流量對電絮凝連續處理微污染水的影響

焦躍騰，顧正華，辜樵亞，盛嬌櫻，高 柱

(1.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058;2.南通大學交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019)

自從E.Hermite1887年首次提出使用電極處理廢水的理論以來，該方法雖然具有設備簡單、操作方便、與其他相關工藝配合度高、環保無污染和技術適用范圍廣等優點，但是電極易鈍化和高能耗限制了電絮凝技術的進一步發展[1]。近年來隨著電力工業的發展和電化學研究的不斷深入，電絮凝技術在水處理應用中的重要作用得到了世界各國的廣泛重視。電絮凝法又稱作電化學絮凝法[2]，即利用可溶性電極(一般為鐵電極或者鋁電極)作為陽極，在電流的作用下溶解于污水中，產生金屬離子的氫氧化物沉淀，用其凝聚性聚集水中的膠體物質與污染物，從而達到凈化水質的目的[3]。目前電絮凝廢水處理已經廣泛應用在工業廢水、重金屬廢水和生活污水的處理中。代冬梅、詹軍翔、Bilinska 和Aygun等[4-7]均采用不同的電極材料與反應條件處理紡織廢水，取得了較好的結果；周好磊等[8]用低電流電絮凝法去除廢水中重金屬離子，當電流密度為0.42 A/dm2，電解時間為10 min，極板間距為14 mm，廢水導電率為1.0 mS/cm，pH=8.5時，Cu2+、Zn2+和Pb2+的去除率分別高達99.8%、98.6%和 99.7%；Moayedi等[9]研究了不同化學添加劑對電絮凝的影響，中性水環境和添加Al2(SO4)3、Al(OH)3、CaCl2、CaO、Na2SiO3時，腐殖質的去除率分別為91.8%、98.0%、93.5%、85.3%、95.4%和94.0%；張建新、Bazrafshan、Krystynik等[10-12]研究了電絮凝在處理工業廢水中六價鉻的應用，其中Krystynik等[12]的研究結果表明六價鉻總去除率大于95%，其他金屬的含量也顯著降低，整個過程的能耗為0.24 kW·h/m3。Rodrigo、龍奎、馬馬度等[13-15]利用電絮凝法去除生活污水中的磷、氮等物質，表明電絮凝能得到較高的化學需氧量去除率。由此可見，電絮凝技術具有高效、低成本和節能等優點，但是現今將電絮凝應用于微污染水處理的研究較少，未能形成技術示范和統一的標準。

電絮凝處理技術主要有分批處理和連續處理2個技術手段。較之分批處理，連續處理的效率更高、無需人為值守并且處理成本相對較低，但處理效果稍差。因此針對污染不太嚴重的水體，連續處理可以更好地提高效率、節約成本。電絮凝作為一種電化學方法，處理效果受電流密度、電極材料與形狀、極板間距、電極布置形式、流量、電導率、pH和溫度等條件的影響，過去已經對極板間距影響污染物去除效果進行了研究[16]，本文通過多組次電絮凝連續處理微污染水的試驗，分析流量對于電絮凝連續處理的影響，選取色度、濁度、懸浮固體、pH、電導率、總磷、化學需氧量和鋁作為水質指標，確定電絮凝連續處理微污染水的合適流量條件，討論電絮凝技術連續處理微污染水的可行性。

1 材料與方法

1.1 電絮凝反應設備

電絮凝連續試驗裝置見圖1，連續試驗較之分批試驗，其主要區別在于是否持續有穩定的流量進出反應箱。除反應箱、鋁材料電極板、磁力攪拌器和直流電源外，連續試驗裝置主要增加供水箱和潛水泵2個裝置。潛水泵主要作用是將水樣抽取到供水箱中。供水箱設有較高的溢流口和較低的出水口，在使用時將潛水泵流量開到最大，保證出水口出水時，供水箱內的液面處于溢流口的位置，從而實現穩定裝置內水壓、提供恒定流量的功能。供水箱箱內部長寬高尺寸與反應箱一致，分別為15、15、20 cm。與供水箱相比，反應箱的進水口和出水口高度一致。此外，在供水箱出水口，反應箱的入水口和出水口位置均有可調節流量的閥門，便于實現反應箱的流量控制。

