污水處理電化學處理技術

污水處理電化學處理技術高級氧化技術一般針對難降解有機廢水，如醫(yī)藥、化工、染料工業(yè)廢水以及含有難處理的有毒物質物質等。第一節(jié) 電化學處理技術一、基本原理與特點1.原理電化學氧化法主要用于有毒難生物降解有機廢水的處理，電化學水處理技術的基本原理是使污染物在電極上發(fā)生直接電化學反應或間接電化學而得到轉化，從而達到削減和去除污染物的目的。根據(jù)不同的氧化作用機理，可分為直接電解和間接電解。1)直接電解直接電解是指污染物在電極上直接被氧化或還原而從廢水中去除今直接電解可分為陽極過程和陰極過程。陽極過程就是污染物在陽極表面氧化而轉化成毒性較小的物質或易生物降解的物質，甚至發(fā)生有機物無機化，從而達到削減、去除污染物的目的。陰極過程就是污染物在陰極表面還原而得以去除，陰極過程主要用于鹵代經的還原脫鹵和重金屬的回收，如鹵代有機物的鹵素通過陰極還原發(fā)生脫鹵反應，從而可以提高有機物的可生化性。直接電解過程伴隨著氧氣析出，氧的生成使氧化降解有機物的電流效率降低，能秏升高，因此，陽極材料對電解的影響很大。2)間接電解間接電解是指利用電化學產生的氧化還原物質作為反應劑或催化劑，使污染物轉化成毒性小的物質。間接電解分為可逆過程和不可逆過程。可逆過程（媒介電化學氧化）是指氧化還原物在電解過程中可電化學再生和循環(huán)使用。不可逆過程是指利用不可逆電化學反應產生的物質，如具有強氧化性的氯酸鹽、次氯酸鹽、H202和O2等氧化有機物的過程，還可以利用電化學反應產生強氧化性的中間體，包括溶劑化電子、?HO、?H02/02等自由基。2.電化學水處理技術的特點1)電化學方法既可以單獨使用，又可以與其他處理方法結合使用，如作為前處理方法，可以提高廢水的生物降解性；2)一般電化學處理工藝只能針對特定的廢水，處理規(guī)模小，且處理效率不高；3)有的電化學水處理工藝需消耗電能，運行成本大。二、電化學反應器與電極電化學反應器按反應器的工作方式分類可分為：間歇式、置換流式和連續(xù)攪拌箱式電化學反應器。按反應器中工作電極的形狀分類可分為二維電極反應器、三維電極反應器。二維電極呈平面或曲面狀，電極的形狀比較簡單，如平板、圓柱電極。電極反應發(fā)生于電極表面上，其電極表面積有限，比表面積極小，但電勢和電流在表面上分布比較均勻。三維電極的結構復雜，通常是多孔狀。電極反應發(fā)生于電極內部，整個三維空間都有反應發(fā)生。特點是比表面積大，床層結構緊密，但電勢和電流分布不均勻。下列出了常見電化學反應器的電極類型。常見電化學反應器的電極類型三、電化學處理技術在廢水處理中的應用（一）微電解1.原理微電解技術是目前處理高濃度有機廢水的一種理想工藝，又稱內電解法，它是在不通電的情況下，利用填充在廢水中的微電解材料自身產生的電位差對廢水進行電解處理，以達到降解有機污染物的目的。鐵炭微電解設備中廢鐵屑填料的主要成分是鐵和炭，當將鐵屑和炭顆粒浸沒在酸性廢水中時，由于鐵和炭之間的電極電位差，廢水中會形成無數(shù)個微原電池。其中電位低的鐵成為陽極，電位高的炭成為陰極，在酸性充氧條件下發(fā)生電化學反應，其反應過程如下：陽極(Fe):陰極(C):原電池反應產生的新生態(tài)氫能與廢水中許多組分發(fā)生氧化還原反應，使有機物斷鏈，有機官能團發(fā)生變化，使有機廢水的可生化性有一定的提高，同時Fe(OH)2及Fe(OH)3還具有絮凝和吸附作用，從而達到去除廢水中污染物的目的。