CN102424495A - 一种超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合处理废水的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合处理废水的方法及装置，该方法的工艺流程是，采用升流式将废水用泵送入内设有超声波发生器、电极板和永磁铁的电絮凝反应器中，电絮凝电压：5-30V，电流：5-40A，超声频率：20-100KHz，超声功率：100-400W，磁场强度：0.1-0.3T；水样从极板间流过，并由外循环泵进行循环流动，废水经超声、磁场协同脉冲电絮凝处理5-12min后，再由泵送入沉淀池，再由泵将上清液送入膜组件过滤进一步将泥和水分离，泥浓缩处理回收，水达标排放。本发明方法具有适合处理多种废水、出水水质好且稳定的优点。

Description

一种超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合处理废水的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种废水处理的方法，特别是涉及采用超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合技术处理废水的方法以及所采用的装置。

技术背景

重金属废水主要是电镀废水、冶炼厂废水和矿山废水。含有这些重金属的废水排入江河湖海，将使水体污染，破坏生态系统，严重地危害人体健康及农业、渔业的生产。

电絮凝技术是最近几年发展起来的新型电化学处理技术，依靠的是电化学原理，它的应用范围很广，主要是在电镀、化工、机械、冶金、采矿、电池等行业应用比较多。目前，对于重金属废水大多采用分流技术，独自进行化学处理，现实生活中有的企业分流不完全，甚至跟本不分流，造成重金属、螯合物共存的现象，由于各种离子的沉降pH不同，所以导致了单纯的化学沉降不能满足排放的要求，在反应过程中存在多次调节pH的问题，由此造成的能源的巨大浪费，重金属不能得以有效的回收利用。但是，电絮凝也有一些不足之处，如电极溶解和电极的钝化速度快，电压高时电絮凝的成本高，产生的泥较多，出水不够稳定。

膜分离技术是一项新兴的水处理工艺，被誉为20世纪最具有发展前途的十大高新技术之一，目前已被广泛应用于给水和工业废水的深度处理中。在处理含重金属离子的废水时，可选用不同的载体。膜分离技术具有高效、节能、无二次污染，污染物去除率高，工艺简单等优点出水水质稳定的优点。但是，膜易受污染，易堵塞，清洗困难，在使用过程中膜的污染和通量下降，特别是处理高浓重金属废水时，受污染、堵塞的速率快，膜通量的下降速率快，导致膜的更换周期缩短，投资费用变高。

发明内容

本发明为了克服电絮凝和膜技术的不足，提供一种超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合处理废水的方法及装置，以达到降低电极溶解和电极钝化的速度，降低电絮凝处理的电压，使膜的更换周期加长，同时出水水质好且稳定。

发明一，一种超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合技术处理废水的方法，它的操作步骤是，采用升流式将废水用泵送入内设有超声波发生器、电极板和永磁铁的电絮凝反应器中，电絮凝电压：5-30V，电流：5-40A，超声频率：20-100KHZ，超声功率：100-400W，磁场强度：0.1-0.3T；水样从极板间流过，并由外循环泵进行循环流动，废水经超声、磁场协同脉冲电絮凝处理5-12min后，再由泵送入沉淀池，再由泵将上清液送入膜组件过滤进一步将泥和水分离，泥浓缩处理回收，水达标排放。

所述电絮凝反应器的优选处理工艺是，电絮凝电压：12V，电流：15A，超声频率：40KHZ，超声功率：300W，磁场强度：0.2T。

发明二，一种超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合处理废水方法的装置，该装置包括由泵连接的电絮凝反应器、沉淀池及膜组件，所述电絮凝反应器内平行布置至少一组电极板，电极间距为1-3cm，电极与脉冲稳压电源相连，所述电极板的阳极为铁板，阴极为铝板；电极板上安装有超声波发生器及与电场垂直的永磁铁，永磁铁、电板极与超声波发生器之间均设有绝缘体隔开。

所述电絮凝反应器内平行布置至少三组电极板，电极板之间为阴阳极交错排布，电流并联接入。

本发明与现有的技术方案相比，具有以下优点和突出效果：

与现有技术方案相比，本发明在电絮凝的基础上加入了超声和磁场协调处理，处理后再采用膜过滤。具有明显的优点：能够有效清洗电极的表面，防止和驱除电极表面的气泡，保持电流顺利通过电极，提高阳离子至阴极的移动速度，减少浓度极化，提高电流密度和电流效率，使得电极表面一直处于活化状态或者增加钝化状态的孔蚀，电极表面钝化层的剥离，加速液相质量传递，加快反应速率，降低极间电压，降低能耗等。

本发明采用的装置设备占地面积小，可去除的污染物广泛，对有机废水，尤其是难处理的含杂环有机物废水，重金属废水等都具有良好的效果，而且可以降低水中含盐量，适用的pH范围广(pH：4-9)，可以克服化学法处理难以解决的问题，减少了处理过程中pH值的调节，降低了成本，所形成的沉渣密实，澄清效果好，使处理后的水能重复循环使用于原工序，达到中水回用的目的。

