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焦化廢水電催化氧化法水處理裝備設(shè)計(jì)與調(diào)試

基于電催化氧化法處理污水的反應(yīng)機(jī)理，研究反應(yīng)器電極材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、反應(yīng)器組與電源之間的連接，反應(yīng)器的電源、電氣控制系統(tǒng)的操作；通過(guò)計(jì)算總結(jié)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、組合與電源之間的配套及連接關(guān)系，論證電催化氧化法在焦化污水處理中的應(yīng)用效果。

焦化廢水是原煤高溫干餾、煤氣凈化和化學(xué)產(chǎn)品回收精制過(guò)程中各工序產(chǎn)生的一種有毒有害、難降解的高濃度有機(jī)廢水，主要含有酚類化合物、雜環(huán)化合物、多環(huán)芳烴、氨氮、硫化物、氰化物等，具有有機(jī)污染物濃度高、可生化性差、毒性大等特點(diǎn)。

一、電催化氧化原理

電催化氧化技術(shù)是利用具有良好催化性能的金屬氧化物材料作為電極，在外加電壓下，氧化污水中的污染物，使污染物降解的技術(shù)。該技術(shù)可分為在陽(yáng)極表面及附近的直接氧化和遠(yuǎn)離電極表面的間接氧化。

1.直接氧化。直接氧化是將在陽(yáng)極表面的污染物氧化轉(zhuǎn)化成毒性較小的物質(zhì)及發(fā)生有機(jī)物無(wú)機(jī)化，羥基自由基能無(wú)選擇地直接與廢水中的有機(jī)物反應(yīng)，從而使許多有機(jī)污染物分解為CO 2或其他簡(jiǎn)單化合物，不會(huì)或很少產(chǎn)生二次污染。

2.間接氧化。間接氧化則是通過(guò)陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)將水溶液中含有的大量Cl-氧化，產(chǎn)生各種含氯的氧化劑，如氯氣、次氯酸和次氯酸根等媒介，在遠(yuǎn)離電極表面的反應(yīng)罐氧化污染物。

二、裝備設(shè)計(jì)

1.反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（1）反應(yīng)器組件。合理的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)是污水處理重要的一環(huán)，反應(yīng)器由陰陽(yáng)電極板、絕緣螺桿（帽）、絕緣填料、防水材料、外套等組成。陽(yáng)極接控制電源的正極，陰極接控制電源的負(fù)極，污水中要被處理的物質(zhì)一部分在陽(yáng)極和陰極表面直接被氧化和還原，一部分被電催化產(chǎn)生的中間體氧化；絕緣螺桿（帽）起固定電極和導(dǎo)流作用；絕緣填料固定電極板防止短路且保持水流暢通；防水材料密封電氣連接處裸露部分；外套保護(hù)反應(yīng)器并起支撐定位作用。（2）反應(yīng)器組件材料。陽(yáng)極采用鈦基涂膜網(wǎng)狀無(wú)損電極，因在電化學(xué)反應(yīng)池中其他材料做陽(yáng)極會(huì)被溶解，陰極常規(guī)狀態(tài)下采用不銹鋼板狀或網(wǎng)狀電極，為保持陰極不粘垢，處理器設(shè)計(jì)有直流反擊（交換正負(fù)極）的情況下陰極材料也是鈦基涂膜網(wǎng)；電極連接螺栓用陽(yáng)極材料加工，因?yàn)檫B接陽(yáng)極的螺栓本身等效陽(yáng)極，連接陰極的螺栓在電流反擊時(shí)也充當(dāng)陽(yáng)極；絕緣填料采用過(guò)水性好的工程絕緣塑料；防水材料采用耐腐蝕的固態(tài)填充膠；外套采用絕緣、抗腐蝕性的材料。（3）反應(yīng)器組裝。電極組是相對(duì)固定的結(jié)構(gòu)，利用鈦基無(wú)損螺栓、絕緣材料和防水材料將電極片組裝成復(fù)合電極，陰極、陽(yáng)極交互排列，之間用厚度≤3 mm的塑料網(wǎng)隔離和定位，然后用絕緣螺桿（螺帽）固定，形成復(fù)合電極，把復(fù)合電極安放在制作好的反應(yīng)器外套中，陰、陽(yáng)極各用4×40 mm 2的敷鈦銅排集中連接，再連接受電電纜，固定好外套，反應(yīng)器完成組裝（圖1）。

2.受電電纜設(shè)計(jì)。反應(yīng)器的陽(yáng)、陰極各連接2根受電電纜，在大電流電路中，相比1根電纜，2根對(duì)稱受電電纜使螺栓分流更均勻，避免局部發(fā)熱，同時(shí)面積更小的2根電纜更加柔性，便于與子母排連接和接法調(diào)整。電纜的截面積大小與反應(yīng)器的功率相關(guān)，1個(gè)本反應(yīng)器使用功率9 kW，其工作電流1000 A（實(shí)驗(yàn)測(cè)量電壓為9 V）；若全功率受電，1個(gè)反應(yīng)器工作電流＞1150 A，此時(shí)電壓為10 V，從銅電纜載流量和截面積關(guān)系查知，應(yīng)選擇2根24 mm 2的多股銅電纜，長(zhǎng)度合適，做好接頭。

3.導(dǎo)電銅排設(shè)計(jì)。導(dǎo)電銅排的作用是將高頻開關(guān)電源的能量輸送到反應(yīng)器，因此傳輸效率特別重要，也就是熱功損失越少越好。由于本次污水處理難度較大，高頻開關(guān)電源的短路電流設(shè)計(jì)為4000 A，正常使用時(shí)（1750～2650）A，結(jié)合輸電距離短及銅排載流量和截面積關(guān)系查表，選擇120×12 mm 2截面積的銅排比較合適。