在實際試驗時，首先關閉供水箱出水口的閥門，將潛水泵沉入集水箱并接通電源，升高供水箱的水位到溢流口；待溢流口有水流回流到集水箱后，緩慢打開供水箱出水閥門和反應箱進水閥門，此時反應箱的出水閥門應關閉，使反應箱內水位上升到指定位置；打開磁力攪拌器開關，調整磁力攪拌器的攪拌強度；將電極板用去離子水清洗干凈，用濾紙擦拭以清除電極板表面的氧化膜，用支架將電極板固定，并將固定電極板的支架放在反應箱正中；同時調節反應箱的進水口和出水口2個閥門，控制反應箱內的液面在規定位置的同時使出水口的流量達到指定要求；連接導線，接通電源，按試驗方案調節直流穩壓電源的輸出電流，電流調整到所需值后連接到電極板上；最后，記下裝置運行初始時刻，按照試驗所需反應時間運行裝置，達到反應時間后，打開反應槽側面的出水口用收集瓶收集反應后的出水。

1.2 試驗組次與水樣分析

本研究中流量選擇1.5、2.0、2.5、3.0 mL/s 4個值，極板間距為1.5 cm，電流選擇0.5 A，極板浸入水中的面積為13 cm×13 cm=169 cm2，相應的電流密度為14.7 A/m2。為了研究流量對各種污染物去除效果的影響規律，設計具體試驗組次見表1。

表1 試驗組次設計

參考電絮凝分批處理試驗成果[16]，本次試驗選擇pH、電導率EC(Electric Conductivity)、懸浮物SS(Suspended Solids)、色度、濁度、化學需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)、總磷TP(Total Phosphorus)和鋁(Al)這8項具有代表性的指標進行水樣分析研究。

1.3 原水采樣

原水采樣點為浙江省杭州市浙江大學紫金港校區啟真湖內[16]，采樣時間為2016年11月30日到12月9日，每日上午九時左右，取湖面部分的水樣，貯存于30 L的聚乙烯水桶中，并確保在取樣當日使用，具體見表2。

表2 水樣原始水質檢測情況

2 結果

2.1 試驗現象

圖2a為連續試驗開始前原始水樣的表觀情況，可見原水較為清澈透明，但整體呈現淡黃色，這是由于水中含有細微泥土顆粒和塵埃造成的。電絮凝連續試驗開始后，與分批試驗類似，剛開始反應溫和，僅能見到陰極板產生微小的氣泡，這些氣泡慢慢聚集并脫離極板浮至水面，同時由陽極產生的絮狀物逐漸增加，這些絮狀物與溶液中的灰塵、泥土顆粒和小氣泡結合，逐漸形成氣浮物，開始在水面堆積。在反應20～100 min時段里(圖2b—2f)，由于連續試驗持續不斷地有處理后溶液的流出和原始水樣的流入，因此在水樣整體的表觀上差異較小，未見明顯的區別。

連續反應進行到100 min后(圖2g—2j)，電絮凝現象較為激烈，液面上有大量的氣浮物堆積，同時溶液中可見陽極板絮狀物的生成與其在水樣中的流動，在磁力攪拌器的作用下，絮凝物與沉淀隨水體的流動而運移，使水樣整體的濁度有所增加。在這一反應時間內，前期反應效率較低的試驗組此時能逐漸觀察到水體表觀色度的降低和濁度的減小，對于反應開始后100 min內處理效率高的試驗組，反應100 min后水樣濁度反而可能有所提高，并且在反應的中后期，水質表觀狀況逐漸趨于平穩。

