（环境工程专业论文）电气浮处理特种废水的机理和实验研究.pdf

大连理工火学硕士学位论文 摘要 电气浮技术是一种通过电解水产生的微气泡吸附水中的污染物并上浮分离的处理方 法。电气浮技术具有单元小而紧凑，分离效率高，无二次污染，动力设备较少，维修方 便，维护和运行费较低等优点。 含油废水的处理一直以来受到了普遍关注，特别是乳化油废水，它作为一种典型的 特种废水，具有难降解，对环境污染严重等特点，是急待解决的废水种类之一，而作为 针对性的处理方法却相对较少且往往达不到理想的处理效果。 本文选取了乳化油废水作为研究对象，用自制的反应器分别用石墨、铝为电极材料， 应用电气浮方法对模拟废水及轴承厂废水进行了实验研究，并以c o d 及油去除率为判断 标准，通过正交试验方法及其他分析手段，详细考察了主要因素对处理效果的影响。得 出结论如下： 絮凝电气浮处理乳化漓废水中影响泊去除率的主要因素的主洳i 厦序为p h 值、电解气 浮时间、电极间距、电流密度。最优操作条件为电流密度为1 5 6 a m 2 ，电极间距为1 c m ， 口h 值为7 4 ，在气浮时间为2 0 m i n 时，模拟含乳化油废水的c o d 去除率可达9 2 8 。 通过絮凝一电气浮法与传统的絮凝法处理轴承厂废水的对照实验可以看出，后者在所 加的絮凝剂种类多、用量大的情况下，去除率仅能达到3 8 7 ；前者需要的絮凝剂量少， c o d 去除率达7 5 ，出水c o d 阵至i 0 0 r e g a l 以下，浮渣比絮凝法的沉淀物密实，含水 量少。 通过电絮凝处理乳化油废水的正交试验得出影响油去除率的主要因素的主次顺序 为：电絮凝时间、电流密度、p h 值、电极间距：最优操作条件为1 5 6 a m 2 ，电极间距为 0 ，5 c m 。d h 值为7 4 ，此条件下电絮凝时间3 0 m i n 时，模拟含乳化油废水的c o d 去除率 可达9 5 。铝电极电絮凝方法对p h 值的适应范围较宽，对乳化浊废水油去除率在酸性 条件下比碱性条件下商约4 。 电絮凝处理轴承厂废水时c o d 去除率比絮凝- 电气浮法稍小，但不需要另外添加絮 掀剂。单极式连接油去除率达9 1 ，复极式可达9 4 ，而且复极式电极连接方式简单， 不易短路。 实验证实电絮凝法及絮凝电气浮法装置紧凑，操作灵活，对废水的适应性强，能很 好的应用于难降解乳化油废水的处理。 关键词：电气浮；电絮凝；含油废水；电极 电气浮处理特种废水的机理和实验研究 i n v e s t i g a t i o n o nt h em e c h a n i s ma n d e x p e r i m e n t o f e l e c t r o f l o t a t i o nf o rt h e t r e a t m e n to f s p e c i a lw a s t e w a t e r a b s t r a c t e l e c l r o f l o t a t i o ni sap r o c e s so f g e n e r a t i n g , v i ae l e c t r o l y s i s ，ac o n t r o l l e dc l o u do fc h a r g e d h y d r o g e na n do x y g e ng a sb u b b l e s ，w h i c hr i s et h r o u g ht h ew a s t e w a t e rs o l u t i o na n da t t a c h t h e m s e l v e st oi n s o l u b l ec o n t a m i n a n tp a r t i c l e s t h ef o a m y l a y e rt h a tg a t h e r sa tt h es u r f a c ei s t h e ns k i m m e do f fb ym e c h a n i c a lo ro t h e rm e a n s t h ee l e e t r o f l o t a f i o nu n i t sa r es m a l la n d c o m p e l c o s te f f e c t i v e 州t 1 1 0 u ts e c o n d a r y p o l l u t a n t s a n dr e q u i r el e s sm a i n t e n a n c ea n dr t m n i n g c o s tt h a no t h e rf l o t a t i o nu n i t s o i l yw a s t e w a t e r , a s o n ek i n d o f s p e c i a lw a s t ew a t e r , h a sb e e ns t u d i e df o rd e c a d e s t h eo i l y e m u l s i o nw a s t e w a t e ri sat y p i c a lo i l yw a