同軸電絮凝技術(shù)在水質(zhì)提升中的應(yīng)用分析

廉 雨

（北京天力程環(huán)境技術(shù)有限公司，北京 100000）

0 引言

電絮凝技術(shù)作為電化學(xué)技術(shù)的一種，因其操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)泥量低、高效、無(wú)二次污染等特點(diǎn)已發(fā)展為極具競(jìng)爭(zhēng)力的水處理技術(shù)之一[1-2]。 由20 世紀(jì)初發(fā)展至今，其在工活污水、餐飲廢水、電鍍廢水、重金屬?gòu)U水、造紙廢水、含油污水中均有廣泛應(yīng)用[3-5]。 對(duì)污水中的色度、濁度、SS、COD、磷、重金屬等均有良好的去除效果[6]。

但電絮凝技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在著以下問題：①處理污水時(shí)，若想達(dá)到較好的處理效果，則需停留較長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)致電耗較大；②處理高濃度有機(jī)污水時(shí)，不僅能耗高還易造成電極鈍化，需定期更換電極，造成運(yùn)行成本較高[7]；③對(duì)一些溶解性比較強(qiáng)的物質(zhì)，因去除率有限，污水處理后也不能達(dá)標(biāo)排放。故幾乎沒有一個(gè)電絮凝設(shè)備可獨(dú)立處理含有較復(fù)雜污染物的污水或獨(dú)立作為液體凈化設(shè)備大規(guī)模使用。

20 世紀(jì)90年代初，第一臺(tái)同軸電絮凝樣機(jī)在美國(guó)試驗(yàn)成功。該技術(shù)不僅改變了原有電絮凝形式，也大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，延緩了極板鈍化現(xiàn)象，同時(shí)節(jié)約了能耗，已被廣泛應(yīng)用于煤礦、油庫(kù)、食品加工、垃圾滲濾液等行業(yè)的污水處理上，均取得良好效果。2007年我國(guó)水處理技術(shù)行業(yè)開始引進(jìn)同軸電絮凝技術(shù)，現(xiàn)通過對(duì)“同軸電絮凝技術(shù)+氣浮”工藝組合在某庫(kù)區(qū)補(bǔ)水中的應(yīng)用研究，分析總結(jié)了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的處理效果及其優(yōu)勢(shì)，以期為今后高濃度污水處理技術(shù)提供技術(shù)支撐。

1 同軸電絮凝技術(shù)

同軸電絮凝技術(shù)是在傳統(tǒng)電絮凝設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的一種新形式。

1.1 同軸電絮凝設(shè)備

傳統(tǒng)的電絮凝設(shè)備分為柵型、棒型、球型及片型等形式，待處理水與電極板均需放入反應(yīng)池內(nèi)。而同軸電絮凝設(shè)備則利用鐵、鋁等材料（也可換成惰性材料或合成金屬）制作成管狀電極，電極板本身作為反應(yīng)器，兩電極中間中空可直接作為管道使用，使電極板和液體充分接觸縮短了停留時(shí)間，在高頻智能化自適電源的電場(chǎng)作用下可有效延緩極板鈍化，降低了能耗。同軸電絮凝設(shè)備的形狀見圖1。由圖1 可以看出，同軸電絮凝設(shè)備的形狀為直通管型和U 型2種，電絮凝管是整個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)主要的消耗性部件，其更換周期取決于廢水中污染物含量、 使用時(shí)長(zhǎng)及處理指標(biāo)要求。

圖1 同軸電絮凝設(shè)備的形狀

1.2 技術(shù)原理

同軸電絮凝技術(shù)與傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)的原理相同。均是在外加電場(chǎng)的作用下，陽(yáng)極（鋁或鐵）被溶蝕產(chǎn)生Al3+或Fe2+等，與水解產(chǎn)生的氫氧根（OH-）、羥基自由基(·OH)等生成單絡(luò)合物，再逐步聚合成多核網(wǎng)狀聚合物形成高分子絮凝劑。 高分子絮凝劑與水中自由電子、污染物顆粒等在范德華力作用下結(jié)合，通過壓縮雙層、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃等形式聚合成沉淀絮體最終被去除。 同時(shí)，在陰、陽(yáng)兩級(jí)上生成的微小O2及H2氣泡可吸附輕質(zhì)懸浮顆粒或憎水物質(zhì)，使之從水中分離出來(lái)[8-9]。電絮凝是集電催化、氧化還原、絮凝、氣浮于一體的復(fù)雜過程。2 種技術(shù)的區(qū)別：同軸電絮凝技術(shù)的待處理水是在一個(gè)完全封閉的反應(yīng)器中發(fā)生電催化、氧化還原、絮凝、氣浮等一系列的綜合反應(yīng)，最終達(dá)到使水體凈化的目的；而傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)一般是在圓柱型或方形的敞開式反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

