基于電凝聚法的印染廢水處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

王振宇，黃賢盛，黃一明，王剛，余亞東

(紹興文理學(xué)院數(shù)理信息學(xué)院, 浙江紹興，312000）

0 引言

據(jù)網(wǎng)上的公開數(shù)據(jù)整合，2017年全國印染廢水排放量占全國廢水排放的11%左右，每年20-23億噸。化學(xué)需氧量（COD）排放量每年約24-30萬噸，全工業(yè)行業(yè)占比在9%左右。印染作為水污大戶，其廢水排放量和污染物總量分別位居全國工業(yè)部門的第二位和第四位，占紡織業(yè)廢水七成以上。據(jù)報(bào)道，印染廠每加工100米織物將產(chǎn)生廢水量3-5噸[1-2]。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，我國印染工業(yè)的水資源利用效率較低，單位用水量是國外的3-4倍，而廢水中污染物平均含量高達(dá)國外的2-3倍。這些問題突出了我國紡織印染業(yè)發(fā)展所面臨的嚴(yán)重的環(huán)保問題與經(jīng)濟(jì)效益問題，但同時(shí)也側(cè)面凸顯出了廢水處理技術(shù)的無窮潛力。

印染污水能否安全的處理密切聯(lián)系著人民的身體健康和生命安全。2013年紡織印染行業(yè)出臺四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，對廢水排放、污染防治等提出了更高要求。此種背景下，加強(qiáng)紡織印染廢水處理技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，提升傳統(tǒng)處理方法和設(shè)備的技術(shù)水平，提高處理效率就成了當(dāng)務(wù)之急。本文介紹的基于電凝聚法的印染廢水處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠有效的處理印染廢水中的有害物質(zhì)，使廢水在處理后能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

利用STM32芯片作為處理器，采用其內(nèi)部自帶的DAC模塊用于控制可調(diào)電源，并采用人機(jī)交互采用按鍵和液晶屏，使得參數(shù)的設(shè)置和工作狀態(tài)的控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。通過通信端口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對電源的遠(yuǎn)程操作，提高工作效率改善操作人員的工作環(huán)境。電壓（電流）經(jīng)采樣電路及信號調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給MCU，MCU處理后通過數(shù)字方式控制全橋逆變器和輸出斬波電路。人機(jī)交互采用按鍵和液晶屏完成，使得參數(shù)的設(shè)置和工作狀態(tài)的控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。通過通信端口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對電源的遠(yuǎn)程操作，提高工作效率改善操作人員的工作環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)框圖

控制策略的數(shù)字化是在前述硬件電路數(shù)字化的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)量的控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。主要是根據(jù)工藝需要，對開關(guān)管的狀態(tài)進(jìn)行控制，以調(diào)整脈沖極性、開關(guān)頻率、占空比、電壓電流值等參數(shù)。同時(shí)能夠根據(jù)輕重緩急對各個(gè)報(bào)警信號分級處理。控制策略的數(shù)字化的另一重要內(nèi)容是根據(jù)檢測到的系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)量及用戶設(shè)定值，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂扑惴ú⒏鶕?jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)選擇合適的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控板

本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控板，它是一款內(nèi)核為Cortex - M3，屬于ARMv7架構(gòu)的微型計(jì)算機(jī)，其工作頻率為72MHZ，板載64K Byte Flash以及20K Byte SRAM；擁有2個(gè)SPI接口、3個(gè)USART接口、2個(gè)IIC接口、一個(gè)CAN接口以及37個(gè)I/O口；并且有2路ADC通道；支持JTAG/SWD接口調(diào)試下載，支持IAP；同時(shí)它還具有多種串行、并行、PWM等擴(kuò)展引腳。