a)原水

2.2 不同流量影響下的處理效果分析

4組試驗工況下8項水質指標的處理效果見圖3。圖3a顯示了流量影響下電絮凝連續試驗對色度的處理效果，從圖中不難看出，流量對色度去除效果有很大影響，流量為2 mL/s的試驗組次顯示出最好的色度去除效果和最高的去除效率，其余流量條件下色度去除率(Removal Rate,RR)較低。當流量為1.5 mL/s時，反應開始后100 min內色度去除率上升速度較快，經過100 min的反應后，該組色度去除率達到22.01%，在4組試驗中去除效率較高，之后反應中色度去除率逐漸下降且最終趨于平穩，在180 min的連續反應后色度去除率為15.09%，最終去除率在4組不同流量的試驗中處于較低水平；在流量為2 mL/s的試驗組次中，色度去除率在100 min內逐步上升，在100 min的反應后去除率為47.76%，因此在4組試驗中顯示出最佳去除效率，此后100～180 min的反應時間內，色度去除率出現波動且略有上升，最終趨于平穩，經過180 min的反應后最終去除率達到48.88%，與其余3組試驗結果相比去除效果最優；當流量為2.5 mL/s時，反應開始后80 min內色度去除率逐漸上升，經過80 min的反應后色度去除率達到19.67%，在4組試驗中去除效率較高，之后反應時間內去除率出現波動且略有下降，在80～140 min的反應時間內該組色度去除率不及流量為1.5 mL/s的試驗組次，但在140～180 min的反應時間中，去除率再次超過1.5 mL/s的組次并且最終逐漸趨于穩定，在180 min的連續處理后，色度去除率為16.39%，這一去除效果在4組試驗中表現較好；在3.0 mL/s的流量條件下，色度去除率和去除效率與其余3組試驗相比效果最差，反應開始后的60 min內色度去除率逐漸上升，在60 min的反應后去除率為11.02%，60～120 min的反應時段中色度去除率有所下降，120 min反應后去除率為4.90%，之后反應中色度去除率出現波動但趨于平穩，經過180 min的連續處理后最終去除率為6.53%，比其余3組試驗最終去除率低。

a)色度

電絮凝連續反應中濁度去除效果隨流量變化情況見圖3b。由圖可知，在2.0 mL/s的流量條件下，電絮凝連續處理顯示出最大的濁度去除率和最高的去除效率，其余流量情況中濁度去除效果較差且效率較低。當流量為1.5 mL/s時，連續試驗開始后60 min內濁度去除率有所提高，在60 min反應后濁度去除率為17.65%，這一去除效率在4組試驗中屬于較低水平，之后反應時間內去除率出現波動且略有下降，最終趨于平穩，經過180 min的反應后濁度最終穩定去除率為11.76%，與其余3組試驗相比最終去除效果較差；在流量為2.0 mL/s的試驗組次中，反應開始后60 min內濁度去除率上升速度最快，經過60 min的反應后去除率為56.10%，在4組試驗中去除效率最高，之后反應中濁度去除率略有上升且出現波動，180 min反應結束后最終去除率為73.17%，與其余3組流量條件的試驗相比最終去除效果最好；在2.5 mL/s的流量條件下，反應前期60 min內濁度去除率上升較快，經過60 min反應后去除率為25%，這一去除效率在4組試驗中屬于較高水平，之后反應時間內濁度去除率出現波動且逐漸上升，最終趨于平穩，在180 min的反應后最終濁度去除率為33.33%，與其余3組試驗相比最終去除率較高；流量為3.0 mL/s時表現出最小的濁度去除效率和最差的去除效果，在反應開始后80 min內濁度去除率有所上升，但上升速率在4組試驗中處于最低水平，經過80 min的連續處理后濁度去除率為9.68%，之后反應時間內濁度去除率出現波動且略有降低，最終趨于平穩，在180 min的處理后濁度去除率最終穩定在3.23%，這一穩定去除率與其余3組試驗相比為最低。

