CN106115858B - 一种高效率的电化学废水处理装置及其控制方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效率的电化学废水处理装置及其控制方法和应用，其中电化学废水处理装置包括：前端电极室总成和后端电极室总成，置于前、后端电极室总成之间的由多对工作电极组合成的电堆，前端电极室总成、电堆和后端电极室总成堆叠后通过螺杆夹紧组成一个密封性良好的电化学废水处理装置本体结构，本体结构外侧通过面板和侧面护板围护，在使用时与直流电源相通。本发明还公开了该装置自动频繁倒极的控制方法和在制水系统中的应用。本发明的装置结构设计合理可获得均匀电场和均匀流场，控制方法可使工作电极的快速再生并提高产能‑体积比，长期保证电极活性，在制水系统中能大幅提高水收率得到浓缩液，清洁生产，环境友好。

Description

一种高效率的电化学废水处理装置及其控制方法和应用

技术领域

本发明属于电化学废水处理领域，涉及一种高效率的电化学废水处理装置及其控制方法和应用。

背景技术

一、工业废水零排放

工业用水的量大面广，既有以水作为生产工艺的原料或辅助原料的，也有大量的水是作为生产工艺过程的冷却水使用。

用水的工厂都会产生废水。

工业废水实现零排放和趋零排放，是各种在生产工艺中要使用水资源的工厂，实现清洁生产、保护环境、节约生产成本的重大举措。

废水的零排放，包含三项主要工作：即回收水资源、回收化学资源和消除废水中的污染物。

1.回收水资源，得到工艺回用水

水在大多数废水中占有95％以上的质量比，它又是生产过程必不可少的资源，可以回收作为生产工艺用水。

工业用水在使用过程中往往溶解了一些无机盐类，是水质指标中较为重要的“溶解性总固体”的主要成分，简称TDS。大多数工艺用水对于含盐量的要求一般在10²mg/L的量级即可，与自来水相近。

回收水资源的工艺装置，称为废水淡化器。淡化器将废水分离，得到工艺回用水或冷却水，同时还得到浓水。

2.回收化学资源，得到浓缩液

废水中含有多种(重)金属盐类，作为化学资源也必须回收。

这些(重)金属盐类进入环境就会造成严重的污染，而回收了，就变成了财富。

回收的方法就是将废水淡化器得到的浓水达到浓缩液的浓度即12-20％，再经过“蒸发-结晶”的工艺过程，得到化学资源的结晶固体。

3.消除有机污染

废水中还有一些有机污染物，比如常说的化学耗氧量COD、印染废水的色度等等，通过废水氧化技术可以部分或大部分去除这些有机污染物。

二、将城市污水转化为优质再生水

一般每个城市有好几个污水处理厂，每个厂每天的处理能力都在十几万到几十万吨，污水处理厂将城市污水处理后，就得到了符合《SL368-2006再生水水质标准》的再生水。

1.优质再生水

再生水经过进一步深度净化，去除无机盐类，尤其是容易导致结垢的硬度离子和有毒有害的重金属离子，以及再生水中仍然残存的、常规方法难以去除的有机污染物后，使得这两项指标甚至要优于国标自来水的相关水平，比如，使硬度小于国标自来水规定的450mg/L，便于在工业应用中可以少结垢或不结垢，这是非常有用的，再经消毒杀菌，即可得到优质再生水。

这样就可以极大地拓展再生水的利用空间，除了饮用、洗浴等与人体密切接触之外的，几乎所有场合都可以使用，就不再只限于绿化、建筑、冲厕、工业冷却水等用途了。

这样，优质再生水已经成为城市可靠的第二水源。其成本远远低于远距离引水和海水淡化。

2.优质再生水的生产技术有待优化

一些场合使用反渗透(RO)技术来得到优质再生水，由于RO系统的除盐率达到98％以上，所以其产水中的盐类离子含量不超过普通自来水的百分之二，除了高压发电锅炉补水等个别用途之外，对于绝大多数用途来说这是一项用不着的功能，此项工艺方法导致了优质再生水的生产成本增加不少，膜元件的寿命又较短。

由于RO膜太过于精密，它的“娇气”也是人所共知的，必须有阻垢剂等添加剂陪护，尤其是处理污水时，稍有不慎就会导致膜元件损坏；RO系统的水收率较低，在纯水制造时也只有75％，在高浓度废水中，比如20-40g/L，水收率不到40％，这无疑增加了其浓水后续处理的难度；工作压力和耗电量都比较高，所以大多数用户不愿意接受。

应该说，RO技术原始的设计意图是为纯净水的生产工艺准备的，就不是给污水用的，用于污水实在是勉为其难。

所以，水处理工艺没有优劣之分，适合就是最好的，不适合就不能说是最好的。

3.生产优质再生水具有重大意义

现在，为满足城市日益增长的供水需要，从数百，甚至上千公里外引水-比如南水北调工程，花费了巨额的资金，与之比较，优质再生水就在城市里，它对于人类的可持续发展具有重大、深远的意义。

『人民日报海外版』(2001年12月14日第14版)《污水再生利用缓解城市缺水危机》一文指出：“以色列是严重缺水国家，目前城市污水再生利用率已达90％，此外，俄罗斯、日本、西欧各国、印度、南非和纳米比亚的污水再生利用事业也很普遍”，“南水北调中线工程每年调水量100多亿立方米，主体工程投资超过1000亿元，其单位投资约3500～4000元/吨。而再生水深度处理的单位投资仅约500～600元/吨”。如果每天一个处理20万吨城市污水厂得到的再生水要节约的引水的投资为[(3500-500)×200 000＝]6亿元，则全国的节省量就是天文数字。

综上，本发明开发设计电化学废水处理装置的目的有二：一是要满足工业废水零排放的要求；二是由城市污水得到优质再生水。

目前常用的两种高效的废水处理技术为：

电吸附技术：是一种很好的废水淡化技术。它是使用工作电极通过电吸附的方法，将水中的盐类离子吸附在工作电极上，使其脱离水体得到淡化水。同时，被吸附的盐离子，通过电极再生过程还会得到已经达到了浓缩液水平的高浓度的浓水。电吸附是一种非膜法的除盐技术，所以对于预处理的要求简单，抗污染、且单位能耗及处理成本较低。

电化学氧化技术：是一种高效率的深度氧化技术，也称为“高级氧化”技术，即在电极上产生的羟基自由基，主导COD的氧化去除过程。对于更彻底地消除废水中的有机物污染很有效，包括一些使用常规技术难以去除的污染物。

如何能将这两种处理技术有机的整合到一起，从装置的本体结构和操作控制，以及工艺流程，全面地、系统地整合设计成为目前亟待解决的问题，最终可以同时满足废水零排放所需要完成的主要工作和满足优质再生水的处理要求。

发明内容

根据上述提出的将电吸附技术和电化学氧化技术有机地结合的技术问题，而提供一种高效率的电化学废水处理装置及其控制方法和应用。本发明的装置主要利用复极式电极构成的电堆、端部电极室总成及自动频繁倒极操作等技术特征，从而达到使装置本身得到均匀的电场，均匀的水流场和过渡流流态，快速再生并提高产能-体积比，长期保证电极活性等效果，同时将此装置应用到制水系统中，可大幅度提高水收率，并得到浓缩液。

本发明采用的技术手段如下：

一种高效率的电化学废水处理装置，其特征在于，包括：

端部电极室总成，分为前端电极室总成和后端电极室总成，所述前端电极室总成自外向内依次包括方钢管夹紧框、电堆夹紧端板、密封垫、端电极、多孔板和半透性极膜，所述后端电极室总成自外向内的结构同所述前端电极室总成；

