高壓電解除磷產(chǎn)品化應(yīng)用研究

劉 羿，孫 竟，何京鐘

（中建環(huán)能科技股份有限公司，四川 成都 610000）

我國(guó)農(nóng)村污水處理設(shè)備目前市場(chǎng)需求高速增長(zhǎng)，技術(shù)水平漸趨定型，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)狀況及用戶(hù)特點(diǎn)已比較明朗，企業(yè)水處理產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，一方面農(nóng)村污水處理標(biāo)準(zhǔn)有所降低，另一方面總磷要求依然嚴(yán)格，這要求企業(yè)在保證處理效果的同時(shí)降低生產(chǎn)成本和運(yùn)行成本[1-4]。

現(xiàn)有的除磷方式分為生物除磷、化學(xué)除磷（沉淀、結(jié)晶）、物理化學(xué)除磷（吸附）[5]，但分別存在著消化液會(huì)影響除磷，消耗BOD，除磷不穩(wěn)定、產(chǎn)泥量較多、處理費(fèi)較高，脫磷量少等問(wèn)題，而電解法具有產(chǎn)泥量少，處理費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)[6]，是近幾年各大院校、企業(yè)的研究對(duì)象之一。目前大部分電解除磷實(shí)驗(yàn)都處于非持續(xù)進(jìn)水且電解時(shí)間30min 至90min 不等[7]，但在實(shí)際污水處理設(shè)備運(yùn)行中污水是連續(xù)進(jìn)出水，并且生化段總停留時(shí)間在10h 至14h[8]不等（MBBR 工藝為例）；電解除磷反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)多占用生化段時(shí)間顯然不符合實(shí)際應(yīng)用要求，所以一種反應(yīng)時(shí)間短、能夠連續(xù)運(yùn)行的電解除磷設(shè)備有了實(shí)際研發(fā)需求。

本研究以高敏的鐵電除磷為原理[9]，在歐陽(yáng)超等驗(yàn)證了曝氣促進(jìn)除磷反應(yīng)的基礎(chǔ)上[10]深入研究高壓電解除磷；在高壓電解上有王銀華等研究中高壓鋁電解實(shí)驗(yàn)[11]，而中高壓電解除磷國(guó)內(nèi)的研究還較少，本實(shí)驗(yàn)的目的在于通過(guò)中高電解縮短電解反應(yīng)時(shí)間，從而使設(shè)備體積縮小，便于集成于一體化污水處理設(shè)備，在固定了進(jìn)水水量、工藝流程、pH 值、設(shè)備連續(xù)24 小時(shí)運(yùn)行60 天，找到3 種典型水質(zhì)的情況下，滿(mǎn)足“《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級(jí)A 總磷排放標(biāo)準(zhǔn)”（以下為國(guó)標(biāo)一級(jí)A 總磷排放標(biāo)準(zhǔn)）所需的電壓，為高壓電解除磷設(shè)備產(chǎn)品應(yīng)用化提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

測(cè)試污水來(lái)自某辦公大樓化糞池污水，總磷8～9 mg/L，環(huán)境溫度18℃～25℃，每次抽5m3水至調(diào)節(jié)桶，調(diào)節(jié)桶內(nèi)源水采用清水稀釋總磷至3mg/L、5mg/L、7mg/L 不等，以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求，調(diào)節(jié)桶內(nèi)有潛污泵，按1m3/d抽至電解反應(yīng)槽，用于給實(shí)驗(yàn)裝置提供連續(xù)、穩(wěn)定的源水。

1.2 設(shè)備原理和方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹：高壓電解設(shè)備為中建環(huán)能科技股份有限公司自制，設(shè)備材質(zhì)PP 箱體，外形尺寸為220*280*380（長(zhǎng)*寬*高mm），PP 箱體為長(zhǎng)方形，中間位置有8 個(gè)鋼板插槽，每個(gè)插槽間距20mm～30mm，通過(guò)改變鋼板之間的距離可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間在0min～10min 內(nèi)調(diào)整；實(shí)驗(yàn)共4 塊5mm*250mm*150mm 鋼板，左右兩側(cè)鋼板的主電極連接直流電源，中間兩塊鋼板為反應(yīng)極板，不連接電源，主電極通0V～150V 直流電源（任意可調(diào)）且電流可以換向以防止極板鈍化[12]，電流換向時(shí)間為30s～120s 不等。

