电凝聚气浮技术在废水处理中的应用

摘要：电凝聚气浮是水与废水处理中近年发展起来的一种新工艺。本文介绍了其处理原理、技术特点以及目前的研究动态，并且提出高电耗是这一技术应用中的制约因素。

关键词：电凝聚气浮 水处理 钝化

中图分类号：TK223.5 文献标识码：A 文章编号：

电絮凝技术自20世纪初应用于废水处理中。过去10年，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。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。

处理原理

电凝聚气浮法是絮凝法污水处理中的一种。其原理是在电解质溶液中，电解质分子离解为正离子和负离子。在电解质溶液两端接通电源后，在电场的作用下，正离子向阴极迁移，负离子向阳极迁移。电解质溶液是依靠离子的迁移来导电的，而电极中则是电子来导电。当离子流动转为电子流动时，必然发生电子转移，即发生电化学氧化还原反应。废水一般含有多种成分的电解质溶液，具有一定的导电性。在外加电流情况下，废水的化学成分，不溶性杂质的性质和状态，将随着发生变化。

以M作阳极，电凝聚气浮法涉及的主要电极反应及溶液主体中的反应为:

阳极反应:M-neMn+2H2O-4eO2+4H+ 阴极反应: 2H++2eH2

溶液主体反应: Mn++nH2OM(OH)n + nH+

2电凝聚气浮技术的特点

电凝聚气浮可在一台设备中能完成电凝聚、电气浮、电解氧化和电解还原等过程，具有凝聚、吸附、浮上、氧化还原等作用。电凝聚法与化学强化一级处理法中的絮凝沉淀法比较，具有如下的优点:

（1）适用范围广。电凝聚气浮产生的氢氧化物具有的活性比化学絮凝产生的强，在较大的温度和PH值范围内，对水中的有机物、无机物具有强大的絮凝作用，可广泛地应用于废水处理、饮用水处理和工业用水预处理；

(2)电凝聚与化学凝聚相比，化学凝聚需要投加混凝剂，在使用中会使被处理的水中增加额外的阴离子(如S042-、Cl-等)也会将其中所挟带的重金属等杂质带入水中，造成二次污染。而电凝聚法不需投加化学药剂，可节约化学药剂与投药设备费用，不会产生二次污染；

(3)具有气浮作用。电凝聚反应中生成02、H2气泡，既可以起到搅拌作用，也可以作为气浮的微小气泡，吸附轻质悬浮颗粒或憎水物质，使之从水中分离出来。阴极析出的氢气具有较好的浮升基本条件，其浮载力要比加压气浮强大一倍，具有显著的去油作用和降低污水COD，SS作用；

(4)电凝聚过程中阳极上发生氧化作用，使有机物或氰化物分解为无害成分，使氯化物氧化成氯气或次氯酸盐，起到杀菌作用；在阴极上发生还原作用，使氧化性色素还原为无色，使金属元素在阴极上析出；

(5)电凝聚设备简单、操作方便。电化学方法处理设备只包括电源、反应槽体、极板。操作时只需要根据负荷的大小，调节电流密度即可。操作费用低，不需要化学试剂，低维护费用。

3.电凝聚气浮技术存在的阳极钝化问题

在金属阳极溶解过程中，开始当阳极极化不大时，金属的溶解速度随电极电位的变正而增加。当阳极极化继续增大，电极电位达某一数值时，随着电极电位继续变正，金属溶解速度不但不增大，反而突然下降，这就是阳极的钝化现象。研究表明，阳极发生钝化时金属基体的性质并没改变，只是金属表面在溶液中的稳定性发生了变化。在金属的阳极溶解过程中，阳极极化使金属电极电位正移，氧化反应速度增大，电极表面附近溶液中金属离子浓度升高。这些变化有助于溶液中某些组分与电极表面的金属离子或金属活性溶解产物(金属离子)反应生成金属的氧化物或盐类，形成紧密覆盖于金属表面的膜层]，这层钝化膜隔绝了基体与工作环境的接触， 阻止阳极继续溶解释放离子，，可严重降低水中电流强度和电场强度。

