流量对电絮凝连续处理微污染水的影响

焦跃腾，顾正华，辜樵亚，盛娇樱，高 柱

(1.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058;2.南通大学交通与土木工程学院，江苏 南通 226019)

自从E.Hermite1887年首次提出使用电极处理废水的理论以来，该方法虽然具有设备简单、操作方便、与其他相关工艺配合度高、环保无污染和技术适用范围广等优点，但是电极易钝化和高能耗限制了电絮凝技术的进一步发展[1]。近年来随着电力工业的发展和电化学研究的不断深入，电絮凝技术在水处理应用中的重要作用得到了世界各国的广泛重视。电絮凝法又称作电化学絮凝法[2]，即利用可溶性电极(一般为铁电极或者铝电极)作为阳极，在电流的作用下溶解于污水中，产生金属离子的氢氧化物沉淀，用其凝聚性聚集水中的胶体物质与污染物，从而达到净化水质的目的[3]。目前电絮凝废水处理已经广泛应用在工业废水、重金属废水和生活污水的处理中。代冬梅、詹军翔、Bilinska 和Aygun等[4-7]均采用不同的电极材料与反应条件处理纺织废水，取得了较好的结果；周好磊等[8]用低电流电絮凝法去除废水中重金属离子，当电流密度为0.42 A/dm2，电解时间为10 min，极板间距为14 mm，废水导电率为1.0 mS/cm，pH=8.5时，Cu2+、Zn2+和Pb2+的去除率分别高达99.8%、98.6%和 99.7%；Moayedi等[9]研究了不同化学添加剂对电絮凝的影响，中性水环境和添加Al2(SO4)3、Al(OH)3、CaCl2、CaO、Na2SiO3时，腐殖质的去除率分别为91.8%、98.0%、93.5%、85.3%、95.4%和94.0%；张建新、Bazrafshan、Krystynik等[10-12]研究了电絮凝在处理工业废水中六价铬的应用，其中Krystynik等[12]的研究结果表明六价铬总去除率大于95%，其他金属的含量也显著降低，整个过程的能耗为0.24 kW·h/m3。Rodrigo、龙奎、马马度等[13-15]利用电絮凝法去除生活污水中的磷、氮等物质，表明电絮凝能得到较高的化学需氧量去除率。由此可见，电絮凝技术具有高效、低成本和节能等优点，但是现今将电絮凝应用于微污染水处理的研究较少，未能形成技术示范和统一的标准。

电絮凝处理技术主要有分批处理和连续处理2个技术手段。较之分批处理，连续处理的效率更高、无需人为值守并且处理成本相对较低，但处理效果稍差。因此针对污染不太严重的水体，连续处理可以更好地提高效率、节约成本。电絮凝作为一种电化学方法，处理效果受电流密度、电极材料与形状、极板间距、电极布置形式、流量、电导率、pH和温度等条件的影响，过去已经对极板间距影响污染物去除效果进行了研究[16]，本文通过多组次电絮凝连续处理微污染水的试验，分析流量对于电絮凝连续处理的影响，选取色度、浊度、悬浮固体、pH、电导率、总磷、化学需氧量和铝作为水质指标，确定电絮凝连续处理微污染水的合适流量条件，讨论电絮凝技术连续处理微污染水的可行性。

1 材料与方法

1.1 电絮凝反应设备

电絮凝连续试验装置见图1，连续试验较之分批试验，其主要区别在于是否持续有稳定的流量进出反应箱。除反应箱、铝材料电极板、磁力搅拌器和直流电源外，连续试验装置主要增加供水箱和潜水泵2个装置。潜水泵主要作用是将水样抽取到供水箱中。供水箱设有较高的溢流口和较低的出水口，在使用时将潜水泵流量开到最大，保证出水口出水时，供水箱内的液面处于溢流口的位置，从而实现稳定装置内水压、提供恒定流量的功能。供水箱箱内部长宽高尺寸与反应箱一致，分别为15、15、20 cm。与供水箱相比，反应箱的进水口和出水口高度一致。此外，在供水箱出水口，反应箱的入水口和出水口位置均有可调节流量的阀门，便于实现反应箱的流量控制。

