高压脉冲电絮凝工业废水处理技术及装置
来源： 阅读：8552 更新时间：2013-08-06 13:33电絮凝技术能高效脱除重金属离子，吸附凝聚并脱除水中胶体和悬浮类污染物，而且对乳化油、大分子有机物、微生物、氟离子和部分有色物质也具有良好的去除效果。和传统的化学混凝方法相比较，电絮凝技术的分离效率高、设备占地面积小、过程产生的泥渣少且含水率低、易于实现自动控制。因此，电絮凝技术可以用于废水治理和给水处理工程，具有广阔的应用前景。
可以说，电絮凝技术产生于二十世纪初期。然而，刚刚出现的电絮凝技术由于受当时的技术水平低和能耗指标过高的局限，其应用受到了严重制约。经过百余年的发展，电絮凝技术的工艺处理效果和能量效率都明显提高。国际上对电絮凝技术的研究和应用起步早，取得的专利研究成果推动了电絮凝技术的发展，拓展了电絮凝技术在水处理方面的应用。国外已有部分公司专业生产电絮凝设备，产品具有良好的适应性和较高的能量效率。近二十多年来，我国对电絮凝技术的研究和应用也进行了比较系统的工艺研究工作，工艺对象包括电镀、化工、印染、制药、制革等行业的工业废水。其中，电絮凝技术处理电镀废水的研究具有一定的代表性。但总的来说，较多工作限于实验室研究，电絮凝技术在工程实践中的应用还相对较少。值得提及的是，随着电化学处理效率的不断提升及处理成本的逐渐降低，随着饮用水标准的提高和废水排放环境标准的严格实施，电絮凝技术已经开始用于废水处理和给水净化工程，它的应用重新获得了充分的重视。
一、凝技术处理废水的特点
电絮凝过程是复杂的物理及电化学过程。电絮凝过程中发生电解氧化还原反应，氧化作用可以分解水中有机物、无机物，降低原液中的COD值；还原作用使污染物中的高价阳离子还原为低价阳离子或形成金属氢氧化物沉淀除去。在外加电场的作用下，可溶性阳极（牺牲阳极）发生氧化反应，产生大量的
阳离，阳离子经过水解、聚合形成一系列多核羟基络合物和氢氧化物，如铁离子可形成络合物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。这些产物活性高、吸附能力强，可以起到凝聚、吸附、共沉淀等作用。另外，电解过程中，阳极和阴极上产生的氧气和氢气，以微小气泡的形式出现，作为载体粘附水中的悬浮固体、乳状油等污染物，在其上浮过程中将悬浮物带到水面而除去。
在水处理过程中，电絮凝技术具有多种功能。在极板间加上一定电压，电流经电极流过待处理水，通过电絮凝作用、电化学氧化还原作用及电气浮作用完成水处理操作。利用电絮凝进行水处理的主要影响因素包括施加电源的种类及强度、电极的设计及材料选择、电流密度、反应时间、原水pH值及待分离组分浓度等。
电絮凝设备施加电源的种类包括直流电源和脉冲电源。电絮凝设备采用脉冲电源时，能耗明显降低，而且脉冲电压的加入使电极反应断续进行，防止电极钝化，且有利于减少浓差极化。另外，当絮凝槽电极施加电场定时换相时，可以从两极产生阳离子，且由于两极极性的周期性变化，也对防止电极钝化有积极作用。
自2006年起，广东沃杰森环保科技有限公司开始进行电絮凝技术的研究开发，成功申请了发明专利1项，实用新型专利5项。公司自行设计制造了不同型号的杰联牌高压脉冲电絮凝处理装置，单台日处理废水量范围为10至1000m3。利用杰联牌高压脉冲电絮凝处理装置成功完成了多个电镀废水处理工程，获得了满意的治理效果。
最近两年，沃杰森公司与暨南大学、清华工业开发研究院等单位开展技术交流与合作，完成了第二代高压脉冲电絮凝器的定型设计，并投入生产。新型电絮凝器优化了电极极板的排布组合方式及水体流道的设计，较好地解决了电极钝化问题，延长了电极的使用寿命。此后，公司又组织力量完成了电极的组合模块设计，解决了电极连接及更换困难的问题，大大降低了操作人员的劳动强度。另外，针对高浓度、难降解有机物废水的处理，试制了封闭式高压溶氧/电絮凝设备。
