CN105800800A - Dsa三维电极电化学水质稳定装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环冷却水水质稳定装置及工艺。该工艺以DSA电极电化学水质稳定为核心，优化电解、脱垢、过滤、垢体浓缩工艺过程，实现循环冷却水的水质稳定控制。电化学作用过程中，原水经配水系统进入电解区进行软化反应，同时产生Cl₂实现对系统生物相的有效控制，后续的纤维束过滤系统有效屏蔽电化学作用产生的碳酸钙晶核及生物粘泥，当阴极板结垢影响电化学过程时，应用中间电极反接对阴极板进行脱垢。该工艺引入中间电极，实现了无损阳极寿命的阴极板高效脱垢；将原水配水、电化学反应、生物相控制、悬浮物过滤等诸多水质稳定单元集于一体，提高了主体设备的集成度；同时在主体设备内实现固液分离及污泥浓缩，无需额外增设其它设备和装置，设备化程度高，应用范围广，基建投资和运行成本低，占地面积小，操作简单。

Description

DSA三维电极电化学水质稳定装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种水质稳定装置及工艺，用于降低水的硬度，同时有效控制系统的生物稳定性，尤其涉及以DSA三维电极电化学处理为核心，实现高效稳定运行效果的水质稳定工艺，可广泛应用于工业循环冷却水、热力用水、空调系统用水、膜处理工艺原水等系统的水质软化与生物相控制。

背景技术

长期以来，化学药剂法作为传统的水质稳定控制技术得到广泛应用，并且在一定程度上取得了良好的效果，但同时也暴露出浓缩倍数不能无限增大、系统排污及放空水仍需处理、药剂选择及使用有局限性、运行维护管理要求高等问题，不能很好地适应资源节约型社会的建设要求；而石灰投加、反渗透、超声波、磁化、电化学等技术，由于基建投资、运行成本等原因，难于推广应用。

电化学水质软化技术，于极板间施加低压直流电，在电化学作用下能够促进Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子的结垢析出，因而，相较于传统的药剂法，该技术通过对水中无机盐类诱导析出加以去除，而非稳定化后仍存在于水中，技术上具有先进性。然而，应用中发现，该技术尚存在下述问题：首先，由于旁流管路水温低于换热器表面水温，该技术5%左右的一次性硬度去除率不能真正解决换热器表面的水垢析出问题；其次，电解过程中阴极板上不断有金属盐类结垢沉积而导致极板钝化使处理效率衰减；再次，无法针对电解产生的碳酸钙晶核进行有效分离。上述问题的存在成为该技术推广应用的瓶颈。

DSA析氯电极材料的发展大大提高了电化学反应器的硬度去除率。孙津鸿等应用DSA电极进行循环冷却水的电解试验，停留时间2~5min，硬度去除率可达15~25%，而电化学过程中阳极生成的Cl₂能够实现对生物粘泥的有效控制。因而，DSA电极电化学技术应用于循环冷却水的水质稳定，技术上是可行的。

针对阴极板沉积物的去除，国内外研究者开展了大量工作。以色列EST电解除垢系统应用金属刮刀刮除阴极结垢，但除垢效果不甚理想；日本水都电解除垢系统通过电极反接对极板结垢进行去除，取得了良好的效果，但该方法严重影响阳极使用寿命，应用中缺乏经济性。

电化学反应生成的碳酸钙晶核应进行固液分离，否则仍会在换热系统中沉积结垢。传统砂滤应用于晶核去除，反冲洗历时长，冲洗水量大。

综上所述，对于以阻垢为核心的水质稳定工艺，迄今为止还没有既能达到满意处理效果，又能保持较长工作周期，且工艺简单、成本低廉、占地面积小、操作运行方便的处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种水质稳定装置与工艺，该工艺以DSA电极电解为核心，通过控制电流密度实现水中暂时硬度的高效去除以及系统生物相的有效控制，通过纤维束滤层实现析出垢体与生物粘泥的固液分离，通过优化电极板布置实现无损阳极寿命条件下的阴极垢快速脱除，通过技术集成实现滤层反冲洗与阴极除垢的同步进行，可广泛应用于不同类型工业循环冷却水的水质稳定处理，以及热力用水、空调用水、膜处理原水的软化处理，具备高效稳定的工艺效果。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