STM32單片機(jī)體積小巧，功耗低，價(jià)格低廉，性能強(qiáng)大并且具有豐富的可拓展資源，是非常理想的主控中心平臺選擇。

2.2 硬件模塊

2.2.1 DC-DC電源模塊

DCDC電源模塊分為三種類型，降壓型、升壓型、穩(wěn)壓型，它們均可穩(wěn)定電壓的輸出，將不同的電壓變換成需要的電壓。

2.2.2 IGBT驅(qū)動器

本系統(tǒng)中，主電路有較為成熟的設(shè)計(jì)，控制電路中的信號檢測及調(diào)理電路也都是常見的電路。但由于脈沖電源通常工作于大電流狀態(tài)，因此IGBT驅(qū)動器的設(shè)計(jì)就尤為重要，需要保證柵極可靠的通斷及較小的di/dt、dv/dt，以防止炸管。

2.2.3 液晶、按鍵

本系統(tǒng)通過按鍵來輸入要輸出的電壓電流值以及占空比等一系列參數(shù)，并且通過液晶顯示，能夠很直觀的顯示出該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動化，更有利于人機(jī)交互以及實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

3 系統(tǒng)技術(shù)分析

研發(fā)可調(diào)節(jié)不同周期、波形、幅值和極性電源的全數(shù)字化技術(shù)[3-7]。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展正朝著數(shù)字化控制的方向深入。數(shù)字控制相對于模擬控制有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾能力強(qiáng)、減少了電路硬件結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、簡化系統(tǒng)調(diào)試、加快生產(chǎn)研發(fā)進(jìn)度等。

3.1 電凝聚氣浮技術(shù)

在各種電化學(xué)處理方法中，電凝聚法（也有文獻(xiàn)稱為電絮凝法）[8]是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膹U水處理方法，去除污染物范圍非常廣，不需投放添加劑，是一種環(huán)境友好的凝聚技術(shù)。電凝聚就是在外電壓作用下,利用可溶性陽極（鐵、鋁等）產(chǎn)生大量陽離子,對含膠體和懸浮物廢水進(jìn)行凝聚沉淀,同時(shí)陰極產(chǎn)生氫氣,形成微小的氣泡,利用氣浮原理將沉淀物浮起形成浮渣層，它兼具電化學(xué)氧化、凝聚和氣浮三者特點(diǎn)。

圖2 電凝絮氣浮法示意圖

大量的研究表明電凝聚氣浮廢水處理主要包括三方面的作用機(jī)理：電解凝聚、電解氣浮及電解氧化還原，電解凝聚是可溶性陽極產(chǎn)生的陽離子進(jìn)入溶液中經(jīng)過水解聚合作用，可生成多核羥基絡(luò)合物及氫氧化物，作為絮凝劑對水中懸浮物及膠體進(jìn)行凝聚處理。電解氣浮是水在電解時(shí)，由于水的離解以及其它物質(zhì)的電解氧化，在陰極和陽極的表面會產(chǎn)生如過氧化氫等氣體的微小氣泡，所產(chǎn)生的氣泡粒徑和密度很小，這些氣泡具有強(qiáng)大的浮載的能力并具有良好的粘附電凝聚氣浮技術(shù)的作用機(jī)理，過濾與分離性能。可以吸附著電凝聚過程中產(chǎn)生的凝聚絮團(tuán)以及水中的懸浮物等顆粒上升到水面，從而達(dá)到分離的效果。

現(xiàn)有研究表明,電凝聚法主要具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單緊湊，占地面積小，處理操作方便，混凝劑在處理過程中隨時(shí)產(chǎn)生，表面吸附雜質(zhì)少，表面吸附能力大，凈化效果優(yōu)于一般的化學(xué)混凝劑。能去除任何極性化合物，處理過程中產(chǎn)生的淤泥少，并且淤泥會被氣泡帶到液面，淤泥的去除和收集方便。處理后的水無色無味，可循環(huán)利用，并且可以不消耗或少消耗化學(xué)藥品，回收有用物質(zhì)，不會或很少產(chǎn)生二次污染。電凝聚法的這些優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊。

3.2 控制算法的設(shè)計(jì)