經過鐵炭微電解預處理后廢水的酸度大大降低，減少了中和劑的使用量。2.特點1)具有適用范圍廣、處理效果好、成本低廉、操作維護方便、不需消耗電力資源等優(yōu)點；適合于處理難降解、高色度有機廢水，能有效降低降低COD和色度，提高廢水的可生化性。2)微電解工藝所采用的微電解材料一般為鐵屑和木炭，使用前要加酸堿活化，使用過程中很容易鈍化板結，又因為鐵與炭是物理接觸，之間很容易形成隔離層使微電解不能繼續(xù)進行而失去作用，導致頻繁地更換微電解材料，造成工作量大、成本高，還影響廢水的處理效果和效率。另外，微電解材料表面積太小也使得廢水處理需要很長的時間，增加投資成本。的氣泡，因而其氣浮能力更強，對污染物的去除效果也更好。3)氧化、還原作用在電流作用下，原水中的部分有機物可被氧化為低分子有機物，甚至直接被氧化為CO2和H20。同時，陰極產生的新生態(tài)氫還原能力很強，可與廢水中的污染物發(fā)生還原反應，從而使污染物得到降解。2.電解槽與電極1)電解槽(1)電解槽形式電解槽類型對電絮凝有影響。電解法處理廢水所用電解槽，按水流方向可分為翻騰式、回流式及豎流式三種。廢水處理中最常采用的是翻騰式電解槽。翻騰式電解槽為用隔板將電解槽分成數(shù)段，在每段中水流順著板面前進，并以上下翻騰方式流過各段隔板。(2)電解槽設計①電解槽有效容積C,有效容積用下公式計算。C=QT/60式中 C一電解槽有效容積，m3；Q—設計流量，m3/h;T—電解歷時，min。②陽極面積F,陽極面積根據(jù)水板比n確定。F=1000Cn式中 F—陽極面積，dm2；C—電解槽有效容積，m3;n—水板比，對含氮銘廢水取2~3dm2/L。③電流強度I,按電流密度i與F計算。I=iF式中I一電流強度,A;i一電流密度，A/dm2；F—陽極面積，dm2。④食鹽投加量，當廢水的電阻率大于12000Ω?cm時，應投食鹽使廢水電阻率下降到12000Ω?cm以下。⑤電壓(V)，電壓按廢水的電阻R(Ω)和I(A)計算V=RI⑥配套電器設備選擇。根據(jù)廢水I、V計算值選擇電器設備。電器設備的額定工作電壓應大于槽端電壓和匯流排壓損失之和，匯流排電壓損失按下式計算。V1=2×1.1×ILKF式中 V1一匯流排電壓降，V;1.1一匯流母線溫升線引起的電導下降系數(shù)。I一線路計算電流強度，A;L一線路長度，m;K—導線導電系數(shù)，銅線取53,鋁線取32;F—匯流母線截面積，mm2⑦電能消耗量，電能消耗童用下式計算。N=IV/1000Q式中 N—電能消耗量，kW?h/m3;I—電流強度，A;V—工作電壓，伏特；Q—設計流拯，m3/h。⑧壓縮空氣量q。式中 q一壓縮空氣量，m3（氣）/m3（水）；q?！獢嚢?m3廢水所需的空氣量，一般取0.2~0.3m3/min;T—電解歷時，min。⑨翻騰式電解槽。其平面尺寸應滿足L/B=4~6,H/B=1;式中 L—槽長，m;B—槽寬，m;H—有效水深，m。⑩其他。導線與極板焊接，接線電阻較小，耐腐蝕較好；螺栓聯(lián)接和活動搭接易松動，接線電阻大，耐腐蝕差。布置直流電源要盡鼠靠近電解槽，使得母線短，線路電壓降小；同時要設置轉向開關。2)電極與電極連接方式(1)電極材料電極材料與電解過程有直接的關聯(lián)，電解過程與相應的電極材料及布置方式見下表。