電絮凝技術(shù)用于糖果廢水預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用

倫見強(qiáng) 姚創(chuàng) 劉建新

（廣東省工程技術(shù)研究所有限公司，廣東廣州 510440）

1 引言

電絮凝技術(shù)已有較長的發(fā)展歷史，在多種行業(yè)的廢水處理中有著廣泛的應(yīng)用［1］。電絮凝又稱電凝聚，就是在外電壓作用下，利用可溶性陽極產(chǎn)生大量陽離子，對膠體廢水進(jìn)行凝聚沉淀。通常選用鐵或鋁作為陽極材料。將金屬電極（如鋁）置于被處理的水中，然后通以直流電，此時(shí)金屬陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的鋁離子在水中水解、聚合，生成一系列多核水解產(chǎn)物而產(chǎn)生凝聚作用，其過程和機(jī)理與化學(xué)混凝法基本相同［2］。

同時(shí)，在電凝聚反應(yīng)器中陰極上產(chǎn)生的新生態(tài)的氫，其還原能力很強(qiáng)，可與廢水中的污染物起還原反應(yīng)或生成氫氣，在陽極上也可能有氧氣放出。氫氣和氧氣以微氣泡的形式出現(xiàn)，其在水處理過程中與懸浮顆粒接觸，可獲得良好的黏附性能，從而提高水處理效率［2］。

此外，在電流的作用下，廢水中的部分有機(jī)物可分解為低分子有機(jī)物，還有可能直接被氧化為CO2和H2O，而不產(chǎn)生污泥。未被徹底氧化的有機(jī)物部分還可和懸浮固體顆粒一起被Al（OH）3吸附凝聚，并在氫氣和氧氣帶動下上浮分離?？傊?，電凝聚處理工藝廢水是多種過程的協(xié)同作用，污染物在這些作用下易被去除［2］。因此，電絮凝工藝可應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)的廢水處理。

廣東某糖果企業(yè)主要生產(chǎn)果醬夾心口香糖、泡泡糖、巧克力等糖果小食，主要原材料為麥芽糖漿、白砂糖、起酥油、麥芽糊精、蛋白粉、食品添加劑（明膠、食品用香精、單硬脂酸甘油酯、檸檬酸、DL－蘋果酸、檸檬酸鈉、著色劑等。在設(shè)備清洗過程中，會排出一定量的生產(chǎn)廢水，廢水含高濃度的COD、濁度等污染因子。

該企業(yè)原有一套廢水處理系統(tǒng)，采用的處理工藝為“預(yù)處理＋生化處理”，其中，預(yù)處理工藝為混凝氣?。ɑ炷齾^(qū)加藥：堿、PAC、PAM）；生化處理采用“UASB＋缺氧＋接觸氧化＋MBR”工藝。但企業(yè)現(xiàn)廢水處理系統(tǒng)加藥量大、運(yùn)行成本高，預(yù)處理后廢水的COD、濁度仍較高，導(dǎo)致后續(xù)生化效果不佳，因此擬通過實(shí)驗(yàn)探索適合應(yīng)用于本項(xiàng)目的廢水預(yù)處理工藝，并期望為同類廢水的預(yù)處理研究提供一定的參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)廢水

實(shí)驗(yàn)用的廢水取自廣東某糖果企業(yè)集水池廢水（以下簡稱“生產(chǎn)廢水”），廢水水質(zhì)見表1。

表1 集水池廢水水質(zhì)

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備有電絮凝實(shí)驗(yàn)裝置（有效通電截面63.84 cm2）、攪拌機(jī)、電子天平、秒表、pH 計(jì)、微波消解儀、濁度計(jì)、燒杯、量筒、玻璃棒等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）取3 份生產(chǎn)廢水水樣各2 L，標(biāo)記為實(shí)驗(yàn)組1號、實(shí)驗(yàn)組2 號、實(shí)驗(yàn)組3 號，分別加入氯化鈉0，1 350，4 000 mg/L，調(diào)節(jié)生產(chǎn)廢水的TDS 起始值至1 200，3 250，8 500 mg/L。

（2）將步驟（1）的水樣放進(jìn)電絮凝實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行通電實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)電壓統(tǒng)一定為61 V。通電后，實(shí)驗(yàn)組1 號、實(shí)驗(yàn)組2 號、實(shí)驗(yàn)組3 號的電流分別為0.26，0.64，1.60 A（相當(dāng)于電流密度為40，100，250 A/m2），當(dāng)通電0，3，4，5，6 min 時(shí)實(shí)時(shí)記錄廢水的TDS，pH，并分別取出200 mL 樣品，進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)。