置于所述前端电极室总成和所述后端电极室总成之间的由多对工作电极组合成的电堆，所述工作电极为复极式电极，每两个工作电极之间设有布水隔板；

所述前端电极室总成、所述电堆和所述后端电极室总成堆叠后通过螺杆夹紧组成一个密封性良好的电化学废水处理装置本体结构，所述本体结构外侧通过面板和侧面护板围护，所述电化学废水处理装置在使用时与直流电源相通。

进一步地，所述电堆夹紧端板的上部设有布水通道出口、极水出口，下部设有极水入口和布水通道入口；所述电堆夹紧端板靠近电堆的内侧设有供所述端电极部分容纳的电极槽；所述端电极分为上下两部分，在所述电极槽中部设有用于隔离两部分端电极的支撑块(极水通过支撑块体之间的流道是通畅的)；所述电堆夹紧端板的中上部和中下部还分别设有供所述端电极上的电气连接螺栓通过的孔；所述电堆夹紧端板通过螺栓穿过设置在所述电堆夹紧端板两端的电堆紧固螺栓孔与所述方钢管夹紧框紧固，所述端电极的电气连接螺栓依次穿过密封垫、设置在所述电堆夹紧端板上的孔与电极接线螺母固定并密封，其中密封垫的厚度为3-6mm，用于容纳所述端电极，密封垫的中空结构(密封垫的结构尺寸与下述的工作电极框的结构尺寸相同)充当金属端电极的电极室，在此极水流速达到5-25m/min，满足排出垢屑的要求。

进一步地，所述端电极使用金属电极，所述端电极的电极本体采用丝式或网式的钌钛电极体焊接于钛板条集流体上，所述电气连接螺栓设置于所述钛板条集流体中部；所述工作电极使用具有三维结构、多微孔、孔径为2-50nm的纤维状或颗粒状的活性炭及其制品，所述工作电极四周用工作电极框限定，所述工作电极框的厚度与所述工作电极的厚度相适应为0.5-6mm，所述工作电极框包括电极框体密封周边、设置在电极框体密封周边两端的布水通道及中空的容纳区。

这样，流过电堆的工作电流是由金属阳极穿过工作电极到达金属阴极，所以电流是流过碳电极的厚度方向，从而使得电阻较大的碳电极上的欧姆电压降降到最低，对于节能有益。

进一步地，所述多孔板的结构尺寸同所述工作电极框，包括多孔板密封周边、设置在所述多孔板密封周边两端的多孔板布水通道及中部的钻孔区，所述孔径为8mm-13mm，孔间距10mm-15mm；在安装紧固时，所述多孔板的长度方向的正中抵于所述支撑块上；所述半透性极膜的结构尺寸同所述工作电极框，包括整张极膜本体和设置在所述极膜本体两端的极膜布水通道。

进一步地，所述布水隔板的隔板厚度一般为0.5mm-2.0mm，所述布水隔板包括隔板框、设置在所述隔板框两端的布水孔和设置在中部的隔板网，所述隔板网通过布水槽与所述布水孔相通，硬质的隔板框与软质的工作电极框一起构成了水室的密封周边。

进一步地，所述电化学废水处理装置在常温常压的条件下工作，本体结构材料使用耐腐蚀和绝缘性能良好的合成高分子材料，采用硬聚氯乙烯板材或者抗氧化能力更强的含氟材料。

以上，均匀的电场是废水进行电化学处理的根本，只有均匀的电场才能保证工作电流密度均匀，工作电极的所有面积才能全部投入工作，本发明所述的端电极的设置，是要得到均匀的电场的基础措施。

阴极、阳极两片工作电极面对面之间的间隔，形成了待处理废水的流通通道，简称水室。均匀的流场是指，水室水的流动应该是分布在水室两侧的工作电极的整个电极体的表面上，避免偏流，使整个电极都工作；水室水流动时，不应使之处于层流流动状态，因为层流对于水室水中的离子和带电粒子向工作电极表面迁移过程中，存在较大的阻力，也就是说层流对于物质传递-简称为“传质”过程不利。应该设法使水室水处于过渡流的流态，这样水室水和工作电极表面的传质过程就会大为改观。流动方向：水室水自下向上流动有利于均匀布水，也有利于防止气体的聚集遮蔽部分电极表面，而浪费电极的可用面积和产生安全隐患。

布水隔板的设置既使得水流分布均匀，又有过渡流促进器的作用。隔板的厚度要合适，过厚于传质不利，水室的欧姆电压降增大，于节能不利，过薄则易堵塞。

本发明还公开了一种上述的高效率的电化学废水处理装置的控制方法，其特征在于，所述电化学废水处理装置通过自动频繁倒极操作提高产能-体积比和长期保持电极活性，包括如下步骤：

将等待再生/活化的电极的供电的极性反接，通过PLC控制完成；先停止供电和供水，电堆的双电层电容性充电电压与倒极后的直流电源的电压形成串联，共同对电堆放电形成较强的、大小可控的浪涌电流，浪涌电流的流动方向与倒极前的工作电流流向相反，与倒极完成后的工作电流流向相同；待电容放完了电以后，又会被直流电源用与电化学废水处理装置原来相反的极性充电，工作电流恢复正常，暂停供电，先排浓缩液，再经水洗后，供水供电投入循环工作。

倒极使得电极界面层的酸碱性改变，倒极前阴极上生成的碱性垢，在倒极变成阳极后，界面层内pH呈酸性，从而将碱性垢清除。这也是倒极的重要作用之一。

倒极操作使得电极再生/活化的时间大大缩短，每次的再生时间不超过3min。这样可以将装置的产能-体积比提高到2倍以上。电极钝化是所有的电化学废水处理器都要面对的，倒极操作较彻底地消除钝化，保证了电极的活性得以长期保持。

获得了均匀的电场和均匀的流场以后，就为电化学废水处理装置的大型化打下基础。比如，可以设计成宽度800mm-1500mm、高1500mm-3000mm的大型设备，单机的产水能力达到800m³/d-1500m³/d，就可以从容地应对动辄每天数万吨的废水处理的需要。自动频繁倒极的使用，为大型化的工业废水电化学处理装置解除了电极再生/活化的问题，没有了后顾之忧。

本发明还公开了一种上述的高效率的电化学废水处理装置在制水系统中的应用，其特征在于，废水水箱经工作泵、保安过滤器与所述电化学废水处理装置相连通，所述电化学废水处理装置经再生泵分别与洗水水箱、浓缩液箱相连通，所述电化学废水处理装置还通过管路与回用水水箱相连通，上述各水箱通过阀门控制管路通闭实现直接或间接与所述电化学废水处理装置的连通。

进一步地，所述电化学废水处理装置在制水系统中完成制水过程-再生过程-制水过程；

所述制水过程包括如下步骤：打开阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，启动工作泵，将废水送入电化学废水处理装置处理，由出水口的在线电导率仪检测、PLC控制，不合格的产水自阀门Ⅴ返回所述废水水箱，产水合格后，通过阀门Ⅷ将得到的工艺回用水送到回用水水箱；极水用过后，返回废水水箱；

所述再生过程包括如下步骤：

通过倒极产生浪涌电流，使得电极得以快速再生，再生完成浪涌电流消退后，暂停供电，收集浓缩液和浓洗水；

收集浓缩液，打开阀门Ⅵ、阀门Ⅸ、阀门Ⅺ、阀门XⅢ，启动再生泵，将电化学废水处理装置内的存水经过再生过程生成的浓缩液送往浓缩液箱；

收集浓洗水，打开阀门XIV、阀门Ⅶ、阀门Ⅹ、阀门XⅢ，启动再生泵，再生泵经过2-3次启动和停止，把较浓的洗水收集到浓缩液箱；

冲洗电化学废水处理装置，打开阀门XIV、阀门Ⅶ、阀门Ⅹ、阀门Ⅻ，启动再生泵，冲洗电化学废水处理装置，洗水回到洗水水箱；

上述再生过程仅需用几分钟时间即可完成，然后，再次供电，开始新一轮制水过程。

浓洗水转运和洗水水箱补水，多次使用的洗水达到洗水水箱电导率仪的设定值时，PLC控制打开阀门XIV、阀门Ⅺ、阀门XⅢ，启动再生泵，将浓洗水转送到浓缩液箱；打开阀门Ⅱ，启动工作泵，将洗水水箱补满，再生过程结束转入制水过程；

