污水处理电化学处理技术.docx
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污水处理电化学处理技术
污水处理电化学处理技术
污水处理电化学处理技术
高级氧化技术一般针对难降解有机废水，如医药、化工、染料工业废水以及含有难处理的有毒物质物质等。
第一节电化学处理技术
一、基本原理与特点
1.原理
电化学氧化法主要用于有毒难生物降解有机废水的处理，电化学水处理技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接电化学反应或间接电化学而得到转化，从而达到削减和去除污染物的目的。
根据不同的氧化作用机理，可分为直接电解和间接电解。
1）直接电解
直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从废水中去除今直接电解可分为阳极过程和阴极过程。
阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小的物质或易生物降解的物质，甚至发生有机物无机化，从而达到削减、去除污染物的目的。
阴极过程就是污染物在阴极表面还原而得以去除，阴极过程主要用于卤代经的还原脱卤和重金属的回收，如卤代有机物的卤素通过阴极还原发生脱卤反应，从而可以提高有机物的可生化性。
直接电解过程伴随着氧气析出，氧的生成使氧化降解有机物的电流效率降低，能秏升高，因此，阳极材料对电解的影响很大。
2）间接电解
间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染物转化成毒性小的物质。
间接电解分为可逆过程和不可逆过程。
可逆过程（媒介电化学氧化）是指氧化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。
不可逆过程是指利用不可逆电化学反应产生的物质，如具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐、H202和O2等氧化有机物的过程，还可以利用电化学反应产生强氧化性的中间体，包括溶剂化电子、•HO、•H02/02等自由基。
2.电化学水处理技术的特点
1）电化学方法既可以单独使用，又可以与其他处理方法结合使用，如作为前处理方法，可以提高废水的生物降解性；
2）一般电化学处理工艺只能针对特定的废水，处理规模小，且处理效率不高；
3）有的电化学水处理工艺需消耗电能，运行成本大。
二、电化学反应器与电极
电化学反应器按反应器的工作方式分类可分为：
间歇式、置换流式和连续搅拌箱式电化学反应器。
按反应器中工作电极的形状分类可分为二维电极反应器、三维电极反应器。
二维电极呈平面或曲面状，电极的形状比较简单，如平板、圆柱电极。
电极反应发生于电极表面上，其电极表面积有限，比表面积极小，但电势和电流在表面上分布比较均匀。
三维电极的结构复杂，通常是多孔状。
电极反应发生于电极内部，整个三维空间都有反应发生。
特点是比表面积大，床层结构紧密，但电势和电流分布不均匀。
下列出了常见电化学反应器的电极类型。
铁炭微电解工艺主要设计技术参数
（4）工艺应用效果
经过铁炭微电解预处理的原水的pH值由平均1.6提高到了平均4.5,降低了废水的酸度，减少了中和剂的使用量，废水的可生化性显著提高。
经过铁炭微电解混凝+中和+沉淀处理后COD降低了46%~55%。
对生物接触氧化池和好氧池内废水及活性污泥进行镜检，可以看到大量菌胶团、固着型纤毛虫类、线虫等，废水处理系统正常运行，状态良好，出水能达到稳定达标排放。
（二）电絮凝