电解过程中，DSA阳极板与电源正极相接，金属阴极板与电源负极相接，金属网中间电极处于断路状态，原水经提升水泵加压后，由进水管经流量计、电磁阀及压力表进入主体设备原水配水区，经孔口、栅条等配水设备均匀配水后进入电解区进行电解析出碳酸钙，部分碳酸钙沉淀后经配水区进入浓缩区，部分碳酸钙堆积于金属阴极板之上，部分碳酸钙随主流迁移至纤维束过滤区而被截留，滤后水由出水管排出设备；随着阴极板上堆积物的增多，电阻逐渐增大，当电阻增大到一定数值时，停止进水，断开DSA阳极与电源正极的连接，同时将电源正极与金属阴极板相接，电源负极与金属网中间电极相接，通电至阴极金属板沉积物脱落，沉积物`1脱落后经配水区进入浓缩区，同时，由于进水停止，纤维束滤层下活动挡板下移使部分截留物脱落沉入浓缩区，反接操作完成后打开排泥阀门排出浓缩区沉积物，同时滤后水自上而下对滤层进行冲洗，沉积物排出完毕后关闭排泥阀，打开进水阀并将DSA阳极重新与电源正极相连，金属板阴极重新与电源负极相连，重新断开金属网中间电极开始另一周期电解；

优选的DSA三维电极，金属网中间电极位于DSA阳极及金属板阴极之间，电解时，DSA析氯电极板与电源正极相连，金属电极板与电源阴极相连，位于两电极板之间的金属网处于断路状态，脱垢时，金属阴极板与电源正极相连，金属网与电源负极相连，DSA阳极板处于断路状态；。

优选的纤维束过滤系统，纤维束一端固定于上方的固定挡板之上，另一端与下方的活动挡板相连，上述两挡板均为穿孔板，过滤时，活动挡板在水流冲击力作用下向上运动挤压纤维束使其处于压紧状态，过滤停止后，活动挡板在重力作用下向下运动使纤维束拉长，部分截留物脱落，反冲洗时，水流自上而下对纤维束进行反冲，截留物经电解区及配水区排至污泥浓缩区；

优选的DSA电解设备，电解中于阳极产生Cl₂，能够控制循环冷却水系统的生物稳定性；

优选的过滤系统能够对生物粘泥及电解析出物进行有效截留。

优选的，自控系统信号输入单元包括位于原水进水管上的流量计、清水出水管上的浊度仪及流量计，集成于电源之内的电流表及电压表，位于原水进水管及清水出水管上的压力表；信号输出控制单元包括位于排泥管路上的电磁阀、原水泵和位于原水进水管路上的电磁阀，位于PLC系统内的接线切换系统。

由以上方案可见，本发明是一种以DSA三维电极电化学作用为核心的水质稳定处理工艺，可广泛应用于各种水质原水的软化及生物相控制。与水质稳定工艺相比，具有如下优势：

1、应用DSA三维电极进行电化学水质稳定处理，能够实现良好的硬度去除效果，且在20s内实现阴极板沉积物的彻底剥离，而无损于DSA电极的寿命；

2、采用上向流反应器，将电化学工艺与过滤工艺集成于同一反应器，实现硬度与生物粘泥的同步去除；阴极堆积物剥离时与过滤排泥同步进行；于反应器底部设置集泥斗，阴极剥离堆积物及滤池排污于集泥斗内进行浓缩，极大提高了排污含固率；

3、针对碳酸钙晶核及生物粘泥的物化特性，对纤维束过滤系统进行改造，形成适用的高效纤维束反粒度过滤技术，应用于循环冷却水的水质稳定处理，；

4、将电化学水质稳定、过滤、滤后水收集、反洗水浓缩集于一体，提高了工艺的集成度。

附图说明

图1为DSA三维电极化学水质稳定装置工艺示意图；

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括主体设备、附属管道及阀门系统、计控系统和供电系统。主体设备外围结构有主体支架（26）。

