多級電過濾技術在再生水管道中的應用

全康環(huán)保:研究背景

隨著水資源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴重，再生水的利用已成為水處理技術發(fā)展的主要動力，同時供水系統(tǒng)的水質安全越來越受到人們的關注。再生水經(jīng)生物處理后仍殘留大量有機物，且長期運行會腐蝕管道，使水質惡化。消毒是再生廢水處理過程中必不可少的一部分，因為其可以防止病原體和條件病原體的擴散。氯消毒是一種常用的消毒技術，但再生水中氯離子的存在有利于次氯酸鹽的生成，并且消毒劑、溶解性有機物和微生物的反應會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，威脅人體健康，因此，再生水在回用前需要進行深度處理。通常使用UV/Cl、Fenton、臭氧和膜過濾等高級氧化工藝降解有機物，然而，考慮到大部分管道都處于地下，因此，應選擇一種效率高、維護和能耗低的技術。

電化學氧化因其反應條件溫和、操作簡單、不添加化學藥劑、無二次污染等優(yōu)勢，已成為水處理領域的研究熱點。然而，在電化學直接氧化過程中，陽極表面可能會形成聚合物，導致陽極失活。在實際應用中，陽極表面的聚合物會被強電流間歇氧化。在此基礎上，提出了一個新型高效多級電過濾模式(EFTM)用于氧化管道中再生水的新思路。在配水系統(tǒng)中，采用多級EFTM作為管道的一部分用于氧化再生水(圖1)，渦輪發(fā)電機將勢能轉化為電能，為多級EFTM提供動力，且無額外能耗產(chǎn)生。陽極和陰極在管道中交替平行放置(圖1b)，當再生水流過管道時，在電壓的作用下，陽極表面會生成的HO?氧化廢水中的有機物和細菌。

文章亮點

1. 開發(fā)一種新型、高效、低耗的多級電過濾模式(EFTM)，并提出將其作為管道中的一部分處理再生水的新想法。

2. 研究了不同操作條件對三級EFTM處理再生水性能和能耗的影響。

3. 通過小試實驗和能耗計算，從效率和能耗兩方面探討了多級EFTM處理實際管道中再生水的可行性和穩(wěn)定性。

研究內容

圖2a,b為電過濾反應器的橫截面以及正極和陰極的位置。陽極和陰極平行放置，并與電源相連，再生水依次流經(jīng)陽極和陰極。如圖2c所示，過濾式的電壓高于序批式，且其隨著電極數(shù)的增加而降低，這是由于電極并聯(lián)且電解質在電極表面和內部的吸附和滲透，可以及時排出電解產(chǎn)生的氣泡，降低電極的電阻。由圖2d可知，一對電極的平均壓降隨著流速的增加而提高，二者呈正相關關系。

由圖3a所示，原再生水的可生化性較差(BDI值為0.021)，在三級EFTM中，BDI值隨著電解時間的增加而增加。這是因為再生水中難生物降解的大分子有機物與電極表面的高價態(tài)金屬氧化物結合或受到HO?的攻擊，產(chǎn)生易生物降解的小分子物質，從而提高再生水的可生化性。與其他已報道的電極相比，多孔Ti-ENTA/SnO2-Sb電極的EE/O值最低，而準一級速率常數(shù)最高(圖3b)。

由圖4a所示，在無施加電壓下，COD去除率幾乎為0%。因此，再生水中有機物的降解主要是由于HO?的氧化，而不是電極吸附。電解30 min后，電壓由4.5 V增加到6.0 V時，速率常數(shù)由0.0442 min-1增加到0.0914 min-1。這可能是由于高電壓有利于產(chǎn)生大量的空穴和光生電子，從而再生水電解生成大量的HO?。從圖4b中得出，隨著電壓的增加，EE/O (p = 0.006)顯著增加，而ICE (p = 0.002)顯著降低。這可能是因為在高電壓下，析氧反應的發(fā)生使電化學氧化能力降低，因此，需要相當大的能量來提高再生水中COD的去除率。圖4c和d結果表明，隨著流速的增加，反應速率常數(shù)減小，EE/O增大，主要是因為流速過高時，有機物與電極表面接觸不足，導致電能利用率降低，而Flux顯著增強，這由于三級EFTM內的液體流動傾向于堵塞流動。線性回歸分析顯示，當流速增加時，EE/O (p = 0.002)和Flux (p = 0)有顯著改善。因此，在綜合考慮COD去除率和EE/O的基礎上，選擇電壓為5.0 V、流速為0.20 cm?s-1進行下一步研究。

圖5a為電壓對三級EFTM對再生水消毒過程中細菌滅活的影響。對照實驗表明，在不施加電壓的條件下，未觀察到游離氯的生成，且無細菌失活。這主要排除了電化學消毒過程中除電壓以外使細菌失活的其他因素，如電極吸附、機械應力等。當電壓增加時，細菌的滅活率顯著提高，其原因是在高電壓下產(chǎn)生游離氯，消耗溶解氧，從而增強析氯反應，減弱析氧反應。由圖5b可知，隨著流速的增加，細菌的滅活率和游離氯濃度顯著降低，而溶解氧增加。溶解氧是生成H2O2和HO?的必要條件，因此，它對細菌具有滅活作用，但比余氯要弱。因此，細菌的滅活與游離氯的濃度保持正相關。在無菌條件下，探討三級EFTM處理再生水過程中游離氯和溶解氧的變化(插圖5c)。游離氯的濃度隨氯離子初始濃度的增加而增加，但溶解氧濃度降低，這說明再生水中的氯離子濃度必須足以形成游離氯。如圖5c所示，在再生水中加入細菌后，通過增加NaCl濃度促進細菌滅活，且電解3min內細菌幾乎完全滅活。圖5d說明利用三級EFTM處理再生水會對細菌細胞造成不可逆的破壞。

由圖6a和b可知，COD去除率和細菌滅活率均隨電極數(shù)量的增加而增加，但隨流速的增加，其沒有明顯變化。這表明電極數(shù)對COD去除率和細菌滅活的影響大于流速，這可能是因為電極數(shù)的增加可以顯著擴大電極的表面積，產(chǎn)生大量的活性位點。如圖6c所示，利用多級EFTM處理實際再生水時，無需添加化學藥劑和額外電源，管道中的渦輪發(fā)電機直接將流動再生水所產(chǎn)生的動能轉化為電能。當多級EFTM處理流速為0.5?D0.8 m?s-1的再生水時，使其COD去除率和細菌滅活率分別達到90%和8-logs以上,且EE/O低于0.62 KWh?m-3，需要236－377對電極。結果表明，在無額外能源的條件下，利用多級EFTM處理實際再生水具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。因此，對于處理管道中的再生水，多級EFTM是一種具有發(fā)展前景的技術。