上述每个过程中，未提及的阀门均处于关闭状态，阀门Ⅰ处于打开状态。

进一步地，若废水水质较差时，设置极水水箱和极水循环泵，极水可自身循环。

众所周知，在进行电吸附试验时，为了省电，不希望在电极上发生电极反应，尽量使用较低的电压，在通常情况下，工作电压一般低于1.2V时不大可能发生水解离的电极反应，电极上看不见明显的气泡。但是为了得到更高的电吸附容量，往往会将工作电压调高一些，比如1.5V，这时气泡就会比较明显，说明电极反应已经发生了，而且在除盐率得到提高的同时，COD的去除率也同时提高了。

过去认为在电吸附过程，由于阴、阳离子分别吸附于阳、阴电极上，不能相遇，所以电吸附器不存在结垢的问题。但在实际运行中电吸附器的确有结垢的问题，那么原因是什么呢？按照电化学原理，其实正是发生了电极反应，才是结垢的根本原因。由上述，为了提高“产能-体积比”，也称为“时空产率”，所以电吸附器的工作电压一般都设定在1.4-2.0V左右。这样，就会发生电极反应，在阴极上水解离产生氢气的同时，还产生了强碱性的氢氧根离子OH^-，而阴极表面这时还吸附着局部浓度很高的Ca²⁺和Mg²⁺离子，则形成Ca(OH)₂尤其是难溶盐Mg(OH)₂的碱性结垢就成为了必然。

同理，在电化学氧化过程中，电极的结垢也因此而不可避免。而电极结垢的积累，就会直接导致电极性能的钝化，使废水处理效果降低。

应该看到，电化学废水处理装置的电耗本来就不高，提高工作电压会增加电耗，但是该增量的绝对值并不大，而装置的处理能力却能得到较大的提高，同时COD的去除能力也得以提高。如果能够彻底解决结垢这一影响较大的问题，对于装置的工业化、大型化具有积极意义。

本发明装置具有除盐和消除有机污染物的双重功能，电化学原理表明，电吸附除盐过程和电化学氧化除COD过程，都发生在固体电极与水溶液的固液两相间的界面层内，在讨论到“电吸附”过程的时候往往称为双电层。

只要给放置于水溶液中的电极通电，电吸附和电化学氧化两种过程就会都发生。实际上，正因为有了电极的电吸附作用，表面带有负电荷的COD的胶体颗粒才能到达阳极表面，才能与阳极产生的自由基接触、反应，从而被氧化、降解。

这样，使得电化学废水处理装置具有了双重的功能，设计合适的装置结构和工艺操作条件，并提供电能，就能够满足工业废水的除盐以回收水资源，并消除其中的有机污染物的要求。本发明的宗旨就是设计合适的装置结构和工艺流程及工艺操作条件。电化学废水处理装置的这一特性，正好与工业废水零排放和优质再生水提质的要求相适应。

协调两个过程满足废水处理的需要，一是常用的调控手段，由上可见，通过调节工作电压和废水的停留时间，可以在电吸附/电化学氧化的联合工况中，选择更适合于待处理废水的实际情况的操作条件，也就是电吸附和电化学氧化两个过程的分配比例；倒极操作所具备的调控能力，倒极操作也是一个较有力的调控手段，如果将倒极再生的次数减少，在电极吸附饱和后，电吸附的除盐过程就会基本上停顿下来，COD颗粒还是奔着阳极而去，这时装置的主要工作是电化学氧化。这时倒极的主要目的是消除电极的钝化，倒极的时间间隔将视具体情况而定。如果增加倒极的次数，那么电吸附的作用就会大起来，装置的产能-体积比也会同时提高，这时水室水的流速快了，水室水在电堆内停留时间减少，电化学氧化的作用就相对减少了。这两种调控手段可以相互协调，对于应对千差万别的工业废水无疑将是有力度的。三是当废水中的COD较高时，则先行电化学氧化，原来的电吸附装置对于废水中的COD有限制，比如100mg/L以下。而在本装置中，如果废水中的COD高了可以这么办：在以电吸附过程为主的电化学废水处理装置的前面，增设一台以电化学氧化过程为主的电化学废水处理装置，将COD降到100mg/L以下。这样，对于各种各样的工业废水的适应能力就要好得多。

提高装置的产能-体积比和获得高浓度的浓缩液以及装置的大型化，本发明还通过自动频繁倒极操作使装置的产能-体积比可以得到成倍地提高。

强化浓缩液回收能力的工艺流程，还能获得高浓度的废水浓缩液直接供给蒸发器，在得到化学资源的同时还节约了能源。城市污水的浓缩液可以自行处理，如要送到别处集中处理，由于浓缩液的体积仅为原再生水的百分之几，则委托处理费和运费也可随之大幅度减少。

由上可见，工业废水零排放的三项主要任务：得到工艺回用水、得到浓缩液、消除有机物污染，在本发明电化学废水处理装置中，都能够较好地完成；并且可以将再生水中残留的、难以使用普通方法去除的COD更彻底地去除。尤其是装置在工业大型化方面，完全可以满足工业废水处理的需要。可以说电化学废水处理装置是从工程化的角度解决了电化学废水处理所存在的问题，是满足工业废水处理需要的一个很好的平台。

本发明对废水处理方面节能对环境友好，具有以下优点：

1、不需设置加药系统

由于阳极上产生的具有强氧化能力的物质，只依靠电能和水来产生，所以不会对环境产生不良的影响，而且，与化学氧化法比较，可以节约药剂费和加药系统的投资。

2、预处理简单

电化学废水处理装置是一个非膜法的水除盐过程，所以对于原水的预处理要求比起膜法除盐技术来要低得多，并且抗污染性能也很强，可以节省废水预处理过程的投资和日常操作费用。

3、清洁生产

电化学废水处理装置是一种清洁的工艺过程，不使用化学药剂，对环境友好。这些优点对于促进工业废水的(趋)零排放具有积极的意义。

4、废弃的旧电极不会危害环境

经许多年使用后废弃的碳电极，对于环境也不会产生任何不良影响，这一点比各种膜法水处理的技术都要好，废弃的各种高分子材料的膜，比如纳滤膜、电渗析的离子交换膜等，在自然界中都是很难降解的。

5、金属钌钛电极的回收

使用了5年以上的金属端电极的二氧化钌涂层消耗后，则可以将其取下后重新做涂层。由图6(1)可见，拆卸端电极时，只需将端部极水室总成的电气连接螺栓与电堆夹紧端板之间的环氧树脂灌注密封使用手电钻钻掉，即可将端电极完好地取下，同时端板也不会有损伤。

以上优点是本发明对环境友好的突出长处，本发明可在废水处理领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为单极式电极堆及工作电压的示意图。

图2(1)为本发明复极式电极堆及工作电压的示意图；

图2(2)为本发明复极式电极堆及工作电压，省略端电极的极水系统的示意图。

图3为本发明布水隔板的结构示意图。

图4为本发明工作电极框、多孔板、极膜的结构示意图(三者的外形尺寸和布水通道都与图3一样，中间的部分与图3中隔板网的尺寸相同；软质的电极框中间挖空填充电极，硬质的多孔板在中间区域钻孔，极膜中间不挖空，是整体的)，图中以工作电极框为例标号。