s t e w a t e r , w h i c hi s d i f f i c u l t l yb i o d e g r a d e da n dc a l l i n d u c eh e a v ye n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n t i l ln o w ，i t i s v e r y d i f f i c u l tt ob et r e a t e dw i t h c o n v e n t i o n a lm e t h o d s t h ee l e c t r o f l o t a t i o nf o r o i l ye m u l s i o n w a s t e w a t e rw a ss t u d i e dw i t ht h er e a c t o r d e s i g n e db y m y s e l ft 1 l cs t u d yo nt h eo i la n dc o dr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h es i m u l a t e da n dp r a c t i c a l w a s t e w a t e rb ye l e c t r o c o a g u l a t i o na n dc o a g u l a t i o n e l e c t r o f l o t a f i o nw e mc a r r i e do u to nt h e g r a p h i t ea n da l u m i n u me l e c t r o d e s , r e s p e c t i v e l y 1 1 1 ef a c t o r sa f f e c t i n gt h er e m o v a le f f i c i e n c y w e r ea n a l y s e dw i t h o r t h o g o n a l t e s ta n do t h e rm e t h o d s t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： n l c k e yf a c t o ma f f e c t i n gt h eo i lr e i n o v a le f f i c i e n c yd u r i n gt h ec o a g u l a t i o n - e l e c t r o f l o t a t i o n p r o c e s s a r ea sf o l l o w s ：p hv a l u e e l e c t r o c o a g u l a t i o nt i m e e l e c t r o d e sg a p c u r r e n t d e n s i t y 1 1 1 c o p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o nw a sa sf o l l o w s ：c u r r e n td e n s i t yw a s1 5 6 a m 2 ，m ep hv a l u ew a s 7 4 ，t h ee l e c t r o d eg a pw a s1 c m ，a n dw h e nt h et i m ew a s2 0 m i nt h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c y r e a c h e d9 2 8 t h eo i lr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ec o n v e n t i o n a lc o a g u l a t i o nw a sl o we v e nw i t hm o r e c o a g u l a n ta g e n t s ，a n dt h ee f f l u e n t ss h o u l db ef a r t h e rt r e a t e db yo t h e rm e t h o d s i nc o n t r a s t , t h e c o a g u l a t i o n - e l e c t r o f l o t a t i o nn e e d sl e s sc o a g u l a n ta g e n t s , r e s u l t i n gi nh i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c y m o r e o v e r , t h ef l o c sf l o a t e dt ot h eb u l ks u r f a c ew e r em o r e c o m p a c ta n de a s y t ob et r e a t e d 。 