（3）將步驟（2）中的水樣加堿500 mg/L 將廢水pH 調(diào)至7.5～8.0，然后按300 mg/L 的投藥濃度加入聚合氯化鋁（PAC）溶液，攪拌均勻，再按2 mg/L 的投藥濃度加入聚丙烯酰胺（PAM）溶液，繼續(xù)攪拌至均勻，然后靜置沉淀30 h，觀察沉淀效果，并取上清液測試COD、濁度。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)象分析

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

生產(chǎn)廢水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 生產(chǎn)廢水電絮凝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2 數(shù)據(jù)分析可知，隨著通電時(shí)間的延長，實(shí)驗(yàn)組1～3 號TDS、pH、COD、濁度均呈一定的規(guī)律性變化。因此，重點(diǎn)通過對數(shù)據(jù)的趨勢進(jìn)行分析，以探討電絮凝工藝在工程應(yīng)用的合理參數(shù)。

（2）通電時(shí)間對廢水TDS，pH 的影響分析

實(shí)驗(yàn)組1～3 號隨著通電時(shí)間的延長，TDS 的變化見圖1。

圖1 不同的通電時(shí)間對廢水TDS 的影響

實(shí)驗(yàn)組1～3 號隨著通電時(shí)間的延長，pH 的變化見圖2。

圖2 不同的通電時(shí)間對廢水pH 的影響

通過圖1、圖2 分析可知，隨著通電時(shí)間的延長，廢水TDS，pH 均呈穩(wěn)步上升趨勢，推測為電絮凝實(shí)驗(yàn)裝置陽極在電流的作用下溶解為金屬離子，化學(xué)式為Fe-2e-→Fe2+，通電時(shí)間越長，陽極鐵板的溶解越多，因此表征溶解性固體總量的TDS 指標(biāo)隨之升高。然后陽極在酸性條件下發(fā)生Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH-反應(yīng)，并在陰極上發(fā)生4H2O+4e→2H2+4OH-反應(yīng)，使pH 升高。

（3）通電時(shí)間對廢水COD、濁度的影響分析

實(shí)驗(yàn)組1～3 號隨著通電時(shí)間的延長，COD 的變化見圖3。

圖3 不同的通電時(shí)間對廢水COD 的影響

實(shí)驗(yàn)組1～3 號隨著通電時(shí)間的延長，濁度的變化見圖4。

圖4 不同的通電時(shí)間對廢水濁度的影響

通過圖3、圖4 分析可知，隨著通電時(shí)間的延長，廢水COD、濁度均呈穩(wěn)步下降趨勢，可能的原因?yàn)椋宏枠O氧化溶解的金屬離子經(jīng)水解反應(yīng)生成水合離子，水合離子經(jīng)過電極反應(yīng)的表面催化作用，生成單核水解產(chǎn)物，單核水解產(chǎn)物經(jīng)過縮聚作用生成系列多核水解產(chǎn)物，最終生成表面帶有羥基的高分子線形物，這些水解產(chǎn)物與水中的雜質(zhì)顆粒作用生成絮體。雖然電絮凝產(chǎn)生的絮體沉降性能優(yōu)于化學(xué)絮凝產(chǎn)生的絮體，但兩者的絮凝機(jī)理類似，主要包括電性中和、網(wǎng)捕卷掃和吸附架橋作用。新生態(tài)的氫氧化物與絡(luò)合離子活性更強(qiáng)，較強(qiáng)的沉淀性能使電絮凝比化學(xué)絮凝吸附水中懸浮顆粒和可溶性有機(jī)物的能力更強(qiáng)［3］。

（4）電流密度對廢水TDS、pH、COD、濁度的影響分析

通過對電流密度為40，100，250 A/m2下的TDS、pH、COD、濁度平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析得出：①當(dāng)通電時(shí)間相同時(shí)，廢水pH 隨著電流密度的增加而上升；②當(dāng)通電時(shí)間相同時(shí)，廢水COD 濃度隨著電流密度的增加而降低，但在通電時(shí)間為6 min 時(shí)，電流密度為100，250 A/m2時(shí)的COD 分別為2 360，2 354 mg/L，表明電流密度超過100 A/m2時(shí)對COD降低值的影響趨緩；③當(dāng)通電時(shí)間相同時(shí)，廢水濁度隨著電流密度的增加而降低，但在通電時(shí)間同為6 min 時(shí)，電流密度為100，250 A/m2時(shí)的濁度分別為42，35 mg/L，表明電流密度超過100 A/m2時(shí)對濁度降低值的影響不大。