广东沃杰森环保科技有限公司通过工程应用实践，总结出利用高压脉冲电絮凝技术处理电镀废水的工艺技术特点：
1、处理效率高，无需外加药剂，污泥产量少，使用范围广。
2、通过调节极板组合、电压、电流密度、脉冲频率、废水pH值、电导率等，可获得最佳处理效能。
3、水质、水量变化时，调整灵活，应变快速；很少受环境温度影响，系统工况和出水水质稳定。
4、以交流电直接供电，投资成本较低，设备占地面积少，设备使用周期长。
5、操作方便简单，易于自动控制，设备维护容易，劳动强度较低。
6、根据处理废水种类的不同，可以与其他工艺过程灵活結合,效能事半功倍。
二、压脉冲电絮凝技术处理电镀废水的工程实践
作为广东沃杰森环保科技有限公司利用高压脉冲电絮凝技术处理电镀废水的第一个工程应用，精美集团番禺五金塑料制品有限公司的电镀废水处理是个典型的案例。该公司生产塑胶电镀产品过程中产生的工艺废水属于混流废水，且较难进行分流。废水中Cr+6、Ni+2、Cu+2等重金属离子浓度偏高，有相当的处理难度。原来的水处理系统采用化学沉降工艺，直接投放化学药剂，处理费用高、污泥量大，且处理后的废水仍难达到排放要求。改造后的废水处理系统，使用杰联牌高压脉冲电絮凝装置，两台并联操作，单台处理能力为30t/h。电絮凝槽体尺寸为360029002200mm，采用Fe极，极板厚度是6mm，极板间距为25mm，操作条件为直接接入380V电压，经直流电源控制器输出，电极电流密度为15A/m2。废水经电絮凝处理后，经现场原有沉淀池设备进入总排出口。表1为精美集团电镀废水的原废水水质及处理后的电絮凝装置出口水质及总排口水质的监测数据。
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表1 精美集团电镀废水水质监测统计数据 |
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表2 深圳宾士电镀废水水质监测统计数据 |
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精美集团电镀废水工程自2008年10月开始运行，四年多的实践结果表明，在优化的操作条件下，使用高压脉冲电絮凝装置处理混流电镀废水效率高、能耗较低，与传统的化学沉降处理技术比较，不仅处理后废水的污染物净化水平达到国家规定的排放标准，而且减少了污泥排放量，降低了处理费用，每月节约废水处理费用约20多万元，废水处理工程的综合效果良好。另外，由于使用高压脉冲电絮凝装置作为前处理工序，净化分离了水体中的主要污染物，减小了回用水系统的处理负荷，改善了回用水系统使用的反渗透膜易结垢阻塞的状况，明显延长了膜组件清洗和再生保养的周期，有效提高了反渗透膜的产水量，降低了可回用水的处理成本，实现了日回用水超过800吨的设计指标，真正实现了节能、减排和降耗，创造了显著的社会经济效益。
电镀废水处理工程实践的另一个案例是深圳宾士五金电镀厂电镀废水处理及回用工程，处理工程日处理电镀废水240m3，到目前已成功运行两年有余。该废水处理系统使用杰联牌高压脉冲电絮凝装置，两台并联操作，单台处理能力为10t/h。电絮凝槽体尺寸为260020002400mm，采用Fe极，极板厚度是6mm，极板间距为25mm，操作条件为直接接入380V电压，经直流电源控制器输出，电极电流密度为9.5A/m2。废水流经电絮凝装置，处理后废水的污染物净化水平达到国家规定的排放标准。处理后废水再进入回用水处理系统，实现了日回用水的设计指标，提高了可回用水的处理效率。表2为深圳宾士五金电镀厂电镀废水处理的水质监测数据。