本发明在电絮凝中加入超声和磁场协调作用，后续再采用膜过滤，可达到安全供水的目的。

本发明的作用机理如下：

1电絮凝的作用机理：主要包括三个方面：电解凝聚、电解气浮以及电解氧化还原。

电解凝聚是指可溶性阳极产生的阳离子经过水解、聚合作用，可以产生一系列多核羟基络合物及氢氧化物M(OH)x，这些物质作为絮凝剂就可对水中污染悬浮物及胶体进行絮凝作用，通过多种方式使污染物聚集，它们的絮凝效果要比传统的絮凝剂高很多。电解气浮是指水在电解时产生少量的O₂和H₂微气泡，这些气泡的粒径和密度都非常小，具有一定的吸附能力和浮载能力，能吸附水中产生的污染物絮凝团并浮升到水面，从而达到固液分离的效果。电解氧化还原是指水在电解过程中产生具有强氧化性的物质可以把水中的某些大分子有机污染物氧化成小分子有机物，有些物质还可被氧化成CO₂和H₂O而直接去除，小分子有机物通过絮凝和气浮就能很好去除。

当采用铁做阳极，铝作为阴极时，阳极中，铁溶解：

阳极：Fe→Fe²⁺+2e，Fe→Fe³⁺+3e

阴极：2H₂O+2e→H₂+20H^-

2磁技术处理原理

物质的分子可分为极性和非极性2种，水是极性分子，它是由一个氧原子和两个氢原予以105度角组成的，并且水是一个交错系统，水分子与水分子之间以氢键结合成四面体结构，其中存在有氢键的链状结构。对水施加的任何作用，都会接力式的传播到几千个原子距离之远，通常认为，氢键的断裂是水结构变化的必要前提，氢键的存在赋予水以独特而易变的结构。

磁场的极化作用：当磁场作用于极性分子时，会使偶极朝向磁场方向作定向排列；非极性分子在磁场作用下会极化而诱导成极性分子，从而带有偶极矩，产生相互吸引作用，形成定向排列。在这种极化作用，电子云会发生改变，造成氢键的弯曲和局部断裂，从而改变水的整体性能。

磁场的防污阻垢：两种极性分子在产生异极吸引同极相斥作用时，会使分子产生某些变形，极性增大，水中盐类的阴阳离子将分别被水偶极子包围使之不易运动，抑制了钙、镁等垢析出。并且运动的电子在磁场作用下产生一个与电子运动方向垂直的力(洛伦兹力)，这样就会使电子偏离正常晶格，从而抑制固体正常结晶的生成，同时可以减少水垢附着在金属表面。由于经电磁场处理的水分子极性增强，对水垢的渗透性增强，能破坏水垢与管道壁之间的结合力，从而使水垢脱落。因此这种作用同样也可以延缓极板钝化。

磁场改变活化能：磁场作用后废水体系的电势下降，反应速度增快；磁场具有使复杂大分子体系变为简单小分子体系的效应，提高了分子的反应活度；磁场有能使基团的活性和对金属的亲和力增加的作用，促使更多的络合反应进行；磁场可以使胶体双电层变薄，强化吸附作用。带电离子通过磁场时，受到洛伦兹力的作用而产生定向运动，增加液体扰动和溶质的扩散，能够摆脱颗粒在水中受到的各种阻力(或由于受到磁场力作用而凝聚成为较大的团块，易于沉降或过滤)沉降而予以去除。总之磁场的作用对水体的絮凝、吸附等物理化学过程起到了强化作用。

磁场的杀菌除污作用：对于细菌和微生物通过一定强度的磁场(或生物生活在通过外加磁场作用的污废水)有的被抑制其活性，甚至死亡；有的被激化，生物新陈代谢明显增强，从而间接地提高了生物净化污水的能力。

磁场的时间效应：磁场对水溶液中不同的反应过程，有不同的时间效应，磁场对物质输送过程的影响是瞬时效应，对电荷输送过程的影响是记忆效应。3超声处理原理

利用超声波降解水中的化学污染物，尤其是难降解的有机污染物，是近年来发展起来的一项新型水处理技术。它集高级氧化技术、焚烧、超临界氧化等多种水处理技术的特点于一身。在对污水进行处理时，超声不仅能像热能、光能、电能那样以一种能量形式发挥作用，降低过程的能垒。而且还能以一种非常有效和独特的形式起作用一超声空化。超声空化所形成的异乎寻常的高温、高压等极端条件为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境，在科学研究和工业生产中得到了广泛的应用。超声的这种物理和化学作用是稳态空化和瞬态空化的结果。

