電化學一體化設備在電鍍園區廢水處理中的應用

航天凱天環保科技股份有限公司 劉 亮 劉杰靈 吳 永 湖南綠帆環保有限公司 吳秋波

電鍍是表面處理工藝的一種形式，可以為工業產品提供防腐蝕、耐磨、導電、裝飾美觀等功能，是現代工業體系不可缺少的部分。但電鍍行業因其生產過程中會產生大量的含有重金屬離子的廢水以及廢氣、危廢，如若管控不嚴，直接或者超標排入大自然環境，將會對人體以及自然環境產生較大的危害。電鍍企業規模小、分布不集中、管理水平低、經濟效益不佳、環保措施落后等現象，也一度成為制約電鍍行業發展的突出問題[1]。

在此背景下，電鍍行業向園區集中化、產業集群化發展轉變成為發展的新趨勢。按照生態環境部于2021年發布的《關于進一步加強重金屬污染防控的意見》的要求，江蘇、廣東、山東、河北、遼寧等省份需要加快推進電鍍企業入園，并且力爭到2025年年底入園率達到75%。因此，電鍍產業將面臨新一輪快速發展、規范建設的機遇期。

電鍍廢水是指電鍍生產過程中排放的各種廢水，按照其濃度及危害性通常分為生產漂洗廢水、高濃廢水、高濃廢液等，其中漂洗廢水按照“分類收集、分質處理”原則以及在電鍍生產工序中廢水產生位置通常分為前處理廢水、各類重金屬離子廢水（如含銅廢水、含鋅廢水、含鉻廢水、含離子鎳廢水、化學鎳廢水、含鎘廢水等）以及綜合廢水、混排廢水、含氰廢水、電解磷化廢水等；高濃廢水通常是指超過園區廢水處理站進水指標的廢水，通過分批有序排入廢水站進行處理；高濃廢液則是電鍍生產中各工序產生的報廢槽液，因其濃度過高，通常作為危險廢物統一委外處理。

常規處理電鍍廢水的方法包括化學沉淀法、化學絮凝法、浮選法、電解法、離子交換法以及膜過濾法，等等。隨著環境保護監管政策的逐漸趨嚴和廢水排放標準的進一步提高，先進的反滲透膜技術、蒸發技術在電鍍廢水處理中的應用已經越來越受歡迎[2]，同時也對進膜前的廢水預處理效果提出了更高的要求。本文介紹的高壓脈沖可變電極電化學一體化設備，具有操作簡單、占地面積少、減少藥劑投加、高效去除絕重金屬離子及COD等特點，與反滲透膜系統、蒸發系統配合使用，可以顯著減少膜系統污堵風險、延長膜系統運行壽命，也為反滲透濃液進入蒸發系統的穩定處理提供了保障[3-5]。

1 電化學設備技術原理

電化學一體化設備是以鐵、鋁等金屬作為陰陽電極，連接直流電源在外加脈沖高電壓作用下產生電化學反應，通過將電能轉化為化學能，促使陽極金屬電極失去電子生成金屬陽離子進入溶液中成為絮凝劑，通過混凝、氣浮、還原和氧化分解等反應將污染物從廢水中分離，從而實現廢水處理的一種技術。

1.1 電解氧化

直接氧化：陽極板失電子發生氧化還原反應。

以鐵極板為例：

Fe—2e→Fe2+

堿性條件：Fe2++2OH-→Fe（OH）2

酸性條件：4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH-

間接氧化：溶液中陰離子Cl-、OH-在高電壓下，得電子生成一系列強氧化劑，如Cl2、[O]、OH·等，進而氧化分解COD、BOD5、氨氮等。

2Cl-—2e→Cl2

Cl2+H2O→HClO+HCl

H2O—e→OH·+H

1.2 電解還原

直接還原：污染物直接在陰極上得電子。

Cu2++2e→Cu

Cr3++3e→Cr

間接還原：利用亞鐵離子的還原性。

3Fe2++Cr6+→3Fe3++Cr3+

1.3 電解絮凝

Al、Fe陽電極失去電子，形成陽離子Al3+、Fe3+，并與溶液中的OH-結合形成具有高活性的絮凝體，初生的絮凝體吸附能力極強，因此其絮凝效果大大優于普通的絮凝劑。