图5(1)为本发明端电极的侧视图；

图5(2)为本发明端电极的正视图。

图6(1)为本发明端部电极室总成的部件图；

图6(2)为本发明端部电极室总成的总装图；

图6(3)为本发明电化学废水处理装置的方钢管夹紧框上下端伸出形成吊装框和起重框的结构示意图；

图6(4)为本发明电化学废水处理装置的装置面板示意图；

图6(5)为本发明电化学废水处理装置的侧面护板示意图；

图6(6)为本发明电化学废水处理装置多组并排安装的示意图。

图7为本发明电化学废水处理装置倒极过程示意图，其中：A工作状态Ⅰ；B、E进入再生程序：停电/停水/倒换直流电源极性；C、F供电/生成浪涌电流/完成再生/停电收集浓缩液/供水供电；D工作状态Ⅱ。

图8为浪涌电流的控制示意图，其中，(1)为原有的电压控制电路，工作时，使用多圈电位器g，电压值为U；(2)为改装后，在倒极时，使用多圈电位器i，电压值为(10-100％)U，倒极后之后再返回多圈电位器g。

图9为本发明倒极开关的示意图，通过装置的电流(实线)的流动方向由左向右，倒极后(虚线)，电流反向。

图10为本发明电化学废水处理装置在制水系统中的工艺流程图。

图中：1、直流电源；2、电堆夹紧端板；201、布水通道入口(即废水入口)；202、布水通道出口(即产水出口)；203、极水入口；204、极水出口；205、支撑块；206、电堆紧固螺栓孔；3、工作电极框；301、电极框体密封周边；302、布水通道；303、中空的容纳区；4、金属阳极多孔板；4’、阳极；4”、金属电极与碳电极组合；5、金属阴极多孔板；5’、阴极；6、布水隔板；601、隔板框；602、布水孔；603、隔板网；604、布水槽；7、半透性极膜；8、密封垫；9、端电极；901、电气连接螺栓；902、钛板条集流体；903、钌钛电极体；904、电极接线螺母；905、环氧树脂灌注密封体；10、方钢管夹紧框；1001、吊装框；1002、叉车起重框；11、面板；12、侧面护板；

101、废水水箱；102、工作泵；103、保安过滤器；104、电化学废水处理装置；105、再生泵；106、洗水水箱；107、浓缩液箱；108、回用水水箱；109、阀Ⅰ(废水[手动阀])；110、阀Ⅱ(洗水补水[电动阀])；111、阀Ⅲ(反应器进水[电动阀])；112、阀Ⅳ(极水进水[电动阀])；113、阀Ⅴ(不合格产水返回101水箱[电动阀])；114、阀Ⅵ(进空气[电动阀])；115、阀Ⅶ(洗水进水[电动阀])；116、阀Ⅷ(产水出水[电动阀])；117、阀Ⅸ(再生泵入口[电动阀])；118、阀Ⅹ(洗水[电动阀])；119、阀Ⅺ(浓缩液[电动阀])；120、阀Ⅻ(淡洗水[电动阀])；121、阀ⅩⅢ(浓缩液入箱[电动阀])；122、阀ⅩⅣ(洗水箱出口阀[电动阀])；123、阀ⅩⅤ(浓缩液外供[手动阀])；124、阀ⅩⅥ(工艺回用水外供[手动阀])；

a、废水；b、淡化水；c、浓缩液；d、空气；e、工作电流；f、浪涌电流；k、倒极开关；h、电源的控制盒；g、正常工作时，调整电压(流)的多圈电位器；i、调整再生时的浪涌电流幅值的多圈电位器；j、PLC控制的浪涌电流调节开关；←电流方向。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2(1)所示，一种高效率的电化学废水处理装置，包括：端部电极室总成，分为前端电极室总成和后端电极室总成，所述前端电极室总成自外向内依次包括方钢管夹紧框10、电堆夹紧端板2、密封垫8、端电极9、多孔板(金属阳极多孔板4、金属阴极多孔板5)和半透性极膜7，所述后端电极室总成自外向内的结构同所述前端电极室总成。

置于所述前端电极室总成和所述后端电极室总成之间的由百对以上的工作电极组合成的电堆，所述工作电极为复极式电极，每两个工作电极之间设有布水隔板6；电极间的极间距选在0.5mm-2.0mm时，无论是电极上的直接氧化，还是在近电极区域的间接氧化过程，都会得到强化。极间距小，则被处理的水室水的欧姆电压降-或者称为“槽电压”，可以做到很小，对于提高电流效率和降低电能消耗，都会有很大的优势。也容易得到均匀的流场。例如，单体以150-500对电极，电极有效宽度800-1500mm，则可得到处理能力可以达到10³m³/d的模块，多模块并联以提高处理能力，串联可深化处理效果。

本发明选用复极式电极是由于：单极式电极的电堆，由于电极的电气连接与均匀的水路布置相互干扰，不容易得到均匀的流场；并且由于工作电流很大，采用自动频繁倒极技术较难，由图1可见，它的阳极4’和阴极5’是与直流电源1的正极和负极直接相连，即单极式电极，并且是以阳极-阴极-阳极-阴极的电极交错的形式安装。特点是电源供出的电压是每对电极的工作电压，电源供出的电流是所有电极对工作电流的总和，即很低的工作电压和很大的工作电流，与供电系统不易协调，布水难以均匀，所以装置的工作效率低，工作电流太大，采用倒极再生的难度很大，只能采用停止供电/短接的常规方式再生，所以它的再生时间很长，导致产能-体积比小；这样的直流电源制作难度大、效率低、造价高。图9的PLC控制的倒极开关k需要很大的容量，投资、体积都大。复极式电极由于它的性能更好，在电化学工业中越来越多地被采用，比如已经大规模工业应用的氯碱工业的复极式电解槽，并且已经建立了复极式电解槽的行业标准。相对于单极式电极来说，复极式电极的电堆，除两端的端电极是单极式的，其余电极均为一面为阳极、另一面为阴极的复极形式。

这样设计的好处是，电气连接简单、制造方便、水路布水均匀、电极材料利用率高、电流通过电极的是电极厚度，电极体的欧姆压降比较小、工作电流理论上是单极式装置的1/(电极对数)。电极对数往往超百甚至数百，所以工作电流小了这么多倍，倒极的开关就很容易选择了。

如：某单极式电堆使用150电对，工作电流为1500A，电压1.6V。改用复极式工作，则有：

工作电流I＝1500÷150＝10(A)实为每一个单极式电极的工作电流

工作电压U＝1.6×150＝240(V)是所有工作电极的电压之和

可见，复极式电堆的工作电压电流都适中，这样的直流电源1价廉、易得；倒极开关k造价低、体积小、配置容易；电气接点发热少，安全、节电。

复极式电堆还有一个较大的好处是，由于工作电流适中，可以方便地采用自动频繁倒极来提高装置的产能-体积比和长期保证电极的活性。

所述前端电极室总成、所述电堆和所述后端电极室总成堆叠后通过螺杆夹紧组成一个密封性良好的电化学废水处理装置本体结构，为规整的长方体外形，所述本体结构外侧通过面板11和侧面护板12围护(如图6(3-6)所示)厂房内可以高密度布置更多装置，节省厂房的面积，方钢管夹紧框10的上部设计有吊装框1001、下部设计有叉车用的起重框1002，使得运输、安装都很方便，并且可靠、美观。起重框1002的下边框，可以防止叉车在托举设备时，发生倾覆事故。使用方钢管作为装置的总承力结构的优点很多，在设备的混凝土基座上，使用预埋的地脚螺栓将装置本体紧固好。如有必要，利用吊装框1001上沿和起重框1002下边框作为支撑，可以再上一层设备，两层之间也使用连接螺栓紧固，可以使厂房面积的利用率又提高一倍。一般可以将下层作为一级处理器，上层为二级处理器，接管可以更顺当。装置所有的外联管路，由装置面板和端板之间的空间，向上或向下引出。