在实际试验时，首先关闭供水箱出水口的阀门，将潜水泵沉入集水箱并接通电源，升高供水箱的水位到溢流口；待溢流口有水流回流到集水箱后，缓慢打开供水箱出水阀门和反应箱进水阀门，此时反应箱的出水阀门应关闭，使反应箱内水位上升到指定位置；打开磁力搅拌器开关，调整磁力搅拌器的搅拌强度；将电极板用去离子水清洗干净，用滤纸擦拭以清除电极板表面的氧化膜，用支架将电极板固定，并将固定电极板的支架放在反应箱正中；同时调节反应箱的进水口和出水口2个阀门，控制反应箱内的液面在规定位置的同时使出水口的流量达到指定要求；连接导线，接通电源，按试验方案调节直流稳压电源的输出电流，电流调整到所需值后连接到电极板上；最后，记下装置运行初始时刻，按照试验所需反应时间运行装置，达到反应时间后，打开反应槽侧面的出水口用收集瓶收集反应后的出水。

1.2 试验组次与水样分析

本研究中流量选择1.5、2.0、2.5、3.0 mL/s 4个值，极板间距为1.5 cm，电流选择0.5 A，极板浸入水中的面积为13 cm×13 cm=169 cm2，相应的电流密度为14.7 A/m2。为了研究流量对各种污染物去除效果的影响规律，设计具体试验组次见表1。

表1 试验组次设计

参考电絮凝分批处理试验成果[16]，本次试验选择pH、电导率EC(Electric Conductivity)、悬浮物SS(Suspended Solids)、色度、浊度、化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)、总磷TP(Total Phosphorus)和铝(Al)这8项具有代表性的指标进行水样分析研究。

1.3 原水采样

原水采样点为浙江省杭州市浙江大学紫金港校区启真湖内[16]，采样时间为2016年11月30日到12月9日，每日上午九时左右，取湖面部分的水样，贮存于30 L的聚乙烯水桶中，并确保在取样当日使用，具体见表2。

表2 水样原始水质检测情况

2 结果

2.1 试验现象

图2a为连续试验开始前原始水样的表观情况，可见原水较为清澈透明，但整体呈现淡黄色，这是由于水中含有细微泥土颗粒和尘埃造成的。电絮凝连续试验开始后，与分批试验类似，刚开始反应温和，仅能见到阴极板产生微小的气泡，这些气泡慢慢聚集并脱离极板浮至水面，同时由阳极产生的絮状物逐渐增加，这些絮状物与溶液中的灰尘、泥土颗粒和小气泡结合，逐渐形成气浮物，开始在水面堆积。在反应20～100 min时段里(图2b—2f)，由于连续试验持续不断地有处理后溶液的流出和原始水样的流入，因此在水样整体的表观上差异较小，未见明显的区别。

连续反应进行到100 min后(图2g—2j)，电絮凝现象较为激烈，液面上有大量的气浮物堆积，同时溶液中可见阳极板絮状物的生成与其在水样中的流动，在磁力搅拌器的作用下，絮凝物与沉淀随水体的流动而运移，使水样整体的浊度有所增加。在这一反应时间内，前期反应效率较低的试验组此时能逐渐观察到水体表观色度的降低和浊度的减小，对于反应开始后100 min内处理效率高的试验组，反应100 min后水样浊度反而可能有所提高，并且在反应的中后期，水质表观状况逐渐趋于平稳。