t h e k e y f a c t o r sa f f e c t i n gt h eo i lr e m o v a le f f i c i e n c yd u r i n gt h ee l e c t r o c o a g u l a t i o np r o c e s s a l ea sf o l l o w s ：e l e c t r o f l o t a t i o nt i m e c u r r e n td e n s i t y p hv a l u e e l e c t r o d e sg a p 1 1 1 eo p t i m u m o p e r a t i n gc o n d i t i o nw a s a sf o l l o w s ：t h ec u r r e n td e n s i t yv c d s1 5 6 a m 2 ，船p hv a l u ew a s 7 4 ，t h e e l e c t r o d eg a pw a so 5 c m ，a n dw h e nt h et i m ew a s3 0 m i nt h ec o dr e m o v a l e f f i c i e n c yr e a c h e d i i 大连理工大学硕士学位论文 9 5 t h ea l u m i n u me l e c t r o d e sp e r f o r m e dw e l li nt h es o l u t i o nw i t hw i d e r a n g eo f p h v a l u e a n d t h er e m o v a l e f f i c i e n c yw a sh i g h e r i nt h ea c i d i cs o l u t i o nt h a ni nt h ea l k a l i n eo n e c o dr e m o v a le f f i c i e n c yo f p r a c t i c a lw a s t e w a t e rf r o mb e a r i n gf h c t o r yi sl o w e rt r e a t e db y e l e c t r o c o a g u l a t i o nt h a nt h a tb yc o a g u l a f i o n - d e c t r o f l o t a t i o n ，b u tt h ef o r m e rd i dn o tr e q u i r e a d d i t i o n a la g e n t s t h eo i lr e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e d9 1 w i t hm o n o p o l a re l e c t r o d e s 9 4 w i t hb i p o l a re l e c t r o d e s t h e m o n q l p o l a r e l e c t r o d e sc o n f i g u r a t i o ni ss i m p l ea n dc a n p r e v e n tt h e o c c 蛳彻o eo f h o nd r c 伍t 、 t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a te l e e t r o e o a g u l a t i o na n d c o a g u l a t i o n - e l e e t r o f l o t a t i o na l e s u i t a b l ef o rt h et r e a t m e n to ft h eo i l ye m u l s i o nw a s t e w a t e r , w i 廿lt h ea d v a n t a g e so fc o m p a c t a p p a r a t u s ，f l e x i b l eo p e r a t i o na n dg o o da d a p t a t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r o f l o t a f i o n ；e l e c t r o c o a g u l a l i o n ；0 i l yw a s t e w a t e r ；e l e c t r o d e - 1 1 1 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 气浮净水技术概论 气浮法利用高度分散的微气泡作为载体去粘附废水中的悬浮物，使其密度小于水而 上浮到水面以实现固液分离过程。它可用于水中固体与固体，固体与液体，液体与液体乃 至溶质中离子的分离。气浮法作为一种高效、快速的固液分离技术，始于选矿。