圖3c顯示了流量影響下電絮凝連續反應中懸浮固體的去除效果差異。從圖中可以看出，與色度、濁度去除效果類似，流量為2.0 mL/s的試驗組次顯示出最好的SS去除率和去除效率，其余組次去除效果和效率較差。當反應流量為1.5 mL/s時，在整體180 min的反應時間內SS去除率雖有波動但逐步提高，經過180 min的反應后最終SS去除率為37.50%，反應前期SS去除效率與其余3組試驗相比最低，但最終去除效果在4組試驗中處于較高水平；在2.0 mL/s的流量條件下，反應前期60 min內SS去除率上升最快，在60 min反應后SS去除率為45.16%，在60～180 min的反應時間內SS去除率繼續上升但上升速率減小，最終趨于平穩，經過180 min的反應后最終SS去除率為58.06%，整個反應中顯示出最佳的去除率和去除效率；在流量為2.5 mL/s的試驗組次中，反應開始后60 min內SS去除率上升較快，且在4組試驗中SS去除效率較高，60 min反應后SS去除率為31.58%，在60～120 min的反應中去除率保持平穩，120 min之后反應中SS去除率有所下降，經過180 min的反應后SS最終去除率為26.32%，這一最終去除率與其余3組試驗相比處于較低水平；當流量為3.0 mL/s時反應開始后60 min內SS去除率有所上升，但在4組試驗中上升速率較慢，60 min處理后SS去除率為20%，在60～140 min的反應時間內去除率保持平穩且略有下降，140 min反應后去除率為16%，在140～180 min的反應時間內，SS去除率進一步下降，經過180 min的反應后去除率最終為8%，這一去除率在4組試驗中最小。

電絮凝連續處理中COD去除效率隨流量的變化情況見圖3d。從圖中不難看出，從整體上COD去除率波動較為明顯，且不同流量下COD去除效果差異較大。在反應前期80 min內流量為1.5 mL/s的試驗組次COD去除效率較高，但是在120 min的反應時間后流量為2.0 mL/s的試驗組次去除效果最好。在流量為1.5 mL/s的反應組次中，反應開始后60 min內COD去除率上升速度最快，60 min反應后COD去除率為53.33%，因此與其他3組試驗相比展現出最好的COD去除效率，在60～120 min的反應時間內去除效率減小，120 min反應后COD去除效率為33.33%，之后反應時間中去除率保持穩定，因此180 min的反應后最終COD去除率穩定在33.33%，這一穩定去除率在4組試驗中處于較高水平；當流量為2.0 mL/s時，反應開始后120 min內COD去除率逐漸上升，但在4組試驗中其去除效率最低，經過120 min反應后去除率為50%，之后反應中COD去除率出現波動且有所減小，在180 min反應后穩定去除率為35%，該組試驗最終COD去除率與其他3組試驗相比最大；在流量為2.5 mL/s的試驗條件下，反應開始后100 min內COD去除率逐漸增加，100 min反應后去除率達到該組試驗最大去除率50%，但在反應前期其COD去除效率與其余3組試驗相比效率較低，在100～180 min的反應時間內COD去除率逐漸減小且最終趨于平穩，最終180 min連續處理后COD去除率穩定在18.75%，這一穩定去除率在4組試驗中處于較低水平；當反應流量為3.0 mL/s時，反應前期60 min內COD去除率上升，經過60 min反應后COD去除率為28.57%，這一處理效率在4組試驗中較高，在60～180 min的反應時間內去除率出現波動且逐步降低，在180 min反應后去除率為7.14%，最終去除率與其余3組試驗相比最小，在100～180 min的反應時段內，該組次COD去除效果均為最差。