参阅图1，对工艺电解过滤过程进行说明。

原水经提升水泵（1）加压后，由进水管（2）经流量计（3）、电磁阀（4）及压力表（5）进入主体设备原水配水区（6），经由布水孔板（7）、进入电解区（8），该区域被阴极极板（9）、除垢用的网状极板（10）以及阳极极板（11）分隔为多个过水通道，其中阳极极板（11）、阴极极板（9）分别与电源（12）正极、负极相连。电解后的水经由固定极板的过水孔板（13），进入过渡区（14），再经过活动孔板（15），进入过滤区（16），滤后水经过固定孔板（18）进入清水区（19）。过滤时，进水将活动孔板（15）向上推，使得过滤介质（17）压实，减少过滤介质（17）之间的缝隙，增强过滤效果。滤后水进入出水管（20）、经浊度仪（21）、压力表（22）、电磁阀（23）出水。

继续参阅图1，对工艺极板脱垢及反冲洗过程进行说明。

当阴极极板（9）上的垢增厚到一定程度，电路中的电阻增大到一定数值，即恒流电源（12）的电压数值超过一定值时进行极板脱垢操作，关闭进水电磁阀（4），断开阳极极板（11）与电源（12）正极的连接，将阴极极板（9）与电源（12）的正极相连，网状极板（10）与与电源（12）的负极相连，进行脱垢，脱垢过程中，由于失去上向水流冲击力，活动孔板（15）在重力作用下下落，部分截留杂质从过滤介质中脱落，脱垢完毕后，断开电源（12），打开排泥管上的电磁阀（25），进行排泥，此时，水流自上而下流过过滤介质（17）使其得到反冲洗。

反应器工作一段时间后，当出水管压力降低到一定值以下时，需进行强制反冲洗，此时，首先关闭水泵进水电磁阀（4），断开电源（12），开启排泥电磁阀（24），反冲洗水由泵经出水管电磁阀（23）、压力表（22）、浊度仪（21），进入清水区（19），从上到下经固定孔板（18）、过滤区（16），在水流及重力作用下使得活动孔板（15）落下，从而达到反冲洗的目的，反冲洗后的水经由过渡区（14）、固定孔板（13）、电解区（8）、布水孔板（7）、配水区（6），经由排泥管（24）、排泥电磁阀（25）排出。

继续参阅图1，对自控系统的运行进行说明。

控系统信号输入单元包括位于进水管（2）上的压力表（5），位于清水出水管（20）上的压力表（22）及浊度仪（21），信号输出控制单元包括位于进水管（2）上的电磁阀（4）、位于出水管（20）上的电磁阀（23）和位于排泥管（24）上的电磁阀（25）。正常运行工况下，进水电磁阀（4）处于常开状态，排泥电磁阀（25）处于常闭状态，过滤水头及反冲洗水头可由压力表（5）、压力表（22）读数，结合伯诺里方程及过滤基本方程建模得出。通过输出信号调节电磁阀（23）开启度保持压力表（22）于一定值；当浊度仪（21）数值突然增大时，开启电磁阀（25）进行排泥，t分钟后关闭电磁阀（25）；当浊度仪（18）检测值超过与预设值，或压力表（22）低于预设值时，关闭进水泵（1）及电磁阀（4），开启排泥阀（25）进行强制反冲洗；当电源（12）上的电压读数超过一定数时，关闭进水泵（1）及电磁阀（4），将阴极极板与电源（12）的正极连接，网状极板与电源（12）的负极相接，t秒后，断开电源，并打开排泥阀（25）进行除垢。

本发明通过优化电解及脱垢工艺过程，在不影响电极板寿命的前提下充分发挥了工艺的水质稳定性能，提高了碳酸钙晶核及生物粘泥去除率，大幅度提高了废水浓度，延长了极板生命周期，并将电化学、过滤及污泥浓缩集于一体，无需增设附属装置和设备，对各种水质原水具有高效、稳定的净化效果，同时占地面积小，操作简单，处理成本低。

当然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种DSA三维电极电化学水质稳定系统，包括主体设备、进出水管路系统、沉积物排出系统、供电系统和自控系统，其特征在于：

