焦化废水电催化氧化法水处理装备设计与调试

摘要：基于电催化氧化法处理污水的反应机理，研究反应器电极材料、内部结构、反应器组与电源之间的连接，反应器的电源、电气控制系统的操作；通过计算总结反应器的设计、组合与电源之间的配套及连接关系，论证电催化氧化法在焦化污水处理中的应用效果。

焦化废水是原煤高温干馏、煤气净化和化学产品回收精制过程中各工序产生的一种有毒有害、难降解的高浓度有机废水，主要含有酚类化合物、杂环化合物、多环芳烃、氨氮、硫化物、氰化物等，具有有机污染物浓度高、可生化性差、毒性大等特点。

一、电催化氧化原理

电催化氧化技术是利用具有良好催化性能的金属氧化物材料作为电极，在外加电压下，氧化污水中的污染物，使污染物降解的技术。该技术可分为在阳极表面及附近的直接氧化和远离电极表面的间接氧化。

1.直接氧化。直接氧化是将在阳极表面的污染物氧化转化成毒性较小的物质及发生有机物无机化，羟基自由基能无选择地直接与废水中的有机物反应，从而使许多有机污染物分解为CO 2或其他简单化合物，不会或很少产生二次污染。

2.间接氧化。间接氧化则是通过阳极电化学反应将水溶液中含有的大量Cl-氧化，产生各种含氯的氧化剂，如氯气、次氯酸和次氯酸根等媒介，在远离电极表面的反应罐氧化污染物。

二、装备设计

1.反应器结构设计。（1）反应器组件。合理的反应器结构是污水处理重要的一环，反应器由阴阳电极板、绝缘螺杆（帽）、绝缘填料、防水材料、外套等组成。阳极接控制电源的正极，阴极接控制电源的负极，污水中要被处理的物质一部分在阳极和阴极表面直接被氧化和还原，一部分被电催化产生的中间体氧化；绝缘螺杆（帽）起固定电极和导流作用；绝缘填料固定电极板防止短路且保持水流畅通；防水材料密封电气连接处裸露部分；外套保护反应器并起支撑定位作用。（2）反应器组件材料。阳极采用钛基涂膜网状无损电极，因在电化学反应池中其他材料做阳极会被溶解，阴极常规状态下采用不锈钢板状或网状电极，为保持阴极不粘垢，处理器设计有直流反击（交换正负极）的情况下阴极材料也是钛基涂膜网；电极连接螺栓用阳极材料加工，因为连接阳极的螺栓本身等效阳极，连接阴极的螺栓在电流反击时也充当阳极；绝缘填料采用过水性好的工程绝缘塑料；防水材料采用耐腐蚀的固态填充胶；外套采用绝缘、抗腐蚀性的材料。（3）反应器组装。电极组是相对固定的结构，利用钛基无损螺栓、绝缘材料和防水材料将电极片组装成复合电极，阴极、阳极交互排列，之间用厚度≤3 mm的塑料网隔离和定位，然后用绝缘螺杆（螺帽）固定，形成复合电极，把复合电极安放在制作好的反应器外套中，阴、阳极各用4×40 mm 2的敷钛铜排集中连接，再连接受电电缆，固定好外套，反应器完成组装（图1）。

2.受电电缆设计。反应器的阳、阴极各连接2根受电电缆，在大电流电路中，相比1根电缆，2根对称受电电缆使螺栓分流更均匀，避免局部发热，同时面积更小的2根电缆更加柔性，便于与子母排连接和接法调整。电缆的截面积大小与反应器的功率相关，1个本反应器使用功率9 kW，其工作电流1000 A（实验测量电压为9 V）；若全功率受电，1个反应器工作电流＞1150 A，此时电压为10 V，从铜电缆载流量和截面积关系查知，应选择2根24 mm 2的多股铜电缆，长度合适，做好接头。

3.导电铜排设计。导电铜排的作用是将高频开关电源的能量输送到反应器，因此传输效率特别重要，也就是热功损失越少越好。由于本次污水处理难度较大，高频开关电源的短路电流设计为4000 A，正常使用时（1750～2650）A，结合输电距离短及铜排载流量和截面积关系查表，选择120×12 mm 2截面积的铜排比较合适。