如图6(1)所示，所述电堆夹紧端板2的上部设有布水通道出口202、极水出口204，下部设有极水入口203和布水通道入口201；所述电堆夹紧端板2靠近电堆的内侧设有供所述端电极9部分容纳的电极槽；所述端电极9分为上下两部分，在所述电极槽中部设有用于隔离两部分端电极的支撑块205，支撑块205间是极水流通的通道；所述电堆夹紧端板2的中上部和中下部还分别设有供所述端电极上的电气连接螺栓通过的孔；所述电堆夹紧端板2通过螺栓穿过设置在所述电堆夹紧端板2两端的电堆紧固螺栓孔206与所述方钢管夹紧框10紧固，所述端电极9的电气连接螺栓901依次穿过密封垫、设置在所述电堆夹紧端板2上的孔与电极接线螺母904固定并通过环氧树脂灌注密封体905密封；其中密封垫的厚度为3-6mm，用于容纳所述端电极，密封垫的中空结构(密封垫的结构尺寸与下述的工作电极框的结构尺寸相同)充当金属端电极的电极室，在此极水流速达到5-25m/min，满足排出垢屑的要求。

如图5(1)，5(2)所示，所述端电极9使用金属电极，所述端电极9的电极本体采用丝式或网式的钌钛电极体903焊接于钛板条集流体902上，所述电气连接螺栓901设置于所述钛板条集流体902中部；所述工作电极使用具有三维结构、多微孔、孔径为2-50nm的纤维状或颗粒状活性炭及其制品，简称为碳电极及其制品，所述工作电极四周用工作电极框3限定，所述工作电极框的厚度与所述工作电极的厚度相适应为0.5-6mm，(如图4所示)所述工作电极框3包括电极框体密封周边301、设置在电极框体密封周边两端的布水通道302及中空的容纳区303。

碳电极的微孔面积很大，但是有近一小半的面积无法参与工作，原因是孔径＜2nm的微孔内由于无法建立双电层而不能利用。自动频繁倒极的过程产生的浪涌电流，会使得这些微孔在·OH强烈的氧化腐蚀作用下，从而一点一点地得到扩张，得到孔径为2-50nm的中孔而投入工作，从而使得装置的生产能力也逐步提高；另外，活性炭还会有一些表面被疏水性的物质覆盖，比如生产活性炭活化过程中没有彻底去除的焦油，浪涌电流可以氧化这些物质，增强碳电极表面的亲水性，提高处理能力。

在装置投入使用前，可以使用较高的浪涌电流的方法“二次活化”碳电极，而在日常工作中，也可以不断地得到活化，保持并强化装置的处理能力。利用倒极操作可使得所有电极的双面都能得到活化。

由于要倒极操作，电极在工作中既要做阳极又要做阴极使用，装置两端的金属电极都使用已经大量工业应用的钛涂钌电极，而工作电极都使用上述相同的不溶性三维碳电极。

为使金属电极长期稳定运行，最好设置独立的极水循环。为了防止电极室断水影响安全，极水都是由下向上流动的，使电极室会有存水，与工作电极的水室水相同，这样除了能保证布水均匀外，还可以防止气体聚集使电极的有效面积不能全部参与工作和可能产生的气体爆鸣毁坏设备。极水的用量少，一般极水用量为0.5-1.5m³/h左右，就可以满足极水流速大于5-25m/min，足以排出垢屑的要求。大多数情况下也可以直接使用原废水。

当处理的废水结垢物质和有机污染物较少、胶体和悬浮物也较少的时候，则图2(1)可以改为如图2(2)所示的形式，省略金属电极的极水系统，以简化装置结构，由图2(2)可见电堆两端的单极性工作电极直接与金属电极紧密贴合在一起，即金属电极与碳电极组合4”。具有图2(1)的大部分优点，但只局限于原废水水质较好的场合。优点是省掉了极水室，也就省掉了多孔板和极膜，装置得以简化。

如图4所示，所述多孔板4的结构尺寸同所述工作电极框3，包括多孔板密封周边、设置在所述多孔板密封周边两端的多孔板布水通道及中部的钻孔区，所述孔径为8mm-13mm，孔间距10mm-15mm，多孔板4采用厚度5mm-10mm硬质高分子板材制成；在安装紧固时，所述多孔板的长度方向的正中抵于所述支撑块205上，开孔率提高到了50-60％，减少了端电极室及孔板的欧姆电压降，对节电有利，所述半透性极膜7的结构尺寸同所述工作电极框3，包括整张极膜本体和设置在所述极膜本体两端的极膜布水通道。为了保证电流通道的畅通，在金属端电极室与电堆之间设置了多孔板4和半透性极膜7，多孔板4是沟通金属端电极9和装置电堆的电流通道，支撑电堆，并且还使用了半透性极膜7将端电极室的极水与电堆内的水室水隔离开，同时它与装置的工作电极框3、布水隔板6一起，保证了电堆的整体性和密封性。

如图3所示，所述布水隔板6的隔板厚度一般为0.5mm-2.0mm，所述布水隔板6包括隔板框601、设置在所述隔板框601两端的布水孔602和设置在中部的隔板网603，所述隔板网603通过布水槽604与所述布水孔602相通，硬质的隔板框601与软质的工作电极框3一起构成了水室的密封周边，保证了水室水不外漏，并与端电极室总成一起，由夹紧装置形成电堆。隔板网603的设置可以方便地在水室中的作为扰流网，使得在较低的流速下也可以破坏对于传质非常不利的层流流态，而转变成过渡流流态，大大强化了传质过程，极大地提高了电化学反应的速度及反应的彻底性。

布水隔板6的作用如下：作为电对之间的绝缘、隔离物和支撑物；形成水室，布水隔板6与工作电极一起构成了液流通道即形成了水室，使水室水按规定的方向流动；避免湍流，水室水也要防止流速太快形成湍流，湍流会导致水力压降过大，造成水泵动力消耗增加；也会对碳电极形成强烈的冲刷，导致其早期损坏；而过高的流速对于提高传质效率的贡献不大，水室水的流速一般在0.6-5m/min比较合适；隔板的水阻，就是由布水孔602和布水槽604及隔板网603组合，形成一个稳定的、均匀分布的水流流场。布水孔602和布水槽604的尺寸，可以根据处理水量，根据流体力学相关的计算公式来计算得到。每台装置的水路压降一般为0.02-0.06MPa，主要是隔板网603的水阻。在常用的2-3级的处理流程中，水泵扬程一般选择为12-20m即可。可以选择优点较多的轻型立式泵，耗电省、寿命长；减少水室的欧姆电压降。

所述电化学废水处理装置在常温常压的条件下工作，本体结构材料使用耐腐蚀和绝缘性能良好的合成高分子材料，采用硬聚氯乙烯板材或者抗氧化能力更强的含氟材料。

实施例2

如图7所示，一种上述的高效率的电化学废水处理装置的控制方法，所述电化学废水处理装置通过自动频繁倒极操作提高产能-体积比和长期保持电极活性，包括如下步骤：

通过PLC控制完成，先停止供电和供水，将等待再生/活化的电极的供电的极性反接，然后供电，电堆的双电层电容性充电电压与倒极后的直流电源的电压形成串联，共同对电堆内的水体放电，并形成较强的、幅值可控的浪涌电流，浪涌电流的流动方向与倒极前的工作电流流向相反，与倒极完成后的工作电流流向相同；就像普通电容使用电源充电，再把充好电的电容，反过来再接到电源上的结果是一样的。待电容放完了电以后，又会被直流电源用与电化学废水处理装置原来相反的极性充电，工作电流恢复正常，暂停供电，先排浓缩液，再经水洗后，供电供水投入循环工作。