同時溶液中，鋁（鐵）氫氧化物與其他重金屬離子的氫氧化物會發生共沉淀反應，生成M.M（OH）n.Fe（OH）3等共聚體沉淀物，從而強化重金屬離子的去除效果。

1.4 電解氣浮

廢水H2O分子在電場作用下分解產生H+和OH-，在陰、陽極板表面分別析出H2和O2。

綜上，電化學一體化設備具備了去除重金屬、COD、SS等污染物的綜合廢水處理能力。

2 電化學設備技術優勢

為保證反滲透進水水質，控制進水重金屬離子、COD濃度，通常考慮在預處理之后增加的技術措施有樹脂離子交換、臭氧氧化、芬頓氧化、生化處理等。

由表1對比可以看出，電化學一體化裝置綜合優勢明顯，具有較高的重金屬離子及有機物、氨氮去除率。在《電鍍污染物排放標準》（GB21900-2008）表3、一類重金屬實現零排等日趨嚴格的排放標準下，目前對于含一類重金屬電鍍廢水的處理通常采用“預處理+膜系統（+MVR蒸發）”的組合工藝。按照反滲透膜供應商要求，對進膜水質重金屬離子、COD濃度都有著嚴格的要求，依靠常規的混凝沉淀預處理難以滿足進膜水質要求，因此將電化學一體化設備置入預處理工藝之后，可以解決進膜水質不滿足要求的問題。

表1 幾種廢水處理技術對比

3 電化學設備技術進展

3.1 電源采用高壓脈沖可變電極技術

目前，高壓脈沖可變電極電源在電化學設備中得到了很好的應用，通過對直流電源施加脈沖信號，控制電流周期性連通或切斷，從而使電極上的反應時斷時續，這樣有利于Fe（Al）離子的擴散，降低極板附件的濃差極化，進而降低電能消耗。通過倒換電極實現陰陽極周期性互換，對防止電極鈍化也起到了積極的作用。

3.2 一體化設計

相比于傳統電化學設備，一體化設計將進水pH調節，電化學反應、氣浮去渣，絮凝沉淀、曝氣設備、電氣設備等融入電化學工藝中，形成結構緊湊、操作方便的一體化設備。主要結構包括以下幾方面：

一是pH調節系統（包括漩渦式鼓風機、微孔曝氣裝置、pH在線檢測儀，pH耐腐電極等）；二是電化學系統（包括高頻脈沖變頻電源、組合極板、電化學槽體、曝氣沖刷裝置、布水裝置、排泥系統、電動閥、電磁閥、刮渣器、隨機備品備件等）；三是曝氣氧化系統（包括包括漩渦式鼓風機、渦街流量計、微孔曝氣裝置、管道管件、附件等、隨機備品備件等）；四是泥水分離系統（包括排泥漏斗、斜管填料、擋水板、出水堰、電動閥等）；五是自動投藥系統（包括二箱式溶藥箱主體、攪拌機、投藥泵以及成套裝置內部閥門、儀器儀表、管道管件、附件等）；六是設備上及設備之間應配套方便巡查檢修的平臺、爬梯、欄桿等。

4 高脈沖可變電極電化學一體化設備（ECCT多元集成設備）工藝流程

高脈沖可變電極電化學一體化設備工藝流程中包括pH調節、電化學反應區、曝氣混凝區、絮凝沉淀區等。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 電化學一體化裝置工藝流程圖

一是電鍍廢水經過預處理混凝沉淀后，自流進入電化學裝置pH調節段，控制廢水進電化學槽體pH值（根據污染物濃度自動調整）。

二是廢水pH調節后自流進入電化學槽體，極板通過PLC控制自動倒極調壓調頻及電壓電流輸出，陰極產生大量羥基并在復合材料鐵極板、稀有金屬離子催化作用下，廢水發生一系列氧化還原反應，COD降解成二氧化碳和水，出水COD將低于50mg/L。

