高壓脈沖電絮凝工業(yè)廢水處理技術(shù)及裝置
來(lái)源： 閱讀：8716 更新時(shí)間：2013-08-06 13:33電絮凝技術(shù)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(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。和傳統(tǒng)的化學(xué)混凝方法相比較，電絮凝技術(shù)的分離效率高、設(shè)備占地面積小、過(guò)程產(chǎn)生的泥渣少且含水率低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此，電絮凝技術(shù)可以用于廢水治理和給水處理工程，具有廣闊的應(yīng)用前景。
可以說(shuō)，電絮凝技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)初期。然而，剛剛出現(xiàn)的電絮凝技術(shù)由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平低和能耗指標(biāo)過(guò)高的局限，其應(yīng)用受到了嚴(yán)重制約。經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，電絮凝技術(shù)的工藝處理效果和能量效率都明顯提高。國(guó)際上對(duì)電絮凝技術(shù)的研究和應(yīng)用起步早，取得的專利研究成果推動(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(guó)外已有部分公司專業(yè)生產(chǎn)電絮凝設(shè)備，產(chǎn)品具有良好的適應(yīng)性和較高的能量效率。近二十多年來(lái)，我國(guó)對(duì)電絮凝技術(shù)的研究和應(yīng)用也進(jìn)行了比較系統(tǒng)的工藝研究工作，工藝對(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)處理電鍍廢水的研究具有一定的代表性。但總的來(lái)說(shuō)，較多工作限于實(shí)驗(yàn)室研究，電絮凝技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用還相對(duì)較少。值得提及的是，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，隨著飲用水標(biāo)準(zhǔn)的提高和廢水排放環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格實(shí)施，電絮凝技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始用于廢水處理和給水凈化工程，它的應(yīng)用重新獲得了充分的重視。
一、凝技術(shù)處理廢水的特點(diǎn)
電絮凝過(guò)程是復(fù)雜的物理及電化學(xué)過(guò)程。電絮凝過(guò)程中發(fā)生電解氧化還原反應(yīng)，氧化作用可以分解水中有機(jī)物、無(wú)機(jī)物，降低原液中的COD值；還原作用使污染物中的高價(jià)陽(yáng)離子還原為低價(jià)陽(yáng)離子或形成金屬氫氧化物沉淀除去。在外加電場(chǎng)的作用下，可溶性陽(yáng)極（犧牲陽(yáng)極）發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的
陽(yáng)離，陽(yáng)離子經(jīng)過(guò)水解、聚合形成一系列多核羥基絡(luò)合物和氫氧化物，如鐵離子可形成絡(luò)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(chǎn)物活性高、吸附能力強(qiáng)，可以起到凝聚、吸附、共沉淀等作用。另外，電解過(guò)程中，陽(yáng)極和陰極上產(chǎn)生的氧氣和氫氣，以微小氣泡的形式出現(xiàn)，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(guò)程中將懸浮物帶到水面而除去。
在水處理過(guò)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(guò)待處理水，通過(guò)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。
電絮凝設(shè)備施加電源的種類包括直流電源和脈沖電源。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(chǎng)定時(shí)換相時(shí)，可以從兩極產(chǎn)生陽(yáng)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，廣東沃杰森環(huán)保科技有限公司開(kāi)始進(jìn)行電絮凝技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，成功申請(qǐng)了發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型專利5項(xiàng)。公司自行設(shè)計(jì)制造了不同型號(hào)的杰聯(lián)牌高壓脈沖電絮凝處理裝置，單臺(tái)日處理廢水量范圍為10至1000m3。利用杰聯(lián)牌高壓脈沖電絮凝處理裝置成功完成了多個(gè)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(xué)、清華工業(yè)開(kāi)發(fā)研究院等單位開(kāi)展技術(shù)交流與合作，完成了第二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(wèn)題，延長(zhǎng)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(shè)計(jì)，解決了電極連接及更換困難的問(wèn)題，大大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。
廣東沃杰森環(huán)保科技有限公司通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)出利用高壓脈沖電絮凝技術(shù)處理電鍍廢水的工藝技術(shù)特點(diǎn)：
1、處理效率高，無(wú)需外加藥劑，污泥產(chǎn)量少，使用范圍廣。
2、通過(guò)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，可獲得最佳處理效能。
3、水質(zhì)、水量變化時(shí)，調(diào)整靈活，應(yīng)變快速；很少受環(huán)境溫度影響，系統(tǒng)工況和出水水質(zhì)穩(wěn)定。
4、以交流電直接供電，投資成本較低，設(shè)備占地面積少，設(shè)備使用周期長(zhǎng)。
5、操作方便簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)控制，設(shè)備維護(hù)容易，勞動(dòng)強(qiáng)度較低。
6、根據(jù)處理廢水種類的不同，可以與其他工藝過(guò)程靈活結(jié)合,效能事半功倍。
二、壓脈沖電絮凝技術(shù)處理電鍍廢水的工程實(shí)踐
