（市政工程专业论文）涡流电凝聚接触过滤一体化净水器处理生活污水的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 我国的水体日益污染严重，城市污水处理率低，投入资金有限，因此迫切需要简易、 廉价、高效且无二次污染的污水处理工艺来缓解水资源的危机并实现环境可持续的发展。 本课题是在全面了解电絮凝、微涡流反应、接触过滤这几种工艺的理论的基础上，采用涡 流电凝聚接触过滤一体化净水器来进行对生活污水的处理研究。 本文简要说明了电絮凝、微涡流反应、接触过滤这几种工艺的的工作原理，详细的论 述了这几种工艺的特点及其国内外的研究现状，针对生活污水，研发出一套涡流电凝聚接 触过滤一体化净水器，寻求其处理生活污水的最佳工况。 通过实验结果表明：采用铝电极进行电絮凝反应要比采用铁电极的处理效果较理想。 污水的处理效果随着停留时间和电流密度的增加先提高后降低。p h 值在5 5 9 5 内，对污 水的处理效果无太大影响。投加一定量的n a c l 能减少耗能，但投加过量会影响处理效果且 影响出水。少量的曝气对污水的处理效果有所提高，但曝气时间过长会影响絮凝的效果。 浓度越高的污水要取得较理想的处理效果，则所需的电流密度越高。本实验的最佳运行控 制参数：进水c o d 值为5 0 0 6 0 0 m g 几，污水的停留时间为5 分钟，电流密度为0 6a d m 2 ，污 水p h 值为7 8 ( 即采用原水p h 值) ，n a c l 的投加量为0 5 9 l ，曝气时间为5 分钟。当污水 进水c o d 值为5 6 7 m g l ，s s 值为3 5 2m g l ，c o d 值去除率达7 9 3 ，s s 值去除率达9 5 8 。对 于c o d 值为5 6 7 m g l 的污水，所需的系统费用大约为o 7 4 元m 3 。 关键词：涡流电凝聚接触过滤一体化净水器生活污水c o ds s 第页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nv i e wo f t h es e r i o u sp o l l u t i o no f w a t e ra n dt h ee n v i r o n m e n t ，t h el o we f f i c i e n c yo f s e w a g e t r e a t m e n ta n dt h el i m i t e do ff u n d ，r e s e a r c hs i m p l e ，l o w - c o s t , e f f i c i e n t ，n o n - s e c o n dp o l l u t e d s e w a g et r e a t m e n tm e t h o da r cn e e d e dt or e l i e ft h ec r i s i so fw a t e rs h o r t a g ea n da c h i e v e e n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t b a s e do nt h et h e o r yo fe l e c t r o c o a g u l a t i o n ，m i c r o e d d y c u r r e n tr e a c t i o na n dc o n t a c t f i l t r a t e , m i c r o - e d d vc u r r e n te l e c t r e c o a g u l a t i o n - c o n t a c tf i l t r a t e i n t e g r a t e dp u r i f i e rw a se x p l o r e dt ot r e a ts e w a g ei nt h i sp a p e r t i l i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o c o a g u l a t i o n , m i c r o - e d d yc u r r e n tr e a c t i o na n d c o n t a c tf i l t r a t e ，d i s s e r t a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ep r o c e s s e sa n dt h e i rr e s e a r c hp r o g r e s sa t h o m ea n da b r o a d i nv i e wo ft h es e w a g e ，i n v e n tm i c r o - e d d yc u r r e n te l e c t r o c o a g u l a t i o n - c o n t a c t f i l t r a t ei n t e g r a t e dp u r i f i e ra n ds e a r c hf o ri t sb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sp