高壓脈沖電絮凝工業廢水處理技術及裝置
來源： 閱讀：8860 更新時間：2013-08-06 13:33電絮凝技術能高效脫除重金屬離子，吸附凝聚并脫除水中膠體和懸浮類污染物，而且對乳化油、大分子有機物、微生物、氟離子和部分有色物質也具有良好的去除效果。和傳統的化學混凝方法相比較，電絮凝技術的分離效率高、設備占地面積小、過程產生的泥渣少且含水率低、易于實現自動控制。因此，電絮凝技術可以用于廢水治理和給水處理工程，具有廣闊的應用前景。
可以說，電絮凝技術產生于二十世紀初期。然而，剛剛出現的電絮凝技術由于受當時的技術水平低和能耗指標過高的局限，其應用受到了嚴重制約。經過百余年的發展，電絮凝技術的工藝處理效果和能量效率都明顯提高。國際上對電絮凝技術的研究和應用起步早，取得的專利研究成果推動了電絮凝技術的發展，拓展了電絮凝技術在水處理方面的應用。國外已有部分公司專業生產電絮凝設備，產品具有良好的適應性和較高的能量效率。近二十多年來，我國對電絮凝技術的研究和應用也進行了比較系統的工藝研究工作，工藝對象包括電鍍、化工、印染、制藥、制革等行業的工業廢水。其中，電絮凝技術處理電鍍廢水的研究具有一定的代表性。但總的來說，較多工作限于實驗室研究，電絮凝技術在工程實踐中的應用還相對較少。值得提及的是，隨著電化學處理效率的不斷提升及處理成本的逐漸降低，隨著飲用水標準的提高和廢水排放環境標準的嚴格實施，電絮凝技術已經開始用于廢水處理和給水凈化工程，它的應用重新獲得了充分的重視。
一、凝技術處理廢水的特點
電絮凝過程是復雜的物理及電化學過程。電絮凝過程中發生電解氧化還原反應，氧化作用可以分解水中有機物、無機物，降低原液中的COD值；還原作用使污染物中的高價陽離子還原為低價陽離子或形成金屬氫氧化物沉淀除去。在外加電場的作用下，可溶性陽極（犧牲陽極）發生氧化反應，產生大量的
陽離，陽離子經過水解、聚合形成一系列多核羥基絡合物和氫氧化物，如鐵離子可形成絡合物Fe(H2O)63+、Fe(H2O)5(OH)2+、Fe(H2O)4(OH)2+、Fe2(H2O)8(OH)24+以及Fe2(H2O)6(OH)42+等。這些產物活性高、吸附能力強，可以起到凝聚、吸附、共沉淀等作用。另外，電解過程中，陽極和陰極上產生的氧氣和氫氣，以微小氣泡的形式出現，作為載體粘附水中的懸浮固體、乳狀油等污染物，在其上浮過程中將懸浮物帶到水面而除去。
在水處理過程中，電絮凝技術具有多種功能。在極板間加上一定電壓，電流經電極流過待處理水，通過電絮凝作用、電化學氧化還原作用及電氣浮作用完成水處理操作。利用電絮凝進行水處理的主要影響因素包括施加電源的種類及強度、電極的設計及材料選擇、電流密度、反應時間、原水pH值及待分離組分濃度等。
電絮凝設備施加電源的種類包括直流電源和脈沖電源。電絮凝設備采用脈沖電源時，能耗明顯降低，而且脈沖電壓的加入使電極反應斷續進行，防止電極鈍化，且有利于減少濃差極化。另外，當絮凝槽電極施加電場定時換相時，可以從兩極產生陽離子，且由于兩極極性的周期性變化，也對防止電極鈍化有積極作用。
自2006年起，廣東沃杰森環保科技有限公司開始進行電絮凝技術的研究開發，成功申請了發明專利1項，實用新型專利5項。公司自行設計制造了不同型號的杰聯牌高壓脈沖電絮凝處理裝置，單臺日處理廢水量范圍為10至1000m3。利用杰聯牌高壓脈沖電絮凝處理裝置成功完成了多個電鍍廢水處理工程，獲得了滿意的治理效果。
最近兩年，沃杰森公司與暨南大學、清華工業開發研究院等單位開展技術交流與合作，完成了第二代高壓脈沖電絮凝器的定型設計，并投入生產。新型電絮凝器優化了電極極板的排布組合方式及水體流道的設計，較好地解決了電極鈍化問題，延長了電極的使用壽命。此后，公司又組織力量完成了電極的組合模塊設計，解決了電極連接及更換困難的問題，大大降低了操作人員的勞動強度。另外，針對高濃度、難降解有機物廢水的處理，試制了封閉式高壓溶氧/電絮凝設備。
廣東沃杰森環保科技有限公司通過工程應用實踐，總結出利用高壓脈沖電絮凝技術處理電鍍廢水的工藝技術特點：