自2 0 世 纪7 0 年代以来，该技术在水处理领域颇受国内外学者的关注并得以迅速发展，目前已较 广泛地应用于给水，尤其是对低温、低浊、富藻水体的净化处理以及城市生活污水和各 种工业废水处理【j 。与沉淀法相比，气浮法具有4 个优点【2 】：( 1 ) 、气浮设备占地少，节省 基建投资；( 2 ) 、处理效果好，可处理那些很难用沉淀法去除的低浊含藻水和原水中的浮游 生物，出水水质好；( 3 ) 、所需药剂量比沉淀法节省；( 4 ) 、可以回收利用有用物质。尽管 如此，气浮工厂的设计和最佳操作仍旧依据中试及经验，因此，有关气浮机理、气浮技 术的设备、工艺组合尚需进一步研究。 1 1 1 气浮净水技术的发展历史 浮选法作为气浮法的前身，早已应用于矿冶工业。于1 8 6 0 年，w i l l i a mh a y e s 因此 获得了第一个专利。迄今为止，该法一直在广泛应用，而且有了很大发展，特别是不同 成分的矿石，利用各种不同的浮选剂，能够顺利地进行选择性的气浮分离。 但是，在给水排水工程领域里，浮选法却一直没有引起充分的重视。早在1 9 2 0 年 c l p e e k 就考虑到用气浮法来处理污水，但其试验结果没有发表。直到1 9 4 3 年3 月，才 在英文排水杂志( s e w a g e w o r k sj o u r n a l1 9 4 3 - 3 ) 上，首次看到有关气浮法处理污水的报 导。它是由c h r i sa h a n s e n 和h a r o l db g o r a a s 写的。他们采用的是用金刚砂球体布气的 方法。试验工作做得较细，曾对2 0 余种气浮剂进行了试验，得出了气浮几乎能全部去除 悬浮固体所形成的b o d ，而对溶解固体所形成的b o d 没有显著效果的结论。此外，试 验还肯定了气浮法具有比沉淀法大大减少处理时间的重要价值。 关于气浮法用于给水方面的最早一篇报导是1 9 4 8 年。五十年代，虽已有以溶解空气 为基础的工业气浮机械，但总的说来，气浮净水技术的进展缓慢，很少见到这方面的报 导。 到了六十年代，在美国专利上开始出现了用溶解空气气浮法处理污水的报导。但在 其早期，由于压力控制不当以及溶气水注入的位置与方法不善，因而使水质不能保证， 电气浮处理特种废水的机理和实验研究 且运转管理费用较贵，所以，它也并不受到欢迎。直至逐步解决了以上的问题之后，气 浮法才真正开始得到较迅速的发展。 气浮理论的发展可分为开拓期和发展期。开拓期始于2 0 世纪7 0 年代中期，大部分 研究集中在气浮工艺条件的研究上，如气浮分离的物理化学条件；较深入的一些研究工 作也仅停留在对某些气浮过程表面现象的局部解释上，或是测定气泡的大小、接触角、 表面张力、e 电位、颗粒大小与气浮效率的关系。7 0 年代后期属于发展期，气浮理论研 究向纵深发展。气浮过程的机理、热力学和动力学的研究也日益增多，文献逐年增加翻。 气浮理论【l 】认为：压力溶气水中通过溶气释放器释出的微气泡，在其气泡外层包着一层 透明的弹性水膜，除排列疏松的外层( 流动层) 泡膜在上浮过程中受浮力和阻力的影响而流 动外，其内层( 附着层) 泡膜与空气一起构成稳定的微气泡而上浮；经过絮凝剂脱稳凝聚、 絮凝形成的柔性网络结构絮粒，具有一定的过剩自由能和憎水基团。气泡和絮粒的粘附 作用的形成机理主要是由以下4 种因素综合作用的结果：( 1 ) 、絮粒的网捕、包卷和架桥 作用；( 2 ) 、气泡絮粒碰撞粘附；( 3 ) 、微气泡与微絮粒间的共聚并大；( 4 ) 、表面活性剂的 参与作用。单忠健等占心分离压”基本原理出发，通过气泡一絮粒间残留水化层性能的测定 和计算，探讨了气泡与絮粒粘附时，液膜薄化的物理化学因素，研究了气泡一絮粒粘附过 程的机理。胡斌等根据絮粒和气泡的各自特性及其粘附方式研究了气浮净水机理，认为 微粒、微气泡的尺寸和粘附牢度是影响气浮净水效果的主要因素。也有研究者主要从 电位和水化层方面研究其粘附条件，并且提出了相应的数学模型。 目前气浮法已用于炼油、化学、造纸、制革、纺织、印染、钢铁、橡胶、食品、制 药等工业废水以及生活污水的处理。 气浮分离方法有很多种，根据微细气泡产生的方式可分为：电解气浮法、分散空气 气浮法、溶气气浮法及生物及化学气浮法【4 】。其中电解气浮技术因为其产生的微气泡非 常细小，对废水的处理效率高、操作灵活、占地面积小等特点而具有独特的优势。 1 2 电气浮技术概论 电气浮技术是电解产生氢气、氧气微气泡结合水中的污染物上浮到水面，电极反应 是阳极产生氧气，阴极产生氢气。电气浮技术是1 9 0 4 年e l m o r e 在从矿石里浮选有用矿物 质时提出的。 电极反应如下： 阳极：2 h 2 0 - 4 e - - - + 0 2 + 4 r 阴极：2 h 2 0 也e h 2 + 2 0 h 大连理工大学硕士学位论文 电解过程中产生的气体，其数量变化服从法拉第定律。即在电极上析出的物质数量与通 过溶液的电流强度和通电时间成正比，也就是与通过溶液的库仑电量成正比。 q m i tm ， = 2 一= 一一 n f9 6 5 0 0 ” 式中：m 一电极上析出的物质质量，g q 一通过的电量，c ： m 一原子或分子的摩尔质量； n 一电极反应中电子得失数； t 一电解时间，s ； i 一电解的电流强度，a 。 