o i n to u t ：u n d e rt h es a l n ec o n d i t i o n s ，t h ea l u m i n u me l e c t r o d e h a sb e t t e rh a n d l i n gr e s u l tt h a nt h ei r o ne l e c t r o d e f o l l o w i n gt h ei n c r e a s eo fe l e c t r i cc u r r e n ta n d s t o p p i n g - t i m e t h eh a n d l i n gr e s u l tr i s ea tt h eb e g i n n i n ga n dt h e nd e c l i n e i nt h es c o p eo f5 5 9 5o fp h t h ec h a n g eo fp hh a sn oi n f l u e n c eo nt h eh a n d l i n gr e s u l t a d dt h es o m en a c lt o s e w a g ea n dt h ee n e r g yw a s t a g ei sd e c l i n e ，b u tt h eh a n d l i n gr e s u l tw i l ld e c l i n ei ft h eq u a n t i t yo f n a c ii se x c e s s i v e t h ep r o p e ra e r a t i o nt i m ew i l lh e l pt h eh a n d l i n gr e s u l t ，b u tt h eo x c e 鹳w i l l d e s t r o yt h eh a n d l i n gr e s u l t t h em o r es e w a g ed e n s i t yn e e dt h em o r ee l e c t r i cc u r r e n tt oa c h i e v e t h eb e s th a n d l i n gr e s u l t a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fe x p e r i m e n , t h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r e ： a l u m i n u me l e c t r o d ei sa d o p t e d , s e w a g ed e n s i t yi sa t5 0 0 6 0 0m g l ，e l e c t r i cc u r r e n td e n s i t yi s o 6a d m 2 ，s t o p p i n g - t i m ei s5m i n u t e , p ha t7 8 ，n a c le l e c t r o l y t ed e n s i t yi so 5 9 l ，a e r a t i o n t i m ei s5m i n u t e 。w i t hc o d 5 6 7 m g la n d s s3 5 2 m g li nt h ei n f l u e n t 。t h er e m o v a lo fc o da n d s si s7 9 3 ，9 5 8 ，r e s p e c t i v e l y t h ec o s to ft h et r e a t m e n ti sc o m p a r a t i v el o w , w i t hc o d5 6 7 m 班i nt h ei n f l u e n t ，t h ec o s ti sa b o u t0 7 4y u a np e rs t e r e k e y w o r d s ：m i c r o - e d d yc u r r e n te l e c t r o c o a g u l a t i o n - c o n t a c tf i l t r a t ei n t e g r a t e dp u r i f i e r , s e w a g e r e m o v a l ，c o d ，s s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 本课题的提出及研究的意义 第一章绪论 随着城市工业化的不断发展，水资源的污染状况日益严重，而人们对水资源的需求量 越来越大、质量要求越来越高。水资源严重不足，水的供求矛盾就变得更为突出。据联合 国教科文组织称，目前全球淡水资源日益减少，其使用和分配的不平等性也日趋严峻，世 界各国共享的水源潜伏着严重危机。我国是世界有名的缺水、用水大国，水对中国的生存 和发展有着不言而喻的重要战略意义。水资源的短缺将会直接影响我国经济的发展，据统 计，我国每年因缺水造成的经济损失高达2 0 0 0 亿元以上。 温家宝总理在十届全国人大五次会议上作政府工作报告时提出，要大力抓好节能降 耗、保护环境。包括积极推进以节能减排为主要目标的设备更新和技术改造，引导企业采 用有利于节能环保的新设备、新工艺、新技术。