三是在酸性條件電解產生的鐵離子與OH離子體結合，生成高活性吸附能力極強的絮凝基團，與污水中的懸浮物形成共沉淀達到去污效果。

四是出水進去曝氣混凝段，通過調節廢水pH值，同時加入PAM，使二價鐵生成三價鐵形成大顆粒絮凝體，加速后續沉淀。

五是電解過程中，陰陽極板上因水分子分解會持續產生H2和O2，新產生的氣泡直徑微小，H2氣泡約為10～30μm，O2氣泡約為20～60μm，基本等同于電解氣浮的效果；懸浮固體粘附在新生的微小氣泡上而上浮水面，通過刮渣設備將上浮的污染物質去除，電解氣浮對于疏水性物質如油脂等去除效果尤其顯著。

六是最后廢水進入絮凝沉淀段進行泥水分離，去除沉淀物懸浮物等，同時確保鐵離子（≤0.5mg/L）達到膜進水水質要求。

5 具體應用

在重慶某電鍍園區污水處理廠，采用高壓脈沖可變電極電源的電化學一體化設備在含鎳廢水處理中取得了很好的處理效果。

電化學一體化設備采用薄壁鋼板焊接成型，外周輔以槽鋼加固，自帶PLC控制系統，服從廢水處理站總控制信號指令，電化學設備啟停聯動相應調節池提升泵啟停信號，PLC提供廢水處理站總控制系統控制及視頻端口。

5.1 設備關鍵技術參數

一是陰、陽極板材料：高碳鋼；二是防腐：乙烯基玻璃鱗片防腐或襯聚丙烯塑料板；三是電源：額定電壓：300V（無級可調）；額定電流：150A（無級可調），直流；脈沖式，空占比1%～99%無級可調；四是電化學反應pH值：4～6；五是電化學槽反應時間：30～40min。

5.2 進水處理

含鎳廢水經過收集池提升泵進入含鎳廢水預處理裝置，對預處理進水連續檢測5d數據如表2所示。

表2 連續5天預處理進水數據

含鎳廢水自廢水站含鎳廢水收集池提升進入預處理系統，加堿調至pH=10-10.5，沉淀大部分的重金屬離子，經混凝沉淀處理后進入電化學一體化裝置。對電化學進水連續檢測5d數據如表3所示。

表3 連續5天電化學進水數據

5.3 出水效果

控制電化學設備進水pH保持在5左右，出水pH調節槽9左右，調節電壓200V，電流110A，電極板每10min倒極1次，防止極板極化，反應停留時間40min。取沉淀區出水連續檢測5天的電化學出水數據如表4所示。

表4 連續5天電化學出水數據

比較各污染因子進水水質變化，計算各污染物去除率數據如表5所示。

表5 連續5天電化學處理效果數據

對比電化學設備進出水水質，可以發現鎳平均去除率為97.58%，銅平均去除率為96.84%，COD平均去除率為62.48%。同時，出水指標已經優于《電鍍污染物排放標準》（GB21900-2008）表3標準數值，而且出水水質數據非常穩定。實踐表明，通過優化調節電壓、電流、pH數值，還可以明顯提高COD的去除率。

6 結語

一是采用高壓脈沖可變電極電源的電化學一體化設備處理電鍍園區含鎳廢水效果顯著，相關重金屬指標均已低于《電鍍污染物排放標準》（GB21900-2008）表3標準數值。二是處理過程中，優化了相關控制參數，廢水處理電耗為1.1kWh/m3，成本可控。三是電化學設備一體化設計節約了用地，對于用地緊張的沿海地區，優勢明顯。四是該電鍍園區在混排廢水、綜合廢水的處理中均采用了高壓脈沖可變電化學一體化設備，相關優勢還將進一步深入挖掘。