ECT技术之电絮凝

ECT技术之电絮凝

1 名词解释

       ECTElectricity Chemistry Technology,中文名称电化学技术)是指在特定的电化学反应器内,通过设计的电极反应以及由此而引起的一系列的化学反应、电化学过程或物理过程,达到污染物降解转化的目的。

2 技术原理

       ECT的基本技术原理是:使污染物在电极上发生直接电化学反应或间接电化学转化而从废水中减少或去除。它可分为直接电解和间接电解。

一、直接电解

       直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从废水中去除。直接电解可分为阳极过程和阴极过程。阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小的物质或易生物降解的物质,甚至发生有机物无机化,从而达到削减、去除污染物的目的。阴极过程就是污染物在阴极表面还原而得以去除,主要用于卤代烃的还原脱卤和重金属的回收。

二、间接电解

       间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂,使污染物转化成毒性更小的物质。间接电解分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程是指氧化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。不可逆过程是指利用不可逆电化学反应产生的物质,如具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐、H2O2O3等氧化有机物的过程,还可以利用电化学反应产生强氧化性的中间体,包括溶剂化电子、•HO•HO2等自由基。

3 技术分类

序号

技术名称

技术简介

1          

电絮凝法

在外电压作用下,可溶性阳极(铁或铝)被氧化产生大量阳离子继而形成胶体使废水中的污物凝聚,同时在阴极上产生的大量氢气形成微气泡与絮粒粘附在一起上浮,这种方法称为电凝聚电气浮。在电凝聚中,常常用铁铝做阳极材料。

2          

内电解法

也叫微电解法,使用的装置叫铁碳反应器,其原理是:利用铁碳填料中的铁和碳构成原电池,产生微电流,铁生成Fe2+,具有较强的还原性,产生的Fe(OH)2是原生态的絮凝剂,产生的微电流对改变污水的可生化性有一定帮助。

3          

电化学氧化法

电化学氧化分为直接氧化和间接氧化两种,属于阳极过程。直接氧化是通过阳极氧化使污染物直接转化为无害物质;间接氧化则是通过阳极反应产生具有强氧化作用的中间物质或发生阳极反应之外的中间反应,使被处理污染物氧化,最终转化为无害物质。对于阳极直接氧化而言,如反应物浓度过低会导致电化学表面反应受传质步骤限制;对于间接氧化,则不存在这种限制。在直接或间接氧化过程中,一般都伴有析出H2 O2 的副反应,但通过电极材料的选择和电势控制可使副反应得到抑制。

4          

电沉积法

利用电解液中不同金属组分的电势差,使自由态或结合态的溶解性金属在阴极析出。适宜的电势是电沉积发生的关键。无论金属处于何种状态,均可根据溶液中离子活度的大小,由能斯特方程确定电势的高低,同时溶液组成、温度、超电势和电极材料等也会影响电沉积过程。

5          

电渗析法

依靠在电场作用下选择性透过膜的独特功能,使离子从一种溶液进入另一种溶液中,达到对离子化污染物的分离和浓缩。利用电渗析处理金属离子时并不能直接回收到固体金属,但能得到浓缩的盐溶液,并使出水水质得到明显改善。目前研究最多的是单阳膜电渗析法。

6          

电化学膜分离法

利用膜两侧的电势差进行的分离过程。常用于气态污染物的分离。

7          

光电化学氧化法

通过半导体材料吸收可见光和紫外光的能量,产生电子-空穴,并储存多余的能量,使得半导体粒子能够克服热动力学反应的屏障,作为催化剂使用,进行一些催化反应。

8          

电吸附法

利用电场对带电物质进行选择性吸附。

4 电絮凝法

4.1 工作原理

       给多组并联的极板接通直流电,在极板之间产生电场,使待处理的水流入极板的空隙。此时通电的极板会发生电化学反应,溶出Al3+Fe2+等离子并在水中水解而发生絮凝反应,在此过程中,同时发生电气浮、氧化还原等其他作用,这些作用的结果,使水中溶解性、胶体和悬浮态污染物得到有效转化和去除。包括以下几方面的作用:

      1、絮凝作用:可溶性阳极例如铁、铝等阳极,通以直流电后,阳极失去电子后,形成金属阳离子Fe2Al3,与溶液中的OH-生成金属氢氧化物胶体絮凝剂,这类新生态氢氧化物活性高、吸附能力强,与原水中的胶体、悬浮物、可溶性污染物、细菌、病毒等结合生成较大絮状体,经沉淀、气浮被去除。这一过程与化学絮凝的机理相似,包括电荷中和、吸附架桥、压缩双电层等过程。

