難降解有機廢水電化學氧化技術電源選型研究

周益輝，張麗，劉勝強，張哲，曾毅夫，何淼，江海

（1.航天凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100；2.長沙經濟技術開發區水質凈化工程有限公司，長沙 410100；3.宇星科技發展（深圳）有限公司，廣東 深圳 518116；4.長沙環保（服務）工業技術研究院，長沙 410100）

1 前言

隨著石油化工、焦化、塑料、制藥、印染、食品等行業的快速發展，各種難降解有機廢水排放相應增多，這類廢水有機物濃度高，通常COD超過2000mg/L，甚至能夠超過10萬mg/L；BOD5/COD比值通常小于0.3乃至更低，廢水可生化性較低，難以降解；廢水中含有重金屬、氮化物、硫化物、有毒有機物等多種污染物，成分十分復雜；甚至具有毒性和“三致”危害，對環境危害極大。該類廢水排入水體中，由于其高濃度的COD，在微生物的降解作用下，將消耗水中大量的氧，導致水體缺氧甚至厭氧，從而致使水生生物死亡，水質惡化。同時，廢水中還含有大量難降解的有機物及重金屬、硫化物等有毒有害物質，毒性強且能夠在水體和土壤環境中累積，最終通過食物鏈進入人體，危害人體健康[1]。

電化學氧化處理難降解廢水是通過陽極氧化使有機污染物和部分無機污染物轉化成無害物質，其主要原理是污染物在電極上發生直接電化學反應或利用電極表面產生的強氧化性活性物質使污染物發生氧化還原轉化[2]。該技術具有無需要添加藥劑、操作簡單方便、無二次污染、設備小、占地面積少等優點，是非常有發展潛力的綠色工藝。但目前電化學氧化技術常采用直流電源電解，存在陽極鈍化及陽極溶解抑制等不足，延緩電解進程，降低電解效率，導致電耗、鐵耗增大，成本提高，極大限制了電化學氧化技術在廢水處理尤其是難降解有機廢水處理領域的應用。

2 電源選型

在電化學氧化技術處理廢水過程中，電解反應直接影響電流效率，而電解產物的產量及與污染物的混合程度會直接影響其對污染物的絮凝作用。

直流電解處理廢水過程中，電解一段時間后，陽極溶解受到抑制，導致電解產生的Fe2+不能快速有效擴散，其濃度均勻性無法保持，導致不能有效地與污染物混合，降低了絮凝效果。甚至，陽極極板會發生鈍化現象，電極表面形成一層氧化鈍化膜，陽極溶出停止，電解槽只有氧化、還原和上浮作用，電凝聚作用消失，液面浮著大量泡沫，電流效率降低，從而極大延緩電解進程[3]。

而高頻脈沖電解在處理廢水過程中，電解不斷地重復“供電-斷電-供電”的工作模式，供電時，電極迅速電解，Fe2+濃度迅速增大，而斷電時，電極表面的Fe2+濃度迅速有效地擴散到溶液中，Fe2+離子濃度均勻，有效地與污染物混合，提高絮凝效果，電解效率得到大幅度提高。并且脈沖電流能有效減緩或避免陽極板鈍化，陽極溶解出Fe2+更加均勻，電流效率較高。因此與直流電解相比，高頻脈沖電解的電流效率和電解效率更高，鐵的溶解和消耗率更低，電耗也更低，具有明顯的節能降耗的優勢。

陳彬等[4]對廢水脈沖電解處理能夠節能高效的原因進行了分析，結果顯示采用頻率l000Hz、占空比60%的脈沖電解處理COD濃度為450～500mg/L的有機廢水，在電流密度為14～16A/m2條件下，電解36min后，COD的去除率均＞80%，而電能消耗僅為1.05～1.5kW·h/m3。COD去除率相近時，其電耗比直流電解節省15%～35%；電耗相近時，其COD去除率比直流電解提高5%～7%，脈沖電解法具有明顯的節能高效優勢。并且脈沖電流能有效減輕電極的極化，避免陽極板鈍化，從而降低槽電壓、降低電耗；脈沖電解處理廢水中電流效益更為穩定，Fe2+能迅速有效擴散均勻，有效地與污染物混合，提高絮凝效果，從而相比直流電解，去污效果更好。