圖3e顯示了流量變化情況下電絮凝連續處理中總磷去除率的變化規律。從圖中不難看出，流量對于TP去除效果的影響不甚明顯，各組流量條件下TP去除率較為接近。當流量為1.5 mL/s時，反應開始后60 min內TP去除率逐漸上升，60 min連續處理后TP去除率達到43.75%，反應前期TP去除效率在4組試驗中處于較低水平，之后反應中去除率略有提高且最終趨于平穩，經過180 min的反應后最終去除率為50%，在4組試驗中這一最終去除率較高；在流量為2.0 mL/s的條件下，反應前期60 min內TP上升速率較快，60 min反應后TP去除率為48.78%，前期去除效率在4組試驗中最高，在60～180 min的反應時間內去除效率趨于平穩，波動較小，經過180 min反應后去除率為51.22%，這一最終去除率與其余3組試驗相比較大；在2.5 mL/s的流量條件下，反應開始后60 min內TP去除率上升較快，但在4組試驗中去除效率最低，60 min反應后TP去除率為34.55%，在60～180 min的反應時間內去除率上升速度變緩且出現波動，經過180 min的反應后最終TP去除率達到49.09%，最終去除率與其他3組試驗相比處于中等水平；當流量為3.0 mL/s時，反應前期60 min內TP去除率上升較快，60 min反應后去除率為45.61%，這一TP去除效率在4組試驗中處于較高水平，之后反應時間內去除率出現波動，但基本保持穩定，經過180 min的連續處理后最終TP去除率為40.35%，這一最終去除效果與其余3組試驗相比表現最差。

電絮凝連續處理中溶液鋁濃度在流量影響下的變化關系見圖3f。由圖可知，流量為2.0、2.5、3.0 mL/s的試驗組次反應中Al濃度區別不大，但是流量為1.5 mL/s的試驗中反應前期Al濃度較低，反應后期趕上并超過其他3個試驗組次。當流量為1.5 mL/s時，反應開始后60 min內Al濃度上升較快，但與其余3組相比上升速度最慢，經過60 min電絮凝處理后溶液Al濃度為2.61 mg/L，在60～120 min反應時間內Al濃度保持平穩，之后120～180 min的反應時間內溶液Al濃度再次上升，且180 min反應后溶液最終Al濃度超過其余3個組次，達到最終濃度的最大值4.25 mg/L。反應流量為2.0、2.5和3.0 mL/s的試驗組次在反應60 min后溶液Al濃度極為接近，分別為3.54、3.58、3.52 mg/L，顯示出較快的Al濃度上升速度。在之后的反應中Al濃度趨于平穩，但3組試驗略有區別：其中流量為2.0 mL/s的試驗組次在60～100 min的反應中Al濃度有小幅提高，在100～180 min的反應時間內濃度持續下降，經過180 min的反應后最終Al濃度為3.29 mg/L，這一濃度在4組試驗中處于最低水平；2.5 mL/s的流量條件下，在60～180 min的反應時間內Al濃度略有下降，經過180 min的反應后最終Al濃度為3.45 mg/L，這一濃度在4組試驗中處于較低水平；當流量為3.0 mL/s時，在60～180 min的反應時間內Al濃度略有上升且出現一定的波動，最終趨于穩定，經過180 min的連續處理后溶液最終Al濃度達到3.95 mg/L，這一濃度與其余3組試驗相比處于較高水平。4組試驗進行比較可以發現，流量較小時溶液反應較為充分，絮凝物主要形成沉淀和氣浮物，因此表現為溶液Al濃度較低，當流量較大時，溶液中絮凝物來不及進行完全反應就流出反應裝置，因此表現為溶液Al濃度較大。

圖3g為電絮凝連續處理中溶液pH隨流量變化產生的差異。從圖中可以看出，連續反應中流量對溶液pH變化趨勢有較大影響，不同流量的試驗組次其溶液pH的變化趨勢各異。當流量為1.5 mL/s時，在反應開始后140 min內溶液pH逐步提高，140 min反應后pH從7.55升至8.12，之后反應時間內溶液pH保持穩定，經過180 min反應最終溶液pH為8.13，反應中pH變化幅度為0.58，為4組試驗的最大變幅；流量為2.0 mL/s的試驗組次在反應前期80 min內pH上升，經過80 min的反應溶液pH從7.63上升至8.04，80～180 min的反應時間內溶液pH逐漸減小且最終趨于平穩，180 min反應后溶液pH最終穩定在7.85，反應始末pH變化幅度為0.22；在2.5 mL/s的流量條件下，在180 min的反應中溶液pH略有上漲但變幅較小，且在反應140 min后pH達到穩定，經過180 min后溶液最終pH值為7.68，整體反應中pH變化幅度為0.07，為4組試驗的最小變幅；流量為3.0 mL/s的試驗中，反應前期60 min內溶液pH略有降低，60 min連續處理后溶液pH從7.68下降至7.60，在60～180 min的反應時間內溶液pH逐漸提高，經過180 min的反應后溶液pH上升至7.77，反應始末溶液pH變幅為0.09。4組試驗進行比較可以看出，相對而言流量較小的試驗組次反應較為充分，因此溶液pH上升幅度大，流量較大的試驗組次由于未處理水體的不斷流入，對反應溶液有稀釋中和作用，因此pH變化幅度較小。