a)原水

2.2 不同流量影响下的处理效果分析

4组试验工况下8项水质指标的处理效果见图3。图3a显示了流量影响下电絮凝连续试验对色度的处理效果，从图中不难看出，流量对色度去除效果有很大影响，流量为2 mL/s的试验组次显示出最好的色度去除效果和最高的去除效率，其余流量条件下色度去除率(Removal Rate,RR)较低。当流量为1.5 mL/s时，反应开始后100 min内色度去除率上升速度较快，经过100 min的反应后，该组色度去除率达到22.01%，在4组试验中去除效率较高，之后反应中色度去除率逐渐下降且最终趋于平稳，在180 min的连续反应后色度去除率为15.09%，最终去除率在4组不同流量的试验中处于较低水平；在流量为2 mL/s的试验组次中，色度去除率在100 min内逐步上升，在100 min的反应后去除率为47.76%，因此在4组试验中显示出最佳去除效率，此后100～180 min的反应时间内，色度去除率出现波动且略有上升，最终趋于平稳，经过180 min的反应后最终去除率达到48.88%，与其余3组试验结果相比去除效果最优；当流量为2.5 mL/s时，反应开始后80 min内色度去除率逐渐上升，经过80 min的反应后色度去除率达到19.67%，在4组试验中去除效率较高，之后反应时间内去除率出现波动且略有下降，在80～140 min的反应时间内该组色度去除率不及流量为1.5 mL/s的试验组次，但在140～180 min的反应时间中，去除率再次超过1.5 mL/s的组次并且最终逐渐趋于稳定，在180 min的连续处理后，色度去除率为16.39%，这一去除效果在4组试验中表现较好；在3.0 mL/s的流量条件下，色度去除率和去除效率与其余3组试验相比效果最差，反应开始后的60 min内色度去除率逐渐上升，在60 min的反应后去除率为11.02%，60～120 min的反应时段中色度去除率有所下降，120 min反应后去除率为4.90%，之后反应中色度去除率出现波动但趋于平稳，经过180 min的连续处理后最终去除率为6.53%，比其余3组试验最终去除率低。

a)色度

电絮凝连续反应中浊度去除效果随流量变化情况见图3b。由图可知，在2.0 mL/s的流量条件下，电絮凝连续处理显示出最大的浊度去除率和最高的去除效率，其余流量情况中浊度去除效果较差且效率较低。当流量为1.5 mL/s时，连续试验开始后60 min内浊度去除率有所提高，在60 min反应后浊度去除率为17.65%，这一去除效率在4组试验中属于较低水平，之后反应时间内去除率出现波动且略有下降，最终趋于平稳，经过180 min的反应后浊度最终稳定去除率为11.76%，与其余3组试验相比最终去除效果较差；在流量为2.0 mL/s的试验组次中，反应开始后60 min内浊度去除率上升速度最快，经过60 min的反应后去除率为56.10%，在4组试验中去除效率最高，之后反应中浊度去除率略有上升且出现波动，180 min反应结束后最终去除率为73.17%，与其余3组流量条件的试验相比最终去除效果最好；在2.5 mL/s的流量条件下，反应前期60 min内浊度去除率上升较快，经过60 min反应后去除率为25%，这一去除效率在4组试验中属于较高水平，之后反应时间内浊度去除率出现波动且逐渐上升，最终趋于平稳，在180 min的反应后最终浊度去除率为33.33%，与其余3组试验相比最终去除率较高；流量为3.0 mL/s时表现出最小的浊度去除效率和最差的去除效果，在反应开始后80 min内浊度去除率有所上升，但上升速率在4组试验中处于最低水平，经过80 min的连续处理后浊度去除率为9.68%，之后反应时间内浊度去除率出现波动且略有降低，最终趋于平稳，在180 min的处理后浊度去除率最终稳定在3.23%，这一稳定去除率与其余3组试验相比为最低。