電解過程與相應的電極材料及布置方式(2)電極形式電絮凝電極除傳統(tǒng)的形式外，還有絮凝床、絮凝槽等。目前已經開發(fā)出同軸電絮凝極板在使用。電極形式如下圖所示。電絮凝極板的幾何形狀(3)電極連接方式在電絮凝器中，按照電極板兩側的電極極性分，電絮凝器可分為單極式、雙極式和組合式三類，電絮凝器電極連接方式見上圖。對于單極式電絮凝器，電勢高低交錯，電流總是從某陽極流向相鄰的陰極，而不可能繞過幾塊極板流向其他陰極，每塊極板表現(xiàn)出一種電性且相鄰的電極表現(xiàn)為不同的電性，這類電絮凝器不存在電流的泄漏問題；雙極式與組合式的情況則有所不同，部分電流可以繞過幾塊極板，從靠近電源正極的一些極板直接流向靠近電源負極的一些極板，除了與電源兩極相連的極板，每塊極板表現(xiàn)出不同的電性，雙極式和組合式都存在著電流泄漏的現(xiàn)象。實際應用中雙極板較普遍，因為雙極板電路極板腐蝕較均勻，相鄰極板接觸的機會少，即使接觸也不會因短路而發(fā)生事故。雙極板電路便于縮小極板間距，提高極板利用率，減少投資和節(jié)省運行費用。電絮凝器電極連接方式3.影響電解的因素1)極板材料對于印染廢水，主要利用電凝聚和電氣浮過程，應選擇可溶性鋁或鐵作陽極、鐵板作陰極。對含氛廢水，以石墨為陽極，鐵板為陰極。含銘廢水以鐵板作陽極和陰極。更多污水處理技術文章參考易凈水網(wǎng)2)極板間距極板間距的大小直接影響電解消耗和電解歷時。間距過大，電解歷時、電壓和電解消耗都要增大，而且處理效果也會受影響；間距愈小，電解消耗愈低，電解歷時也相應縮短，但所需電極板組數(shù)太多，一次投資大，且安裝與維護管理都較困難。對于含氧、含銘廢水極板凈距一般為30~50mm,對印染廢水極板凈距應采用大些為宜。3)陽極電流密度即陽極工作面積上通過的電流，單位為A/dm2。陽極工作面是指陽極和陰極相對應之面。如兩塊陰極間的陽極，則工作面以二面計；電解槽二側的陽極工作面以一面計；在雙電極極組上，陽極工作面是指接陽極導線與陰極相對應的工作面數(shù)計。陽極電流密度可按下式計算。IF=I/0.8F式中 IF—電流密度，A/dm2；I一用電電流，A;F—陽極工作面積，dm2；0.8—系數(shù)，即在陽極面積減至80%時仍能繼續(xù)使用。電流密度的大小與電化學反應要求、電極接線和廢水性質有關，常用為0.2~0.5A/dm2,一般來說采用低電流的電解法電耗往往比較少。4)電壓與攪拌電壓：電解時陽極與陰極間的槽電壓，以伏特計，包括平衡電壓、過電位、導線、極板和溶液電壓降。電解時投加少量NaCl可降低電壓，減少用電量,但廢水中增加Cl-和Na+是否會影響水的重復使用應加以考慮。一般當廢水電阻率大于12000Ω?cm時，就必須投加NaCl,投加量一般為1~2g/L。攪拌：多采用壓縮空氣攪拌，攪拌強度一般為0.2~0.3m3(氣)/[m3(水)?min]。5)電解歷時電解歷時指廢水進入電解槽到廢水排出電解槽停留的時間，由幾分鐘到幾十分鐘不等。極距、電流密度和電解時間三者互為影響。極板距愈小，電流密度愈大，電解歷時就愈大，但很不經濟。一般認為較低的電流密度和較長的電解歷時是較合理的，一般控制在10~30min之間。6)水板比水板比是指電解槽中廢水的容積與陽極板總有效面積之比，即浸泡在單位容積廢水內的陽極面積，以dm2/L表示。