电凝聚气浮水处理过程中，在不降低处理效果的同时，对阳极做进一步的优化，减轻钝化，有助于降低电能消耗及材料消耗。目前主要的发展方向是采用新型电极材料和结构、磁场效应以及改进电源技术，因此需要进一步研究的问题有： (1)为了使得电凝聚的水处理成本和处理效果达到最优化，需要对电凝聚过程中各种物理、化学过程的机理进行更深入的研究，以便为工程应用提供依据； (2)电耗是制约电凝聚技术应用的—个主要制约因素，今后应该从电极材料、极化方式以及各种影响因素着手，寻找新的电极材料，深入研究其极化特征，并确定其最优化的特征值； (3)由于电凝聚技术本身包含有电化学机理、混凝过程以及气浮过程，应当系统地将这三者联系起来。研究三者之间的相互作用，特别是在考虑电凝聚装置的设计和确定运行参数时应当综合考虑这三种机理的影响，既要发挥电化学效应，又要考虑混凝剂的产生量以及产生气泡的尺寸分布以及产生速度，以便将这三种效应的潜能充分发挥出来；

4.电凝聚气浮技术研究动态

电凝聚技术以其处理效果显著、投资少、处理范围广、不需投加化学药品而被广泛地应用。在研究与应用的过程中，电凝聚技术也得到了不断的改进与完善，在此过程中，改进电源技术，研究新型电极材料及结构是当前发展的方向。

(1)电源技术的改进。电源技术的改进之一是采用脉冲电源。由于施加脉冲信号，电极上的反应时断时续，有利于扩散，降低浓差极化，从而降低能耗。而当电解槽施加交流电信号时，由于两极均可溶，可从两极产生阳离子，更有利于金属离子与胶体间的作用。同时由于两极极性经常变化，对防止电极钝化起到了积极的作用。有学者介绍了高压脉冲在污水处理中的应用，并指出可在高达300V电压下运行。因此，在相同脉冲功率下，选用较小的脉冲电流值，便可达到相同的去污效果。采用这种高电压，电凝聚效果会更好；同时，电流较低，变压器加工也更容易，而且整个平均电耗降低，变压器不易发热，设备运行安全可靠。这些都是高压脉冲的优势所在。尚国平等人利用高压脉冲电源处理印染废水，色度去除率达到94%，COD去除率达81%。

(2)新型电极的应用。电凝聚技术的另一个发展方向是采用新型电极，包括采用更广泛的电极材料，和更加多种多样的极板几何形状。电极由铁、铝、不锈钢等向更多种的材料发展。据报道，活性炭纤维-铁复合电极用于处理上海某厂扎染残液水样，在电压15V，pH6.0、电解60min条件下，COD去除率在40%-80%。同时极板的形状也由平板向球形、流化床球体、网状、杆状和管状发展。

(3)反应槽的改进设计。反应槽的设计也由传统的间歇处理单元向各式的连续处理单元发展和改进。其中的一个改进是将流体的传质与电凝聚过程结合起来构成导流电凝聚。反应槽的阴、阳极既起电极的作用，又起导流桶的作用，在较低搅拌速度下可使槽内液体充分湍动。该法缩短电解时间，减少极化作用，从而降低电耗。用导流电凝聚技术处理印染废水，脱色率达97%时，电耗为0.425kw·h/m3，其费用远低于普通投药混凝法和普通电解法。极板的形状及排列方式对反应槽的设计也有影响。据报道[36]，铁阳极管式电凝聚的阴极和阳极分别由内径为36mm的钢管和16mm的黑铁管组成，管壁厚均为3mm，阳极管置于阴极管之内。其电极间距小(约7mm)，槽电压低、电耗少、效率高。在电流密度为20.6A/m2时，电解8分钟，CODcr含量500mg/1的聚乙烯醇(PVA)废水可被处理达排放标准。在电流密度为56.1A/m2时，电解35分钟，可使COD去除率达94%。

(4)电凝聚与其他工艺组合。当单纯采用电凝聚技术或其他工艺不能达到处理要求时，可将电凝聚技术和其他工艺进行组合。这种组合种类较多，如某厂采用絮凝-砂滤法处理制革染色废水，可使COD从344-806mg/1降至44-135mg/1，色度从20-100倍降至2-25倍。该厂还采用交替改变电极极性和经常去除极板表面上的沉积物等措施减缓电极极化。还有人采用生物接触氧化-电凝聚工艺处理垃圾渗滤液。试验结果表明， 生物接触氧化—电凝聚工艺适于处理COD

5.小结

高电耗是制约电凝聚技术应用的—个主要制约因素。今后应该从电极极化方式、电源技术、电解槽结构以及各种影响因素着手，深入研究其极化特征，确定其最优化的特征值，以进一步提高电凝聚气浮技术的处理效率。