詹伯君[5]通過將脈沖電解應用于植絨印花廢水進行研究，結果顯示在脈沖電壓下，激發出的Fe2+凝聚活性極強，對染料脫色效果十分明顯，指出方波波形的脈沖電解電源處理難降解有機廢水，具有顯著的節能效果，應用前景廣闊。

黃清文[6]研究發現：當占空比r=1/2時，脈沖供電的平均電壓和電流均為直流供電的1/2，電能消耗為直流供電的1/4；當r=3/4時，脈沖供電的電能消耗為直流供電的9/16?？芍?，脈沖供電可有效降低電耗。同時，脈沖電解是間斷供電，斷電期間，鐵板停止消耗，從而有效降低平均鐵耗。

熊方文等[7]通過對毛紡印染廢水進行電解性能研究發現，脈沖電解平均電耗＜0.4kW·h/m3，相比直流電解，鐵耗降低60%、電耗降低50%。

高良進等[8]通過對絲綢印染廢水進行電解性能研究，采用脈沖電解時，效果良好，當電壓為300～400V，色度去除率高達90%～95%。相比直流電解，脈沖電解處理1m3印染廢水約耗電0.6～0.8kW·h，耗鐵20～25g，運行費用大大降低。

李冬黎[9]系統的研究了脈沖電源技術及其在廢水處理中的應用，表1為其對不同電壓波形下廢水處理研究結果。由表1可知，直流電解處理，COD和色度去除率最高，但電耗也最高，單位電耗的COD和色度去除率最低。而脈沖電壓電解處理，COD和色度滿足處理要求，同時電耗降低，單位電耗COD和色度去除率提高。

表1 不同電壓波形下的廢水處理效果

國外對難降解有機廢水電化學氧化技術研究較早，主要集中在美國和俄羅斯，各相關研究與國內同類研究結果基本一致。

3 選型參數

3.1 電流密度

工程中實用的電流密度一般在15～90A/m2，取最大電流密度100A/m2，確定該實驗裝置的最大電流為：0.2×0.2×100 = 4A。

陳意民等[10]對不同電流密度條件下的脈沖電解處理印染廢水的結果（見圖1）表明，COD去除率隨電流密度增加而提高，電流密度增加到一定程度時，COD去除率趨于穩定。

3.2 電壓范圍

研究顯示，脈沖電壓要高于直流電解電壓。事實上，采用電解氧化技術處理廢水時，較高的電壓，可顯著降低總電流強度和減少電解時間，從而提高電流效率和電解效果，降低鐵耗和電耗。因此脈沖電解相比直流電解，電耗降低、電流更小、變壓器不易發熱，設備運行更加安全可靠，更容易工業化應用。此外，脈沖電解采用間斷供電，可有效避免陽極板鈍化，若陽極板鈍化，脈沖電解高的電壓，也更容易將鈍化膜擊穿，從而電解效率更高，節能效果更好。

圖1 不同電流密度下的廢水處理效果

目前，電解槽常見的連接方式主要有三種，分別為單極式連接、雙極式連接和組合式連接，其中雙極式電極電解槽的特點是中間電極靠靜電感應產生雙極性，相比單極式電極電解槽具有電極連接簡單、運行安全、耗電量更少等優點。因此，工程中常采用雙極式連接，極板間電壓通常為5～36V。該項目采用的小試裝置有4～6塊極板，最高需要電壓5×36V=180V，取200V。