空化效应：超声波在水中传播是以纵波形式存在的，而纵波是疏密相间的，当超声波通过液体介质向四周传播，声能足够高时，在疏部的半周期内，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。超声空化指存在于液体中的空化核，在超声场的作用下被激活，表现为泡核的振荡、成长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程。空化泡崩溃产生的冲击波和射流，使这些具有很高氧化性的产物，进入整个溶液中，为化学反应提供了一种极特殊的条件。可以使常规条件下难分解的有毒有机污染物在热解和氧化反应下降解，降解的主要途径为直接高温热解、自由基氧化、超临界水氧化。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的描述。

本发明方法采用的装置如图1所示，它包括电絮凝反应器4、沉淀池6及膜组件7，电絮凝反应器4内平行布置有四组电极板，电极板的阳极板2为铁板，阴极板3为铝板，电极板之间为阴阳极交错排布，电流并联接入，电极间距为1-3cm，电极板与脉冲直流稳压电源1相连，电极板上安装有超声波发生器9以及与电场垂直的永磁铁8，永磁铁8和超声波发生器9采用PVC板做的支架固定，永磁铁8、电板极与超声波发生器9之间均设有绝缘体隔开，电絮凝反应器4的电絮凝电压：5-30V，电流：5-40A，超声频率：20-100KHZ，超声功率：100-400W，磁场强度：0.1-0.3T。

本发明方法的工艺流程是，通过第一水泵5将废水从底部送入电絮凝反应器4内，水样从极板间流过，并由外循环泵10进行循环流动，废水经超声、磁场协同脉冲电絮凝处理5-12min后，由第二水泵11送入沉淀池，再由第三水泵13将上清液送入膜组件过滤进一步将泥和水分离，泥浓缩处理回收，水达标并经第四水泵12排放出去。上述沉淀池和膜组件的处理方式与传统处理方式相同。

以下是本发明的具体实施例：

实施例1：

处理重金属含Cr⁶⁺废水，电絮凝反应器4的处理工艺条件是：电絮凝电压：6V，电流：38A，电絮凝处理时间5min，超声频率：20KHZ，超声功率：100W，磁场强度0.1T，平行布置4组电极板，电极板之间的距离3.0cm，阳极采用铁板，阴极采用铝板，当进水Cr⁶⁺浓度在50g/L左右时，经本发明装置处理后，重金属Cr⁶⁺去除率为98％。电极溶解时间延长19％，电极钝化时间延长了26％。

实施例2：

处理重金属含Zn²⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺废水，电絮凝反应器4的处理工艺条件是：电絮凝电压：27V，电流：8A，电絮凝处理时间12min，超声频率：40KHZ，超声功率：400W，磁场强度0.2T，平行布置4组电极板，电极板之间的距离3.0cm，阳极采用铁板，阴极采用铝板，当进水Zn²⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺浓度均在20g/L左右时，经本发明装置处理后，重金属Zn²⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺去除率分别为92％、95％、96％。电极溶解时间延长18％，电极钝化时间延长了23％。

实施例3：

处理造纸废水，电絮凝反应器4的处理工艺条件是：电絮凝电压：5V，电流：15A，电絮凝处理时间5min，超声频率：40KHZ，超声功率：300W，磁场强度0.3T，平行布置4组电极板，电极板之间的距离3.0cm，阳极采用铁板，阴极采用铝板，当进水CODcr在400mg/L，AOX在6mg/kg浆左右时，废水经本发明装置处理后，CODcr、AOX去除率分别为92％、88％。电极溶解时间延长20％，电极钝化时间延长了28％。

Claims (4)

1.一种超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合技术处理废水的方法，其特征在于：采用升流式将废水用泵送入内设有超声波发生器、电极板和永磁铁的电絮凝反应器中，电絮凝电压：5-30V，电流：5-40A，超声频率：20-100KHZ，超声功率：100-400W，磁场强度：0.1-0.3T；水样从极板间流过，并由外循环泵进行循环流动，废水经超声、磁场协同脉冲电絮凝处理5-12min后，再由泵送入沉淀池，再由泵将上清液送入膜组件过滤进一步将泥和水分离，泥浓缩处理回收，水达标排放。

2.根据权利要求1所述超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合技术处理废水的方法，其特征在于：所述电絮凝反应器的优选处理工艺是，电絮凝电压：12V，电流：15A，超声频率：40KHZ，超声功率：300W，磁场强度：0.2T。

3.一种超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合处理废水方法的装置，其特征在于，该装置包括由泵连接的电絮凝反应器、沉淀池及膜组件，所述电絮凝反应器内平行布置至少一组电极板，电极间距为1-3cm，电极与脉冲稳压电源相连，所述电极板的阳极为铁板，阴极为铝板；电极板上安装有超声波发生器及与电场垂直的永磁铁，永磁铁、电板极与超声波发生器之间均设有绝缘体隔开。

4.根据权利要求2所述超声、磁场、脉冲电絮凝和膜复合处理废水方法的装置，其特征在于，所述电絮凝反应器内平行布置至少三组电极板，电极板之间为阴阳极交错排布，电流并联接入。