高压电解除磷产品化应用研究

刘 羿，孙 竟，何京钟

（中建环能科技股份有限公司，四川 成都 610000）

我国农村污水处理设备目前市场需求高速增长，技术水平渐趋定型，行业竞争状况及用户特点已比较明朗，企业水处理产品竞争越来越激烈，一方面农村污水处理标准有所降低，另一方面总磷要求依然严格，这要求企业在保证处理效果的同时降低生产成本和运行成本[1-4]。

现有的除磷方式分为生物除磷、化学除磷（沉淀、结晶）、物理化学除磷（吸附）[5]，但分别存在着消化液会影响除磷，消耗BOD，除磷不稳定、产泥量较多、处理费较高，脱磷量少等问题，而电解法具有产泥量少，处理费用低的优点[6]，是近几年各大院校、企业的研究对象之一。目前大部分电解除磷实验都处于非持续进水且电解时间30min 至90min 不等[7]，但在实际污水处理设备运行中污水是连续进出水，并且生化段总停留时间在10h 至14h[8]不等（MBBR 工艺为例）；电解除磷反应时间长，过多占用生化段时间显然不符合实际应用要求，所以一种反应时间短、能够连续运行的电解除磷设备有了实际研发需求。

本研究以高敏的铁电除磷为原理[9]，在欧阳超等验证了曝气促进除磷反应的基础上[10]深入研究高压电解除磷；在高压电解上有王银华等研究中高压铝电解实验[11]，而中高压电解除磷国内的研究还较少，本实验的目的在于通过中高电解缩短电解反应时间，从而使设备体积缩小，便于集成于一体化污水处理设备，在固定了进水水量、工艺流程、pH 值、设备连续24 小时运行60 天，找到3 种典型水质的情况下，满足“《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A 总磷排放标准”（以下为国标一级A 总磷排放标准）所需的电压，为高压电解除磷设备产品应用化提供数据支持。

1 实验部分

1.1 实验水质

测试污水来自某办公大楼化粪池污水，总磷8～9 mg/L，环境温度18℃～25℃，每次抽5m3水至调节桶，调节桶内源水采用清水稀释总磷至3mg/L、5mg/L、7mg/L 不等，以满足实验需求，调节桶内有潜污泵，按1m3/d抽至电解反应槽，用于给实验装置提供连续、稳定的源水。

1.2 设备原理和方法

实验设备介绍：高压电解设备为中建环能科技股份有限公司自制，设备材质PP 箱体，外形尺寸为220*280*380（长*宽*高mm），PP 箱体为长方形，中间位置有8 个钢板插槽，每个插槽间距20mm～30mm，通过改变钢板之间的距离可以实现反应时间在0min～10min 内调整；实验共4 块5mm*250mm*150mm 钢板，左右两侧钢板的主电极连接直流电源，中间两块钢板为反应极板，不连接电源，主电极通0V～150V 直流电源（任意可调）且电流可以换向以防止极板钝化[12]，电流换向时间为30s～120s 不等。

因电解长时间反应容易在极板上形成钝化膜[13]，钝化膜是在电解条件下通过强阳极极化使得金属材料表面形成一层非常薄的保护层，达到了阻碍电解的一种状态，它的产生会影响铁离子释放，从而影响除磷反应，所以高压电解除磷设置有钛合金超声波装置，超声波的主要目的是为钢板除钝[14]。

图1 3mg/L 进水各电压除磷效果

实验原理：由电解法[15]可知，在极板之间施加电场时，铁电解产生二价铁离子，与污水中的PO43+反应生成稳定的磷酸铁和氢氧化铁沉淀物，通过固液分离将其去除，从而达到除磷的目的。

阳极：Fe-2e-=Fe2+阴极：2H++2e-=H2↑

除磷反应公式：

根据公式可知：电压、电流越大，释放出的铁离子越多，除磷效果越好。

高压电解除磷装置整体工艺流程为：

（1）调节桶源水，通过潜污泵抽入电解除磷设备中，进水管设计有回水装置，可以将多余进水反回至调节桶；（2）源水从自下而上穿过电解反应槽，经过充分经过后自流进水前置处理罐中；（3）前置处理罐经曝气3h～5h、沉淀3h～4h 后出水；（4）以5 天为一个周期换水一次，这样可以保持相同水质便于实验。