下面详述一下倒极操作的用途及控制要点：

1.倒极操作的用途

1)缩短再生时间

对于电化学废水处理装置的再生所耗费的时间，即再生耗时可由原来不倒极的长达工作时间的17-50％，减少到5-10％。可以较大幅度地提高了电化学废水处理装置的产能-体积比，一般可以提高2-4倍。

2)再生和解除污堵都很彻底，工作电极的活性得以恢复并可长期保持，有利于装置长期稳定运行。

3)由于倒极操作，得到了高浓度的废水浓缩液，可以大幅度地减少后续的蒸发-结晶工艺过程的投资和能耗。

4)提高对于有机污染物去除效果和微生物的杀灭效果。

5)免除了工作电极的酸洗，节省了日常操作费用，避免了酸洗过程对于环境的不良影响。

2.倒极操作的过程及其长处

由图7可见，电化学废水处理装置的工作状态，设定是从A工作状态开始，经过B、C的倒极暂态过程，进入D的工作状态；下一个倒极过程，是由D的工作状态，经过E、F的倒极暂态过程，又回到A的工作状态，如此周而复始。图中a、废水；b、淡化水；c、浓缩液；d、空气；e、工作电流；f、浪涌电流。

1)倒极周期

根据吸附饱和的时间长度和废水水质和产水水质的要求，如COD的种类和浓度等具体情况，倒极周期一般设计为电极吸附饱和时间的65-95％，或者是电化学氧化的速率明显下降之前。

2)倒极时，先停止供电和供水。

3)然后倒换工作电极的供电的极性，见图7之B、E状态。

供电的极性倒换后，接着使用正常工作电压的10-100％的电压-可以一步也可以分几步，来给电化学废水处理装置供电，调整该电压，就可以控制浪涌电流的幅值和持续时间。

只需按照图8，在直流电源的控制盒h内增设一个调整再生时的浪涌电流幅值的多圈电位器i和PLC控制的浪涌电流调节开关j，倒极时PLC将开关j切换到i导通，浪涌电流得以控制，倒极完成后再切换到工作电流控制的多圈电位器g，通过PLC控制，由多圈电位器g转换到的多圈电位器i即可调整和控制浪涌电流的幅值。

正常工作时，电流的方向由PLC控制，在倒极时也由PLC来完成倒向，见图9，工作状态Ⅰ电化学废水处理装置104的供电极性左为正，倒极时，停电停水，倒极开关k在PLC的控制下，将电化学废水处理装置104的左侧变为了负，与电化学废水处理装置104的电容性储存的电能，也就是吸附的离子形成的电动势相叠加，产生了浪涌电流，强化再生过程，电容放电完后，也就是再生完成后，浪涌电流的幅值回落到工作电流的水平，停电，回收浓缩液，再次供水并供电，则电化学废水处理装置104进入工作状态Ⅱ。

4)这时，仍然不要供水(电化学废水处理装置体内有存水)。

不供水的目的有二：一是希望再生下来的盐类离子形成高浓度的浓缩液而不被反洗水稀释；二是因为在静止的水体中传质效果很不好，从而可以最大限度地防止发生反向电吸附而使得再生不彻底。

5)浪涌电流的产生

这时装置两个端电极之间的电压值等于电源电压与装置原双电层电容电压之和，见图7之C和F，串连在一起共同对电化学废水处理装置工作电极之间的水体放电，即图7之C、F状态，从而形成浪涌电流；

待电容放完了电以后，又会被直流电源用与电化学废水处理装置原来相反的极性充电，即电化学废水处理装置的原阳极变阴极，原阴极变阳极，再次与直流电源的极性保持一致，处于电化学废水处理装置双电层电容充电状态见图7之D、A工作状态；

6)浪涌电流强度控制

在电化学废水处理装置的双电层电容通过与电源电压叠加对水体放电时，根据所处理的水质不同和在第3)步所提供的电压也不同，就会产生一个是工作电流的1.2-5倍的可调的浪涌电流。它使得电化学废水处理装置工作电极电位提高后，发生强烈的电极反应。其阳极产生多种自由基和H⁺，使界面层中的水呈酸性；阴极产生具有很强还原能力的新生态的氢和OH^－，致使界面层中的水呈碱性。

由于倒极操作，使得同一个工作电极，在不同的时间段，分别处于酸性或碱性的交替环境，这种酸碱环境的不断转换，再加上阳极上产生的强氧化性的自由基的作用，对于清除电极上的结垢等导致钝化的因素有很好的作用。

3.倒极浪涌电流的有益效果归纳

由前所述，浪涌电流的幅值和持续时间都是可调的，根据废水水质和种类的具体情况来调整。如图8、图9所示。

1)加速再生，提高产能-体积比

这个与倒极前工作电流方向相反的浪涌电流，迫使离子迅速脱离原来吸附它们的电极，同时工作电极也得到快速而彻底的再生。再生耗时由原来吸附工作周期的17-50％，减少到5-10％。

这样，装置的产能-体积比，也就是同样一台电化学废水处理装置的生产能力可以提高到2-4倍。

比如，有一台电化学废水处理装置处理某废水，在处理能力为10m³/h时，1小时吸附饱和，然后再生0.5小时，合计1.5小时，即90min。

由于倒极操作将再生时间大大缩短，所以将处理能力提高到20m³/h时，0.5小时(处理了10m³废水)吸附饱和，倒极后再生过程3min完成，合计33min，就再次投入电化学废水处理过程，生产能力提高到[1/(33÷90)＝]2.7倍。处理不同的废水还可以将工作时间，即倒极周期减少到15-20min，则产能-体积比可以进一步提高，甚至可以达到4倍。

2)清除电极结垢

此时电极原来的正负极性已经换位，新阳极的电极反应会生成H⁺。pH值的这－变化，是清除倒极前，作为阴极时电极上产生的碱性结垢的强有力的手段，也就避免了化学酸洗对于环境的影响及其花费。

3)硫酸钙垢的清除

再生不彻底或处理高浓度CaSO₄的废水会生成硫酸钙结垢。

对于使用常规的酸洗无效的CaSO₄结垢，采用倒极来清理是唯一的办法。根据实际浓度，调整倒极操作的频率，使CaSO₄在刚刚形成晶核时就倒极，防止其长大形成垢层，成为运行障碍。

结垢物质从晶核长大形成垢层，一般需要30-60min，如果将倒极周期设定于30min以内，结垢就不会形成运行的障碍，也不会在装置内积累，可以在工程调试期内，观察工作电压的升高值来具体确定倒极周期。

4)提高COD去除率

浪涌电流的冲击还会在阳极上产生更多的、化学活性极高的羟基自由基·OH，通过与有机物污染物之间发生加合、取代和电子转移等反应，将吸附在工作电极上的各种油类、COD、胶体颗粒更彻底地氧化、降解、矿化掉，提高COD的消除效果。COD的去除率可以提高到1.3-1.8倍，由原来不倒极的50％左右，可以提高到60-80％，已经可以满足工业废水去除COD的要求。COD消除得更彻底的同时，也使得工作电极活性得到更彻底地恢复。