近年来，电絮凝技术正在被逐渐有效地应用在废水处理上，因为它具有凝聚、吸附、氧化还原、气浮等作用，可以有效地用于脱色、杀菌、除重金属离子、去除有机物以及放射性物质和其他污染物。
电絮凝设备结构紧凑，可以小型化，占地面积小，建设快，无需设置复杂的加药系统，易于实现自动化。
因此，电絮凝设备在废水处理中的应用引起了研究者的广泛关注。
1.原理
电絮凝技术去除污染物的过程较复杂，其反应机理如下图所示。
包括以下几个方面的作用：
电絮凝反应原理示意图
1）絮凝作用
牺牲阳极溶解产生的金属离子在水中水解、聚合，生成一系列多核水解产物，这类新生态氢氧化物活性高、吸附能力强，是很好的絮凝剂，与原水中的胶体、悬浮物、可溶性污染物、细菌、病毒等结合生成较大絮状体，经沉淀、气浮被去除。
这一过程与絮凝的机理相同，包括电荷中和、吸附架桥、压缩双电层等过程。
2）气浮作用
电解过程中生成的气体以微小气泡的形式出现，与原水中的胶体、乳状油等污染物黏附在一起浮升至水面而被去除。
电絮凝产生的气泡远小于加压气浮产生的气泡，因而其气浮能力更强，对污染物的去除效果也更好。
3）氧化、还原作用
在电流作用下，原水中的部分有机物可被氧化为低分子有机物，甚至直接被氧化为CO2和H20。
同时，阴极产生的新生态氢还原能力很强，可与废水中的污染物发生还原反应，从而使污染物得到降解。
2.电解槽与电极
1）电解槽
（1）电解槽形式
电解槽类型对电絮凝有影响。
电解法处理废水所用电解槽，按水流方向可分为翻腾式、回流式及竖流式三种。
废水处理中最常采用的是翻腾式电解槽。
翻腾式电解槽为用隔板将电解槽分成数段，在每段中水流顺着板面前进，并以上下翻腾方式流过各段隔板。
（2）电解槽设计
①电解槽有效容积C,有效容积用下公式计算。
C=QT/60
式中C一电解槽有效容积，m³；
Q—设计流量，m³/h;
T—电解历时，min。
②阳极面积F,阳极面积根据水板比n确定。
F=1000Cn
式中F—阳极面积，dm²；
C—电解槽有效容积，m³;
n—水板比，对含氮铭废水取2~3dm²/L。
③电流强度I,按电流密度i与F计算。
I=iF
式中I一电流强度,A;
i一电流密度，A/dm²；
F—阳极面积，dm²。
④食盐投加量，当废水的电阻率大于12000Ω•cm时，应投食盐使废水电阻率下降到12000Ω•cm以下。
⑤电压（V），电压按废水的电阻R（Ω）和I（A）计算
V=RI
⑥配套电器设备选择。
根据废水I、V计算值选择电器设备。
电器设备的额定工作电压应大于槽端电压和汇流排压损失之和，汇流排电压损失按下式计算。
V1=2×1.1×ILKF
式中V1一汇流排电压降，V;
1.1一汇流母线温升线引起的电导下降系数。
I一线路计算电流强度，A;
L一线路长度，m;
K—导线导电系数，铜线取53,铝线取32;
F—汇流母线截面积，mm²
⑦电能消耗量，电能消耗童用下式计算。
N=IV/1000Q
式中N—电能消耗量，kW•h/m³;
I—电流强度，A;
V—工作电压，伏特；
Q—设计流拯，m³/h。
⑧压缩空气量q。
式中q一压缩空气量，m³（气）/m³（水）；
q。
—搅拌1m³废水所需的空气量，一般取0.2~0.3m³/min;
T—电解历时，min。
⑨翻腾式电解槽。
其平面尺寸应满足L/B=4~6,H/B=1;
式中L—槽长，m;
B—槽宽，m;
H—有效水深，m。
⑩其他。
导线与极板焊接，接线电阻较小，耐腐蚀较好；螺栓联接和活动搭接易松动，接线电阻大，耐腐蚀差。
布置直流电源要尽鼠靠近电解槽，使得母线短，线路电压降小；同时要设置转向开关。
2）电极与电极连接方式
（1）电极材料
电极材料与电解过程有直接的关联，电解过程与相应的电极材料及布置方式见下表。
电解过程与相应的电极材料及布置方式
（2）电极形式