电量为i t 库仑时，电解过程中h 2 的理论产量为： 1 m 。= 二且= 1 0 3 6 x 1 0 。i t “： 9 6 5 0 0 电解过程中h 2 的理论产量为： 1 辨。= 二一t = 8 2 9 0 1 0 。_ i t 。2 9 6 5 0 0 1 2 。1 电气浮技术研究概况 目前，研究者主要就电气浮的影响因素进行研究。影响电气浮效果的因素有：电极 材料、极板间距、水板比、电极形式、电流密度、水力停留时间、浮选剂种类及投加量 等。具体研究情况如下嘲： 1 2 1 1 p h 值的影响 气泡的大小与p h 值及电极材料有关。氢气泡在中性时最小，氧气气泡的尺寸则随 p h 值的增加而增加。阴极材料影响氢气气泡的大小，阳极材料也影喻氧气气泡的大小。 1 2 1 2 电流密度的影响 电流密度是装置运行中的最重要的一个参数，根据法拉第定律电流密度的大小直接 决定了产生气泡数量的多少，从而决定了悬浮物及油的去除率。 气泡尺寸也与电流密度及表面状况有关。打磨的光滑的不锈钢板状电极所产生的气 泡很微小。不仅气泡大小，气泡产量( 每秒钟每横截面积气泡的数量) 也对矿物的浮选 电气浮处理特种废水的机理和实验研究 有影响。气泡大小随着电流密度的增大而增大。b u r n s f 6 】等人发现气泡大小也会随电流密 度的增大而减小，但是这种情况只是在电流密度较小的时候存在。当电流密度大于 2 0 0 a m 2 时，气泡大小分布在2 0 3 8 眦1 之间，没有明显的变化趋势。 1 2 1 3 电极的排列方式 电极通常有一组或多组电极组成，多组电极可分为单极式和复极式两种电极连接方 式，采用何种方式主要取决于电源的电压和电流，电源的选取又取决于处理水量的大小。 通常，阳极放在底部，不锈钢网状阴极放在阳极的上方啊。这种电极排列方式有利于阳 极产生的氧气气泡能迅速地扩散到废水中，直接影响气浮效率。 如果废水的电导率低，而且为了防止短路，上面的可移动的阴极与下面的阳极之间 的极间距较大，使得能耗非常大。气泡的迅速扩散与获得微小的气泡对于气浮效率来讲 同样重要。 对于传统的电极系统，只有上面的阴极直接对着废水，而下面的阳极产生的氧气不 能直接与废水混合，这就导致下面的阳极产生的氧气不能很快地扩散至0 待处理的废水中。 结果一些氧气气泡聚并成无用的大气泡，这不仅降低了小气泡的有效性，而且容易打碎 本已形成的絮体，这些都直接影响气浮效率。当阳极和阴极放在同水平面时，这种开 放式结构使得阴极和阳极直接接触废水漉，这样两极产生的气泡均可以快速扩散到废水 中，并有效地黏附到絮体上，保证了高的气浮效率。 另一种电极排列方式如图1 1 所示，它的优点是电极表面质量均一，效率也很耐8 】。 图1 1 种新型电极排布方式 f 嘻1 1 a n 鲫d 越期啦瞄嘣n o f e l 瞄眦s 研究证明开放式结构在气浮油和悬浮颗粒时非常有效。在新型的电极结构中，因为极间 距较小，所以节省了很多电能。电气浮过程所需要的电压主要消耗在欧姆电压降，溶液 阻抗，特别是电导率较低、电流密度较高的时候。 大连理工大学硕士学位论文 1 t 2 1 4 与其它气浮技术比较 电气浮的效率主要依赖于是否能获得均匀而微小的气泡，因为气浮效率主要与气泡 尺寸有关。这是因为气泡越小所提供的表面积越大，越有利于气浮。钛基型稳阳极所产 生的气泡尺寸9 0 以上分布在1 5 4 5 9 r n 之间剀；而加压溶气气浮则在5 0 7 0 1 a m ，据 b u m s 等人报道在加压溶气气浮中，当压力由6 3 5 k p a 降到4 1 4 k p a 时，气泡尺寸由4 6 4 9 m 升高到5 7 5 u m ；静电喷洒气浮产生的气泡尺寸分布在l o 1 8 0 9 r n ，平均直径为3 3 4 1 哪：射流气浮( ) 所产生的气泡更为细小，但是它的污染物去除率并不高，可能是 因为产生后小气泡很快聚并成大气泡的缘故。当电导率低的时候，直接应用电气浮电能 消耗大，在这种情况下可加入盐类以提高电导率。 1 2 1 5 电极材料 电极材料是电气浮单元的最重要的部分。主要可工业化应用的材料有石墨电极、钛 电极、铁电极、铝电极及其它金属电极。其中石墨电极、钛电极是不溶性电极，阳极产 生0 2 、c 1 2 等，阴极产生h 2 。铁电极、铝电极是可溶性电极，阳极电化学反应产生对应 的水合金属离子，形成絮凝剂，起混凝浮选作用，阴极产生h 2 ，起气浮作用。 铁、铝和不锈钢便宜，很容易获得，可以同时完成电絮凝和电气浮，但是用它们作阳极 时能够溶解【l o l ，电极表面变得粗糙，上面产生的气泡较大。 石墨和铅的氧化物是常用的不可溶性阳极，也很便宜，且容易获得，但是它们的析 氧过电位较高，而且耐久性差。p b 0 2 阳极容易有毒的p b ：2 + ，导致严重的二次污染。也有 研究者用铂或镀铂材料作阳极f l l j ，比石墨和铅的氧化物稳定的多，但是太昂贵不能大规 模的应用于工业中。 由b e e r 发明的t i 0 2 - r u 0 2 型型稳阳极，产生氯气的效果很好，但析氧时寿命短。在上 个世纪，m ) x 为基体的型稳阳极获得广泛关注，它的使用寿命可：逸至u r u 0 2 的二十倍。