同軸電絮凝技術在水質提升中的應用分析

廉 雨

（北京天力程環境技術有限公司，北京 100000）

0 引言

電絮凝技術作為電化學技術的一種，因其操作簡單、產泥量低、高效、無二次污染等特點已發展為極具競爭力的水處理技術之一[1-2]。 由20 世紀初發展至今，其在工活污水、餐飲廢水、電鍍廢水、重金屬廢水、造紙廢水、含油污水中均有廣泛應用[3-5]。 對污水中的色度、濁度、SS、COD、磷、重金屬等均有良好的去除效果[6]。

但電絮凝技術在實際應用中存在著以下問題：①處理污水時，若想達到較好的處理效果，則需停留較長時間導致電耗較大；②處理高濃度有機污水時，不僅能耗高還易造成電極鈍化，需定期更換電極，造成運行成本較高[7]；③對一些溶解性比較強的物質，因去除率有限，污水處理后也不能達標排放。故幾乎沒有一個電絮凝設備可獨立處理含有較復雜污染物的污水或獨立作為液體凈化設備大規模使用。

20 世紀90年代初，第一臺同軸電絮凝樣機在美國試驗成功。該技術不僅改變了原有電絮凝形式，也大大縮短了反應時間，延緩了極板鈍化現象，同時節約了能耗，已被廣泛應用于煤礦、油庫、食品加工、垃圾滲濾液等行業的污水處理上，均取得良好效果。2007年我國水處理技術行業開始引進同軸電絮凝技術，現通過對“同軸電絮凝技術+氣浮”工藝組合在某庫區補水中的應用研究，分析總結了該技術在實際應用中的處理效果及其優勢，以期為今后高濃度污水處理技術提供技術支撐。

1 同軸電絮凝技術

同軸電絮凝技術是在傳統電絮凝設備基礎上進行改進的一種新形式。

1.1 同軸電絮凝設備

傳統的電絮凝設備分為柵型、棒型、球型及片型等形式，待處理水與電極板均需放入反應池內。而同軸電絮凝設備則利用鐵、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間，在高頻智能化自適電源的電場作用下可有效延緩極板鈍化，降低了能耗。同軸電絮凝設備的形狀見圖1。由圖1 可以看出，同軸電絮凝設備的形狀為直通管型和U 型2種，電絮凝管是整個系統中一個主要的消耗性部件，其更換周期取決于廢水中污染物含量、 使用時長及處理指標要求。

圖1 同軸電絮凝設備的形狀

1.2 技術原理

同軸電絮凝技術與傳統電絮凝技術的原理相同。均是在外加電場的作用下，陽極（鋁或鐵）被溶蝕產生Al3+或Fe2+等，與水解產生的氫氧根（OH-）、羥基自由基(·OH)等生成單絡合物，再逐步聚合成多核網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合，通過壓縮雙層、吸附架橋、網捕卷掃等形式聚合成沉淀絮體最終被去除。 同時，在陰、陽兩級上生成的微小O2及H2氣泡可吸附輕質懸浮顆粒或憎水物質，使之從水中分離出來[8-9]。電絮凝是集電催化、氧化還原、絮凝、氣浮于一體的復雜過程。2 種技術的區別：同軸電絮凝技術的待處理水是在一個完全封閉的反應器中發生電催化、氧化還原、絮凝、氣浮等一系列的綜合反應，最終達到使水體凈化的目的；而傳統電絮凝技術一般是在圓柱型或方形的敞開式反應器中發生反應。

1.3 技術特點

通過研究“同軸電絮凝技術+氣浮”工藝組合在某庫區補水中的應用，分析總結了該技術在實際應用中的特點：①節約能耗。整個反應在封閉的空間內進行，水體與陰、陽極表面充分接觸誘導催化氧化、還原、絡合、溶氣等反應一次性秒級完成，停留時間為10～15 s，有效降低了能耗。 同時，為有效改善電極鈍化現象，采用具有換相功能的高精度高頻脈沖電源；②節約用地。 管式結構可豎向排列，整套設備（處理量為3 600 m3/d）集成效果好，占地面積小（僅為30～40 m2），也可根據要求加工成一體化設備，無需土建且安裝拆除方便；③處理效果好。與特定電場合理組合產生大量的、氧化性極強的·OH 和新生態的混凝劑，使污染物發生催化氧化、分解、混凝、吸附等反應；④操作簡單。 全自動化運行，只需改變用電參數控制運行條件；另無需培養生物菌，可以隨時啟停； ⑤組合靈活。 可根據不同水質條件進行組合處理，不僅可單級單機處理，也可串并聯多級復合處理；或與其他生化技術組合使用，提高后續生化系統的處理效率；也可做成移動式處理系統，滿足臨時或應急處理需要。