因電解長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)容易在極板上形成鈍化膜[13]，鈍化膜是在電解條件下通過(guò)強(qiáng)陽(yáng)極極化使得金屬材料表面形成一層非常薄的保護(hù)層，達(dá)到了阻礙電解的一種狀態(tài)，它的產(chǎn)生會(huì)影響鐵離子釋放，從而影響除磷反應(yīng)，所以高壓電解除磷設(shè)置有鈦合金超聲波裝置，超聲波的主要目的是為鋼板除鈍[14]。

圖1 3mg/L 進(jìn)水各電壓除磷效果

實(shí)驗(yàn)原理：由電解法[15]可知，在極板之間施加電場(chǎng)時(shí)，鐵電解產(chǎn)生二價(jià)鐵離子，與污水中的PO43+反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鐵和氫氧化鐵沉淀物，通過(guò)固液分離將其去除，從而達(dá)到除磷的目的。

陽(yáng)極：Fe-2e-=Fe2+陰極：2H++2e-=H2↑

除磷反應(yīng)公式：

根據(jù)公式可知：電壓、電流越大，釋放出的鐵離子越多，除磷效果越好。

高壓電解除磷裝置整體工藝流程為：

（1）調(diào)節(jié)桶源水，通過(guò)潛污泵抽入電解除磷設(shè)備中，進(jìn)水管設(shè)計(jì)有回水裝置，可以將多余進(jìn)水反回至調(diào)節(jié)桶；（2）源水從自下而上穿過(guò)電解反應(yīng)槽，經(jīng)過(guò)充分經(jīng)過(guò)后自流進(jìn)水前置處理罐中；（3）前置處理罐經(jīng)曝氣3h～5h、沉淀3h～4h 后出水；（4）以5 天為一個(gè)周期換水一次，這樣可以保持相同水質(zhì)便于實(shí)驗(yàn)。

1.3 測(cè)量方法

總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，COD 采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果討論

2.1 除磷最佳反應(yīng)時(shí)間

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的在于測(cè)量除磷反應(yīng)有效反應(yīng)時(shí)間，為設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)做驗(yàn)證工作。實(shí)驗(yàn)條件為：在電壓100V 下電解5L總磷=7mg/L±0.5的源水，電導(dǎo)率為100～200μs/c，pH=6-7，極板間距25mm，隔2min 取樣0.5L 源水，共取樣5 次；每個(gè)樣品曝氣3h，沉淀3h 后測(cè)總磷。

圖2 5mg/L 進(jìn)水各電壓除磷效果

根據(jù)結(jié)果可知：當(dāng)反應(yīng)時(shí)間0min～4min 時(shí)總磷迅速由7mg/L 降低至0.45mg/L，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間4min～10min 時(shí)總磷從0.45mg/L 下降至0.25mg/L，由此可知，在100V電壓下0min～4min 除磷反應(yīng)效果最佳，進(jìn)一步電解反應(yīng)時(shí)間可設(shè)計(jì)為4min。

2.2 超聲波除鈍實(shí)驗(yàn)

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證超聲波除鈍效果，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：進(jìn)水量為1m3/d，其余參數(shù)沿用2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)；實(shí)驗(yàn)分為2 組，A 組有超聲波，超聲波有效工作面積與電解槽鋼板面積相同，超聲波為間隙工作，每30min工作3min；B 組沒(méi)有超聲波，設(shè)備分別運(yùn)行5 天，通過(guò)觀測(cè)電流變化以及極板外觀判定鈍化情況。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：A 組初始電流為2.8A，實(shí)驗(yàn)5天后電流為2.7A，極板表面鋼板清晰可見(jiàn)，未見(jiàn)鈍化層；B 組初始電流為2.8A，實(shí)驗(yàn)5 天后電流為2.1A 極板電阻明顯變大，若要獲得2.8A 電流需要進(jìn)一步提高直流電壓并且極板表面附著一層約5mm 厚的黑色物質(zhì)，鈍化層清晰可見(jiàn)；由A、B 組對(duì)照可知超聲波對(duì)于除鈍有明顯效果。