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)及工程應(yīng)用工藝參數(shù)分析

本實(shí)驗(yàn)的主要目的在于探究不同的工況參數(shù)對濁度的去除率，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)象分析，濁度去除率≥90%的有3 組，其工況參數(shù)分別為：工況A，實(shí)驗(yàn)組2 號（電流密度為100 A/m2），通電時(shí)間為6 min時(shí)的出水濁度去除率為93.71%；工況B，實(shí)驗(yàn)組3 號（電流密度為250 A/m2），通電時(shí)間為5 min 時(shí)的出水濁度去除率為94.61%；工況C，實(shí)驗(yàn)組3 號（電流密度為250 A/m2），通電時(shí)間為6 min 時(shí)的出水濁度去除率為94.76%。上述3 組工況參數(shù)均能滿足工程應(yīng)用需要，但從用能節(jié)能的角度分析，工況A 對應(yīng)的電壓61 V，電流0.64 A，功率P＝U×I=61 V×0.64 A＝39.04 W，實(shí)驗(yàn)通電6 min 做功Q＝P×t＝39.04 W×6 min×60 s/min＝14 054 J；工況B 與工況C 對應(yīng)的電壓61 V，電流1.60 A，對應(yīng)的功率P＝U×I=61 V×1.60 A＝97.60 W，即工況B 做功Q＝P×t＝97.60 W×5 min×60 s/min＝29 280 J，工況C 做功Q＝P×t＝97.60 W×6 min×60 s/min＝35 136 J。工況B 做功為工況A 的2.08 倍，工況C 做功為工況A 的2.50 倍。因此，工況A 的出水濁度去除率93.71%雖然效果不是最佳，但工況A 較之工況B 與工況C，在濁度去除率相接近的情況下卻大幅節(jié)能，可知工況A 既兼顧了處理效果，又兼顧了經(jīng)濟(jì)性能。因此，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，推薦電流密度100 A/m2、通電反應(yīng)時(shí)間6 min 為電絮凝工藝在糖果廢水處理工程的最佳應(yīng)用參數(shù)。

4 工程應(yīng)用效果

廣東某糖果企業(yè)生產(chǎn)廢水COD 為3 920 mg/L、濁度為668 mg/L，其原有廢水處理工藝流程見圖5。

圖5 原有廢水處理工藝流程

原有廢水處理系統(tǒng)生產(chǎn)廢水經(jīng)混凝氣浮預(yù)處理后，COD 為2 697～3 210 mg/L，濁度為153～188 mg/L，最終計(jì)量排放出水COD 為73～114 mg/L。其中，堿、PAC、PAM 加藥量分別為0.5，1.6，0.005 kg/m3，按堿3.2 元/kg、PAC 2.0 元/kg、PAM 25 元/kg 核算，每噸廢水加藥成本為4.93 元。

2021 年該企業(yè)進(jìn)行工藝改造后，新增一套電絮凝設(shè)備，電絮凝設(shè)備的電流密度采用100 A/m2，設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間為6 min，改造后的工藝流程見圖6。

圖6 工程改造后廢水處理工藝流程

工程改造后，廢水經(jīng)“電絮凝＋混凝氣浮”預(yù)處理后，COD 為2 028～2 532 mg/L，濁度為28～45 mg/L，最終計(jì)量排放出水COD 為49～93 mg/L。其中，氯化鈉、堿、PAC、PAM 加藥量分別為1.35，0.5，0.3，0.002 kg/m3，按氯化鈉0.5 元/kg、堿3.2 元/kg、PAC 2.0 元/kg、PAM 25 元/kg 核算，每噸廢水加藥成本為2.93 元。

5 結(jié)語

通過水樣實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)踐表明，電絮凝能有效提高糖果廢水的預(yù)處理中COD 及濁度的去除率，優(yōu)化預(yù)處理出水水質(zhì)，確保后續(xù)的生化性能穩(wěn)定，從而間接提高最終出水水質(zhì)。且電絮凝技術(shù)的應(yīng)用能有效節(jié)約廢水預(yù)處理的加藥成本，真正實(shí)現(xiàn)了降本增效。本電絮凝工藝在糖果廢水預(yù)處理的成功應(yīng)用，為電絮凝設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了一定的借鑒。