高壓電解除磷產品化應用研究

劉 羿，孫 竟，何京鐘

（中建環能科技股份有限公司，四川 成都 610000）

我國農村污水處理設備目前市場需求高速增長，技術水平漸趨定型，行業競爭狀況及用戶特點已比較明朗，企業水處理產品競爭越來越激烈，一方面農村污水處理標準有所降低，另一方面總磷要求依然嚴格，這要求企業在保證處理效果的同時降低生產成本和運行成本[1-4]。

現有的除磷方式分為生物除磷、化學除磷（沉淀、結晶）、物理化學除磷（吸附）[5]，但分別存在著消化液會影響除磷，消耗BOD，除磷不穩定、產泥量較多、處理費較高，脫磷量少等問題，而電解法具有產泥量少，處理費用低的優點[6]，是近幾年各大院校、企業的研究對象之一。目前大部分電解除磷實驗都處于非持續進水且電解時間30min 至90min 不等[7]，但在實際污水處理設備運行中污水是連續進出水，并且生化段總停留時間在10h 至14h[8]不等（MBBR 工藝為例）；電解除磷反應時間長，過多占用生化段時間顯然不符合實際應用要求，所以一種反應時間短、能夠連續運行的電解除磷設備有了實際研發需求。

本研究以高敏的鐵電除磷為原理[9]，在歐陽超等驗證了曝氣促進除磷反應的基礎上[10]深入研究高壓電解除磷；在高壓電解上有王銀華等研究中高壓鋁電解實驗[11]，而中高壓電解除磷國內的研究還較少，本實驗的目的在于通過中高電解縮短電解反應時間，從而使設備體積縮小，便于集成于一體化污水處理設備，在固定了進水水量、工藝流程、pH 值、設備連續24 小時運行60 天，找到3 種典型水質的情況下，滿足“《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中一級A 總磷排放標準”（以下為國標一級A 總磷排放標準）所需的電壓，為高壓電解除磷設備產品應用化提供數據支持。

1 實驗部分

1.1 實驗水質

測試污水來自某辦公大樓化糞池污水，總磷8～9 mg/L，環境溫度18℃～25℃，每次抽5m3水至調節桶，調節桶內源水采用清水稀釋總磷至3mg/L、5mg/L、7mg/L 不等，以滿足實驗需求，調節桶內有潛污泵，按1m3/d抽至電解反應槽，用于給實驗裝置提供連續、穩定的源水。

1.2 設備原理和方法

實驗設備介紹：高壓電解設備為中建環能科技股份有限公司自制，設備材質PP 箱體，外形尺寸為220*280*380（長*寬*高mm），PP 箱體為長方形，中間位置有8 個鋼板插槽，每個插槽間距20mm～30mm，通過改變鋼板之間的距離可以實現反應時間在0min～10min 內調整；實驗共4 塊5mm*250mm*150mm 鋼板，左右兩側鋼板的主電極連接直流電源，中間兩塊鋼板為反應極板，不連接電源，主電極通0V～150V 直流電源（任意可調）且電流可以換向以防止極板鈍化[12]，電流換向時間為30s～120s 不等。

因電解長時間反應容易在極板上形成鈍化膜[13]，鈍化膜是在電解條件下通過強陽極極化使得金屬材料表面形成一層非常薄的保護層，達到了阻礙電解的一種狀態，它的產生會影響鐵離子釋放，從而影響除磷反應，所以高壓電解除磷設置有鈦合金超聲波裝置，超聲波的主要目的是為鋼板除鈍[14]。

圖1 3mg/L 進水各電壓除磷效果

實驗原理：由電解法[15]可知，在極板之間施加電場時，鐵電解產生二價鐵離子，與污水中的PO43+反應生成穩定的磷酸鐵和氫氧化鐵沉淀物，通過固液分離將其去除，從而達到除磷的目的。

陽極：Fe-2e-=Fe2+陰極：2H++2e-=H2↑

除磷反應公式：

根據公式可知：電壓、電流越大，釋放出的鐵離子越多，除磷效果越好。

高壓電解除磷裝置整體工藝流程為：

（1）調節桶源水，通過潛污泵抽入電解除磷設備中，進水管設計有回水裝置，可以將多余進水反回至調節桶；（2）源水從自下而上穿過電解反應槽，經過充分經過后自流進水前置處理罐中；（3）前置處理罐經曝氣3h～5h、沉淀3h～4h 后出水；（4）以5 天為一個周期換水一次，這樣可以保持相同水質便于實驗。