2.3 進(jìn)水總磷3mg/L 最優(yōu)電壓

實(shí)驗(yàn)條件：在進(jìn)水量為1m3/d 時(shí)，進(jìn)水總磷3mg/L±0.5，電導(dǎo)率為100～200μs/c，pH=6-7，電解反應(yīng)時(shí)間4min，超聲波間隙運(yùn)行，極板間距25mm，電解后曝氣時(shí)間為3h，取樣間隔1 天/次，沉淀時(shí)間為3h，分別取50V、60V、70V 電壓，查看各自除磷效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)電壓為50V 時(shí)出水總磷在1.1mg/L～1.28mg/L，當(dāng)60V 時(shí)出水總磷在0.67mg/L～0.77mg/L，當(dāng)70V 時(shí)出水總磷穩(wěn)定在0.22mg/L～0.37mg/L，由于是連續(xù)進(jìn)出水pH 維持在6-7 基本無(wú)變化，在滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)一級(jí)A 總磷排放標(biāo)準(zhǔn)要求下該組實(shí)驗(yàn)最佳電壓為70V。

圖3 7mg/L 進(jìn)水各電壓除磷效果

2.4 進(jìn)水總磷5mg/L 最優(yōu)電壓

實(shí)驗(yàn)條件：在進(jìn)水總磷為5mg/L±0.5 時(shí)，其余參數(shù)沿用2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別取70V、80V、90V 電壓。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)電壓為70V 時(shí)出水總磷在1.7mg/L～2mg/L，當(dāng)80V 時(shí)出水總磷在1.1mg/L～1.2mg/L，當(dāng)90V時(shí)出水總磷在0.33mg/L～0.37mg/L，在滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)一級(jí)A總磷排放標(biāo)準(zhǔn)要求下該組實(shí)驗(yàn)最佳電壓為90V。

2.5 進(jìn)水總磷7mg/L 最優(yōu)電壓

實(shí)驗(yàn)條件：在進(jìn)水總磷7mg/L±0.5，其余參數(shù)沿用2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別取90V、100V、110V 電壓。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)電壓為90V 時(shí)出水總磷在1.5mg/L～1.6mg/L，當(dāng)100V 時(shí)出水總磷在0.35mg/L～0.41mg/L，當(dāng)110V 時(shí)出水總磷在0.16mg/L～0.18mg/L，在滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)一級(jí)A 總磷排放標(biāo)準(zhǔn)要求下該組實(shí)驗(yàn)最佳電壓為100V。

2.6 電壓對(duì)COD 去除率

實(shí)驗(yàn)條件：在進(jìn)水COD 為200mg/L～250mg/L 時(shí)，進(jìn)水量為1m3/d，電解反應(yīng)時(shí)間4min，電導(dǎo)率為100～200μs/c，pH=6-7，電解反應(yīng)時(shí)間4min，極板間距25mm，電解后曝氣時(shí)間為3h，取樣間隔1 天/次，沉淀時(shí)間為3h 條件下測(cè)量150V 電解進(jìn)出水COD。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電解對(duì)COD 去除率為1.5%～3.6%。

3 結(jié)論

1.通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知，在100V 電壓下最佳電解反應(yīng)為4min，超聲波對(duì)于極板除鈍效果明顯，在150V 電壓下電解反應(yīng)對(duì)COD 去除率＜4%，消耗COD 有限，對(duì)生化段影響可忽略不計(jì)。

2.進(jìn)水總磷分別為3mg/L、5mg/L、7mg/L 的情況下滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)一級(jí)A 總磷排放標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)應(yīng)最佳電壓分別為70V、90V、100V；進(jìn)一步可知，在提高電壓，縮小電解反應(yīng)時(shí)間路線可行，但在實(shí)際使用中需要注意觸電保護(hù)，可在結(jié)構(gòu)上增加塑料把手、蓋板、漏電保護(hù)等措施。

圖4 電解對(duì)COD 去除率