高壓脈沖電絮凝技術在工業(yè)廢水處理中的應用

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在工業(yè)廢水處理中的應用

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是較為理想的廢水處理技術。簡要敘述了高壓脈沖電絮凝技術處理廢水的特點，描述了高壓脈沖電絮凝技術處理工業(yè)廢水的應用實例。結果表明，在優(yōu)化的操作條件下，高壓脈沖電絮凝技術可以有效處理工業(yè)廢水，使之達到國家規(guī)定的排放標準或回用標準。同時，對高壓脈沖電絮凝技術處理廢水中的問題進行了討論。

關鍵詞：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，并且對乳化油、大分子有機物、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)的化學混凝方法相比，電絮凝技術具有分離效率高、設備占地面積小、易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點。因此，電絮凝技術在廢水治理和給水處理工程領域有廣闊的應用前景［1-5］。

電絮凝技術產(chǎn)生于二十世紀初，受當時技術水平低和能耗過高的局限，其應用受到了嚴重制約。近幾十年來，隨著科學技術的發(fā)展，電絮凝技術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。國際上對電絮凝技術的研究和應用起步較早，并取得了大量、優(yōu)秀的專利技術，這些專利研究成果推動了電絮凝技術的發(fā)展，拓展了電絮凝技術在水處理方面的應用。國外已有公司專業(yè)生產(chǎn)電絮凝設備，這些設備具有良好的適應性、較理想的處理效果和能耗。

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

2 高壓脈沖電絮凝技術工作原理和特點

本文論述的高壓脈沖電絮凝設備為復極式電絮凝反應設備。電絮凝反應設備的運行方式采用連續(xù)式運行，極板垂直平行擺布，進水自下而上，便于布水均勻，利用多級串聯(lián)的形式，對水體進行多次反應，以得到充分電解，設備分布水區(qū)、極板反應區(qū)、污泥收集區(qū)、電凝反應區(qū)和刮渣區(qū)以及排水堰。

在復極式的電絮凝反應設備中，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。在復極式電化學反應設備中，電極和直流電源連接，在電場感應電流作用下，極板兩面分別發(fā)生陽極反應和陰極反應。

陽極反應：

當溶液中含有Cl-時，陽極同時發(fā)生如下電化學與化學反應：

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物和還原性無機物，降低水體中的COD濃度；在外加電場的作用下及適當?shù)膒H條件下，可溶性陽極發(fā)生氧化反應，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的多核羥基絡合物和氫氧化物，如Fe3+可形成絡合物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，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［5-8］。

電絮凝設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(xù)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(chǎn)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，國內(nèi)一些企業(yè)開始進行電絮凝技術的研發(fā)，自行設計制造了不同型號的高壓脈沖電絮凝處理裝置，單臺日處理廢水量范圍為10～1000m3，成功完成了多個工業(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計，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計，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計，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。

高壓脈沖電絮凝技術處理工業(yè)廢水的特點：

（1）比傳統(tǒng)化學混凝法減少投藥量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、細菌及SS等的去除效果較傳統(tǒng)技術更佳；

（4）集氧化、還原、氣浮、絮凝、沉淀等為一體，占地省、效率高；

（5）處理時間短，處理全程僅約30分鐘；

（6）模組化套裝設備，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）移動式設備，可配合廠房遷移搬動繼續(xù)使用；

（8）可單獨或與傳統(tǒng)處理設備串聯(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，符合排放標準；

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

（10）采用復極式串聯(lián)連接，歐姆降壓小，槽間電壓高，運行電流小，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合，提升效能。

3 高壓脈沖電絮凝技術的工程案例

3.1 案例1

廣州精美集團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以達到排放要求。改造后的廢水處理系統(tǒng)，使用高壓脈沖電絮凝裝置，兩臺并聯(lián)操作，單臺處理能力為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)場原有沉淀池設備進入總排出口。表1為精美集團電鍍廢水的水質(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 精美集團電鍍廢水水質(zhì)監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)

精美集團電鍍廢水工程自2009年10月開始運行，實踐結果表明，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(guī)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(jié)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(tǒng)的處理負荷，改善了回用水系統(tǒng)使用的反滲透膜易結垢阻塞的狀況，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，實現(xiàn)了日回用水超過800噸的設計指標，真正實現(xiàn)了節(jié)能、減排和降耗，創(chuàng)造了顯著的社會經(jīng)濟效益。

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，兩臺并聯(lián)操作，單臺處理能力為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到國家規(guī)定的排放標準。處理后廢水再進入回用水處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了日回用水的設計指標，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，設備置于廢水回用系統(tǒng)前端，作為廢水回用預處理工藝：電絮凝+砂濾+超濾+ RO系統(tǒng)。處理能力為50m3/h×2臺，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，處理后的廢水再進入回用水處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了日回用水的設計指標，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

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水深度處理項目（400m3/d）、北京大學深圳研究生院電絮凝中試設備（4m3/d）等數(shù)十項成功工程案例，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應用探討

4.1 出水pH值條件控制

在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(zhì)，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(diào)節(jié)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值的選取又應根據(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，其最佳出水pH值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，在對含Pb2+、Zn2+、Cd2+的電鍍廢水的電絮凝條件試驗研究中，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應氫氧化物的兩性特征?？傊?，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(qū)別。

4.2 極板的優(yōu)化設計

極板的材料、形狀、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(fā)展；極板形狀由平板向球形、網(wǎng)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(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。

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［11］。對于電鍍廢水的處理，電絮凝技術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，COD值的去除存在一定的難度。

根據(jù)處理廢水種類的不同，實現(xiàn)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［13］。文獻［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、預氧化/電絮凝、電絮凝/氣浮等耦合過程）的優(yōu)勢，這些耦合過程的研究工作已經(jīng)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。

5 結語

目前，電絮凝裝置在個別廢水處理過程中仍存在電極鈍化、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完善。同時，由于電絮凝反應器加工制造還未實現(xiàn)標準化，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(zhì)特點，優(yōu)化電絮凝處理工藝條件，實現(xiàn)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、降低能耗等，都是今后電絮凝技術的研究發(fā)展的方向。

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中圖分類號：X703

文獻標志碼：A

文章編號：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