加强加强资源综合利用和清洁生产，大力 发展循环经济和节能环保产业。加大污染治理和环境保护力度。增加国债资金和中央预算 内资金，支持城镇生活污水、垃圾处理及危险废物处理设施建设。 我国的水体污染严重，城市污水处理率低，投入资金有限，因此迫切需要简易、廉价、 高效且无二次污染的水处理工艺来缓解水资源的危机问题并实现环境可持续发展的迫切 要求。 随着城市的发展和生产规模的不断扩大，已建造运行的污水处理厂所承受的负荷也在 逐年增加。据统计，至q 2 0 0 5 年底，全国已建设城市污水处理厂6 5 6 座，其中二级处理厂2 8 2 座，二级处理率约为1 5 。2 0 0 0 年用于城市污水处理工程建设的总投资约为1 5 0 亿元。为 减轻城市污水处理厂的负担，可以考虑在较大规模的住宅小区内设立污水处理设施来集中 处理小区内的生活污水，处理后的水可以根据实际情况作为小区中水回用的来源。 另外，我国小城镇的排水体制多为合流制，且没有较完善的管道系统，排水系统普及 率较低，大部分小城镇污水未经处理就直接排放，给水环境质量造成很大威胁。我国9 0 以 上小城镇的水体环境均受到不同的程度的污染，7 8 的城镇河段不宜作饮用水源，5 0 的城 镇地下水受到污染，工业较发达的城镇附近的水域污染则更加突出随着小城镇城镇化进程 的加快，村镇人口不断集中，乡镇企业迅速发展，城镇污水排放量也不断增加，然而由于 过去“重建设，轻环保”的旧观念，城镇基础设施建设远远落后于城镇建设的发展，缺乏 必要的污水收集系统和污水处理设施，并且小城镇不仅经济实力小、技术和管理水平较低， 而且小城镇所处位置的环境容量也较小，所以小城镇污水处理厂的建设举步为艰，这就追 切需要廉价高效的水处理工艺来配合小城镇污水厂的建设。 基于上述原因，针对生活污水，本课题研发出一套涡流电凝聚接触过滤一体化净水 器，改装置结合了电絮凝、微涡流反应、接触过滤等多种工艺，具有装置布局紧凑、占 地面积小、操作运行简便、运行费用小等优点，对于处理水量小的生活污水处理效率高、 耗能低，所以本实验装置对于小区污水集中处理及中水回用和小规模的城镇生活污水处理 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 有一定的推广意义。 1 2 电絮凝技术 1 2 1 电絮凝的原理 电絮凝技术是利用可溶性阳极在电流作用下溶解生成絮凝剂来凝聚水中的胶体物质 从而使水获得净化的一种电化学方法。以铝和铁阳极为例，电极上的反应过程如下： 阳极：a l 一3 e a l ”或f e 一2 e f e “ 2 0 h - 一2 e i 2 0 j + h 2 0 阴极：2 r + 2 e h 2 电解生成的阳离子发生絮凝作用： a l ”+ 3 0 r - a 1 ( o h ) 。 或f e ”+ 2 0 r f e ( o h ) ： 4 f e ( o i ) ：+ 如+ 2 h z 0 4 f e ( 伽) 。 电絮凝作用机理主要包括以下三个方面：电解凝聚、电解气浮、电解氧化还原。 ( 1 ) 电解凝聚 可溶性阳极产生的阳离子经过水解、聚合作用，可以产生一系列多核羟基络合物及氢 氧化物，这些物质作为絮凝剂就可对水中污染悬浮物及胶体进行絮凝作用。 絮凝的机理到目前为止，尚无人能提出有说服力、能被普遍接受的论点和论据。但许 多文献中提到的机理主要包括以下几点： 吸附架桥絮凝机理 该机理认为絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范得华力，同时吸附多个胶体颗粒，在 颗粒间产生“架桥现象，从而形成一种网状的三维结构而沉淀下来。 “电性中和”机理 水中胶体一般带有负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大分子絮凝剂或其水解产物 靠近这种胶粒时，将中和其表面的部分电荷，使胶体脱稳，而使胶粒之间、胶粒与絮凝剂 分子之间易产生互相碰撞，通过分子间作用力凝聚而沉淀。 “化学反应”机理 生物大分子的某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生了化学变化，聚集成较大分 子而沉淀下来，通过对生物大分子改性、处理、使其添加或丧失某些活性基团，其絮凝活 性就大受影响。温度影响絮凝效果，主要通过影响其化学基团活性从而影响其化学反应。 卷扫作用机理 这一机理认为，当微生物絮凝剂的投加量一定且形成小颗粒絮体时，可以在重力作用 下，迅速网捕，卷扫水中一些胶粒，从而产生沉淀。 ( 2 ) 电解气浮 水在电解时产生少量的如和 ：微气泡，这些气泡有一定的吸附能力和浮载能力，可以 吸附水中产生的污染物絮凝团并浮升到水面，从而达到固液分离的效果。 电气浮的物理过程包括气泡的生成或成核、长大和脱离三个阶段。至于气泡的长大， 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 最初是由于溶解气体向气液界面的传递以及气泡内部压力的增大而使气泡膨胀主要的 气泡长大过程是通过三种聚并方式进行的：电极表面细小气泡的聚并：以中等气泡为 中心，在其生长过程中兼并周围的细小气泡：滑移聚并，即大气泡在电极表面上升滑移 时兼并中、小气泡不断长大。 