水板比與極板間距離有關，對含氮、鉻廢水為2~3。更多污水處理技術文章參考易凈水網(wǎng)7)溫度溫度在5~35℃范圍內變化，對處理效果和電解歷時無明顯影響。8)pH值pH值要求控制在5~6之間，pH值過大，會使陽極發(fā)生鈍化，阻止金屬電極的溶解。9)電耗電解時要析出物質消耗電能。理論值按法拉第電解定律計算：W=qε/F式中 W一電解析出的物質，g;q一通過的電量，A?h;ε—電解析出物質的克當量；F一法拉第電解常數(shù)，26.8A?h。由于電解過程中存在著其他副反應的情況，所以實際電耗比理論值大，電解除銘的電量一般采用3.8~4A?h/g(cr6+);電解除鋼化物的電量一般采用10~15A?h/g(氰)；電解處理羊毛染整廢水采用40~100A?h/m3廢水的電量。4.特點由于電絮凝過程中電解反應的產物只是離子，不需要投加任何氧化劑或還原劑，對環(huán)境不產生或很少產生污染，被稱為是一種環(huán)境友好水處理技術。電絮凝法具有很多的優(yōu)點，如：(1)設備簡單，占地面積少，設備維護簡單；(2)電絮凝過程中不需要添加任何化學藥劑，產生的污泥量少，且污泥的含水率低，易于處理；(3)操作簡單，只需要改變電場的外加電壓就能控制運行條件的改變，很容易實現(xiàn)自動化控制；電絮凝可以一次完成氧化、還原、絮凝、氣浮的過程，是污水處理的一個很好的工藝。但是一般電絮凝還存在以下幾個問題：(1)處理污水時，若要達到較好的處理效果，則需要較長的停留時間，這對于水量比較大的污水處理工程難以適用，而且水樣本身的理化性質對電絮凝處理效果有明顯的影響；(2)極板易形成氧化膜而鈍化，影響電絮凝的處理效率；(3)對高濃度的有機污水進行處理時，電極消耗比較大，造成運行成本較高；(4)該技術在很大程度上依賴水溶液的化學特性，尤其是傳導性；(5)與其相關的諸多理論還不成熟，尤其缺乏對電絮凝反應器成型設計的理論，因此對于某一特定水質，采用何種結構的反應器、工藝參數(shù)、如何優(yōu)化等，仍憑經驗或試驗來確定，不能完全從理論上推斷。上述這些局限性在一定程度上制約了電絮凝技術的廣泛應用。5.應用情況電絮凝水處理系統(tǒng)主要用于去除廢水中的重金屬，懸浮固體，乳化有機物等，現(xiàn)已被廣泛用于石油石化行業(yè)、電鍍業(yè)、有色金屬冶煉行業(yè)、船底污水處理。工藝對污染物的處理效果如下表所示。電絮凝水處理系統(tǒng)對污染物的處理效果1)處理高濃度有機廢水用傳統(tǒng)的工藝處理高濃度的可生化、不可生化的有機廢水時，流程長，運行成本高，負荷高，效果不明顯；電絮凝設備已成功的用于此類廢水處理，如屠宰業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的高濃度有機廢水、食品廠高濃度廢水、石油業(yè)含烷烴廢水、紡織印染廢水等。安徽省安慶市某毛巾廠采用高壓脈沖電絮凝裝賀處理印染廢水，COD和BOD5的去除率均在80%以上，色度去除率高，處理每噸廢水所需運行管理費為0.7元。2)處理高氨氮廢水有關資料報道，在處理高氨氮廢水中，電絮凝也有很好的處理效果，已經將其應用在垃圾滲漏液的處理中。日處理150t垃圾滲濾液處理工程處理指標見下表。日處理150t垃圾滲濾液處理工程處理指標3)處理電鍍廢水水口山有色集團第四冶煉廠鋅冶煉廢水電絮凝深度處理工程，工程設