4.电源设计。从占地面积、重量、效率、造价等方面综合考虑，采用高频开关电源比较合适，为抗击大电流和满足长期运行的需要，设计120 kW，4000 A的高频开关电源，高频脉冲方式更适合催化电解，稳压、稳流精度高，效率高，重量轻，体积小，对电网干扰小，纹波低，可靠性高，有多种保护电路，操作维护简便。

5.反应器输入电源自动换向设计。在电化学反应池中，水体里的Ca 2+，Mg 2+将向阴极移动，导致阴极板结垢影响水处理效果，从工业循环水除垢经验得知，只要反应器的极性互换，阴极结垢就会被清除，清除干净后立刻换向，又进入正常处理状态，

6.控制系统设计。采用就地控制和PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）中央控制相结合。就地控制柜放置现场，有电气操作、信号显示及远程接口部分，便于操作人员现场实时操作运行和观察；PLC控制柜放置在电控室，操作人员可以实时调控运行状态和感知现场运行电参数，人机对话；另外，水处理现场各个关键节点配置影像监控系统，电控室操作人员实时感知运行现场的情况。

7.污水处理试验工艺流程（图2）。

图2为污水处理试验工艺流程示意，流程中阀门、旁通、监测点、水箱、电絮浮和电催化的排污排水部分均未标出。

三、运行调试

检验装备处理功效主要通过检验处理后水中COD，该厂要求COD≤80 mg/l甚至≤50 mg/l，主要看反应器使用的数量、连接方式，达到电源效率最高。

1.反应器全并联。电压从0调到6 V时，总电流从0上升到4000 A，趋向于

短路状态，反应器获得的电功率较小。U=6 V，I=4000 A，R总=0.0015Ω，L=4 mm，U损=1 V，I 1=500 A，M=20，S 1=1500 cm 2，S总=30 000 cm 2，有功功率P=20 kW，P 1=2.5 kW，P总=24 kW，η=16.67 mA/cm 2，n%=51。其中，R总为系统反应器载水状态下的总电阻，L为电极间距，U损为线路损失电压，I 1为1台反应器工作电流，M为反应器狭缝平行板电场的数量，S 1为电极片单面的面积，S总为有效电极总面积，P为系统消耗有效功率，P 1为一台反应器功率，P总为系统消耗总功率，η为阳极电流密度，n%为COD降解率，U，I，P均为直流电压、电流、功率。

2.反应器全串联。全串联情况下，处理器等效阻抗最大，电流最小，电压调到30.1 V（最大）时，电流I总＜500 A，P总＜15.05 kW，负载轻，电源输出功率小，实测n%＜30，COD降解率很低。

3.反应器串、并联。在全串、全并都不能有效降低COD的情况下，必须采用串、并联结合方式，只有同时具有合适的电压和电流，反应器才能获得足够的、可调的电功率。

四、水处理装备调试运行结果

1.COD降解率n%数学模型的建立。试验总结出电催化氧化装置降解污水中有机物的降解率与电源的电压和电流、反应器狭缝平行板有效电场的数量、反应器电流密度、串并联结构、COD初始值、反应器总数量有关，并与之成正比；与线路损耗、阴阳极间距离、反应器内水的流速、处理的水量有关，并与之成反比.

2.电催化氧化法可以解决污水处理问题。通过对流量为5 t/h的焦化污水处理试验表明，传统的方法如生化法不能处理的污水完全可以用电催化氧化法处理。

3.合理的装备提高降解率且节水不排污。多反应器的结构设计、连接和调试很重要，合理的结构、串并联连接和运行参数可使COD降解率达到60%～70%，甚至达到100%，完全能做到达标排放或反回到补充水系统再应用，节约用水且不排污。

4.降解率可调可控操作方便。在其他因数不变的情况下，一个给定电压（就地手动或PLC程序设定）对应一个电功率，或对应一个COD降解率，真正做到通过操作旋钮达到降解率可调、可控。

鉴于电催化氧化技术在处理各类废水中的应用得到快速发展，并给废水处理，尤其是难降解废水的深度处理带来了新的活力，拓宽了水处理技术视野。