h 0 】【 - - t a r o ，为基体表面镀钛，这种材料做成的电极可成功地用于电气浮中作阳极“列。 1 2 1 6 水板比 水板比主要取决于原水与出水悬浮物及油的去除率，并控制气浮所需的气水比。 电气浮处理特种废水的机理和实验研究 1 2 1 7 水力停留时间 水力停留时间主要决定了产生气泡的利用效率，通常也通过试验确定。 i 2 1 8 浮选剂种类及投加量 当使用可溶性电极产生的絮凝剂量不足时，通常需另外加入浮选剂，可通过混凝试 验来确定浮选剂的种类及投加量。 1 2 2 电气浮技术主要特点 ( 1 )电气浮单元小而紧凑，节约了动力消耗，维修方便，维护和运行费用都比其它气 浮技术低，因而给实际工程的应用提供了较好的可操作性。 ( 2 ) 操作方便，可自动控制； ( 3 ) 气泡细小，表面负荷大，除油效率商，电气浮中氢气气泡直径一般为l o 2 0 1 m a ， 氧气气泡直径为2 0 3 0 9 m ，常规压“溶气气浮”泡直径一般在1 0 0 1 5 0 雌，由s 比_ ! ! ：= 一3 可知，比表面与气泡的半径成正比，电气浮的比表面比压力气浮比 刀。， 表面与气泡的半径成反比，故电气浮的比表面比压力气浮大约2 5 1 0 倍。所以浮选 效率高，对应的除油效率较高。 ( 4 ) 缩短混凝剂的混合反应时间，通常浮选剂使用聚合铝，混凝剂按混凝动力学，通 常混合时间为l 2 m i n ，反应时间为1 5 2 0 m i n ，丽在电气浮工艺中实验和工业运 行表明，由于微气泡的搅动作用，通常在5 m i i l 即可完成絮体的聚结长大并被气泡 所捕集。因此，水力停留时间较短，在同样的水力停留时间下较其它工艺可获得 较高的除油效率。 ( 5 )对废水负荷变化适应性强。占地小，无噪声。 1 3 电絮凝技术概论 电絮凝的应用已有较长的历史，在源水和多种行业废水处理中有着广泛的应用“副。 电凝聚又称电絮凝，就是在外电压作用下，利用可溶性阳极产剖- t ：t 阳离子，对胶体废 水进行凝聚沉淀。通常选用铁或铝作为阳极材料。将金属电极( 如铝) 置于被处理的水中， 然后通以直流电，此时金属阳极发生氧化反应。产生的铝离子在水中水解、聚合，生成 一系列多核水解产物而起凝聚作用，其过程和机理与化学混凝法基本相同a 同时，在电 大连理工大学硕士学位论文 絮凝反应器中阴极上产生的新生态的氢，其还原能力很强，可与废水中的污染物起还原 反应，或生成氢气。在阳极上也可能有氧气放出。氢气和氧气以微气泡的形式出现，在 水处理过程中与悬浮颗粒接触可获得良好的粘附性能，从而提高水处理效率。此外，在 电流的作用下，废水中的部分有机物可能分解为低分子有机物，还有可能直接被氧化为 c 0 2 和h 2 0 而不产生污泥。未被彻底氧化的有机物部分还可和悬浮固体颗粒被a i ( o h ) 3 吸附凝聚并在氢气和氧气带动下上浮分离。总之，电絮凝处理原水和废水是多种过程的 协同作用，污染物在这些作用下易被除去。 电极可有单极式联接和复极式联接两种方式。电极可以是板状或者是旋转电极或碎 屑状等。电极反应如下式： 阳极发生的反应如下： 铝作阳极时：脚- 3 e - a 1 3 + 在碱性条件下：a 1 1 - 3 0 w a 1 ( o h h 在酸性条件下；妒+ + 3 h 2 0 - , 尘a ( o h ) s + 3 r g 铁作阳极时：f e - 2 e f e ” 在碱性条件下：f e z + + 2 0 h - 一f e ( o h h 在酸性条件下：群+ + i d 2 + 2 h 2 0 4 f d 计+ 4 0 h 水解铝离子能形成忘大的a 1 o - a i - o h 网状结构，能化学吸附污染物如f i l 4 】。 1 3 1 电絮凝的铝阳极过程 在电流的作用下，阳极溶解的铝离子在溶液中形成十分细小的絮凝团f 1 5 l ，虽然它的 电化学活性( 寿命) 仅几分钟，但对平i 电位影响极大，即对胶体粒子或悬浮微粒的凝聚 作用极强。因而，其吸附能力与活度，比加入铝盐试剂豹化学方法高得多f 1 6 切，且用量 少，成本低，不受环境、水温及生物杂质的影响，亦不会发生铝盐与水的氢氧化的副反 应，因而所处理废水的酸碱度范围就宽。 电絮凝过程的两个主要反应f 1 田：吸附及电荷中和( 反应1 ) ：带正电荷的铝离子与 水中带负电荷的微粒反应，此反应为聚结。去除聚结物( 反应2 ) ：a a ( o h ) s 络合物吸附 胶质微粒，此反应为絮凝。第一个反应迅速( 1 0 r 4 s ) ，第二个反应缓慢( 1 7 s ) 。 1 3 2 电絮凝影响因素的研究状况 目前电絮凝的研究主要集中在对其影响因素的研究上，概况如下： 电气浮处理特种废水的机理和实验研究 1 3 2 1 电流密度 电流大小直接决定电极上溶解的a l 弦或f 矿的量，铝的电化学等效质量为 3 3 5 ，6 m g ( a h ) ，铁为1 0 4 0 m g ( a h ) 。电流大时所需要的电絮凝单元小。但是当电流密度过 大时。有更多的电能浪费在水的加热上；更重要的是，电流密度过大，电能的效率降低。 电流密度的选定应与其他的操作参数如p h 值、温度和流速等，以确保电流密度的高效性。 