5)浪涌电流可以彻底清除倒极前覆盖在电极表面上的粘质的电化学氧化的中间产物，恢复电极活性。

6)对于微生物的抑制和杀灭的效果也很显著，防止菌膜的生成。

7)吹除软泥和粘质物

浪涌电流引起的电极反应，还可以使工作电极微孔中产生微气泡，吹除微孔中原来吸着的软泥和粘质物，微孔表面得以更新，重新参与电化学废水处理装置工作。

这一点，对于电化学废水处理装置应对在工业废水和再生水中普遍存在的软泥和粘质物时，也很重要。所以，浪涌电流对于提高装置的产能-体积比、解除和防止工作电极钝化，保持较高的电极活性，是很有利的。

4.浪涌电流的调整和回落

1)根据废水水质调整浪涌电流

可以通过调整倒极时供给的电源电压，从而调整浪涌电流的大小和持续时间。以满足多种使用场合的需要，更适应于工业废水量大面广、水质千差万别的实际情况。

2)这个浪涌电流来自装置的双电层电容放电，一般会持续5-50s，放电后自动再进入反向充电，就会自行回落而消失。所以它是短暂的、收敛的，而不是发散的，也就不会导致电源和装置的损伤。

5.浪涌电流过后，工作电流恢复正常，准备供水

1)收集浓缩液

在正式供水之前，暂时停止供电，先将装置出水口处的通大气的电动阀打开，如图7之C和F，如图10所示，进空气用的阀门VI114，将其体内再生得到的高浓度浓缩液收集起来送往浓缩液箱107，供给废水浓缩器和蒸发器使用；然后再使用原(洗)水少量多次的、自上而下地冲洗一下，如图7之C和F，也另外收集，以便下次再用，多次使用后，待其浓度达到浓缩液的要求，转送到浓缩液箱107，再补入新的原水。

2)正式供水和供电

使用少量的原(洗)水冲洗之后，改由自下而上的工作方式供水，如图7中的C－D和F－A过程的转换，然后继续供水，同时，将供电电压调节到正常工作电压，如图8之多圈电位器i转回到多圈电位器g。(结合下述的制水系统，如图10所示)

待电导率仪的电导率指示数值开始下降时，说明电化学废水处理装置开始了新一轮的、电极极性与上一轮的极性相反的但效果相同的除盐、除COD的过程了。

再如，装置体内存水约100L，处理的废水浓度5000mg/L、处理水量6000L，得到的浓缩液浓度为(未计入淡化水带走的盐)：

(5000÷1000)÷(100÷6000)＝300(g/L)

在使用原(洗)水冲洗两、三次后，得到的浓缩液浓度接近200g/L，可以直接供入蒸发器。

相比较，没有倒极操作时，会为再生洗水太多发愁，收集浓缩液和浓洗水之后，不但没有了反洗水，并且每次再生还减少了150L转化成为浓缩液的待处理水量。

这时的水收率为：

[(6000-150)÷6000]×100％＝97.5％，即浓缩液的体积只有原废水的2.5％。

3)将这期间不合格的水送往废水水箱101；

4)当产水合格后，改送往回用水水箱108。

5)快速再生

以上整个再生过程一般在0.5-3min内完成，是原来不倒极的再生时间的1/15-1/20。

6.倒极过程的自动控制

倒极操作过程看似比较复杂，但对于使用可编程控制器PLC的装置来说，则很容易自动完成各步操作，不需要人工介入。

7.水收率得到提高

不倒极的装置的水收率一般只有75％左右。而倒极操作这种方法的水收率可以达到90-98％，节省再生冲洗用水。若原废水浓度为0.5％，那么其浓水浓度则可以达到12-20％，这对于后续的蒸发-结晶过程的节能，是很有益处的。

在各种蒸发器中，热泵蒸发器，简称MVR的能耗是目前最低的。它的能耗主要是离心蒸汽压缩机和循环泵电机用电。由于原废水的性质差异很大，以及蒸汽压缩机的设计、制造水平的差异等等，蒸发每吨水的电耗需要23-70kWh/m³。电化学废水处理装置的单位能耗仅为MVR的10-30％左右，所以为获得浓度更高的浓缩液是值得下功夫的，可以为用户节省许多操作费用。

8.提高产能-体积比

倒极操作还带来一个很大的好处，就是可以提高电化学废水处理装置的产能-体积比，因此工程的投资可以大幅度地降低，这对于废水零排放和优质再生水的生产，将具有极大的促进作用。

总之，倒极的浪涌电流加速了再生/活化过程、提高了产能-体积比，保证了电极活性的长久性。由于＜2nm的微孔逐步扩张和电极表面亲水性的逐步提高，所以在相当长的一段时间内，装置的生产能力是逐步得到提高的。

由上可见，本发明的装置对于工业废水和城市污水具有很强的适应能力。

对于其它方面的应用，如苦咸水除盐、工业水软化、海水淡化，也都有较强的实用价值。

实施例3

如图10所示，一种上述的高效率的电化学废水处理装置在制水系统中的应用，废水水箱101经工作泵102、保安过滤器103与所述电化学废水处理装置104相连通，所述电化学废水处理装置104经再生泵105分别与洗水水箱106、浓缩液箱107相连通，所述电化学废水处理装置104还通过管路与回用水水箱108相连通，上述各水箱通过阀门控制管路通闭实现直接或间接与所述电化学废水处理装置104的连通。

所述电化学废水处理装置104在制水系统中完成制水过程-再生过程-制水过程；

所述制水过程包括如下步骤：打开阀门Ⅲ111(反应器进水[电动阀])、阀门Ⅳ112(极水进水[电动阀])，启动工作泵102，将废水送入电化学废水处理装置104处理，由出水口的在线电导率仪检测、PLC控制，不合格的产水自阀门Ⅴ113(不合格产水返回101水箱[电动阀])返回所述废水水箱101，产水合格后，通过阀门Ⅷ116(产水出水[电动阀])将得到的工艺回用水送到回用水水箱108，回用水通过阀门XⅥ124(工艺回用水外供[手动阀])与后续设备相连；极水用过后，返回废水水箱101；

所述再生过程包括如下步骤：

通过倒极产生浪涌电流，使得电极得以快速再生，再生完成浪涌电流消退后，暂停供电，收集浓缩液和浓洗水；

收集浓缩液，打开阀门VI114(进空气[电动阀])、阀门Ⅸ117(再生泵入口[电动阀])、阀门Ⅺ119(浓缩液[电动阀])、阀门XⅢ121(浓缩液入箱[电动阀])，启动再生泵105，将电化学废水处理装置104内的存水经过再生过程生成的浓缩液送往浓缩液箱107；

收集浓洗水，打开阀门XIV122(洗水箱出口阀[电动阀])、阀门Ⅶ115(洗水进水[电动阀])、阀门Ⅹ118(洗水[电动阀])、阀门XⅢ121(浓缩液入箱[电动阀])，启动再生泵105，再生泵105经过2-3次启动和停止，把较浓的洗水收集到浓缩液箱107，浓缩液通过阀门XV123(浓缩液外供[手动阀])与后续设备相连；

冲洗电化学废水处理装置104，打开阀门XIV122(洗水箱出口阀[电动阀])、阀门Ⅶ115(洗水进水[电动阀])、阀门Ⅹ118(洗水[电动阀])、阀门Ⅻ120(淡洗水[电动阀])，启动再生泵105，冲洗电化学废水处理装置104，洗水回到洗水水箱106；

上述再生过程仅需用几分钟时间即可完成，然后，再次供电，开始新一轮制水过程。

浓洗水转运和洗水水箱106补水，多次使用的洗水达到洗水水箱106电导率仪的设定值时，PLC控制打开阀门XIV122(洗水箱出口阀[电动阀])、阀门Ⅺ119(浓缩液[电动阀])、阀门XⅢ121(浓缩液入箱[电动阀])，启动再生泵105，将浓洗水转送到浓缩液箱107；打开阀门Ⅱ110(洗水补水[电动阀])，启动工作泵102，将洗水水箱106补满，再生过程结束转入制水过程；