图3c显示了流量影响下电絮凝连续反应中悬浮固体的去除效果差异。从图中可以看出，与色度、浊度去除效果类似，流量为2.0 mL/s的试验组次显示出最好的SS去除率和去除效率，其余组次去除效果和效率较差。当反应流量为1.5 mL/s时，在整体180 min的反应时间内SS去除率虽有波动但逐步提高，经过180 min的反应后最终SS去除率为37.50%，反应前期SS去除效率与其余3组试验相比最低，但最终去除效果在4组试验中处于较高水平；在2.0 mL/s的流量条件下，反应前期60 min内SS去除率上升最快，在60 min反应后SS去除率为45.16%，在60～180 min的反应时间内SS去除率继续上升但上升速率减小，最终趋于平稳，经过180 min的反应后最终SS去除率为58.06%，整个反应中显示出最佳的去除率和去除效率；在流量为2.5 mL/s的试验组次中，反应开始后60 min内SS去除率上升较快，且在4组试验中SS去除效率较高，60 min反应后SS去除率为31.58%，在60～120 min的反应中去除率保持平稳，120 min之后反应中SS去除率有所下降，经过180 min的反应后SS最终去除率为26.32%，这一最终去除率与其余3组试验相比处于较低水平；当流量为3.0 mL/s时反应开始后60 min内SS去除率有所上升，但在4组试验中上升速率较慢，60 min处理后SS去除率为20%，在60～140 min的反应时间内去除率保持平稳且略有下降，140 min反应后去除率为16%，在140～180 min的反应时间内，SS去除率进一步下降，经过180 min的反应后去除率最终为8%，这一去除率在4组试验中最小。

电絮凝连续处理中COD去除效率随流量的变化情况见图3d。从图中不难看出，从整体上COD去除率波动较为明显，且不同流量下COD去除效果差异较大。在反应前期80 min内流量为1.5 mL/s的试验组次COD去除效率较高，但是在120 min的反应时间后流量为2.0 mL/s的试验组次去除效果最好。在流量为1.5 mL/s的反应组次中，反应开始后60 min内COD去除率上升速度最快，60 min反应后COD去除率为53.33%，因此与其他3组试验相比展现出最好的COD去除效率，在60～120 min的反应时间内去除效率减小，120 min反应后COD去除效率为33.33%，之后反应时间中去除率保持稳定，因此180 min的反应后最终COD去除率稳定在33.33%，这一稳定去除率在4组试验中处于较高水平；当流量为2.0 mL/s时，反应开始后120 min内COD去除率逐渐上升，但在4组试验中其去除效率最低，经过120 min反应后去除率为50%，之后反应中COD去除率出现波动且有所减小，在180 min反应后稳定去除率为35%，该组试验最终COD去除率与其他3组试验相比最大；在流量为2.5 mL/s的试验条件下，反应开始后100 min内COD去除率逐渐增加，100 min反应后去除率达到该组试验最大去除率50%，但在反应前期其COD去除效率与其余3组试验相比效率较低，在100～180 min的反应时间内COD去除率逐渐减小且最终趋于平稳，最终180 min连续处理后COD去除率稳定在18.75%，这一稳定去除率在4组试验中处于较低水平；当反应流量为3.0 mL/s时，反应前期60 min内COD去除率上升，经过60 min反应后COD去除率为28.57%，这一处理效率在4组试验中较高，在60～180 min的反应时间内去除率出现波动且逐步降低，在180 min反应后去除率为7.14%，最终去除率与其余3组试验相比最小，在100～180 min的反应时段内，该组次COD去除效果均为最差。