通過研究“同軸電絮凝技術(shù)+氣浮”工藝組合在某庫(kù)區(qū)補(bǔ)水中的應(yīng)用，分析總結(jié)了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)：①節(jié)約能耗。整個(gè)反應(yīng)在封閉的空間內(nèi)進(jìn)行，水體與陰、陽(yáng)極表面充分接觸誘導(dǎo)催化氧化、還原、絡(luò)合、溶氣等反應(yīng)一次性秒級(jí)完成，停留時(shí)間為10～15 s，有效降低了能耗。 同時(shí)，為有效改善電極鈍化現(xiàn)象，采用具有換相功能的高精度高頻脈沖電源；②節(jié)約用地。 管式結(jié)構(gòu)可豎向排列，整套設(shè)備（處理量為3 600 m3/d）集成效果好，占地面積小（僅為30～40 m2），也可根據(jù)要求加工成一體化設(shè)備，無(wú)需土建且安裝拆除方便；③處理效果好。與特定電場(chǎng)合理組合產(chǎn)生大量的、氧化性極強(qiáng)的·OH 和新生態(tài)的混凝劑，使污染物發(fā)生催化氧化、分解、混凝、吸附等反應(yīng)；④操作簡(jiǎn)單。 全自動(dòng)化運(yùn)行，只需改變用電參數(shù)控制運(yùn)行條件；另無(wú)需培養(yǎng)生物菌，可以隨時(shí)啟停； ⑤組合靈活。 可根據(jù)不同水質(zhì)條件進(jìn)行組合處理，不僅可單級(jí)單機(jī)處理，也可串并聯(lián)多級(jí)復(fù)合處理；或與其他生化技術(shù)組合使用，提高后續(xù)生化系統(tǒng)的處理效率；也可做成移動(dòng)式處理系統(tǒng)，滿足臨時(shí)或應(yīng)急處理需要。

2 “同軸電絮凝技術(shù)+氣浮”工藝應(yīng)用案例

2.1 項(xiàng)目背景

某庫(kù)區(qū)是為配合奧運(yùn)水上項(xiàng)目營(yíng)造良好水環(huán)境而修成的一個(gè)封閉庫(kù)區(qū)，該庫(kù)區(qū)斷面需達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的考核要求。 整個(gè)庫(kù)區(qū)面積約60 萬(wàn)m2，總蓄水量為48 萬(wàn)m3，除降雨和地表徑流外無(wú)其它水源流入，庫(kù)區(qū)蒸發(fā)滲漏量較大水位下降較快，依靠降雨與地表徑流無(wú)法保持庫(kù)區(qū)水面水位穩(wěn)定，同時(shí)由于水體流動(dòng)性差，污染物易積累，易造成水質(zhì)惡化發(fā)生水華。

該庫(kù)區(qū)為保持水位正常、防止出現(xiàn)水華、水體發(fā)臭及水質(zhì)惡化現(xiàn)象，同時(shí)為營(yíng)造良好的景觀效果，采取控制內(nèi)源增加與減少外源輸入的技術(shù)路線。 控制內(nèi)源增加主要采用生物修復(fù)法、 水生植物凈化法及曝氣復(fù)氧相結(jié)合的方式； 減少外源輸入措施為及時(shí)向庫(kù)區(qū)內(nèi)補(bǔ)水，并通過相應(yīng)技術(shù)方法減少補(bǔ)水中污染物含量，提升補(bǔ)水水質(zhì)或優(yōu)于考核要求。

經(jīng)多方面考察論證，該庫(kù)區(qū)決定從附近河流調(diào)水作為補(bǔ)水水源。經(jīng)檢測(cè)分析，附近河流總體水質(zhì)為地表水標(biāo)準(zhǔn)IV～ 劣Ⅴ類，無(wú)法滿足該庫(kù)區(qū)斷面考核要求，需選擇合理有效的處理技術(shù)提升水質(zhì)，而把水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)從IV～ 劣Ⅴ類提升至地表Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)屬水深度處理技術(shù)，常用技術(shù)主要有膜技術(shù)、臭氧氧化技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)等[10-11]，其中膜技術(shù)易堵，反沖洗操作復(fù)雜；臭氧氧化技術(shù)需自制臭氧，前期工程投入大，操作過程中也存在臭氧泄露等安全隱患，加之現(xiàn)場(chǎng)面積有限。經(jīng)多方論證決定，利用現(xiàn)場(chǎng)閑置廠房建一座污水處理站，水處理技術(shù)選用“同軸電絮凝電化學(xué)技術(shù)+氣浮”工藝。