4.電源設(shè)計(jì)。從占地面積、重量、效率、造價(jià)等方面綜合考慮，采用高頻開關(guān)電源比較合適，為抗擊大電流和滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的需要，設(shè)計(jì)120 kW，4000 A的高頻開關(guān)電源，高頻脈沖方式更適合催化電解，穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度高，效率高，重量輕，體積小，對(duì)電網(wǎng)干擾小，紋波低，可靠性高，有多種保護(hù)電路，操作維護(hù)簡(jiǎn)便。

5.反應(yīng)器輸入電源自動(dòng)換向設(shè)計(jì)。在電化學(xué)反應(yīng)池中，水體里的Ca 2+，Mg 2+將向陰極移動(dòng)，導(dǎo)致陰極板結(jié)垢影響水處理效果，從工業(yè)循環(huán)水除垢經(jīng)驗(yàn)得知，只要反應(yīng)器的極性互換，陰極結(jié)垢就會(huì)被清除，清除干凈后立刻換向，又進(jìn)入正常處理狀態(tài)，

6.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用就地控制和PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）中央控制相結(jié)合。就地控制柜放置現(xiàn)場(chǎng)，有電氣操作、信號(hào)顯示及遠(yuǎn)程接口部分，便于操作人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)操作運(yùn)行和觀察；PLC控制柜放置在電控室，操作人員可以實(shí)時(shí)調(diào)控運(yùn)行狀態(tài)和感知現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行電參數(shù)，人機(jī)對(duì)話；另外，水處理現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)配置影像監(jiān)控系統(tǒng)，電控室操作人員實(shí)時(shí)感知運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的情況。

三、運(yùn)行調(diào)試

檢驗(yàn)裝備處理功效主要通過(guò)檢驗(yàn)處理后水中COD，該廠要求COD≤80 mg/l甚至≤50 mg/l，主要看反應(yīng)器使用的數(shù)量、連接方式，達(dá)到電源效率最高。

1.反應(yīng)器全并聯(lián)。電壓從0調(diào)到6 V時(shí)，總電流從0上升到4000 A，趨向于

短路狀態(tài)，反應(yīng)器獲得的電功率較小。U=6 V，I=4000 A，R總=0.0015Ω，L=4 mm，U損=1 V，I 1=500 A，M=20，S 1=1500 cm 2，S總=30 000 cm 2，有功功率P=20 kW，P 1=2.5 kW，P總=24 kW，η=16.67 mA/cm 2，n%=51。其中，R總為系統(tǒng)反應(yīng)器載水狀態(tài)下的總電阻，L為電極間距，U損為線路損失電壓，I 1為1臺(tái)反應(yīng)器工作電流，M為反應(yīng)器狹縫平行板電場(chǎng)的數(shù)量，S 1為電極片單面的面積，S總為有效電極總面積，P為系統(tǒng)消耗有效功率，P 1為一臺(tái)反應(yīng)器功率，P總為系統(tǒng)消耗總功率，η為陽(yáng)極電流密度，n%為COD降解率，U，I，P均為直流電壓、電流、功率。

2.反應(yīng)器全串聯(lián)。全串聯(lián)情況下，處理器等效阻抗最大，電流最小，電壓調(diào)到30.1 V（最大）時(shí)，電流I總＜500 A，P總＜15.05 kW，負(fù)載輕，電源輸出功率小，實(shí)測(cè)n%＜30，COD降解率很低。

3.反應(yīng)器串、并聯(lián)。在全串、全并都不能有效降低COD的情況下，必須采用串、并聯(lián)結(jié)合方式，只有同時(shí)具有合適的電壓和電流，反應(yīng)器才能獲得足夠的、可調(diào)的電功率。

四、水處理裝備調(diào)試運(yùn)行結(jié)果

1.COD降解率n%數(shù)學(xué)模型的建立。試驗(yàn)總結(jié)出電催化氧化裝置降解污水中有機(jī)物的降解率與電源的電壓和電流、反應(yīng)器狹縫平行板有效電場(chǎng)的數(shù)量、反應(yīng)器電流密度、串并聯(lián)結(jié)構(gòu)、COD初始值、反應(yīng)器總數(shù)量有關(guān)，并與之成正比；與線路損耗、陰陽(yáng)極間距離、反應(yīng)器內(nèi)水的流速、處理的水量有關(guān)，并與之成反比.

2.電催化氧化法可以解決污水處理問(wèn)題。通過(guò)對(duì)流量為5 t/h的焦化污水處理試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)的方法如生化法不能處理的污水完全可以用電催化氧化法處理。

3.合理的裝備提高降解率且節(jié)水不排污。多反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連接和調(diào)試很重要，合理的結(jié)構(gòu)、串并聯(lián)連接和運(yùn)行參數(shù)可使COD降解率達(dá)到60%～70%，甚至達(dá)到100%，完全能做到達(dá)標(biāo)排放或反回到補(bǔ)充水系統(tǒng)再應(yīng)用，節(jié)約用水且不排污。

4.降解率可調(diào)可控操作方便。在其他因數(shù)不變的情況下，一個(gè)給定電壓（就地手動(dòng)或PLC程序設(shè)定）對(duì)應(yīng)一個(gè)電功率，或?qū)?yīng)一個(gè)COD降解率，真正做到通過(guò)操作旋鈕達(dá)到降解率可調(diào)、可控。

鑒于電催化氧化技術(shù)在處理各類廢水中的應(yīng)用得到快速發(fā)展，并給廢水處理，尤其是難降解廢水的深度處理帶來(lái)了新的活力，拓寬了水處理技術(shù)視野。

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