WER專欄 | 用于黑水處理的電化學(xué)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計

全康環(huán)保:電解黑水用于消毒和去除有機(jī)物是一種便攜式、可擴(kuò)展的技術(shù)，可減少城市建設(shè)大規(guī)模廢水處理設(shè)施的負(fù)擔(dān)，并實現(xiàn)黑水的現(xiàn)場安全再利用。來自印度和美國的科研人員研發(fā)了v1類電子回旋共振的設(shè)計及其在v2類實施中的改進(jìn)。該裝置安裝在印度泰米爾納德邦的兩棟獨立公寓樓外的地面上。廁所污水（黑水）是與公寓的廢水管道分開輸送的。生物預(yù)處理澄清了部分黑水，降低了營養(yǎng)和有機(jī)負(fù)荷。通過電化學(xué)過程，從電子回旋共振室排出的水被泵入微濾系統(tǒng)以去除殘留的懸浮固體。處理過的水儲存在公寓樓頂?shù)囊粋€處理過的水箱里，當(dāng)系統(tǒng)在“閉環(huán)”模式下運行時，可作為沖洗水被回收利用。

主要改進(jìn)包括自動鹽注射、添加攪拌器、實施自動電極清潔程序和片狀沉淀物去除。在系統(tǒng)中加入氯化鈉，保證足夠的余氯進(jìn)行持續(xù)消毒。測試了三種加鹽方法：(1)在黑水進(jìn)入集塵器之前手動分批倒入鹽；(2)被動加鹽，使用帶有鹽袋和流量調(diào)節(jié)器的定制文丘里模型（圖1a）；(3)使用速度可調(diào)泵自動注入鹽水（圖1b）。

圖1

v1級電化學(xué)反應(yīng)器有一個平底罐，隨著時間的推移，不銹鋼電極表面會積累剝落的礦物垢。經(jīng)過重新設(shè)計，v2級反應(yīng)器在水槽底部有一個平面漏斗，用于收集剝落的片狀沉淀（圖2）。沉淀物通過排水管定期從漏斗中排出。

圖2

料斗底部的吸管設(shè)計

該模擬研究旨在設(shè)計一種最佳方案，以收集和清除電子回旋共振箱中的沉淀物，從而延長每次維護(hù)之間的時間間隔。3D平面料斗模型（圖3）設(shè)計了兩個通向大氣的入口和一個帶吸入壓力的出口，防止固體和沉積物帶入處理過的水中。

圖3

集塵器中溶液的均勻混合

如圖5a-b，加入亞甲基藍(lán)染料作為電解指示劑。運行幾分鐘后染料被氧化，但藍(lán)色染料仍然留在電極下方?jīng)]有氣泡的地方。試驗表明，當(dāng)電極緊密堆積時，可以不用循環(huán)水。因此，電極陣列底部的空間盡可能小（圖5c）。

圖5

為減小在電子回旋共振箱中出現(xiàn)“死區(qū)”的可能性，需要在處理過程中對反應(yīng)器內(nèi)容物進(jìn)行機(jī)械混合。給定200 r/min的給定攪拌器速度，U形攪拌器比T形攪拌器具有更好的混合效果（圖6a-b）。U形攪拌器在體積平均速度約為0.248 m/s，而T形攪拌器的平均體積速度為0.004 m/s，且存在明顯的停滯區(qū)。U形攪拌器的體積平均湍流強度比T形攪拌器高約30%。

圖6

位于中心位置的U形攪拌器轉(zhuǎn)速為200-300 r/min，其速度曲線將流體推向電極陣列，然后電極陣列飛濺回來，并以相反的方向垂直指向儲罐中心。示蹤劑顯示，添加U型攪拌器的反應(yīng)器內(nèi)沒有死區(qū)且混合均勻。

圖7

本文黑水處理反應(yīng)器改進(jìn)的結(jié)果，克服了實際應(yīng)用中遇到的問題。其優(yōu)點包括：自動鹽注入系統(tǒng)保證了進(jìn)入集塵器水箱的水中有足夠的氯化物濃度（350-700 mg/L）。采用反向極性的原位電極清潔機(jī)制，以及槽底部的漏斗和吸管設(shè)計可以在不降低電極性能的情況下降低維護(hù)要求。確定了吸入管的最佳位置，防止沉淀物流入處理過的水箱，最小“死”體積僅為總體積的0.65%。增加U形攪拌器保證了反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)的均勻混合。本文對黑水處理反應(yīng)器的設(shè)計改進(jìn)將為實現(xiàn)電解黑水處理現(xiàn)場衛(wèi)生系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。