所述主体设备为一密闭装置，装置内设置有原水布水区、三维电极反应区、高效纤维束过滤区及沉积物收集排放区，其中，原水布水区位于主体设备底部，兼作沉积物收集槽，底部与排水管相连，顶部以孔板、栅条等布水装置与三维电极区相连；三维电极区由交错布置的DSA阳极、金属网中间电极及金属板阴极构成，以接线柱伸出装置分别与电源相连，上部通过导流筒与高效纤维束过滤区相连；高效纤维束过滤区顶部为悬挂纤维束的固定挡板，纤维束底部以活动挡板固定；滤后水收集区上部与位于主体设备顶部的清水区连通，滤后水进入清水区后由顶部清水管排出；原水布水区底部与污泥浓缩区连通，反冲洗废水及脱落极板沉积物在污泥浓缩区沉淀浓缩，由排泥管排出主体设备；

所述的原水进水管路系统包括原水管及沿水流方向依次设于原水管上的附属设备为提升泵、阀门、流量计，同时原水进水管与主体设备原水布水区连通；

所述的沉积物排出系统包括反冲洗水收集管及附属阀门仪表系统；

所述的供电系统包括直流电源以及与极板连接的导线；

所述的自控系统信号输入单元包括位于进水管上的压力表，位于清水出水管上的压力表及浊度仪、位于反冲洗水连接管上的浊度仪及压力表，信号输出控制单元包括位于进水管上的电磁阀、位于反冲洗水连接管上的电磁阀和位于排泥管上的电磁阀。

2.根据权利要求1所述的DSA三维电化学水质稳定工艺方法，其特征在于：

所述的DSA三维电极由DSA阳极板、金属网中间电极板及金属阴极板组成，，所述过滤工艺方法简述如下：

电解过程中，DSA阳极板与电源正极相接，金属阴极板与电源负极相接，金属网中间电极处于断路状态，原水经提升水泵加压后，由进水管经流量计、电磁阀及压力表进入主体设备原水配水区，经孔口、栅条等配水设备均匀配水后进入电解区进行电解析出碳酸钙，部分碳酸钙沉淀后经配水区进入浓缩区，部分碳酸钙堆积于金属阴极板之上，部分碳酸钙随主流迁移至纤维束过滤区而被截留，滤后水由出水管排出设备；随着阴极板上堆积物的增多，电阻逐渐增大，当电阻增大到一定数值时，停止进水，断开DSA阳极与电源正极的连接，同时将电源正极与金属阴极板相接，电源负极与金属网中间电极相接，通电至阴极金属板沉积物脱落，沉积物脱落后经配水区进入浓缩区，同时，由于进水停止，纤维束滤层下活动挡板下移使部分截留物脱落沉入浓缩区，反接操作完成后打开排泥阀门排出浓缩区沉积物，同时滤后水自上而下对滤层进行冲洗，沉积物排出完毕后关闭排泥阀，打开进水阀并将DSA阳极重新与电源正极相连，金属板阴极重新与电源负极相连，重新断开金属网中间电极开始另一周期电解。

3.根据权利要求2所述的DSA三维电化学水质稳定工艺方法，其特征在于：

所述的DSA三维电极，金属网中间电极位于DSA阳极及金属板阴极之间，电解时，DSA析氯电极板与电源正极相连，金属电极板与电源阴极相连，位于两电极板之间的金属网处于断路状态，脱垢时，金属阴极板与电源正极相连，金属网与电源负极相连，DSA阳极板处于断路状态。

4.根据权利要求2所述的电化学水质稳定工艺方法，其特征在于：

所述的纤维束过滤系统，纤维束一端固定于上方的固定挡板之上，另一端与下方的活动挡板相连，上述两挡板均为穿孔板，过滤时，活动挡板在水流冲击力作用下向上运动挤压纤维束使其处于压紧状态，过滤停止后，活动挡板在重力作用下向下运动使纤维束拉长，部分截留物脱落，反冲洗时，水流自上而下对纤维束进行反冲，截留物经电解区及配水区排至污泥浓缩区。

5.根据权利要求2所述的电化学水质稳定工艺方法，其特征在于：

所述的DSA电解设备，电解中于阳极产生Cl₂，能够控制循环冷却水系统的生物稳定性。

6.根据权利要求2所述的电化学水质稳定工艺方法，其特征在于：

所述的过滤设备能够截留碳酸钙垢体及生物粘泥。