WER专栏 | 用于黑水处理的电化学反应器的优化设计

电解黑水用于消毒和去除有机物是一种便携式、可扩展的技术，可减少城市建设大规模废水处理设施的负担，并实现黑水的现场安全再利用。来自印度和美国的科研人员研发了v1类电子回旋共振的设计及其在v2类实施中的改进。该装置安装在印度泰米尔纳德邦的两栋独立公寓楼外的地面上。厕所污水（黑水）是与公寓的废水管道分开输送的。生物预处理澄清了部分黑水，降低了营养和有机负荷。通过电化学过程，从电子回旋共振室排出的水被泵入微滤系统以去除残留的悬浮固体。处理过的水储存在公寓楼顶的一个处理过的水箱里，当系统在“闭环”模式下运行时，可作为冲洗水被回收利用。

主要改进包括自动盐注射、添加搅拌器、实施自动电极清洁程序和片状沉淀物去除。在系统中加入氯化钠，保证足够的余氯进行持续消毒。测试了三种加盐方法：(1)在黑水进入集尘器之前手动分批倒入盐；(2)被动加盐，使用带有盐袋和流量调节器的定制文丘里模型（图1a）；(3)使用速度可调泵自动注入盐水（图1b）。

图1

v1级电化学反应器有一个平底罐，随着时间的推移，不锈钢电极表面会积累剥落的矿物垢。经过重新设计，v2级反应器在水槽底部有一个平面漏斗，用于收集剥落的片状沉淀（图2）。沉淀物通过排水管定期从漏斗中排出。

图2

料斗底部的吸管设计

该模拟研究旨在设计一种最佳方案，以收集和清除电子回旋共振箱中的沉淀物，从而延长每次维护之间的时间间隔。3D平面料斗模型（图3）设计了两个通向大气的入口和一个带吸入压力的出口，防止固体和沉积物带入处理过的水中。

图3

集尘器中溶液的均匀混合

如图5a-b，加入亚甲基蓝染料作为电解指示剂。运行几分钟后染料被氧化，但蓝色染料仍然留在电极下方没有气泡的地方。试验表明，当电极紧密堆积时，可以不用循环水。因此，电极阵列底部的空间尽可能小（图5c）。

图5

为减小在电子回旋共振箱中出现“死区”的可能性，需要在处理过程中对反应器内容物进行机械混合。给定200 r/min的给定搅拌器速度，U形搅拌器比T形搅拌器具有更好的混合效果（图6a-b）。U形搅拌器在体积平均速度约为0.248 m/s，而T形搅拌器的平均体积速度为0.004 m/s，且存在明显的停滞区。U形搅拌器的体积平均湍流强度比T形搅拌器高约30%。

图6

位于中心位置的U形搅拌器转速为200-300 r/min，其速度曲线将流体推向电极阵列，然后电极阵列飞溅回来，并以相反的方向垂直指向储罐中心。示踪剂显示，添加U型搅拌器的反应器内没有死区且混合均匀。

图7

本文黑水处理反应器改进的结果，克服了实际应用中遇到的问题。其优点包括：自动盐注入系统保证了进入集尘器水箱的水中有足够的氯化物浓度（350-700 mg/L）。采用反向极性的原位电极清洁机制，以及槽底部的漏斗和吸管设计可以在不降低电极性能的情况下降低维护要求。确定了吸入管的最佳位置，防止沉淀物流入处理过的水箱，最小“死”体积仅为总体积的0.65%。增加U形搅拌器保证了反应器内物质的均匀混合。本文对黑水处理反应器的设计改进将为实现电解黑水处理现场卫生系统的开发提供参考。