3.3 脈沖頻率

李冬黎[9]對脈沖電源電解有機廢水不同脈沖頻率下的處理效果進行了研究，其結果如表2所示。由表2可知，脈沖頻率處于100～500Hz時，COD去除率較高，均達到85%以上。

表2 不同脈沖頻率下的廢水處理效果

陳意民等[10]對不同脈沖頻率條件下的脈沖電解處理印染廢水的結果表明（見圖2），隨著脈沖頻率的增加，COD去除率先減后增，在200Hz時最高，并在高頻時，隨著脈沖頻率增加，略微上升。

圖2 不同脈沖頻率下的廢水處理效果

綜上，該實驗裝置電源選取調節范圍為0～3000Hz。

3.4 占空比

李冬黎[9]對不同占空比條件下的脈沖電解處理廢水的處理效果進行了研究，其結果如表3所示。相同脈沖頻率下，COD的去除率整體隨占空比的增加而增加，當占空比較小時，COD的去除率隨占空比的增加而顯著增加，但當占空比增加到一定程度時（如占空比r=0.3），由于該情況下，濃差極化加大，電流效率下降，因此COD去除率增加趨于緩慢。

表3 不同占空比下的廢水處理效果

陳意民等[10]對不同占空比條件下的脈沖電解處理印染廢水的處理效果進行了研究，結果如圖3所示，占空比對COD去除率的影響顯著，整體COD去除率隨占空比的增加而增加，但當占空比r＞0.4后，COD去除率沒明顯變化，均達到85%以上。

圖3 不同占空比下的廢水處理效果

綜上，該項目實驗裝置選定占空比調節范圍為0.2～0.8。

3.5 最終參數

該項目在脈沖電源選型時需明確的主要指標見表4。

表4 難降解廢水處理實驗裝置電解電源的主要選型參數

4 結論

電化學氧化技術是一種高級氧化技術，能顯著降解生物難降解的有機物，且具有不需添加藥劑、占地面積小、無二次污染等優勢，非常適用于高濃度有機廢水處理，具有廣闊的應用前景。

針對常規難降解廢水電化學氧化技術中電源存在的問題，開發一套難降解廢水處理電化學氧化電解的實驗裝置，并對電流密度、電壓范圍、脈沖頻率、占空比等參數進行實驗驗證，將有利于電化學氧化技術的改進和優化，也將促進電化學氧化技術在難降解有機廢水處理領域的應用。

參考文獻：

[1] 趙月龍，祈佩時，楊云龍.高濃度難降解有機廢水處理技術綜述[J].四川環境，2006，25（4）：98-103.

[2] 程迪，趙馨，邱峰等.電化學氧化處理難降解廢水的研究進展[J].化學與生物工程，2011， 28（4）：1-5.

[3] 黃麗華，張為民，趙素芬.電凝聚法處理地下微污染水中總磷的技術研究[J].環境科學與管理，2007（6）：90-93+98.

[4] 陳彬，朱又春，李彥旭，等.廢水脈沖電解處理節能高效的原因分析[J].環境工程學報，2008，2（1）：23-26.

[5] 詹伯君.脈沖電解電參數分析和電源試驗設計[J].機電工程，1997（4）：38-39.

[6] 黃清文.高壓脈沖在污水處理中的應用[J].電子世界，1994（1）：10-11.

[7] 熊方文，余蜀靈.脈沖電解工業污水技術[J].工業水處理，1990，10（2）： 10-12.

[8] 高良進，程巖法.高壓脈沖電凝聚浮上法處理印染廢水[J].環境污染與防治，1992，14 （5）：10 - 13.

[9] 李冬黎.特種電源技術及其在污水處理中的應用[D].浙江大學，2003.

[10] 陳意民，李金花，李龍海，等.脈沖電絮凝處理難降解印染廢水的研究[J].環境科學與技術，2009，32（9）：144-147.4. Changsha Industrial Technology Research Institute of Environmental Protection(service), Changsha 411100, China)