电气浮和其它溶气浮升一样要使水、气泡和凝聚体三者充分接触，废水中污染物和电 解中生成的金属氢氧化物构成结构疏散的絮凝体，这种絮凝体成为吸附微小气泡的吸附 剂，由于气泡和水的物理性质不同，而且氢气泡在水中的溶解度很小，极易被絮凝吸附。 促使吸附作用既有分子间的范德华力作用，又有化学键的作用和带有不同电荷离子的静电 吸附。也符合吸附动力学的三个连续步骤： 依靠气泡本身的上升力和水力运动扩散到絮凝体表面，并依靠水流动的紊流作用， 透过絮凝体的表面膜加快吸附作用； 依靠毛细管作用，气泡在絮凝体孔隙中扩散，使气泡不断的吸附在孔隙中的孔壁上， 形成疏松的絮凝体； 微小的气泡在絮凝体表面和孔隙内互相碰撞吸附结合。 ( 3 ) 电解氧化还原 电解槽的阳极可通过直接的电极反应，使污染物氧化破坏，称为直接氧化作用。水在 电解过程中产生的c 1 。、c i o - 、0 2 、h ：0 ：等具有强氧化性的物质可以把水中的某些大分子有 机污染物氧化成小分子有机物，有些物质还可被氧化成c o , 和h ：0 而直接去除，小分子有机 物通过絮凝和气浮就能很好去除，这种间接地氧化破坏污染物的过程称为间接氧化作用。 当废水中存在c u ”、c d 2 + 等重金属离子时，电流通过电解质溶液，废水中的金属阳离子向阴 极迁移，并在阴极上产生还原反应，使金属沉积，这种作用称为直接电还原作用。在直流 电作用下，若采用铝板、铁板作阳极，阳极不断溶蚀产生a 1 “、f e ”具有还原能力，如能将 c ，还原成c r ”；另外，在阴极产生的新生态的氢，其还原能力很强，与废水中的污染物起 还原反应，这些作用称为间接电还原作用。 此外，电絮凝还可以起到杀菌的作用，但其机理目前也没有全面、充分的论述，结合 国内外的研究和分析，比较公认的是，在氯离子存在下电鳃过程中产生的c 1 ：以及其相关产 物，如h c i o 或高氯盐，是强氧化剂，对微生物和细菌有很强的杀灭作用。其他观点还有： 电解产生的0 ：，o h 自由基及过氧化氢等活性物质起杀灭微生物及细菌的作用。杀菌是 电场的作用结果，微生物因电场作用急剧生长，结果导致其繁殖系统出现缺陷，繁殖能力 降低。电场增强水分子的渗透力，使水分子极易穿过微生物的细胞膜，微生物或因缺水 而渴死或因过量水进入体内而胀死。电场击穿细菌、微生物的细胞膜，使其体内产生强 大电流，破坏细胞核和细胞质。以此减小了细菌、微生物的活性，甚至使其失去生命功能。 1 2 2 电絮凝技术的特点 电絮凝技术具有许多传统水处理工艺所没有的优势而得以在水处理领域中广泛应用。 由于电絮凝的多种协同作用，使其能降解的污染物种类多、效率高，例如水中的有机物、 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 细菌、浊度、有毒重金属等物质，电絮凝工艺都能很好地去除。与生物法相比，电絮凝法 具有良好的c o d 去除率，水中含有的许多不能被生物降解的物质和有毒物质，生物法都是 难以去除的，而利用电絮凝法就能很好的去除，并且生物法因需要培养微生物则运行时间 长，电絮凝法只需电子来进行水处理则运行时间短。与传统的絮凝法相比，由于阴极可以 析出氢气具有浮选作用，不须要添加混凝剂和助凝剂，因而不会产生s o i 、c r 。的大量聚 集，不会造成二次污染，而且电絮凝可以电解出c l ：以及其相关产物从而可以对污水起到杀 菌作用。此外，电絮凝设备简单、占地面积小，操作简便，适用范围广，其装置的运转非 常简单，实现自动化容易，操作维护方便，便于管理控制，特别是对中小型独立单位( 内 涧船舶、农村、小型居民点等) 尤为方便。 作为废水处理的一种有效手段，电絮凝技术虽然很早就得到了实际应用，但是由于常 规电解在实际运行处理中单位电耗和电极材料耗量较大、电流效率不够高因而它的发展和 推广应用受到了限制。 1 2 3 电絮凝处理器的基本构造形式 电絮凝器的基本结构形式大体有三种，有板式、管式及床式。这主要取决于工作电极 的布置和形状。 ( 1 ) 平板式电絮凝器 平板式电絮凝器工作电极为圆形或方形的金属薄板( 根据需要可开孔) ，厚度一般为 几个毫米。按电极与电源母线联接方式可分为单极式和双极式。单极是一个电极只带一种 电荷，整个电极呈带电性；双极是一个电极带两种电荷，整个电极里电中性。 单极联接是在每块极板上间隔联接直流电源正负极，线路中总电流等于各对电极间 电流之和，而外加直流总电压仅为一对电极所需电压，即i = i 。十i 。十十i 。，u = u l _ u 2 = = u 。 而双极联接仅在最外侧两块极板上联接直流电源，其它中部极板均不联接，线路中总 电流等于每张极板上通过的电流，而外加总电压等于各极板问电压降之和，即i = i 。= i 尹” = i 。，u = u ，十u 2 十十u 。 两种联接方式各有利弊。双极联接总电流小，引出导线数量少且断面小，但由于外加 总电压高，往往超3 6 伏的安全电压，在运行操作时不够安全，有还会观察到壳体和出水 有带电现象。单极联接虽然外加电压仅数伏，但由于每块极板均需联接电源，外接线数量 多，造成结构复杂，电源联接困难，整流器输出总电流过大。比较两种联接方式，以单极 联接方式电流效率较高，能量消耗较小，而双极联接更为方便实用。在实际应用中多采用 双极联接，但应注意将外加总电压控制在3 6 伏以下。 还有一种单双极混合联接的电絮凝装置，将全部极板分为三部分，各部分内采用双极 联接，各部分间采用单极联接，可将总电压控制在安全电压之内，又可使总电流不致过大， 结构也不复杂。 ( 2 ) 管式电絮凝器 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 管式电絮凝器工作电极是金属圆筒或棒。一般，阴极为圆筒，牺牲阳极筒( 或棒) 在阴 极筒内。根据牺牲阳极筒( 或棒) 的数量及排列，管式电絮凝器又有套管式和列管式之分。 牺牲阳极筒( 或棒) 只有一个且与阴极筒同心的，称为套管式。多根牺牲阳极筒( 或棒) 在 阴极管内排列的，称为列管式。管式电絮凝器电极与电源母线的联接方式多采用简单的单 极。 管式电絮凝器的电极间距小，水流速度大，可降低能耗和减小设备体积。 ( 3 ) 网式电絮凝器 网式电絮凝器工作电极是金属网。网状电极，可减少电解析气泡的滑移并聚，缩小微 气泡尺寸，强化上浮效果。但因其机械强度差，加工成本高等原因使其应用受到极大限制。 ( 4 ) 流化床电絮凝器 流化床电絮凝器的工作电极为铝球。铝球为感应双电极，该絮凝器的优点是：工住时， 铝球间、铝球与主电极问的摩擦以及流体的冲刷能够抑制污物覆盖铝球和电极表面及铝球 的钝化。 流化床式电絮凝器处理金属废水和微污染水时，处理效果好，工作稳定。处理高浓度 的悬浮液和乳浊液时易发生堵塞。 以上各基本结构都有各自的优点和缺点，在实际应用中可通过其他技术手段在一定程 度上克服其不足之处。试验和应用表明某一结构对于某些特定水质的处理，具有较佳处理 效果，而对其他水质处理效果不理想。但应用最多最广的是结构较为简单的平板式电絮凝 器。 1 2 4 电絮凝技术的发展 电絮凝技术最早应用于饮用水的处理，2 0 世纪初开始应用于废水处理，但技术并不成 熟。1 9 0 3 年，英国首次应用电絮凝技术来去除水中的油，但由于能耗高和电极钝化问题未 能广泛应用。2 0 世纪一、二十年代美国将电絮凝技术应用于市政污水的处理，但也由于能 耗过高而停止了应用。经过了大半个世纪的探索，电絮凝技术在9 0 年代德到了很大的发展， 在过去1 0 年里，这项技术已被欧美国家用于处理含有毒重金属的工业废水的处理。美国采 用这项技术处理纸浆废水，矿业废水以及金属加工工业废水。此外，电絮凝还被广泛用于 处理食品废水，印染废水，油田污水，旅馆废水，厨房废水，垃圾渗滤液中的有机物，以 及废水脱氟和含有毒重金属废水处理等等。 我国对电絮凝法的研究是从7 d 年代开始的，现已在水处理上得到广泛应用，目前主 要应用在以下方面：( 1 ) 饮用水净化，如地下水除氟的研究，作电渗祈淡化海水的预处理， 除水中重金属离子的研究等；( 2 ) 污染水源水的处理( 3 ) 纯水和高纯水的预处理：( 4 ) 处理城市生活污水和各种工业废水，如处理餐饮废水、含油废水、印染废水、合成洗涤剂 污水、照相凝胶生产污水的杂质、机械制造企业的清洗废水、钻井废水、废纸脱墨废水等。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 5 电絮凝技术在废水处理上的应用 ( 1 ) 电絮凝技术的应用 处理印染废水 印染废水是工业废水的主要来源之一，此废水的成分和性质非常复杂，含有许多难降 解物质并且色度高，可生化性低，采用电絮凝法处理效果较理想。乐波等跚利用直流电絮 凝法处理印染废水的研究中，处理l o 分钟后，废水的色度降为2 ，处理1 5 分钟后c o d 去 除率达4 7 2 ，p h 值由11 降为8 1 ，大大提高了此废水的可生化性。j i n p i n gj i a 等嘲在利 用电絮凝法处理印染废水的研究中采用活性炭和铁做阳极，在电压为2 5 v 、电解时间为6 0 分钟的条件下，各种染料废水的色度去除率平均可达9 5 以上，c o o 去除率可达5 0 9 0 9 6 ，p i t 值对该工艺的影响不大，这是由于活性炭对p h 值的适应范围较广。另外，该工艺与f e n t o n 试剂法的处理效果相当，但所需费用要比f e n t o n 试剂法低很多。 废水脱氮处理 土耳其学者a s a v a sk o p a r a l 等“。1 采用电絮凝装置进行对废水脱氮的研究，在电压为 8 0 v ，p h = 7 的条件下。分别对含氮量为1 0 0 r a g e 和3 0 0 m g l 的废水进行电絮凝处理，电解 1 0 0 分钟后，废水中剩余含氮量都为2 0 r a g e ，能耗分别为7x1 0 - 3 k w i v g 和2x1 0 - 3 k w h g ， 这表明废水含氮量越高，其氮的去除率越高且耗能越低。该研究还表明利用电絮凝对废水 脱氮可以达到零排放，但所需能耗较高。 处理橡胶废水 杨晓静等“采用电絮凝法处理橡胶废水，研究结果表明，当电流密度为0 8a d i n 2 ，槽 电压为1 6v 时，c o d 去除率最高，可达8 0 。且比起化学絮凝具有可去除的污染物和p h 适应 范围广，所形成的沉渣密实，澄清效果好的优点。 处理乳品污水 电絮凝工艺处理乳品污水，其c o d 去除率高，且运行费用低。林阳等。1 用电絮凝法处理乳 品污水的实验研究中，电絮凝处理乳品污水的c o d 去除率可达9 2 2 ，比化学絮凝提高了四 个百分点，且运行费用却相当便宜，仅为化学絮凝的三分之一。 处理电镀含铬废水 张桂芬等“”研究电凝聚法处理电镀含铬废水影响因素的实验中，发现采用低电流密 度、较长的电解时间可以减少能耗，投加食盐对六价铬去除率没有影响，但可以减轻钝化、 降低电耗，在电量相同情况下，废水中六价铬浓度增加其去除率下降，但电流的利用率增 大。 ( 2 ) 电絮凝工艺与其它工艺联用 许多废水的污染物成分比较复杂，单独用电凝聚气浮法处理达不到很好的效果，选择 恰当的工艺与电凝聚气浮法联用将会有利于提高废水的处理效率并降低耗能。 陈华平“”利用电絮凝气浮一生物氧化塘法处理制革废水，先经过格栅、初步沉淀预 处理的制革废水依次进入电絮凝装置、气浮装置、生物氧化塘进行处理，处理后出水水质 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 的主要污染指标均可达到国家规定的排放标准，其中c o d 玎去除率为8 0 ，b o d 。去除率为8 0 ， s s 的去除率为9 2 ，总c r 去除率为9 8 ，p h 值达6 8 。 黄宏1 利用超微细曝气一电絮凝法处理印染废水，主要工艺为p h 调节池、超微细曝 气池、电絮凝氧化装置、接触氧化池，废水的c o d 去除率达8 0 以上，出水色度达标，污 泥处理量比其他工艺约减少了三分之一，占地面积约为传统工艺所需面积的二十分之一。 董慧茹等“5 1 人利用电絮凝气浮h 2 0 2 法处理石油化工废水，他们通过实验得出该法 处理石化工业废水的最优条件为每2 5 l 污水采用“铁一碳”电极，电解电压l o v ，电解时 间2 4 h ，污水的p h 值为6 8 ，3 0 h 2 0 2 加入量为2 o 2 5 m l 。废水在此最优条件下处 理效果良好，c o d 去除率可达9 8 5 1 。电絮凝气浮h 2 0 z 法是一种新颖的处理方法，在 此之前尚未见报道过。它的原理是电解产生的f e ”与加入的h ：o i 组成f e n t o n 试剂，f e n t o n 试剂通过氧化分解产生的羟基自由基( o h ) 几乎能将所有的有机污染物氧化为c 魄和h 2 0 等无机物，0 h 的氧化能力大大超过电解产生的初生态氧，并且能分解初生态氧不能分解 的芳烃化合物。并且0 h 不会影响f e ( o h ) ：胶体的产生，也不会影响f e ( 0 h ) 。胶体对有机 物的吸附及絮凝。相反o h 把大分子有机物氧化成小分子无机物，这更有利于絮凝和气浮 的进行。 针对不同的废水选择恰当的组合工艺将会得到更满意的处理效果，从而达到更高的排 放标准。 1 2 6 电絮凝工艺的研究方向 ( 1 ) 电源的改进 直流电絮凝工作时间长后电极容易钝化且能耗高，采用脉冲电絮凝就能克服这些缺 点，但国内外对脉冲电源的研究未够深入，今后对其研究将会引起越来越多的重视。 ( 2 ) 研究新型电极材料 可溶性阳极( 铁或铝) 耐腐蚀性差、寿命短，因而已有研究者开始研究不溶性阳极来 代替可溶性阳极。但现研究的不溶性阳极如钛涂含铱涂层、钛镀二氧化铅，其成本较高因 而未能广泛应用，开发寿命长且成本低的电极材料是今后的发展方向。 ( 3 ) 三维电极 三维电极是种新型的电化学反应器，它是在传统二维电解槽电极问装填粒状或其它 碎屑状工作电极材料并使其表面带电，成为第三极，且工作电极材料表面能发生电化学反 应。与二维电极相比，三维电极能在废水电导率较低时处理效果良好，且无需投大量电解 质，处理费用较低。今后需要对三维电极反应器的研制开发迸一步研究。 1 2 7 电极的选择及其钝化防治措施 ( 1 ) 电极的选择 电絮凝工艺中的电极一般都采用f e 电极或a 1 电极，因为这两种电极应用技术较成熟 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 且廉价，近年来也有学者研究新型电极，现还处于研究阶段。不同的废水含污染物质的量和 种类不同，这对于电絮凝工艺选择采用f e 电极还是a 1 电极很关键。 f e 电极经水解产生的絮凝剂为f e ( 0 h ) ：、f e ( o f f ) 。及f e 的络合物，含s 废水就宜采用f e 电极，因为含s 废水中s 2 。和f e ”、f e ”生成f e s 和f e ：s 。沉淀，s 的去除率就会大大提高。高艳 娇等“町在采用电絮凝工艺处理垃圾渗滤液中，发现氢氧化铁产生的絮体颗粒较氢氧化铝 大，沉降性能好，能比氢氧化铝起到更好的凝聚吸附作用。 孙金勇在采用电絮凝法处理生活废水的研究中，发现在相同条件下，采用a 1 电极比 采用f e 电极时污水浊度去除率要高，且采用a l 电极处理后的污水更清洁稳定，而采用f e 电 极处理后的污水由于f e ”而变为黄色，且f e 电极在电流断开时易发生锈蚀。庄云龙等“”采 用电絮凝法处理废纸脱墨废水，在相同参数下，无论是色度、浊度、c o d 的去除率，a 1 电 极都要比f e 电极要高。 此外，对于电极的选择，还可以采用a 1 电极和f e 电极联用。这对于废水成分较复杂的 废水来说，二价铁、三价铝离子形成的絮凝剂产生了协同作用使得其处理效率得以提高。 林阳等“”用电絮凝法处理乳品污水的实验研究中，阳极采用1 5 块，其中1 2 块为a 1 电极，3 块为f e 电极，出水c o d 的去除率达到了9 2 。 因此，采用电絮凝法处理废水时，应根据对比实验来选用电极，这对于废水的处理效 率的提高具有很大的意义。 ( 2 ) 电极钝化的概念 在电解进行一段时间后，金属阳极随着电位的增加其溶解速度随之降低，后来金属阳 极甚至停止了溶解，这就是电极钝化的现象。