上述每个过程中，未提及的阀门均处于关闭状态，阀门Ⅰ109处于打开状态。若废水水质较差时，设置极水水箱和极水循环泵，极水可单独自身循环。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高效率的电化学废水处理装置，其特征在于，包括：

端部电极室总成，分为前端电极室总成和后端电极室总成，所述前端电极室总成自外向内依次包括方钢管夹紧框、电堆夹紧端板、密封垫、端电极、多孔板和半透性极膜，所述后端电极室总成自外向内的结构同所述前端电极室总成；

置于所述前端电极室总成和所述后端电极室总成之间的由多对工作电极组合成的电堆，所述工作电极为复极式电极，每两个工作电极之间设有布水隔板；

所述前端电极室总成、所述电堆和所述后端电极室总成堆叠后通过螺杆夹紧组成一个密封性良好的电化学废水处理装置本体结构，所述本体结构外侧通过面板和侧面护板围护，所述电化学废水处理装置在使用时与直流电源相通。

2.根据权利要求1所述的高效率的电化学废水处理装置，其特征在于，所述电堆夹紧端板的上部设有布水通道出口、极水出口，下部设有极水入口和布水通道入口；所述电堆夹紧端板靠近电堆的内侧设有供所述端电极部分容纳的电极槽；所述端电极分为上下两部分，在所述电极槽中部设有用于隔离两部分端电极的支撑块；所述电堆夹紧端板的中上部和中下部还分别设有供所述端电极上的电气连接螺栓通过的孔；所述电堆夹紧端板通过螺栓穿过设置在所述电堆夹紧端板两端的电堆紧固螺栓孔与所述方钢管夹紧框紧固，所述端电极的电气连接螺栓依次穿过密封垫、设置在所述电堆夹紧端板上的孔与电极接线螺母固定并密封，其中，密封垫的厚度为3-6mm用于容纳所述端电极，极水流速达到5-25m/min，以满足排出垢屑的要求。

3.根据权利要求2所述的高效率的电化学废水处理装置，其特征在于，所述端电极使用金属电极，所述端电极的电极本体采用丝式或网式的钌钛电极体焊接于钛板条集流体上，所述电气连接螺栓设置于所述钛板条集流体中部；所述工作电极使用具有三维结构、多微孔、孔径为2-50nm的纤维状或颗粒状的活性炭及其制品，所述工作电极四周用工作电极框限定，所述工作电极框的厚度与所述工作电极的厚度相适应为0.5-6mm，所述工作电极框包括电极框体密封周边、设置在电极框体密封周边两端的布水通道及中空的容纳区。

4.根据权利要求3所述的高效率的电化学废水处理装置，其特征在于，所述多孔板的结构尺寸同所述工作电极框，包括多孔板密封周边、设置在所述多孔板密封周边两端的多孔板布水通道及中部的钻孔区，所述孔径为8mm-13mm，孔间距10mm-15mm；在安装紧固时，所述多孔板的长度方向的正中抵于所述支撑块上；所述半透性极膜的结构尺寸同所述工作电极框，包括整张极膜本体和设置在所述极膜本体两端的极膜布水通道。

5.根据权利要求3所述的高效率的电化学废水处理装置，其特征在于，所述布水隔板的隔板厚度为0.5mm-2.0mm，所述布水隔板包括隔板框、设置在所述隔板框两端的布水孔和设置在中部的隔板网，所述隔板网通过布水槽与所述布水孔相通，硬质的隔板框与软质的工作电极框一起构成了水室的密封周边。

6.根据权利要求1所述的高效率的电化学废水处理装置，其特征在于，所述电化学废水处理装置在常温常压的条件下工作，本体结构材料使用耐腐蚀和绝缘性能良好的合成高分子材料，采用硬聚氯乙烯板材或者抗氧化能力更强的含氟材料。

7.一种权利要求1-6任意权利要求所述的高效率的电化学废水处理装置的控制方法，其特征在于，所述电化学废水处理装置通过自动频繁倒极操作提高产能-体积比和长期保持电极活性，包括如下步骤：

将等待再生/活化的电极的供电的极性反接，通过PLC控制完成；先停止供电和供水，电堆的双电层电容性充电电压与倒极后的直流电源的电压形成串联，共同对电堆放电形成较强的、大小可控的浪涌电流，浪涌电流的流动方向与倒极前的工作电流流向相反，与倒极完成后的工作电流流向相同；待电容放完了电以后，又会被直流电源用与电化学废水处理装置原来相反的极性充电，工作电流恢复正常，暂停供电，先排浓缩液，再经水洗后，供水供电投入循环工作。

8.一种权利要求1-6任意权利要求所述的高效率的电化学废水处理装置在制水系统中的应用，其特征在于，废水水箱经工作泵、保安过滤器与所述电化学废水处理装置相连通，所述电化学废水处理装置经再生泵分别与洗水水箱、浓缩液箱相连通，所述电化学废水处理装置还通过管路与回用水水箱相连通，上述各水箱通过阀门控制管路通闭实现直接或间接与所述电化学废水处理装置的连通。

9.根据权利要求8所述的高效率的电化学废水处理装置的应用，其特征在于，所述电化学废水处理装置在制水系统中完成制水过程-再生过程-制水过程；

所述制水过程包括如下步骤：打开反应器进水阀门Ⅲ、极水进水阀门Ⅳ，启动工作泵，将废水送入电化学废水处理装置处理，由出水口的在线电导率仪检测、PLC控制，不合格的产水自不合格产水返回水箱阀门Ⅴ返回所述废水水箱，产水合格后，通过产水出水阀门Ⅷ将得到的工艺回用水送到回用水水箱，回用水通过工艺回用水外供阀门XⅥ与后续设备相连；极水用过后，返回废水水箱；

所述再生过程包括如下步骤：

通过倒极产生浪涌电流，使得电极得以快速再生，再生完成浪涌电流消退后，暂停供电，收集浓缩液和浓洗水；

收集浓缩液，打开进空气阀门Ⅵ、再生泵入口阀门Ⅸ、浓缩液阀门Ⅺ、浓缩液入箱阀门XⅢ，启动再生泵，将电化学废水处理装置内的存水经过再生过程生成的浓缩液送往浓缩液箱；

收集浓洗水，打开洗水箱出口阀门XIV、洗水进水阀门Ⅶ、洗水阀门Ⅹ、浓缩液入箱阀门XⅢ，启动再生泵，再生泵经过2-3次启动和停止，把较浓的洗水收集到浓缩液箱，浓缩液通过浓缩液外供阀门XV（ 123） 与后续设备相连；

冲洗电化学废水处理装置，打开洗水箱出口阀门XIV、洗水进水阀门Ⅶ、洗水阀门Ⅹ、淡洗水阀门Ⅻ，启动再生泵，冲洗电化学废水处理装置，洗水回到洗水水箱；

上述再生过程完成后，再次供电，开始新一轮制水过程；

浓洗水转运和洗水水箱补水，多次使用的洗水达到洗水水箱电导率仪的设定值时，PLC控制打开洗水箱出口阀阀门XIV、浓缩液阀门Ⅺ、浓缩液入箱阀门XⅢ，启动再生泵，将浓洗水转送到浓缩液箱；打开洗水补水阀门Ⅱ，启动工作泵，将洗水水箱补满，再生过程结束转入制水过程；

上述每个过程中，未提及的阀门均处于关闭状态，设置在废水水箱和工作泵之间的废水阀门Ⅰ处于打开状态。

10.根据权利要求9所述的高效率的电化学废水处理装置的应用，其特征在于，若废水水质较差时，设置极水水箱和极水循环泵，极水可自身循环。