2 “同軸電絮凝技術+氣浮”工藝應用案例

2.1 項目背景

某庫區是為配合奧運水上項目營造良好水環境而修成的一個封閉庫區，該庫區斷面需達到地表水Ⅲ類標準的考核要求。 整個庫區面積約60 萬m2，總蓄水量為48 萬m3，除降雨和地表徑流外無其它水源流入，庫區蒸發滲漏量較大水位下降較快，依靠降雨與地表徑流無法保持庫區水面水位穩定，同時由于水體流動性差，污染物易積累，易造成水質惡化發生水華。

該庫區為保持水位正常、防止出現水華、水體發臭及水質惡化現象，同時為營造良好的景觀效果，采取控制內源增加與減少外源輸入的技術路線。 控制內源增加主要采用生物修復法、 水生植物凈化法及曝氣復氧相結合的方式； 減少外源輸入措施為及時向庫區內補水，并通過相應技術方法減少補水中污染物含量，提升補水水質或優于考核要求。

經多方面考察論證，該庫區決定從附近河流調水作為補水水源。經檢測分析，附近河流總體水質為地表水標準IV～ 劣Ⅴ類，無法滿足該庫區斷面考核要求，需選擇合理有效的處理技術提升水質，而把水質標準從IV～ 劣Ⅴ類提升至地表Ⅲ類標準的技術屬水深度處理技術，常用技術主要有膜技術、臭氧氧化技術、電化學技術等[10-11]，其中膜技術易堵，反沖洗操作復雜；臭氧氧化技術需自制臭氧，前期工程投入大，操作過程中也存在臭氧泄露等安全隱患，加之現場面積有限。經多方論證決定，利用現場閑置廠房建一座污水處理站，水處理技術選用“同軸電絮凝電化學技術+氣浮”工藝。

2.2 項目概況

該庫區處理站總體占地面積約150 m2，進水水質為地表水環境質量標準IV 類～ 劣V 類。 配有3組同軸電絮凝設備，每組設備共計10 個反應器，豎向排列，每列5 個。 每個反應器設計處理量均為5m3/h，額定電壓為0～36 V，電流設置為20～100 A；同時每個反應器配備1 臺專用高精度高頻脈沖電源，因電源具有換相功能，故通過陰、陽極的倒換起到減緩極板鈍化作用，既保證了反應速率又降低了能耗；1臺加壓溶氣氣浮機處理量為150 m3/h；1 臺疊螺污泥脫水機處理量為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。主反應器均為模塊化設計，通過PLC 系統實現自動控制。 主要設備及參數見表1。

表1 主要設備及參數

2.3 工藝流程

該庫區處理站先將河水引入調蓄池，后采用提升泵將待處理水提升至同軸電絮凝反應器中，通過陰、 陽極之間形成的電場對待處理水中污染物進行一系列的物理化學作用，形成各種絡合物和膠體等，出水排入氣浮池，加入一定濃度的PAC 和PAM 進行絮凝、氣浮、固液分離，泥渣排入污泥收集池，最終將達標出水補進該庫區，污泥經收集池進一步濃縮后經疊螺污泥脫水機脫水運送至污泥處理廠，清水回調蓄池。 處理工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程

2.4 處理效果

為隨時了解處理效果，在項目運行過程中定期進行水質檢測，及時調整設備運行參數。 根據2020年6月至11月的檢測數據分析，河水經“同軸電絮凝技術+氣浮” 工藝處理后，BOD5的去除率可達78.47%，CODCr去除率可達71.28%，氨氮去除率可達57.65%，TP 的去除效果最好，可達96.28%，具體數據見表2。

由表2 可以看出，7月～11月進水水質均為劣V 類，經處理后出水達到Ⅱ類或Ⅲ類，說明此組合工藝可將地表水V 類、劣V 類水質提升至Ⅱ類或Ⅲ類水質標準（GB 3838—2002《地表水環境質量標準》）。

表2 處理站進、出水水質檢測結果 mg·L-1

2.5 成本概算

該庫區處理站工程總投資為250 萬元，運行成本為2.89 元/m3（包括電費、電絮凝管更換費、藥劑費、檢測費、設備折舊、人工、污泥處理費、設備維修及保養費），其中電費為0.65 元/m3（主要用電負荷為同軸電絮凝設備、加壓溶氣氣浮機、提升泵、疊螺污泥脫水機等，總裝機功率為144 kW，耗電量約1 743 kW·h/d，其中同軸電絮凝設備耗電量約660 kW·h/d），同軸電絮凝設備電費為0.25 元/m3（電價按1.2元/（kW·h）計）。

3 結論

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

（2）同軸電絮凝技術集成設備，安裝方便、操作靈活、即開即停，可適用于景觀湖的季節性補水。

4 展望

（1）為加強同軸電絮凝技術對地表水中氨氮的去除效果，建議進一步研究該技術與其它工藝結合使用。比如在前期加上AO 工藝，或在后期增加加氯工藝等，從而加強氨氮降解效果，降低處理成本。

（2）盡管同軸電絮凝技術比傳統電絮凝技術更具優勢，但對于污染物含量高的污水單獨使用還有一定的局限性，建議作為高濃度污水的前期預處理技術或者后期提標技術使用。

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