图3e显示了流量变化情况下电絮凝连续处理中总磷去除率的变化规律。从图中不难看出，流量对于TP去除效果的影响不甚明显，各组流量条件下TP去除率较为接近。当流量为1.5 mL/s时，反应开始后60 min内TP去除率逐渐上升，60 min连续处理后TP去除率达到43.75%，反应前期TP去除效率在4组试验中处于较低水平，之后反应中去除率略有提高且最终趋于平稳，经过180 min的反应后最终去除率为50%，在4组试验中这一最终去除率较高；在流量为2.0 mL/s的条件下，反应前期60 min内TP上升速率较快，60 min反应后TP去除率为48.78%，前期去除效率在4组试验中最高，在60～180 min的反应时间内去除效率趋于平稳，波动较小，经过180 min反应后去除率为51.22%，这一最终去除率与其余3组试验相比较大；在2.5 mL/s的流量条件下，反应开始后60 min内TP去除率上升较快，但在4组试验中去除效率最低，60 min反应后TP去除率为34.55%，在60～180 min的反应时间内去除率上升速度变缓且出现波动，经过180 min的反应后最终TP去除率达到49.09%，最终去除率与其他3组试验相比处于中等水平；当流量为3.0 mL/s时，反应前期60 min内TP去除率上升较快，60 min反应后去除率为45.61%，这一TP去除效率在4组试验中处于较高水平，之后反应时间内去除率出现波动，但基本保持稳定，经过180 min的连续处理后最终TP去除率为40.35%，这一最终去除效果与其余3组试验相比表现最差。

电絮凝连续处理中溶液铝浓度在流量影响下的变化关系见图3f。由图可知，流量为2.0、2.5、3.0 mL/s的试验组次反应中Al浓度区别不大，但是流量为1.5 mL/s的试验中反应前期Al浓度较低，反应后期赶上并超过其他3个试验组次。当流量为1.5 mL/s时，反应开始后60 min内Al浓度上升较快，但与其余3组相比上升速度最慢，经过60 min电絮凝处理后溶液Al浓度为2.61 mg/L，在60～120 min反应时间内Al浓度保持平稳，之后120～180 min的反应时间内溶液Al浓度再次上升，且180 min反应后溶液最终Al浓度超过其余3个组次，达到最终浓度的最大值4.25 mg/L。反应流量为2.0、2.5和3.0 mL/s的试验组次在反应60 min后溶液Al浓度极为接近，分别为3.54、3.58、3.52 mg/L，显示出较快的Al浓度上升速度。在之后的反应中Al浓度趋于平稳，但3组试验略有区别：其中流量为2.0 mL/s的试验组次在60～100 min的反应中Al浓度有小幅提高，在100～180 min的反应时间内浓度持续下降，经过180 min的反应后最终Al浓度为3.29 mg/L，这一浓度在4组试验中处于最低水平；2.5 mL/s的流量条件下，在60～180 min的反应时间内Al浓度略有下降，经过180 min的反应后最终Al浓度为3.45 mg/L，这一浓度在4组试验中处于较低水平；当流量为3.0 mL/s时，在60～180 min的反应时间内Al浓度略有上升且出现一定的波动，最终趋于稳定，经过180 min的连续处理后溶液最终Al浓度达到3.95 mg/L，这一浓度与其余3组试验相比处于较高水平。4组试验进行比较可以发现，流量较小时溶液反应较为充分，絮凝物主要形成沉淀和气浮物，因此表现为溶液Al浓度较低，当流量较大时，溶液中絮凝物来不及进行完全反应就流出反应装置，因此表现为溶液Al浓度较大。

图3g为电絮凝连续处理中溶液pH随流量变化产生的差异。从图中可以看出，连续反应中流量对溶液pH变化趋势有较大影响，不同流量的试验组次其溶液pH的变化趋势各异。当流量为1.5 mL/s时，在反应开始后140 min内溶液pH逐步提高，140 min反应后pH从7.55升至8.12，之后反应时间内溶液pH保持稳定，经过180 min反应最终溶液pH为8.13，反应中pH变化幅度为0.58，为4组试验的最大变幅；流量为2.0 mL/s的试验组次在反应前期80 min内pH上升，经过80 min的反应溶液pH从7.63上升至8.04，80～180 min的反应时间内溶液pH逐渐减小且最终趋于平稳，180 min反应后溶液pH最终稳定在7.85，反应始末pH变化幅度为0.22；在2.5 mL/s的流量条件下，在180 min的反应中溶液pH略有上涨但变幅较小，且在反应140 min后pH达到稳定，经过180 min后溶液最终pH值为7.68，整体反应中pH变化幅度为0.07，为4组试验的最小变幅；流量为3.0 mL/s的试验中，反应前期60 min内溶液pH略有降低，60 min连续处理后溶液pH从7.68下降至7.60，在60～180 min的反应时间内溶液pH逐渐提高，经过180 min的反应后溶液pH上升至7.77，反应始末溶液pH变幅为0.09。4组试验进行比较可以看出，相对而言流量较小的试验组次反应较为充分，因此溶液pH上升幅度大，流量较大的试验组次由于未处理水体的不断流入，对反应溶液有稀释中和作用，因此pH变化幅度较小。