当铁电极的电流效率为1 0 0 时，铝电极的为1 2 0 - , 1 4 0 。铝电极超过1 0 0 的那部分电 流用于铝电极表面的凹陷的腐蚀，特别是氯离子存在的时候。电流效率与电流密度和阳 离子类型有关。值得注意的是，当低频声波应用于铁电极上时，电流效率可以增加到 1 6 0 。 所处理的水的质量取决于所产生的离子的量，电流和时间的乘积。所需要的荷电量 有一个临界值，超过了这个临界值，出水质量不会随着电流的增加而增加。 1 , 3 2 2 氯化钠 精制食盐常用于增加水或者废水的电导率，因为它的离子可以携带电荷，研究发现氯 离子能加速金属的阳极溶解，并防止或减缓金属钝化f 1 9 1 ，显著的降低其他离子如h c o _ 、 s 0 4 2 的反作用。 碳酸根或硫酸根离子能促进c p 或者m 矿沉淀并在电极表面形成一层绝缘层，这层绝 缘层会使电极问的电势急剧上升，电流效率明显下降。因此建议在所存在的离子中c r 应 占2 0 * , 4 ，以确保电絮凝过程的正常进行。氯化钠的添加因为增加了电导率，因而使得能 耗的降低。而且，研究发现电化学产生的氯对水有消毒作用。 1 3 2 3 p h 值 p h 值对水或废水的影响反映在电流效率和金属氢氧化物的可溶解性，当有氯离子存 在时，也影响到氯气的析出。铝在酸性或者在碱性条件下的电流效率都比中性条件下要 高。对废水的去除效果取决于污染物的性质，而最佳去除效果是在p i 值为7 左右时。 因为电导率的变化，在中性条件下能耗较高。当电导率高的时候，p h 的作用就不明显了。 出水p h 值在原水为酸性时有升高趋势，在碱性时有刚暇趋势，这是电絮凝过程的优势 之。事实上，在酸性条件下阴极上氢气的析出导致p h 值的升高，在碱性条件下阳极 大连理工大学硕士学位论文 附近形成的a l ( o n ) 3 会降低p h 值。而且，氧气的析出反应同样会导致p h 值的降低。铁 电极用于处理纺织和印染废水时，碱性的出水色度及c o d 去除率较好。 1 3 2 4 温度 虽然电絮凝技术已有1 0 0 多年的历史，但是温度对它的影响仍没有很多的研究。对于 水处理，从前苏联的文献来看，铝电极的电流效率随温度的上升而上升直至6 0 达到最 大值；而后，虽温度上升，电流效率呈下降趋势。电流效率随时问的升高而升高是由于 温度的升高有助于铝电极表面氧化膜的破坏。而当温度过高时，a i ( o h b 絮体收缩得过于 紧密，更易沉积在电极表面。与电流效率相似，在处理含油废水时，能耗在略低于3 5 c 时达到最大值。这可以通过温度对电流效率的影响以及电导率的影响来解释。温度越高， 电导率越高，相应的能耗就降f 氐。 1 3 2 5 电极材料 电絮凝常用材料为铝和铁。电极形状可做成板状或者碎屑状等。当用废弃材料作电 极时，需要在其中加入支撑物，以确保在碎屑中没有淤泥沉积。而且无论板状电极还是 碎屑电极都需要定期清洗。匿为铝和铁价格便宜，因此经常用铁电极处理污水，铝电极 处理给水。但是因为舻的絮凝效率商，铝扳或是铝板与铁板混合使用用于处理废水。 当水中有大量的c a 2 + ：a e - 者- m 矿存在时，建议使用不锈钢电极。 1 3 2 6 电源供给 电流通过电化学反应器时，它必须克服平衡电势差，阳极过电位，阴极过电位及溶 液的欧姆阻抗。阳极过电位包括活化过电位和浓差过电位，以及由于阳极钝化产生的钝 化过电位。而阴极过电位主要由活化过电位和浓差过电位组成。值得注意的是，钝化过 电位主要与电极表面状态有关，对于没有钝化的新的电极，钝化过电位可以忽略。通常 电絮凝过程用直流电源，为了减轻电极表面氧化和钝化，可周期性的改变电源的方向 p o - 2 3 j 。也有研究者将三相交流电用于处理石化厂的胶体废水。 电絮凝已应用于处理纺织废水矧，餐饮废水圈，石化废水，洗衣废水闭，城市废水 r t ，化纤废水，水包油型乳化油废水，含油废水，泥浆废水，印染废水口8 捌，制革废水跚 及铜的回收等，也有研究者用于制备给水j 。 电气浮处理特种废水的机理和实验研究 1 4 含油废水的处理现状 1 4 ，1 含油废水来源及其危害 含油废水是一种量大而面广的污染源。因此，含油废水的治理对于保护水资源，维 护生态平衡，促进经济发展，都具有重要意义。油类在水中的形态可按物理形态分为五 类：( 1 ) 、浮油，这类油珠粒径较大，一般大于1 0 0 9 m ，易浮于水面，形成油膜或油层； ( 2 ) 、分散油，油珠粒径较大，一般为1 肛1 0 0 u m ，以微小油珠悬浮于水中，不稳定，静 置一定时间后往往形成浮油；( 3 ) 、乳化油，油珠粒径小于1 0 肛1 ，一般为毡l 2 肿，往往 因水中含有表面活性荆使油成为稳定的乳化液；( 4 ) 、溶解油，油珠比乳化油还小，有的 d , n 几纳米，是溶于水的油微粒；( 5 ) 、粘附油，油类相当牢固地粘附在水中其它杂质上， 随杂质或悬浮或沉积在水中。 含油废水的来源十分广泛，主要来自石油、石油化工、钢铁、焦化、煤气发生站、 机械等工业企业，另外铁路运输业、纺织与轻工彳亍业中都会产生含油废水。废水的油类 往往因工业种类不同有很大差异。河水中若含有0 0 1 m g l 的石油类，鱼肉将不能食用圈。 油类对环境的污染主要表现在对生态系统及自然环境( 土壤、水体) 的严重影响。 