       2气浮作用:电解过程中当电压达到水的分解电压时,在阴极和阳极上分别析出氢气和氧气,生成的气体以分散度极高的微小气泡的形式出现,与原水中的胶体、乳状油等污染物粘附在一起浮升至水面而被去除。电絮凝产生的气泡远小于加压气浮产生的气泡,因而其气浮能力更强,对污染物的去除效果也更好。

     3、氧化作用:电解过程中的氧化作用分直接氧化和间接氧化。直接氧化,即污染物直接在阳极失去电子而发生氧化。间接氧化,利用溶液中的电极电势较低的阴离子,例如OH-Cl-在阳极失去电子生成新的较强的氧化剂的活性物质[O]、Cl2等,利用这些活性物质使污染物失去电子,起氧化分解作用,以降低原液中的BOD5CODcr、氨氮等。

       4还原作用:电解过程中的还原作用分直接还原和间接还原。直接还原,即污染物直接在阴极上得到电子而发生还原作用。间接还原,即污染物中的阳离于首先在阴极得到电子,使得电解质中高价或低价金属阳离于在阴极上得到电子直接被还原为低价阳离子或金属沉淀。

4.2 发展历史

1.       1906年,Dietrich取得一个电絮凝技术的专利,专门有人和公司对电絮凝过程进行改进和修正。

2.       1909年,Harries(美国)取得电解法处理废水的专利,它是利用自由离子的作用和铝作为阳极。

3.       1956年,Holden(英国)利用铁作为电极来处理河水。

4.       1976年,Asovov等人(苏联)利用电絮凝法处理石化废水。

5.       1977年,Osipenko等人(苏联)利用电絮凝法处理含铬废水。

6.       1983Weintraub等人(美国)利用电絮凝法处理含油废水。

7.       2002Cardia(澳大利亚)取得去除放射性核素和氰化物的专利。电絮凝技术的发展已进入一个强产业化的过程,包括解决电化学反应槽的设计、电极除污、能给、操作条件、提供最佳配套设施等关键问题。

4.3 技术特点

l  电絮凝工艺在降COD、提高难降解有机废水的可生化性、细小悬浮颗粒的脱稳沉降等方面,具有其他水处理工艺不可替代的优势;

l  由于不用加药,电絮凝工艺产生的污泥量通常比其它处理工艺少40%,污泥密实度高,从而大大降低了污泥的处置费,同时也实现了污水处理工艺的清洁生产;

l  设备自动化程度高,操作简单,对操作人员的要求很低,运行平稳,出水水质稳定,设备处理时间短、处理效率高;

l  电絮凝处理工艺在项目投资方面与其它处理工艺的项目投资基本相当,但通常电絮凝处理工艺运行成本仅为其它处理工艺运行成本的1/31/2之间;

l  电絮凝法产生的氢氧化物比化学法絮凝剂的活性高,凝聚吸附能力强, 处理效果好,所需金属离子的量只有化学混凝法的1/3左右,并且不会因向水中投加药剂而使水中阴离子含量增加;

l  电絮凝处理设备设计紧凑,占地面积小,仅为化学法处理设施占地面积的1/5

4.4 典型流程


(一)、电絮凝常规工艺流程

       调节原水的pH到电絮凝工艺的最佳pH,出水经调节pH并加药絮凝沉淀后,流出系统。

(二)、电絮凝与膜工艺结合应用于中水回用

       电絮凝作为膜系统的预处理工艺,通过氧化、凝聚、气浮作用对原水进行破络、破乳、降解COD等,提高原水可生化性,改善原水的水质,使原水达到进入超滤、MBR、反渗透等膜系统所要求的水质,使最终出水达到回用要求。

 (三)、电絮凝处理难降解有机废水作为生化工艺预处理

       对高浓度或含有生物毒性物质的有机废水,需要采用适当预处理措施来分解或去除废水中对生物有抑制作用或难生物降解的污染物。电絮凝工艺可破坏分子的稳定性,使环状分子开环、大分子断链,从而大幅度改善废水的可生化性。应用对象包括:染料废水、印染废水、垃圾渗滤液、制药废水、造纸废水、电镀废水、制革废水等。

4.5 工业应用

       电絮凝可以广泛地应用在废水处理的多种行业。例如电镀废水,洗车废水,漂染和纺织废水,造纸厂废水,屠宰场废水,食品和饮料厂废水,石油化工厂废水,油田废水,制药厂废水,矿业废水,垃圾渗滤液废水理,农业废水,石油化工、油漆染料、色素等废水,冷却水塔废水,轮船舱底污水净化,港口集水区净化,木材处理废水,旅游风景区生活污水处理等。