此外，广东沃杰森环保科技有限公司又先后完成了湖北十堰佳恒汽车五金电镀废水电絮凝处理工程（日处理500m3）、山西海丰铝业金属表面处理废水电絮凝处理工程（日处理100m3）等，都取得了良好的处理效果。目前，公司的脉冲电絮凝装置也开始进入电镀废水回用工程的反渗透(RO)浓水处理系统。
三、絮凝技术应用的几点讨论
出水pH值条件控制电絮凝技术处理电镀废水的过程中，废水组成及其自身的理化性质，尤其是废水的pH值，对电絮凝处理效果有明显的影响。电镀废水pH值的调节会直接影响电絮凝过程的絮凝剂生成和除污效率[5,6]。一方面，絮凝剂生成的适宜pH值条件为中性或弱碱性，过低的pH值条件不利于絮凝剂的生成，而且，聚铝絮凝剂或聚铁絮凝剂在中性或弱碱性条件下，吸附能力更强，混凝效果更好。另一方面，pH值条件的选取又应根据具体水质情况来确定。例如，处理含重金属离子的电镀废水时，其最佳出水pH值条件应控制在略高于重金属氢氧化物易于形成沉淀的pH值范围，才能提高除污效率。如文献报道称，Cu2+、Ni2+、Mn2+的氢氧化物易于形成沉淀的pH值分别应大于8、9.5和10[9,10]。又如，我们在对含Pb2+、Zn2+、Cd2+的电镀废水的电絮凝条件试验研究中，总是发现Pb2+和Zn2+的去除率不够理想，而且，调高出水pH值条件又需要考虑其对应氢氧化物的两性特征。总之，电镀废水中有时含有多种重金属离子，各种离子易于形成沉淀的pH值范围有较大区别。若废水不可能实施分类、分流处理，则混流废水采用单台电絮凝设备处理时，可能较难完成最佳出水pH条件的控制。可以考虑采用两台电絮凝设备串联操作，中间增加pH值调节步骤。
极板的优化设计极板的材料、极板的形状、极板的排布方式和与之对应的水体流道的设计都会影响电絮凝过程的分离效率。例如，电极材料由利用铁、铝等材料向利用复合材料发展；极板形状由平板向球形、网状、管状等型式转换；采用三维电极，增大电极的比表面积，从而提高电絮凝过程的电流效率和体积效率。又如，极板厚度和极板间距的确定是很重要的。极板间距过大可能导致电解效率低、时间长，增大浓差极化的影响；极板间距过小，易发生短路，絮凝过程可能在极板间受阻。选择适宜的极板厚度和极板间距，配之以适当频率的脉冲电源及定时换相，有利于防止电极钝化、降低能耗，提高电絮凝效率。
废水COD值的脱除率通过优化工艺条件，电絮凝装置可以高效处理含重金属离子废水、含磷废水、含氰废水、含砷废水等。但是，电絮凝技术通常对极性有机物废水的处理效果较差，对溶解性有机物贡献的COD值的去除率不高[。对于电镀废水的处理，电絮凝技术在这方面的不足也有所体现，特别是在处理电镀废水的回用水系统的反渗透（RO）浓水时，COD值的去除存在一定的难度。根据处理废水种类的不同，实现电絮凝技术与其他物化技术的过程耦合，可以提高污染物和废水COD值的去除率，进一步拓展电絮凝技术的应用范围。例如，采用电絮凝/砂滤法处理染色废水，废水COD值从344-806mg/L降低至44-135mg/L，色度从20-100倍降至2-25倍。又如，将电絮凝技术和微絮凝过滤相结合，用于生活饮用水制备中处理低浊度原水工艺，处理效果较好。比较了多种操作单元耦合过程(包括电氧化/电絮凝、光电絮凝、预氧化/电絮凝、电絮凝/气浮等耦合过程)的优势，这些耦合过程的研究工作已经成为拓展电絮凝技术应用的热点研究方向，具有重要的参考价值。
目前，电絮凝装置在使用过程中仍存在一些不足之处、过程能耗偏高、处理费用偏高等问题，电絮凝装置和电源的设计方案还需进一步完善。同时，由于广东沃杰森环保科技有限公司生产的杰联牌电絮凝反应器加工制造还只是实现企业标准，电极连接及更换存在一定困难，劳动强度较大。电絮凝相关过程的机理有待深入研究，电絮凝技术的应用有待推广。改进电源技术、研究新型电极材料；针对各种复杂水质特点，优化电絮凝处理工艺条件，实现电絮凝设备结构的特征设计和标准化；采用过程耦合来强化处理效果，提高电絮凝技术的体积效率，降低能耗，这些都是电絮凝技术的发展方向。