DSP對采樣值進(jìn)行處理并根據(jù)控制算法計(jì)算控制逆變橋的開關(guān)狀態(tài)，形成閉環(huán)控制，使電源的輸出與用戶設(shè)定值保持一致。本項(xiàng)目采用基于滯環(huán)調(diào)節(jié)的滑模控制技術(shù)。由于不同廠家印染廢水的成分和比例不盡相同，因此對不同廠家的印染廢水處理時(shí)電源輸出脈沖的參數(shù)可能不同，而滑模控制[9-10]的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以保證系統(tǒng)在參數(shù)不確定的情況下的穩(wěn)定性和魯棒性，并且易于實(shí)現(xiàn)，非常適合于DCDC功率調(diào)節(jié)應(yīng)用。

3.3 不同雜質(zhì)的處理策略

對于污水最簡單的處理當(dāng)中，采用銅鋁電極就已經(jīng)能做到非常好的處理效果。色度以及COD含量能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。但是其中一個(gè)非常重要的指標(biāo)——苯胺卻不能很好的達(dá)標(biāo)，所以選取石墨電極、鈦電極、釕銥電極以及各種不同的電極，以用于除去苯胺。并且，由于電解質(zhì)的材料以及濃度的不同，污水的處理效率以及效果也會發(fā)生很大的變化，采用合適的電解質(zhì)會使得整個(gè)系統(tǒng)變得更加高效。

3.4 延長系統(tǒng)的使用周期

由于傳統(tǒng)的電凝聚法陽極可溶解，須定時(shí)更換電極，電耗較大。在長期運(yùn)行過程中，電極容易發(fā)生鈍化，導(dǎo)致電流急劇下降，金屬溶解減緩甚至停止，出水水質(zhì)變壞，能耗大。最近的研究表明，電凝聚法采用脈沖電源處理印染廢水時(shí)所消耗的電能比采用直流電源有明顯的下降，脈沖電源比直流電源大約節(jié)省15%～35%的電能消耗，去污效果增強(qiáng)5%～7%，同時(shí)脈沖電源能有效降低極板的鈍化作用，提高電極利用率。近幾年出現(xiàn)的周期換向方波電源[11-12]不僅能進(jìn)一步節(jié)省電耗和電極消耗，還可以有效的防止電極鈍化和電極表面結(jié)垢，出水水質(zhì)穩(wěn)定，周期換向方波是一種具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的污水處理方法。

4 系統(tǒng)測試與分析

本系統(tǒng)通過不斷地實(shí)驗(yàn)，建立污染物含量（及污染物種類）、電解質(zhì)和電極板的參數(shù)關(guān)系模型以及污染物含量（及污染物種類）與波形、周期、幅值和極性的參數(shù)關(guān)系模型。通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較與驗(yàn)證，選出來了一組效果的電極板材料。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同電解質(zhì)材料使得電解過程的速度以及效果也存在較大差異，同時(shí)建立電解質(zhì)材料與污染物含量的模型通過對電解速度以及電解效果得出了實(shí)驗(yàn)中最佳的電解質(zhì)材料。

同時(shí)本項(xiàng)目將從電解槽的負(fù)載特性入手，建立電解負(fù)載的等效電路模型，得出脈沖電源參數(shù)選取的原則，并通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。從而使可周期換向脈沖電源實(shí)用化，整套技術(shù)可工程化。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目針對印染廢水研發(fā)電凝聚法的印染廢水處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用可調(diào)節(jié)不同周期、波形、幅值和極性電源作為電解電源，繼承了傳統(tǒng)電凝聚法的優(yōu)勢同時(shí)又解決了電源耗電大、電極鈍化等缺陷。并且采用銅電極、鋁電極用于初步處理污水，降低污水中的COD含量以及改善其色度，采用下一階段電極二次處理污水，降低污水中的苯胺含量。

本文通過對印染廢水研發(fā)電凝聚法的印染廢水處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的相關(guān)介紹，較完整地闡述了系統(tǒng)從模塊到相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的過程，并通過對相關(guān)功能的測試，表現(xiàn)系統(tǒng)整體的性能較為優(yōu)良，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。今后還需進(jìn)一步完善系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，不斷改進(jìn)印染廢水處理系統(tǒng)的功能。