       电絮凝在电镀废水处理及回用中,可以克服化学法处理难以解决的问题,不仅能有效去除电镀废水中重金属离子,而且可以降低水中含盐量,使处理后的水能重复循环使用于原工序。经电絮凝法处理后的电镀废水可以达到以下的处理效果:Cr<0.001,去除率最大可达100%Ni<0.005去除率最大,可达100%Zn<0.062去除率可达57%

       染料废水具有高COD、高色度、高含盐量,有机物难生化降解等特点。国内外以往一般采用物化法和生物法的组合方式对其进行处理。但由于排水成分复杂,处理难度依然较大。随着电化学技术的发展,采用电凝法处理染料废水,具有设备小、占地少、运行管理简单、COD去除率高和脱色效果好等优点。

       电絮凝在处理油乳胶、SS、有机物方面有独特的效果。可以广泛应用在石油化工、油漆染料、色素等废水、洗车废水、油田废水等领域。

4.6 应用领域

       我个人认为,ECT的研究方向应该着眼于“保障达标、水质提标、中水回用和节能减排”四个方向。

       具体一点应该这样理解:

1、   保障达标。选取达标困难的行业,将其一级排放标准作为我们研究的方向。由于电絮凝设备较小、占地面积小、操作方便灵活,无论对于新建或改建的污水工程,外挂一套ECT系统,并不是件困难的事情。

2、   水质提标。近些年来,由于环保排放标准的提高,很多已建的污水处理设施完全不能满足新的排放标准,而现有的水处理技术对于提标项目来说,几乎没有一种技术是完全达到提标要求的,这就给ECT的应用提供了很广阔的空间。

3、   中水回用。目前,中水回用的利用率比较低,最重要的原因应该是:中水回用投资费用高,中水处理费用高,中水水质不理想。如果ECT能够将这三大因素一一克服,那么ECT将会在中水回用领域大放异彩。

4、   节能减排。节能减排,已经成为政府考量新建和已建项目合理性的一个重要指标,甚至会起到一票否决的作用。ECT在研发过程中,紧紧围绕着节能减排的主题,应该很容易获得企业和政府的支持。

4.7 研究方向

       制约电絮凝广泛应用的主要原因是能耗较高,电极消耗快,导致运行成本较高,可从以下方面对此的问题进行研究。

一、改进电源技术

     直流电絮凝电极在长时间工作后容易钝化从而导致能耗高。脉冲电通过重复进行供电与断电,电解效率得到大幅提高,能耗大大降低。利用脉冲电絮凝法处理餐饮废水,发现脉冲电解可以有效消除铝电极钝化现象,达到相同去除率时,脉冲电絮凝比直流电絮凝节能30%。以铝作阳极采用脉冲电絮凝技术对难降解染料废水进行处理,脉冲电絮凝技术相比于直流电絮凝,在处理难降解染料废水中有着明显的节能优势,单脉冲和双脉冲电絮凝的能耗分别降低84%87%

二、利用新型电极

       相比传统的二维电极,三维电极增加了电解槽的面体比,增大物质传质速度,提高电流效率和处理效果。利用三维电极电解法处理偶氮染料废水,填料为全炭,电压为30V,电解质(Na2SO4)浓度为0.01mol/LpH值为8,反应60min后,甲基橙的脱色率可达93%。利用复极性三维电极去除表面活性剂废水,混合填料是活性炭和玻璃珠,两者体积比为2:1LAS初始浓度为250mg/LpH2,电压为30V,反应时间60minLAS去除率可达90.6%

三、与其他技术的联用

       电絮凝和TiO2催化处理化妆品与药品公司出水,电絮凝能去除大部分溶解性有机物和悬浮物,原水COD1753mg/L,电絮凝处理后出水COD160mg/L,再经TiO2催化氧化后出水COD50mg/L

       利用臭氧化和电絮凝联合处理偶氮废水,染料初始浓度为100mg/L,初始pH值为55,电流密度为10mA/cm2,盐浓度为5000mg/L,温度20,臭氧流量20mL/min,电极间距为1cm情况下,色度和COD去除率分别达到94%60%,去除每千克COD耗能33kWh      联用电絮凝和电气浮能有效去除饮用水中的氟,水力停留时间仅为30min,当初始pH6.07.0时不需改变pH值,当初始氟浓度为4.0mg/L时,出水氟浓度为0.87mg/L