电絮凝连续处理中溶液电导率随流量变化产生的差异见图3h。从图中可以看出流量越大的试验组次电导率变化幅度越小。在流量为1.5 mL/s的试验条件下，反应前期140 min内电导率持续减小，经过140 min反应后溶液电导率从347 μS/cm下降到295 μS/cm，在140～180 min的反应时间内电导率略有回升，在180 min反应后溶液最终电导率为301 μS/cm，反应前后溶液电导率变化幅度为46 μS/cm，为4组试验的最大变幅；在2.0 mL/s的流量条件下，180 min反应时间内溶液电导率逐渐减小，且最终趋于平稳，经过180 min反应后电导率从327 μS/cm下降至292 μS/cm，降幅为35 μS/cm，在4组试验的降幅中属于较大幅度；流量为2.5 mL/s的试验中，溶液电导率在反应前期60 min内逐渐降低，经过60 min连续处理后电导率从343 μS/cm下降至325 μS/cm，之后反应时间内溶液电导率基本保持稳定，在180 min反应后最终溶液电导率为325 μS/cm，反应始末电导率变幅为18 μS/cm，在4组试验中属于最小变幅；在3.0 mL/s的流量条件下，溶液电导率在反应前期60 min内有所下降，经过60 min反应后电导率从327 μS/cm下降至303 μS/cm，之后反应中电导率略有上升但基本保持平稳，180 min反应后溶液最终电导率为306 μS/cm，反应始末电导率变幅为21 μS/cm，在4组试验的电导率变幅中处于较小水平。

总体上，电絮凝反应能够很大程度上去除微污染水中色度、浊度、悬浮固体、化学需氧量和总磷等指标标识的污染物，同时提高水体的pH、降低其电导率，增加了反应水体中的铝离子浓度(这与试验中采用的铝材料电极板有关)；流量对电絮凝连续处理微污染水的效果具有明显的影响，存在一个较佳流量，但规律并不显著。

3 结论

a)在电流密度为14.79 A/m2、极板间距1.5 cm的试验条件下，流量分别为1.5、2.0、2.5、3.0 mL/s试验工况中，反应3 h后，流量为2 mL/s的试验组次显示出最好的色度、浊度、SS和COD去除效果，去除率分别达47.76%、56.10%、45.16%和35.00%；流量为1.5 mL/s的试验组次对pH和电导率的影响最大，溶液pH从7.55升至8.13，pH变化幅度为0.58，电导率从347 μS/cm下降到301 μS/cm，电导率变化幅度为46 μS/cm；各组流量条件下TP去除率较为接近。

b)电絮凝处理技术用于微污染水连续净化是可行的，流量大小对于微污染水连续处理效果具有明显的影响，存在一个较佳流量，但规律并不显著。

c)电絮凝连续处理装置简单、效率高、处理成本低廉、处理效果较好且无需人为值守，处理后出水能基本满足日常城市生活杂用水和景观环境用水等要求，具有较大的发展空间。未来电絮凝处理技术应向着低能耗、提高去除效率、降低操作难度的方向发展，在耗能方面可以考虑与风能、雨能和太阳能等清洁能源结合，技术方面采用新型电极材料和电极结构，联合其他水处理工艺，进一步降低污水处理成本，提高处理效率。此外，这一技术方法还可与现有雨洪管理技术体系结合[17]，实现雨洪资源的水质精细化处理，在保护水生态环境的同时拓展雨洪资源的利用范围。