金属产生钝化时其金属性质并没有发生改变， 只是金属表面在溶液中的稳定性发生了改变，这是由于随着金属的溶解，金属表面会粘附 金属的氧化物和盐类，形成钝化膜。 对于钝化现象的研究，研究人员提出过各种有关钝化机理的假说，但由于钝化现象的 复杂性，至今对产生钝化膜的原因和钝化膜的结构尚不完全清楚，看法也不统一，还没有 一个完整的钝化理论能解释所有的钝化现象。成相膜理论和吸附理论是目前存在的两种认 为能较好解释钝化大部分实验事实的理论。 成相膜理论认为当金属溶解时可以在表面上生成紧密的、与基体金属结合牢固的、覆 盖性良好的固态产物，这些产物形成独立的相，称为钝化膜或成相膜。钝化膜不溶于水且 导电性能差，致密的钝化膜会将金属表面和溶液机械地隔离开，因此会减缓甚至阻止金属 阳极的溶解。用电子衍射法证实大多数钝化膜是由金属氧化物组成的，此外，金属的某些 难溶性盐，如硫酸盐、铬酸盐、磷酸盐、硅酸盐都可以在一定条件下组成钝化膜。 吸附理论认为，引起金属阳极钝化并不是金属表面的钝化膜，而是金属表面或部分表 面上生成氧或含氧粒子的吸附层。这一吸附层至多只有单分子层厚，它可以旷或o f f ，较 多的人则认为是氧原子，由于氧在金属表面上的吸附，改变了金属与溶液界面的结构，并 使阳极反应的活化能升高，导致金属表面的反应能力降低而发生钝化现象。所以，该理论 认为钝化是由于氧或含氧粒子的吸附层的作用而不是由于膜的机械隔离作用。 武汉：科技大学硕士学位论文第9 页 这两种理论都能较好地解释一些钝化实验现象，但又都不能综合地对全部实验事实分 析清楚。目前，尚不清楚在何种条件下形成成相膜，在何种条件下形成吸附膜。 ( 3 ) 电极钝化的影响因素 阳极电流密度的影响 金属阳极发生钝化，有一临界钝化电流密度值i - 再。当阳极电流密度i i - * 时，提高阳极电流密度将显著地加速金属的钝 化进程。所以，阳极电流密度越大，越容易产生钝化。但当阳极电流密度很大时，不产生 钝化。 温度的影响 温度越高，金属阳极钝化的速度越慢，金属阳极的溶解速度也就越快。因为化学吸附 及氧化反应一般都是放热过程，根据化学平衡移动规律，升高温度会减缓吸附过程及氧化 反应的进程，因而钝化作用变弱。 卤素离子的影响 电解质溶液中含卤素离子时，会破坏金属的钝化，其中以c 1 一破坏作用最大。吸附从 具有选择性这个特点出发，对于过渡金属f e ，n i ，c r 等，c l 一比氧分子或含氧化合物更易 吸附在金属表面。并从金属表面把氧分子或含氧化合物排挤掉。这种c 1 一和氧分子或含氧 化合物竞争吸附的结果使金属钝态遭到局部破坏。但c 1 “对不同金属钝化膜的破坏作用是 不同的。 r 此外，在稀溶液和中性溶液中，金属一般比较容易钝化。 ( 4 ) 电极钝化的防治措施 电极钝化会大大降低电絮凝工艺处理废水的效果。因此防止电极钝化非常重要。去除 电极上的钝化膜最简单地可以用机械手动的方法，或者加入酸溶液来溶解沉积物，但这些 方法较为繁重，且需要停止电解槽的工作而影响污水处理的进程。近年来人们更多地运用 以下方法来预防电极的钝化。 采用脉冲电源 直流电絮凝能耗高，并且电极容易钝化，采用脉冲电絮凝，由于其施加脉冲信号，电 极上的反应时断时续，有利于扩散，降低浓差极化，从而有利于防钝化且降低耗能。 投加氯盐 在废水中投加氯盐，可以改善水的导电性，且氯离子既能使铝电极表面活化，又可以 使沉积物化学溶解，从而可以减缓电极的钝化。 提高处理水温 提高处理水温，既可阻碍电极上沉淀物的形成，又能提高钝化膜的溶解速度，减少膜 的厚度及其保护性质，使膜变得疏松，很容易从铝的表面除去。 电极极性的倒换 根据电流密度，可以5 3 0 i n i n ，3 4 h 或每月一次倒换电极的极性。实验表明，极性 的倒换以每1 5 m i n 一次最为适宜。但在极性倒换期间，铝电极的电流效率会急剧下降，并 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 不能经常将电极上的沉积物去除。 此外，还可以采用一些特殊的电极装置来防止钝化，例如采用回转电极和固定刮板的 电凝聚气浮器、阴极上带刮条的回转式电凝聚气浮器、电极问布置回转刮板或采用不钝化 合金电极等。 1 3 微涡流技术 1 3 1 微涡流反应理论 微涡流混凝处理工艺是污水在微涡流反应器内形成微小的涡旋流动，促进水中微粒 的扩散，通过充分利用流体能量，增加脱稳胶粒的碰撞机率，提高凝聚效率。混凝工艺包 括两个基本过程一凝聚和絮凝： ( 1 ) 微涡流凝聚 凝聚是指水中胶体脱稳后在水力作用下相互碰撞形成絮体的过程，凝聚的效率取决 于水中胶体脱稳的程度和碰撞的机率。涡流反应器形成的微涡旋流动能有效地促进水中微 粒的扩散与碰撞，其原因有二：一是涡流形成流层之间较大的流速差造成了流层中携带 微粒的相对运动，从而增加了微粒的碰撞机率；二是涡流的旋转作用形成离心力，造成 微粒的沿旋涡径向运动，从而增加了微粒的碰撞机率。微涡流是有利于凝聚的水力条件。 一方面，絮凝剂水解形成胶体在微涡流作用下快速扩散并与水中胶体充分碰撞，使水中 胶体快速脱稳；另一方厩，水中脱稳胶体在微涡流作用下具有更多碰撞机会，因而具有更 高的凝聚效率。 ( 2 立体接触絮凝 絮凝是指水流中已经形成的絮体吸附脱稳胶体而成长的过程。当混凝反应区放置了大 量涡流反应器后，由于反应器内流速相对较低，在上向水流区的涡流反应器内部形成絮 体悬浮区，悬浮絮体对水流中的脱稳胶体产生絮凝作用。