2.2 項(xiàng)目概況

該庫(kù)區(qū)處理站總體占地面積約150 m2，進(jìn)水水質(zhì)為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)IV 類～ 劣V 類。 配有3組同軸電絮凝設(shè)備，每組設(shè)備共計(jì)10 個(gè)反應(yīng)器，豎向排列，每列5 個(gè)。 每個(gè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)處理量均為5m3/h，額定電壓為0～36 V，電流設(shè)置為20～100 A；同時(shí)每個(gè)反應(yīng)器配備1 臺(tái)專用高精度高頻脈沖電源，因電源具有換相功能，故通過陰、陽(yáng)極的倒換起到減緩極板鈍化作用，既保證了反應(yīng)速率又降低了能耗；1臺(tái)加壓溶氣氣浮機(jī)處理量為150 m3/h；1 臺(tái)疊螺污泥脫水機(jī)處理量為10 kg/h（DS）。 處理站平均處理量為3 200 m3/d，最大處理量為3 600 m3/d。主反應(yīng)器均為模塊化設(shè)計(jì)，通過PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 主要設(shè)備及參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)備及參數(shù)

2.3 工藝流程

該庫(kù)區(qū)處理站先將河水引入調(diào)蓄池，后采用提升泵將待處理水提升至同軸電絮凝反應(yīng)器中，通過陰、 陽(yáng)極之間形成的電場(chǎng)對(duì)待處理水中污染物進(jìn)行一系列的物理化學(xué)作用，形成各種絡(luò)合物和膠體等，出水排入氣浮池，加入一定濃度的PAC 和PAM 進(jìn)行絮凝、氣浮、固液分離，泥渣排入污泥收集池，最終將達(dá)標(biāo)出水補(bǔ)進(jìn)該庫(kù)區(qū)，污泥經(jīng)收集池進(jìn)一步濃縮后經(jīng)疊螺污泥脫水機(jī)脫水運(yùn)送至污泥處理廠，清水回調(diào)蓄池。 處理工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程

2.4 處理效果

為隨時(shí)了解處理效果，在項(xiàng)目運(yùn)行過程中定期進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。 根據(jù)2020年6月至11月的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，河水經(jīng)“同軸電絮凝技術(shù)+氣浮” 工藝處理后，BOD5的去除率可達(dá)78.47%，CODCr去除率可達(dá)71.28%，氨氮去除率可達(dá)57.65%，TP 的去除效果最好，可達(dá)96.28%，具體數(shù)據(jù)見表2。

由表2 可以看出，7月～11月進(jìn)水水質(zhì)均為劣V 類，經(jīng)處理后出水達(dá)到Ⅱ類或Ⅲ類，說(shuō)明此組合工藝可將地表水V 類、劣V 類水質(zhì)提升至Ⅱ類或Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）。

表2 處理站進(jìn)、出水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果 mg·L-1

2.5 成本概算

該庫(kù)區(qū)處理站工程總投資為250 萬(wàn)元，運(yùn)行成本為2.89 元/m3（包括電費(fèi)、電絮凝管更換費(fèi)、藥劑費(fèi)、檢測(cè)費(fèi)、設(shè)備折舊、人工、污泥處理費(fèi)、設(shè)備維修及保養(yǎng)費(fèi)），其中電費(fèi)為0.65 元/m3（主要用電負(fù)荷為同軸電絮凝設(shè)備、加壓溶氣氣浮機(jī)、提升泵、疊螺污泥脫水機(jī)等，總裝機(jī)功率為144 kW，耗電量約1 743 kW·h/d，其中同軸電絮凝設(shè)備耗電量約660 kW·h/d），同軸電絮凝設(shè)備電費(fèi)為0.25 元/m3（電價(jià)按1.2元/（kW·h）計(jì)）。

3 結(jié)論

（1）“同軸電絮凝+氣浮”工藝對(duì)地表水有較好的處理效果，尤其對(duì)TP 的去除效果明顯，可將V 類至劣V 類地表水水質(zhì)提升至Ⅱ或Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）同軸電絮凝技術(shù)集成設(shè)備，安裝方便、操作靈活、即開即停，可適用于景觀湖的季節(jié)性補(bǔ)水。

4 展望

（1）為加強(qiáng)同軸電絮凝技術(shù)對(duì)地表水中氨氮的去除效果，建議進(jìn)一步研究該技術(shù)與其它工藝結(jié)合使用。比如在前期加上AO 工藝，或在后期增加加氯工藝等，從而加強(qiáng)氨氮降解效果，降低處理成本。

（2）盡管同軸電絮凝技術(shù)比傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于污染物含量高的污水單獨(dú)使用還有一定的局限性，建議作為高濃度污水的前期預(yù)處理技術(shù)或者后期提標(biāo)技術(shù)使用。

（3）由于同軸電絮凝技術(shù)除磷效果好，建議用于處理生活污水、磷肥(含一些復(fù)合肥)生產(chǎn)廢水、有機(jī)磷農(nóng)藥生產(chǎn)廢水等磷含量比較高的廢水。