1.3 测量方法

总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法测定，COD 采用重铬酸钾氧化法测定。

2 实验过程与结果讨论

2.1 除磷最佳反应时间

本项实验的目的在于测量除磷反应有效反应时间，为设备设计参数做验证工作。实验条件为：在电压100V 下电解5L总磷=7mg/L±0.5的源水，电导率为100～200μs/c，pH=6-7，极板间距25mm，隔2min 取样0.5L 源水，共取样5 次；每个样品曝气3h，沉淀3h 后测总磷。

图2 5mg/L 进水各电压除磷效果

根据结果可知：当反应时间0min～4min 时总磷迅速由7mg/L 降低至0.45mg/L，当反应时间4min～10min 时总磷从0.45mg/L 下降至0.25mg/L，由此可知，在100V电压下0min～4min 除磷反应效果最佳，进一步电解反应时间可设计为4min。

2.2 超声波除钝实验

本项实验目的在于验证超声波除钝效果，实验参数为：进水量为1m3/d，其余参数沿用2.1 实验参数；实验分为2 组，A 组有超声波，超声波有效工作面积与电解槽钢板面积相同，超声波为间隙工作，每30min工作3min；B 组没有超声波，设备分别运行5 天，通过观测电流变化以及极板外观判定钝化情况。

由实验结果可知：A 组初始电流为2.8A，实验5天后电流为2.7A，极板表面钢板清晰可见，未见钝化层；B 组初始电流为2.8A，实验5 天后电流为2.1A 极板电阻明显变大，若要获得2.8A 电流需要进一步提高直流电压并且极板表面附着一层约5mm 厚的黑色物质，钝化层清晰可见；由A、B 组对照可知超声波对于除钝有明显效果。

2.3 进水总磷3mg/L 最优电压

实验条件：在进水量为1m3/d 时，进水总磷3mg/L±0.5，电导率为100～200μs/c，pH=6-7，电解反应时间4min，超声波间隙运行，极板间距25mm，电解后曝气时间为3h，取样间隔1 天/次，沉淀时间为3h，分别取50V、60V、70V 电压，查看各自除磷效果。

实验结果：当电压为50V 时出水总磷在1.1mg/L～1.28mg/L，当60V 时出水总磷在0.67mg/L～0.77mg/L，当70V 时出水总磷稳定在0.22mg/L～0.37mg/L，由于是连续进出水pH 维持在6-7 基本无变化，在满足国标一级A 总磷排放标准要求下该组实验最佳电压为70V。

图3 7mg/L 进水各电压除磷效果

2.4 进水总磷5mg/L 最优电压

实验条件：在进水总磷为5mg/L±0.5 时，其余参数沿用2.3 实验参数，分别取70V、80V、90V 电压。

实验结果：当电压为70V 时出水总磷在1.7mg/L～2mg/L，当80V 时出水总磷在1.1mg/L～1.2mg/L，当90V时出水总磷在0.33mg/L～0.37mg/L，在满足国标一级A总磷排放标准要求下该组实验最佳电压为90V。

2.5 进水总磷7mg/L 最优电压

实验条件：在进水总磷7mg/L±0.5，其余参数沿用2.3 实验参数，分别取90V、100V、110V 电压。

实验结果：当电压为90V 时出水总磷在1.5mg/L～1.6mg/L，当100V 时出水总磷在0.35mg/L～0.41mg/L，当110V 时出水总磷在0.16mg/L～0.18mg/L，在满足国标一级A 总磷排放标准要求下该组实验最佳电压为100V。

2.6 电压对COD 去除率

实验条件：在进水COD 为200mg/L～250mg/L 时，进水量为1m3/d，电解反应时间4min，电导率为100～200μs/c，pH=6-7，电解反应时间4min，极板间距25mm，电解后曝气时间为3h，取样间隔1 天/次，沉淀时间为3h 条件下测量150V 电解进出水COD。

实验结果：电解对COD 去除率为1.5%～3.6%。

3 结论

1.通过以上实验可知，在100V 电压下最佳电解反应为4min，超声波对于极板除钝效果明显，在150V 电压下电解反应对COD 去除率＜4%，消耗COD 有限，对生化段影响可忽略不计。

2.进水总磷分别为3mg/L、5mg/L、7mg/L 的情况下满足国标一级A 总磷排放标准要求，对应最佳电压分别为70V、90V、100V；进一步可知，在提高电压，缩小电解反应时间路线可行，但在实际使用中需要注意触电保护，可在结构上增加塑料把手、盖板、漏电保护等措施。

图4 电解对COD 去除率