電絮凝連續處理中溶液電導率隨流量變化產生的差異見圖3h。從圖中可以看出流量越大的試驗組次電導率變化幅度越小。在流量為1.5 mL/s的試驗條件下，反應前期140 min內電導率持續減小，經過140 min反應后溶液電導率從347 μS/cm下降到295 μS/cm，在140～180 min的反應時間內電導率略有回升，在180 min反應后溶液最終電導率為301 μS/cm，反應前后溶液電導率變化幅度為46 μS/cm，為4組試驗的最大變幅；在2.0 mL/s的流量條件下，180 min反應時間內溶液電導率逐漸減小，且最終趨于平穩，經過180 min反應后電導率從327 μS/cm下降至292 μS/cm，降幅為35 μS/cm，在4組試驗的降幅中屬于較大幅度；流量為2.5 mL/s的試驗中，溶液電導率在反應前期60 min內逐漸降低，經過60 min連續處理后電導率從343 μS/cm下降至325 μS/cm，之后反應時間內溶液電導率基本保持穩定，在180 min反應后最終溶液電導率為325 μS/cm，反應始末電導率變幅為18 μS/cm，在4組試驗中屬于最小變幅；在3.0 mL/s的流量條件下，溶液電導率在反應前期60 min內有所下降，經過60 min反應后電導率從327 μS/cm下降至303 μS/cm，之后反應中電導率略有上升但基本保持平穩，180 min反應后溶液最終電導率為306 μS/cm，反應始末電導率變幅為21 μS/cm，在4組試驗的電導率變幅中處于較小水平。

總體上，電絮凝反應能夠很大程度上去除微污染水中色度、濁度、懸浮固體、化學需氧量和總磷等指標標識的污染物，同時提高水體的pH、降低其電導率，增加了反應水體中的鋁離子濃度(這與試驗中采用的鋁材料電極板有關)；流量對電絮凝連續處理微污染水的效果具有明顯的影響，存在一個較佳流量，但規律并不顯著。

3 結論

a)在電流密度為14.79 A/m2、極板間距1.5 cm的試驗條件下，流量分別為1.5、2.0、2.5、3.0 mL/s試驗工況中，反應3 h后，流量為2 mL/s的試驗組次顯示出最好的色度、濁度、SS和COD去除效果，去除率分別達47.76%、56.10%、45.16%和35.00%；流量為1.5 mL/s的試驗組次對pH和電導率的影響最大，溶液pH從7.55升至8.13，pH變化幅度為0.58，電導率從347 μS/cm下降到301 μS/cm，電導率變化幅度為46 μS/cm；各組流量條件下TP去除率較為接近。

b)電絮凝處理技術用于微污染水連續凈化是可行的，流量大小對于微污染水連續處理效果具有明顯的影響，存在一個較佳流量，但規律并不顯著。

c)電絮凝連續處理裝置簡單、效率高、處理成本低廉、處理效果較好且無需人為值守，處理后出水能基本滿足日常城市生活雜用水和景觀環境用水等要求，具有較大的發展空間。未來電絮凝處理技術應向著低能耗、提高去除效率、降低操作難度的方向發展，在耗能方面可以考慮與風能、雨能和太陽能等清潔能源結合，技術方面采用新型電極材料和電極結構，聯合其他水處理工藝，進一步降低污水處理成本，提高處理效率。此外，這一技術方法還可與現有雨洪管理技術體系結合[17]，實現雨洪資源的水質精細化處理，在保護水生態環境的同時拓展雨洪資源的利用范圍。