作為廣東沃杰森環(huán)保科技有限公司利用高壓脈沖電絮凝技術(shù)處理電鍍廢水的第一個(gè)工程應(yīng)用，精美集團(tuán)番禺五金塑料制品有限公司的電鍍廢水處理是個(gè)典型的案例。該公司生產(chǎn)塑膠電鍍產(chǎn)品過(guò)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Cr+6、Ni+2、Cu+2等重金屬離子濃度偏高，有相當(dāng)?shù)奶幚黼y度。原來(lái)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達(dá)到排放要求。改造后的廢水處理系統(tǒng)，使用杰聯(lián)牌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(jīng)直流電源控制器輸出，電極電流密度為15A/m2。廢水經(jīng)電絮凝處理后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)原有沉淀池設(shè)備進(jìn)入總排出口。表1為精美集團(tuán)電鍍廢水的原廢水水質(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(cè)數(shù)據(jù)。
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表1 精美集團(tuán)電鍍廢水水質(zhì)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) |
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表2 深圳賓士電鍍廢水水質(zhì)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) |
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精美集團(tuán)電鍍廢水工程自2008年10月開(kāi)始運(yùn)行，四年多的實(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(guó)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(wàn)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，明顯延長(zhǎng)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(guò)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。
電鍍廢水處理工程實(shí)踐的另一個(gè)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(yùn)行兩年有余。該廢水處理系統(tǒng)使用杰聯(lián)牌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(jīng)直流電源控制器輸出，電極電流密度為9.5A/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(guó)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。表2為深圳賓士五金電鍍廠電鍍廢水處理的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
此外，廣東沃杰森環(huán)保科技有限公司又先后完成了湖北十堰佳恒汽車(chē)五金電鍍廢水電絮凝處理工程（日處理500m3）、山西海豐鋁業(yè)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(kāi)始進(jìn)入電鍍廢水回用工程的反滲透(RO)濃水處理系統(tǒng)。
三、絮凝技術(shù)應(yīng)用的幾點(diǎn)討論
出水pH值條件控制電絮凝技術(shù)處理電鍍廢水的過(guò)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(guò)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(guò)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值條件的選取又應(yīng)根據(jù)具體水質(zhì)情況來(lái)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值條件應(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，我們?cè)趯?duì)含Pb2+、Zn2+、Cd2+的電鍍廢水的電絮凝條件試驗(yàn)研究中，總是發(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。總之，電鍍廢水中有時(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。若廢水不可能實(shí)施分類、分流處理，則混流廢水采用單臺(tái)電絮凝設(shè)備處理時(shí)，可能較難完成最佳出水pH條件的控制。可以考慮采用兩臺(tái)電絮凝設(shè)備串聯(lián)操作，中間增加pH值調(diào)節(jié)步驟。
極板的優(yōu)化設(shè)計(jì)極板的材料、極板的形狀、極板的排布方式和與之對(duì)應(yīng)的水體流道的設(shè)計(jì)都會(huì)影響電絮凝過(guò)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(guò)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(guò)大可能導(dǎo)致電解效率低、時(shí)間長(zhǎng)，增大濃差極化的影響；極板間距過(guò)小，易發(fā)生短路，絮凝過(guò)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。
廢水COD值的脫除率通過(guò)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[。對(duì)于電鍍廢水的處理，電絮凝技術(shù)在這方面的不足也有所體現(xiàn)，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(guò)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(shù)和微絮凝過(guò)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。比較了多種操作單元耦合過(guò)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(guò)程)的優(yōu)勢(shì)，這些耦合過(guò)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。
目前，電絮凝裝置在使用過(guò)程中仍存在一些不足之處、過(guò)程能耗偏高、處理費(fèi)用偏高等問(wèn)題，電絮凝裝置和電源的設(shè)計(jì)方案還需進(jìn)一步完善。同時(shí)，由于廣東沃杰森環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的杰聯(lián)牌電絮凝反應(yīng)器加工制造還只是實(shí)現(xiàn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(guò)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(guò)程耦合來(lái)強(qiáng)化處理效果，提高電絮凝技術(shù)的體積效率，降低能耗，這些都是電絮凝技術(shù)的發(fā)展方向。