1.3 測量方法

總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法測定，COD 采用重鉻酸鉀氧化法測定。

2 實驗過程與結果討論

2.1 除磷最佳反應時間

本項實驗的目的在于測量除磷反應有效反應時間，為設備設計參數做驗證工作。實驗條件為：在電壓100V 下電解5L總磷=7mg/L±0.5的源水，電導率為100～200μs/c，pH=6-7，極板間距25mm，隔2min 取樣0.5L 源水，共取樣5 次；每個樣品曝氣3h，沉淀3h 后測總磷。

圖2 5mg/L 進水各電壓除磷效果

根據結果可知：當反應時間0min～4min 時總磷迅速由7mg/L 降低至0.45mg/L，當反應時間4min～10min 時總磷從0.45mg/L 下降至0.25mg/L，由此可知，在100V電壓下0min～4min 除磷反應效果最佳，進一步電解反應時間可設計為4min。

2.2 超聲波除鈍實驗

本項實驗目的在于驗證超聲波除鈍效果，實驗參數為：進水量為1m3/d，其余參數沿用2.1 實驗參數；實驗分為2 組，A 組有超聲波，超聲波有效工作面積與電解槽鋼板面積相同，超聲波為間隙工作，每30min工作3min；B 組沒有超聲波，設備分別運行5 天，通過觀測電流變化以及極板外觀判定鈍化情況。

由實驗結果可知：A 組初始電流為2.8A，實驗5天后電流為2.7A，極板表面鋼板清晰可見，未見鈍化層；B 組初始電流為2.8A，實驗5 天后電流為2.1A 極板電阻明顯變大，若要獲得2.8A 電流需要進一步提高直流電壓并且極板表面附著一層約5mm 厚的黑色物質，鈍化層清晰可見；由A、B 組對照可知超聲波對于除鈍有明顯效果。

2.3 進水總磷3mg/L 最優電壓

實驗條件：在進水量為1m3/d 時，進水總磷3mg/L±0.5，電導率為100～200μs/c，pH=6-7，電解反應時間4min，超聲波間隙運行，極板間距25mm，電解后曝氣時間為3h，取樣間隔1 天/次，沉淀時間為3h，分別取50V、60V、70V 電壓，查看各自除磷效果。

實驗結果：當電壓為50V 時出水總磷在1.1mg/L～1.28mg/L，當60V 時出水總磷在0.67mg/L～0.77mg/L，當70V 時出水總磷穩定在0.22mg/L～0.37mg/L，由于是連續進出水pH 維持在6-7 基本無變化，在滿足國標一級A 總磷排放標準要求下該組實驗最佳電壓為70V。

圖3 7mg/L 進水各電壓除磷效果

2.4 進水總磷5mg/L 最優電壓

實驗條件：在進水總磷為5mg/L±0.5 時，其余參數沿用2.3 實驗參數，分別取70V、80V、90V 電壓。

實驗結果：當電壓為70V 時出水總磷在1.7mg/L～2mg/L，當80V 時出水總磷在1.1mg/L～1.2mg/L，當90V時出水總磷在0.33mg/L～0.37mg/L，在滿足國標一級A總磷排放標準要求下該組實驗最佳電壓為90V。

2.5 進水總磷7mg/L 最優電壓

實驗條件：在進水總磷7mg/L±0.5，其余參數沿用2.3 實驗參數，分別取90V、100V、110V 電壓。

實驗結果：當電壓為90V 時出水總磷在1.5mg/L～1.6mg/L，當100V 時出水總磷在0.35mg/L～0.41mg/L，當110V 時出水總磷在0.16mg/L～0.18mg/L，在滿足國標一級A 總磷排放標準要求下該組實驗最佳電壓為100V。

2.6 電壓對COD 去除率

實驗條件：在進水COD 為200mg/L～250mg/L 時，進水量為1m3/d，電解反應時間4min，電導率為100～200μs/c，pH=6-7，電解反應時間4min，極板間距25mm，電解后曝氣時間為3h，取樣間隔1 天/次，沉淀時間為3h 條件下測量150V 電解進出水COD。

實驗結果：電解對COD 去除率為1.5%～3.6%。

3 結論

1.通過以上實驗可知，在100V 電壓下最佳電解反應為4min，超聲波對于極板除鈍效果明顯，在150V 電壓下電解反應對COD 去除率＜4%，消耗COD 有限，對生化段影響可忽略不計。

2.進水總磷分別為3mg/L、5mg/L、7mg/L 的情況下滿足國標一級A 總磷排放標準要求，對應最佳電壓分別為70V、90V、100V；進一步可知，在提高電壓，縮小電解反應時間路線可行，但在實際使用中需要注意觸電保護，可在結構上增加塑料把手、蓋板、漏電保護等措施。

圖4 電解對COD 去除率