主要表现在以下几个方面：流到水体的可浮油，形成油膜后会阻碍大气复氧，断绝水体 氧的来源，而水中的乳化油和溶解油，由于需氧微生物的作用，在分解过程中消耗水中 溶解氧( 生成二氡化碳和水) ，使水体形成缺氧状态，水体中的二氧化碳浓度增高，使 水体p h 值降低到正常范围一下。以致鱼类和水生生物不1 皂存在；含油废水流到土壤， 由于土层对油污的吸附和过滤作用，也会在土壤形成油膜，使空气难于透入，阻碍土壤 微生物的繁殖，破坏土层的团粒结构；含油废水排入城市排水管道，对于排水设备和城 市污水处理厂都会造成影响，流入到生物处理构筑物混合污水的含油浓度通常不能大于 2 0 5 0 m g l ，否则将影响到活性污泥和生物膜的正常代谢过程；油类和它的分解产物中 存在着很多种有毒物质( 如苯并芘、苯并蒽及其它多环芳烃) ，这些物质在水体或土壤 中被生物吸收并富集，会引起畸变，通过食物链进入到人体中，使肠、胃、肝、肾等组 织发生病变，危害人体健康。 1 4 2 机械加工废水处理现状 在机械加工行业中，生产过程中的润滑、冷却、传动等系统产生的含油废水，主要 含有润滑用的机油和冷却、传动用的乳化油等；机械零件加工前清洗过程产生的含油废 水，主要含机油、汽油等；在零件加工过程中的各种车加工和磨加工工艺中，要使用大 大连理工大学硕士学位论文 量的乳化油，以起到清洗、润滑、冷却和防锈等作用f 孙】。由这些工艺过程产生的含油废 水是机械加工工厂重要的污染源。如果将这些机械含油废水直接排放，对水源、农作物 和鱼类均产生较大的污染。机械含油废水中的油，主要有三种状态；( 1 ) 浮油，即游离 油，粒径在1 0 0 陋1 左右；( 2 ) 分散油，粒径在1 0 l o o 岬；( 3 ) 乳化油，粒径在1 0 p r o 以下。其中尤以乳化油最难处理，机械加工废水中的油主要以乳化油形式存在。 对于机械加工中的某些工艺，特别是在切削、研磨等机加工中，需大量的乳化液剐。 乳化液的结构不易破坏，且由于乳化液中的矿物油和添加剂毒性很大，含致癌物质，致 使这样的乳化液废水比一般的机械含油废水对环境的污染和影响要大得多。 乳化油废水实际上是一种胶体，具有胶体溶液的一些基本性质。油的极细微粒均匀 地分散在水相中，油粒表面吸附着表面活性剂的亲油端，亲水基团向外，使每个油粒都 成为带负电的阴离子基团，油粒带同种电荷两相互排斥，因两他们不能相互接近、形成 大油滴而分层，所以乳化油废水非常稳定，用传统的方法较难处理d 5 1 。 要净化乳化油废水，就必须破坏油粒的稳定性。目前，处理含乳化油废水多数采用 加混凝剂，使乳化油絮凝沉淀下来，从而达到油水分离的目的【3 q 。这种方法主要存在两 个问题：一是p h 值一般要求小于5 ，这样存在设备防腐方面的问题：二是产生大量絮状 沉淀物( 一般占废水的2 0 ) 很难处理。另一种处理含乳化油废水的方法是加入电解质， 使嘎变体，凝聚，从面使油水分离。 机械行业含油废水的处理技术，经历了几个发展阶段。由于机械工业废水中主要含 有机械油类、表面活性剂、悬浮物和有机物p 7 】，因而处理这类废水的技术一般采用重力 分离过滤生化处理d 田等多级工艺组合而成的所谓“老三套”处理工艺，其中具有代表 性的有隔油。砂滤- 生化流程、隔油砂滤生物滤池流程( b p 流程) 、隔油一生化滤池混凝 沉降流程及化学法结合生化处理法p 9 】等。当出水水质要求特别高时，后续还可按吸附装 置或氧化塘工艺。这徉的处理工艺的出水水质是可以保证的，但其缺点也是显丽易见的， 即占地面积大，投资高，操作管理复杂，对中小企业不合适。 随后又采用单一的方法进行单点或局部治理【螂。例如，对一个岗位，一个车间的含 油废水进行油水分离，一般采用重力分离法、吸附与聚结法收取浮油与分散油。重力分 离可设计成平流、波形板、平行板、斜板等各种不同类型的勤分离池，还有一种处理 方法是将竖向隔泊、波纹斜板隔油和吸附分油三者结合，形成一个完整的分油钵系t 能 使处理后出水含油浓度稳定在5 m g l 以下。同时针对某些工厂的含油污染源多，无规则 排放的情况，还研究出了一些精巧的油水分离器，这些小型的油水分离器结构简单，成 本低廉，可自动排水节油，除油效率稳定，应用方便。 电气浮处理特种废水的机理和实验研究 对于乳化液废水的处理，破乳是关键。机械行业曾对化学破乳、电解法、高梯度磁 分离技术和膜分离技术f 4 l 】进行重点研究。 化学破乳是通过化学反应或物理化学作用，破坏乳化液中表面活性剂的结构，从而 使油水分离，曾研究获得盐析法、酸化法、凝聚法和混合法等作用性成果。应用较多的 是凝聚法，凝聚剂多采用硫酸铝、硫酸铝铵、聚合氯化铝、碱式氯化铝、聚丙烯酰胺、 高分子凝聚剂等。在研究凝聚法的高效处理效果时，往往在研制新型絮凝剂上下功夫， 8 0 年代后期研制出了新产品。有些厂家采用盐析法与凝聚法并用，或将盐析法、酸化法 和凝聚法综合应用，即所谓化学处理的混合法，从而获得处理效率高、成本低、应用广 的优秀成果。还有些采用加压气浮与化学法结合，例如化学破乳加压气浮吸附法三级 处理的方法，具有操作简便。出水水质可靠的特点【4 2 】。 高梯度磁分离技术和膜分离技术是两种新型的油水分离技术。国内的高梯度电磁过 滤器产品，以及全自动控制的商梯度电磁过滤处理系