1、處理效率高，無需外加藥劑，污泥產量少，使用范圍廣。
2、通過調節極板組合、電壓、電流密度、脈沖頻率、廢水pH值、電導率等，可獲得最佳處理效能。
3、水質、水量變化時，調整靈活，應變快速；很少受環境溫度影響，系統工況和出水水質穩定。
4、以交流電直接供電，投資成本較低，設備占地面積少，設備使用周期長。
5、操作方便簡單，易于自動控制，設備維護容易，勞動強度較低。
6、根據處理廢水種類的不同，可以與其他工藝過程靈活結合,效能事半功倍。
二、壓脈沖電絮凝技術處理電鍍廢水的工程實踐
作為廣東沃杰森環保科技有限公司利用高壓脈沖電絮凝技術處理電鍍廢水的第一個工程應用，精美集團番禺五金塑料制品有限公司的電鍍廢水處理是個典型的案例。該公司生產塑膠電鍍產品過程中產生的工藝廢水屬于混流廢水，且較難進行分流。廢水中Cr+6、Ni+2、Cu+2等重金屬離子濃度偏高，有相當的處理難度。原來的水處理系統采用化學沉降工藝，直接投放化學藥劑，處理費用高、污泥量大，且處理后的廢水仍難達到排放要求。改造后的廢水處理系統，使用杰聯牌高壓脈沖電絮凝裝置，兩臺并聯操作，單臺處理能力為30t/h。電絮凝槽體尺寸為360029002200mm，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，經直流電源控制器輸出，電極電流密度為15A/m2。廢水經電絮凝處理后，經現場原有沉淀池設備進入總排出口。表1為精美集團電鍍廢水的原廢水水質及處理后的電絮凝裝置出口水質及總排口水質的監測數據。
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表1 精美集團電鍍廢水水質監測統計數據 |
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表2 深圳賓士電鍍廢水水質監測統計數據 |
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精美集團電鍍廢水工程自2008年10月開始運行，四年多的實踐結果表明，在優化的操作條件下，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，與傳統的化學沉降處理技術比較，不僅處理后廢水的污染物凈化水平達到國家規定的排放標準，而且減少了污泥排放量，降低了處理費用，每月節約廢水處理費用約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，減小了回用水系統的處理負荷，改善了回用水系統使用的反滲透膜易結垢阻塞的狀況，明顯延長了膜組件清洗和再生保養的周期，有效提高了反滲透膜的產水量，降低了可回用水的處理成本，實現了日回用水超過800噸的設計指標，真正實現了節能、減排和降耗，創造了顯著的社會經濟效益。
電鍍廢水處理工程實踐的另一個案例是深圳賓士五金電鍍廠電鍍廢水處理及回用工程，處理工程日處理電鍍廢水240m3，到目前已成功運行兩年有余。該廢水處理系統使用杰聯牌高壓脈沖電絮凝裝置，兩臺并聯操作，單臺處理能力為10t/h。電絮凝槽體尺寸為260020002400mm，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，經直流電源控制器輸出，電極電流密度為9.5A/m2。廢水流經電絮凝裝置，處理后廢水的污染物凈化水平達到國家規定的排放標準。處理后廢水再進入回用水處理系統，實現了日回用水的設計指標，提高了可回用水的處理效率。表2為深圳賓士五金電鍍廠電鍍廢水處理的水質監測數據。
此外，廣東沃杰森環保科技有限公司又先后完成了湖北十堰佳恒汽車五金電鍍廢水電絮凝處理工程（日處理500m3）、山西海豐鋁業金屬表面處理廢水電絮凝處理工程（日處理100m3）等，都取得了良好的處理效果。目前，公司的脈沖電絮凝裝置也開始進入電鍍廢水回用工程的反滲透(RO)濃水處理系統。
三、絮凝技術應用的幾點討論
