題的一項重要措施。

自主設(shè)計船舶生活污水處理試驗系統(tǒng)，研究在不同電壓下，基于電解絮凝法的船舶生活污水處理系統(tǒng)的除油、除濁效果和能耗，實現(xiàn)船舶生活污水的高效及時處理，為保護海洋環(huán)境及淡水資源提供一種新方式[4]。

1 試驗概況

1.1 試驗系統(tǒng)及流程

針對船舶及船上生活污水特點，自主設(shè)計船舶生活污水處理試驗系統(tǒng)，其工藝流程如圖1所示。

圖1 船舶生活污水處理試驗工藝流程

試驗采用自制恒溫電解絮凝水槽(30 cm×30 cm×30 cm)，陽極為3塊鋁極板(220 mm×220 mm×2 mm)電極，3塊多孔石墨作為陰極(220 mm×220 mm×2 mm)，極板間距為1.8 cm，電極采用單極式連接，平行放置于電解槽中。模擬河流污水初始pH值為7.4左右，初始含油量為650×10-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，初始濁度為800左右。

通過流量泵以20 L/h的流速不斷抽取船舶生活污水于恒溫電解絮凝水槽中進行電解；調(diào)整電壓依次為5 V、10 V、15 V、20 V、25 V進行3 h的電解試驗；每隔10 min從出液管口取樣測含油量、濁度以及計算電極消耗與電能消耗；記錄并分析數(shù)據(jù)。

1.2 試驗原理及材料儀器

電解絮凝的機理如圖2所示。

圖2 電解絮凝原理

電解原理是陽極的鋁或鐵極板在直流電源的作用下失電子成鋁離子或者鐵離子[5-6]，鋁離子或鐵離子水解生成一系列的多核水解產(chǎn)物[7]。這類水解產(chǎn)物有著吸附能力，可以吸附污水中的雜質(zhì)，小的絮凝體通過吸附污水中的雜質(zhì)變成較大絮凝體，會產(chǎn)生絮凝沉淀，這類沉淀物含雜質(zhì)量非常大。同時，氣浮現(xiàn)象產(chǎn)生的泡沫也會帶走大量污染物，通過絮凝與氣浮的共同作用，達到處理含油污水的良好效果[8]。

典型的電極反應(yīng)如下:

陽極：M→Mn++ne-

Mn++nH2O→M(OH)n↓+nH+

陰極：2H2O+2e-→H2↑+2OH-

為測得在不同電壓下河流污水的處理效果，分別設(shè)計含油量測定試驗、濁度測定試驗以及能耗測定試驗。所用試驗材料及儀器如表1所示。

表1 試驗材料

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 電壓對除油效果的影響

通過Origin軟件，將除油率與電壓值繪制成如圖3所示的曲線。

從圖3可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，含油量去除率不斷增大，在前60 min電解過程中，船舶生活污水含油量去除速率增長較快，反應(yīng)60 min以后，除油率增長有所減慢，這主要是由于在電解過程中，陽極的鋁極板不斷被溶蝕，產(chǎn)生“微絮凝劑”Al離子，“微絮凝劑”使得水中的雜質(zhì)失穩(wěn)，失去穩(wěn)定性雜質(zhì)在“微絮凝劑”上聚集成更大的絮凝體。隨著反應(yīng)時間的增加，鋁極板不斷被氧化，形成的氧化物覆蓋在鋁極板上，不能被及時去除，導(dǎo)致處理效果越來越差。

圖3 不同電壓下除油率與時間的關(guān)系

當(dāng)電壓從5 V增大至25 V時，船舶生活污水除油率由81.47%增加至90.75%，這主要是由于電解電壓越高，氧化還原反應(yīng)越激烈，在一定時間內(nèi)產(chǎn)生的“微絮凝劑”越多，氣浮與絮凝效果越顯著，除油速率與效果就越高。

2.2 電壓對去濁效果的影響

通過Origin軟件，將除濁率與電壓值繪制成如圖4所示的曲線。

圖4 不同電壓下去濁率與時間的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，濁度去除率不斷增大，而濁度是表現(xiàn)水中懸浮物對透過光線的阻礙程度，水中含有泥土、粉塵、微細有機物、浮游動物、其他微生物等懸浮物和膠體物都可使水呈現(xiàn)濁度。在前60 min電解過程中，船舶生活污水濁度去除率增長較快，反應(yīng)60 min以后，去濁率增長有所減慢，這主要是由于水中的懸浮物可以阻礙光的傳播。水的濁度不僅與水中懸浮物的含量有關(guān)，而且與懸浮物的大小、形狀和折射率等有關(guān)。最初含油船舶生活污水濁度比較大，隨著電解時間越久，水中的懸浮物明顯減少，最后穩(wěn)定在較低值上。

當(dāng)電壓從5 V增大至25 V時，船舶生活污水去濁率由99.39%增加至99.84%，這與含油量去除率變化原因相同。

2.3 電極消耗與電能消耗

電解絮凝處理成本包括電極消耗等其他費用[9]，其中電極消耗是這項技術(shù)的重要經(jīng)濟指標(biāo)，法拉第定律計算式為

(1)

式中：m為處理每克油所需Al的消耗量，g；i為電流密度，A/m2；F為有效極板面積，取0.048 4m2；M為Al的摩爾質(zhì)量，取26.98g/mol；z為電子摩爾數(shù)，取13；Ф為法拉第常數(shù)，取96 500C/mol；t為電絮凝時間，取10 800s；V為處理污水體積，取20L；C0為初始水中含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取650mg/L；C1平為電解180min時水中含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值，mg/L。

電能消耗[9]為

(2)

式中：E為電能消耗，(kW·h)/kg；U為槽壓，V。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算可得表2結(jié)果。

表2 改變電流時Al的消耗量和電能消耗

通過Origin軟件，分別將電極消耗、電能消耗與電壓值繪制成如圖5、圖6所示的曲線。

圖5 電極消耗與電壓的關(guān)系

圖6 電能消耗與電壓的關(guān)系

由表2與圖5、圖6可知：當(dāng)流量保證在20 L/h時，電壓從5 V增大至25 V時，電流密度也逐漸增大，從而導(dǎo)致處理單位質(zhì)量的船舶生活污水消耗的鋁極板量逐漸增加。這是由于隨著電流密度的升高，導(dǎo)致電解速度加快，鋁電極消耗量增加。綜合考慮除油率與能耗，當(dāng)流量為20 L/h、電壓為20 V時可使得污水含油量低于20×10-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，能耗相對較低。

3 結(jié) 論

通過自主設(shè)計船舶生活污水處理試驗系統(tǒng)，研究不同電壓對除油效果、除濁效果和能耗的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 除油率先隨時間逐漸增大，然后基本穩(wěn)定在一定值。電壓越高，除油效果越明顯。當(dāng)電壓為20 V時，污水含油量可低于20×10-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；當(dāng)電壓為25 V時，除油率可達90.75%。

(2) 隨著時間的增加，去濁率逐漸增大，然后基本穩(wěn)定在一定值。隨著電壓改變，除濁率變化不大；電壓為5～25 V時，除濁率均可達99%以上。

(3) 能耗隨著電壓的升高而增加，能耗越大，污水處理效果越明顯。綜合除油率和能耗，流量為20 L/h時，該試驗系統(tǒng)的處理效果最佳。