电絮凝电极除传统的形式外，还有絮凝床、絮凝槽等。
目前已经开发出同轴电絮凝极板在使用。
电极形式如下图所示。
电絮凝极板的几何形状
（3）电极连接方式
在电絮凝器中，按照电极板两侧的电极极性分，电絮凝器可分为单极式、双极式和组合式三类，电絮凝器电极连接方式见上图。
对于单极式电絮凝器，电势高低交错，电流总是从某阳极流向相邻的阴极，而不可能绕过几块极板流向其他阴极，每块极板表现出一种电性且相邻的电极表现为不同的电性，这类电絮凝器不存在电流的泄漏问题；双极式与组合式的情况则有所不同，部分电流可以绕过几块极板，从靠近电源正极的一些极板直接流向靠近电源负极的一些极板，除了与电源两极相连的极板，每块极板表现出不同的电性，双极式和组合式都存在着电流泄漏的现象。
实际应用中双极板较普遍，因为双极板电路极板腐蚀较均匀，相邻极板接触的机会少，即使接触也不会因短路而发生事故。
双极板电路便于缩小极板间距，提高极板利用率，减少投资和节省运行费用。
电絮凝器电极连接方式
3.影响电解的因素
1）极板材料
对于印染废水，主要利用电凝聚和电气浮过程，应选择可溶性铝或铁作阳极、铁板作阴极。
对含氛废水，以石墨为阳极，铁板为阴极。
含铭废水以铁板作阳极和阴极。
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2）极板间距
极板间距的大小直接影响电解消耗和电解历时。
间距过大，电解历时、电压和电解消耗都要增大，而且处理效果也会受影响；间距愈小，电解消耗愈低，电解历时也相应缩短，但所需电极板组数太多，一次投资大，且安装与维护管理都较困难。
对于含氧、含铭废水极板净距一般为30~50mm,对印染废水极板净距应采用大些为宜。
3）阳极电流密度
即阳极工作面积上通过的电流，单位为A/dm²。
阳极工作面是指阳极和阴极相对应之面。
如两块阴极间的阳极，则工作面以二面计；电解槽二侧的阳极工作面以一面计；在双电极极组上，阳极工作面是指接阳极导线与阴极相对应的工作面数计。
阳极电流密度可按下式计算。
IF=I/0.8F
式中IF—电流密度，A/dm²；
I一用电电流，A;
F—阳极工作面积，dm²；
0.8—系数，即在阳极面积减至80%时仍能继续使用。
电流密度的大小与电化学反应要求、电极接线和废水性质有关，常用为0.2~0.5A/dm²,一般来说采用低电流的电解法电耗往往比较少。
4）电压与搅拌
电压：
电解时阳极与阴极间的槽电压，以伏特计，包括平衡电压、过电位、导线、极板和溶液电压降。
电解时投加少量NaCl可降低电压，减少用电量,但废水中增加Cl-和Na+是否会影响水的重复使用应加以考虑。
一般当废水电阻率大于12000Ω•cm时，就必须投加NaCl,投加量一般为1~2g/L。
搅拌：
多采用压缩空气搅拌，搅拌强度一般为0.2~0.3m³（气）/[m³（水）•min]。
5）电解历时
电解历时指废水进入电解槽到废水排出电解槽停留的时间，由几分钟到几十分钟不等。
极距、电流密度和电解时间三者互为影响。
极板距愈小，电流密度愈大，电解历时就愈大，但很不经济。
一般认为较低的电流密度和较长的电解历时是较合理的，一般控制在10~30min之间。
6）水板比
水板比是指电解槽中废水的容积与阳极板总有效面积之比，即浸泡在单位容积废水内的阳极面积，以dm²/L表示。
水板比与极板间距离有关，对含氮、铬废水为2~3。
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7）温度
温度在5~35℃范围内变化，对处理效果和电解历时无明显影响。
8）pH值
pH值要求控制在5~6之间，pH值过大，会使阳极发生钝化，阻止金属电极的溶解。
9）电耗
电解时要析出物质消耗电能。