出水pH值條件控制電絮凝技術處理電鍍廢水的過程中，廢水組成及其自身的理化性質，尤其是廢水的pH值，對電絮凝處理效果有明顯的影響。電鍍廢水pH值的調節會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值條件為中性或弱堿性，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，混凝效果更好。另一方面，pH值條件的選取又應根據具體水質情況來確定。例如，處理含重金屬離子的電鍍廢水時，其最佳出水pH值條件應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。如文獻報道稱，Cu2+、Ni2+、Mn2+的氫氧化物易于形成沉淀的pH值分別應大于8、9.5和10[9,10]。又如，我們在對含Pb2+、Zn2+、Cd2+的電鍍廢水的電絮凝條件試驗研究中，總是發現Pb2+和Zn2+的去除率不夠理想，而且，調高出水pH值條件又需要考慮其對應氫氧化物的兩性特征。總之，電鍍廢水中有時含有多種重金屬離子，各種離子易于形成沉淀的pH值范圍有較大區別。若廢水不可能實施分類、分流處理，則混流廢水采用單臺電絮凝設備處理時，可能較難完成最佳出水pH條件的控制。可以考慮采用兩臺電絮凝設備串聯操作，中間增加pH值調節步驟。
極板的優化設計極板的材料、極板的形狀、極板的排布方式和與之對應的水體流道的設計都會影響電絮凝過程的分離效率。例如，電極材料由利用鐵、鋁等材料向利用復合材料發展；極板形狀由平板向球形、網狀、管狀等型式轉換；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效率和體積效率。又如，極板厚度和極板間距的確定是很重要的。極板間距過大可能導致電解效率低、時間長，增大濃差極化的影響；極板間距過小，易發生短路，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，配之以適當頻率的脈沖電源及定時換相，有利于防止電極鈍化、降低能耗，提高電絮凝效率。
廢水COD值的脫除率通過優化工藝條件，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，電絮凝技術通常對極性有機物廢水的處理效果較差，對溶解性有機物貢獻的COD值的去除率不高[。對于電鍍廢水的處理，電絮凝技術在這方面的不足也有所體現，特別是在處理電鍍廢水的回用水系統的反滲透（RO）濃水時，COD值的去除存在一定的難度。根據處理廢水種類的不同，實現電絮凝技術與其他物化技術的過程耦合，可以提高污染物和廢水COD值的去除率，進一步拓展電絮凝技術的應用范圍。例如，采用電絮凝/砂濾法處理染色廢水，廢水COD值從344-806mg/L降低至44-135mg/L，色度從20-100倍降至2-25倍。又如，將電絮凝技術和微絮凝過濾相結合，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。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、預氧化/電絮凝、電絮凝/氣浮等耦合過程)的優勢，這些耦合過程的研究工作已經成為拓展電絮凝技術應用的熱點研究方向，具有重要的參考價值。
目前，電絮凝裝置在使用過程中仍存在一些不足之處、過程能耗偏高、處理費用偏高等問題，電絮凝裝置和電源的設計方案還需進一步完善。同時，由于廣東沃杰森環保科技有限公司生產的杰聯牌電絮凝反應器加工制造還只是實現企業標準，電極連接及更換存在一定困難，勞動強度較大。電絮凝相關過程的機理有待深入研究，電絮凝技術的應用有待推廣。改進電源技術、研究新型電極材料；針對各種復雜水質特點，優化電絮凝處理工藝條件，實現電絮凝設備結構的特征設計和標準化；采用過程耦合來強化處理效果，提高電絮凝技術的體積效率，降低能耗，這些都是電絮凝技術的發展方向。