上向流区每个涡流反应器内都有 悬浮絮体，形成立体接触絮凝；此外，涡流反应器内絮体长大到一定程度时，在微涡流 的作用下会破碎成较小絮体，从而保持絮凝能力( 絮体过大会使总表面积减小，吸附能力 下降) ，密实度较低的絮体在微涡流的作用下会破碎并重新絮凝成密实度较高的絮体，有 利于沉淀分离。 1 3 2 工艺特点 ( 1 ) 混凝效率高 微涡流混凝工艺创造了高效率的凝聚和絮凝水力条件，将水流组织成竖向流，即垂 直于水平面向上或向下流，涡流反应器置于竖向水流中，形成上向流混凝区和下向流混 凝区，组合成“上一下上”的混凝情况，各段的水流速度基本保持不变，反应时间可以 缩短到5 8 m i n ，因此混凝效率大大提高。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 ( 2 ) 出水质量优 在投加相同混凝剂的情况下，微涡流混凝工艺所产生的絮体质量明显优于传统工艺， 因而具有很好的沉降性能。在沉淀区体积不变的情况下，产水量提高1 倍，出水浊度稳定在 3 m g l 以下，滤池工作周期延长，节约了大量的反冲洗水。 ( 3 ) 对水质、水量变化的适应能力强 微涡流混凝适于高浊度水的处理。微涡流有利于混凝剂的快速扩散，使之不易被高浊 度水中大量的杂质胶体包裹而失去活性，即使混凝剂被包裹形成絮体，在微涡流的作用 下也容易破碎，重新恢复絮凝能力。 微涡流混凝工艺对水量变化的适应能力很强。因为其混凝的水力条件不是主要依赖于 水流的宏观速度，而是依赖于涡流的形成，而涡流的形成又主要依赖于流速的变化量，即 涡流反应器的开孔率。另外，上向流微涡流混凝区积累了大量的活性絮体，它们对水量、 水质的变化具有缓冲作用，在停水或池水放空期间，这些絮体不会沉积、板结，也不会捧 出池外，这使得微涡流絮凝池可以间歇工作。 ( 4 ) 运行稳定、药耗低 微涡流混凝工艺在反应池底部区域设置排泥区，涡流反应器内腔絮体能长期保持，器 内含有悬浮泥渣，因此可以将涡流反应器之外的泥渣排尽，因而排泥操作可以简化，不再 有传统工艺澄清池排泥困难，运行更稳定。由于微涡流能使混凝剂高效扩散，提高混凝剂 的利用率，同时使涡流反应器腔内大量絮体活性得到充分利用，从而使微涡流混凝工艺 的混凝剂消耗量明显低于传统艺。 1 3 。3 微涡流反应技术在水处理上的应用 合成氨厂造气工段污水水量大，悬浮物含量高，温度也较高，且组成较为复杂。要想 实现其闭路循环，一是污水中杂质含量要少，二是水温要低。具备这两个基本条件再辅以 水质调整，就可以实现其闭路循环，进而达到零排放。浙江巨化股份公司合成氨厂采用微 涡流塔板澄清器处理造气废水，处理后水质明显改善，出口水中悬浮物含量平均仅为5 0 m g l ，达到了设计要求。 1 4 接触过滤 接触过滤是指原水与絮凝剂经快速混合形成微絮凝体后，不经过沉淀作用就直接进入 滤池过滤。在这个过程中，接触絮凝作用占主要作用，微絮凝体通过滤料孔隙进入滤层后， 与滤料进行接触絮凝，而将絮凝物从水中截留而去除。滤料一般采用石英砂、无烟煤、纤 维球、陶粒、果壳等，根据要处理的水质来选择所需滤料和滤径。 其过滤机理包括迁移和附着。迁移过程包括截留、扩散、惯性、沉淀与动力效应诸作 用这些作用的存在与否及其相对效果，决定于微粒粒度的大小和密度、滤速以及水的粘 滞性等因素。附着过程则是范德华力、库仑力和化学结合力的综合作用。对上述迁移，附 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 着过程中诸力的综合作用起着支配作用，并产生不同的过滤效果。 微小的絮凝体具有很强的活性，在进入滤层后，由于水流方向的改变，使它们之间以 及与滤料之间不断地发生碰撞与接触被滤料吸附而截留下来。随着过滤时间的增加，上层 滤料因附着作用而使表面积减少，附着作用降低。与此同时，因滤料孔隙之间的滤速增大 使原来吸附在滤料表面的微小絮凝体被水流冲刷到下一层滤料而产生脱附现象，被水流带 到下一层的微小絮凝体又重新进行吸附一脱附，直到整个过滤周期结束。 由于接触过滤中滤前预处理所形成的微絮体尺寸小，它向滤料表面的输送条件较差， 故与滤料接触机会低，这样微絮体可以向滤层深部浸入，有利于充分利用滤层贮留容量， 降低水头损失的增长率，延长过滤周期。另外，由于徽絮体尺寸小，惯性也小，容易随流 线绕到滤料背面，增加了同滤料背面的接触机会，造成滤料全表面附着，而且一旦附着不 易脱离。 由于接触过滤属于深床过滤，因此需采用粗重厚实、截污能力强的滤料。而陶粒滤料 机械强度高，性质稳定，具有较大的比表面积，吸附能力也较强，截污能力强，因此本试 验采用陶粒和石英砂组成的双层滤料。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 2 1 实验用水及水质 第二章实验研究思路 实验所用生活污水取自学校生活区化粪池中的污水。化粪池中的污水浓度很高，c o d 值为8 0 0 1 2 0 0 m g l ，p h 值为7 7 5 ，s s 值为3 0 0 8 0 0 m g l 。实验时将污水适量稀释， 稀释后，c o d 值为5 0 0 6 0 0 m g l ，s s 值为3 0 0 4 0 0 m g l 。 2 2 实验中涡流电凝聚的作用原理 2 2 1 电絮凝作用 实验中根据铁、铝电极对比实验效果，选用铝电极进行电絮凝反应，电絮凝在电解过 程中产生a 1 ”