理论值按法拉第电解定律计算：
W=qε/F
式中W一电解析出的物质，g;
q一通过的电量，A•h;
ε—电解析出物质的克当量；
F一法拉第电解常数，26.8A•h。
由于电解过程中存在着其他副反应的情况，所以实际电耗比理论值大，电解除铭的电量一般采用3.8~4A•h/g（cr6+）;电解除钢化物的电量一般采用10~15A•h/g（氰）；电解处理羊毛染整废水采用40~100A•h/m³废水的电量。
4.特点
由于电絮凝过程中电解反应的产物只是离子，不需要投加任何氧化剂或还原剂，对环境不产生或很少产生污染，被称为是一种环境友好水处理技术。
电絮凝法具有很多的优点，如：
（1）设备简单，占地面积少，设备维护简单；
（2）电絮凝过程中不需要添加任何化学药剂，产生的污泥量少，且污泥的含水率低，易于处理；
（3）操作简单，只需要改变电场的外加电压就能控制运行条件的改变，很容易实现自动化控制；
电絮凝可以一次完成氧化、还原、絮凝、气浮的过程，是污水处理的一个很好的工艺。
但是一般电絮凝还存在以下几个问题：
（1）处理污水时，若要达到较好的处理效果，则需要较长的停留时间，这对于水量比较大的污水处理工程难以适用，而且水样本身的理化性质对电絮凝处理效果有明显的影响；
（2）极板易形成氧化膜而钝化，影响电絮凝的处理效率；
（3）对高浓度的有机污水进行处理时，电极消耗比较大，造成运行成本较高；
（4）该技术在很大程度上依赖水溶液的化学特性，尤其是传导性；
（5）与其相关的诸多理论还不成熟，尤其缺乏对电絮凝反应器成型设计的理论，因此对于某一特定水质，采用何种结构的反应器、工艺参数、如何优化等，仍凭经验或试验来确定，不能完全从理论上推断。
上述这些局限性在一定程度上制约了电絮凝技术的广泛应用。
5.应用情况
电絮凝水处理系统主要用于去除废水中的重金属，悬浮固体，乳化有机物等，现已被广泛用于石油石化行业、电镀业、有色金属冶炼行业、船底污水处理。
工艺对污染物的处理效果如下表所示。
电絮凝水处理系统对污染物的处理效果
1）处理高浓度有机废水
用传统的工艺处理高浓度的可生化、不可生化的有机废水时，流程长，运行成本高，负荷高，效果不明显；电絮凝设备已成功的用于此类废水处理，如屠宰业和养殖业的高浓度有机废水、食品厂高浓度废水、石油业含烷烃废水、纺织印染废水等。
安徽省安庆市某毛巾厂采用高压脉冲电絮凝装贺处理印染废水，COD和BOD5的去除率均在80%以上，色度去除率高，处理每吨废水所需运行管理费为0.7元。
2）处理高氨氮废水
有关资料报道，在处理高氨氮废水中，电絮凝也有很好的处理效果，已经将其应用在垃圾渗漏液的处理中。
日处理150t垃圾渗滤液处理工程处理指标见下表。
日处理150t垃圾渗滤液处理工程处理指标
3）处理电镀废水
水口山有色集团第四冶炼厂锌冶炼废水电絮凝深度处理工程，工程设计处理规模为4000t/d。
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4）除氟
在一些发展中国家，如中国、埃及、印度等，氟中毒是一种比较常见的地方病。
因此，饮用水的除氝问题便成为一个流行的方向，除氟的方法包括：
石灰沉淀法、混凝沉降法、吸附与离子交换法及电凝聚法、电渗析法、反渗透法等，其中电凝聚法是比较有竞争力的一种方法。
6.不同电絮凝设备的有关参数
根据有关文献，对其中的CJH型含铭废水处理装置以及CURE装置（进口）进行了有关参数的比对，为设计和应用提供参考，分别见表1、表2、表3。
表1不同电絮凝设备处理废水参数对比
表2不同电絮凝设备耗电参数对比表
表3不同电絮凝设备极板参数对照表
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