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焦化廢水電催化氧化法水處理裝備設計與調試

基于電催化氧化法處理污水的反應機理，研究反應器電極材料、內部結構、反應器組與電源之間的連接，反應器的電源、電氣控制系統的操作；通過計算總結反應器的設計、組合與電源之間的配套及連接關系，論證電催化氧化法在焦化污水處理中的應用效果。

焦化廢水是原煤高溫干餾、煤氣凈化和化學產品回收精制過程中各工序產生的一種有毒有害、難降解的高濃度有機廢水，主要含有酚類化合物、雜環化合物、多環芳烴、氨氮、硫化物、氰化物等，具有有機污染物濃度高、可生化性差、毒性大等特點。

一、電催化氧化原理

電催化氧化技術是利用具有良好催化性能的金屬氧化物材料作為電極，在外加電壓下，氧化污水中的污染物，使污染物降解的技術。該技術可分為在陽極表面及附近的直接氧化和遠離電極表面的間接氧化。

1.直接氧化。直接氧化是將在陽極表面的污染物氧化轉化成毒性較小的物質及發生有機物無機化，羥基自由基能無選擇地直接與廢水中的有機物反應，從而使許多有機污染物分解為CO 2或其他簡單化合物，不會或很少產生二次污染。

2.間接氧化。間接氧化則是通過陽極電化學反應將水溶液中含有的大量Cl-氧化，產生各種含氯的氧化劑，如氯氣、次氯酸和次氯酸根等媒介，在遠離電極表面的反應罐氧化污染物。

二、裝備設計

1.反應器結構設計。（1）反應器組件。合理的反應器結構是污水處理重要的一環，反應器由陰陽電極板、絕緣螺桿（帽）、絕緣填料、防水材料、外套等組成。陽極接控制電源的正極，陰極接控制電源的負極，污水中要被處理的物質一部分在陽極和陰極表面直接被氧化和還原，一部分被電催化產生的中間體氧化；絕緣螺桿（帽）起固定電極和導流作用；絕緣填料固定電極板防止短路且保持水流暢通；防水材料密封電氣連接處裸露部分；外套保護反應器并起支撐定位作用。（2）反應器組件材料。陽極采用鈦基涂膜網狀無損電極，因在電化學反應池中其他材料做陽極會被溶解，陰極常規狀態下采用不銹鋼板狀或網狀電極，為保持陰極不粘垢，處理器設計有直流反擊（交換正負極）的情況下陰極材料也是鈦基涂膜網；電極連接螺栓用陽極材料加工，因為連接陽極的螺栓本身等效陽極，連接陰極的螺栓在電流反擊時也充當陽極；絕緣填料采用過水性好的工程絕緣塑料；防水材料采用耐腐蝕的固態填充膠；外套采用絕緣、抗腐蝕性的材料。（3）反應器組裝。電極組是相對固定的結構，利用鈦基無損螺栓、絕緣材料和防水材料將電極片組裝成復合電極，陰極、陽極交互排列，之間用厚度≤3 mm的塑料網隔離和定位，然后用絕緣螺桿（螺帽）固定，形成復合電極，把復合電極安放在制作好的反應器外套中，陰、陽極各用4×40 mm 2的敷鈦銅排集中連接，再連接受電電纜，固定好外套，反應器完成組裝（圖1）。

2.受電電纜設計。反應器的陽、陰極各連接2根受電電纜，在大電流電路中，相比1根電纜，2根對稱受電電纜使螺栓分流更均勻，避免局部發熱，同時面積更小的2根電纜更加柔性，便于與子母排連接和接法調整。電纜的截面積大小與反應器的功率相關，1個本反應器使用功率9 kW，其工作電流1000 A（實驗測量電壓為9 V）；若全功率受電，1個反應器工作電流＞1150 A，此時電壓為10 V，從銅電纜載流量和截面積關系查知，應選擇2根24 mm 2的多股銅電纜，長度合適，做好接頭。

3.導電銅排設計。導電銅排的作用是將高頻開關電源的能量輸送到反應器，因此傳輸效率特別重要，也就是熱功損失越少越好。由于本次污水處理難度較大，高頻開關電源的短路電流設計為4000 A，正常使用時（1750～2650）A，結合輸電距離短及銅排載流量和截面積關系查表，選擇120×12 mm 2截面積的銅排比較合適。

4.電源設計。從占地面積、重量、效率、造價等方面綜合考慮，采用高頻開關電源比較合適，為抗擊大電流和滿足長期運行的需要，設計120 kW，4000 A的高頻開關電源，高頻脈沖方式更適合催化電解，穩壓、穩流精度高，效率高，重量輕，體積小，對電網干擾小，紋波低，可靠性高，有多種保護電路，操作維護簡便。

5.反應器輸入電源自動換向設計。在電化學反應池中，水體里的Ca 2+，Mg 2+將向陰極移動，導致陰極板結垢影響水處理效果，從工業循環水除垢經驗得知，只要反應器的極性互換，陰極結垢就會被清除，清除干凈后立刻換向，又進入正常處理狀態，

6.控制系統設計。采用就地控制和PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）中央控制相結合。就地控制柜放置現場，有電氣操作、信號顯示及遠程接口部分，便于操作人員現場實時操作運行和觀察；PLC控制柜放置在電控室，操作人員可以實時調控運行狀態和感知現場運行電參數，人機對話；另外，水處理現場各個關鍵節點配置影像監控系統，電控室操作人員實時感知運行現場的情況。

三、運行調試

檢驗裝備處理功效主要通過檢驗處理后水中COD，該廠要求COD≤80 mg/l甚至≤50 mg/l，主要看反應器使用的數量、連接方式，達到電源效率最高。

1.反應器全并聯。電壓從0調到6 V時，總電流從0上升到4000 A，趨向于

短路狀態，反應器獲得的電功率較小。U=6 V，I=4000 A，R總=0.0015Ω，L=4 mm，U損=1 V，I 1=500 A，M=20，S 1=1500 cm 2，S總=30 000 cm 2，有功功率P=20 kW，P 1=2.5 kW，P總=24 kW，η=16.67 mA/cm 2，n%=51。其中，R總為系統反應器載水狀態下的總電阻，L為電極間距，U損為線路損失電壓，I 1為1臺反應器工作電流，M為反應器狹縫平行板電場的數量，S 1為電極片單面的面積，S總為有效電極總面積，P為系統消耗有效功率，P 1為一臺反應器功率，P總為系統消耗總功率，η為陽極電流密度，n%為COD降解率，U，I，P均為直流電壓、電流、功率。

2.反應器全串聯。全串聯情況下，處理器等效阻抗最大，電流最小，電壓調到30.1 V（最大）時，電流I總＜500 A，P總＜15.05 kW，負載輕，電源輸出功率小，實測n%＜30，COD降解率很低。

3.反應器串、并聯。在全串、全并都不能有效降低COD的情況下，必須采用串、并聯結合方式，只有同時具有合適的電壓和電流，反應器才能獲得足夠的、可調的電功率。

四、水處理裝備調試運行結果

1.COD降解率n%數學模型的建立。試驗總結出電催化氧化裝置降解污水中有機物的降解率與電源的電壓和電流、反應器狹縫平行板有效電場的數量、反應器電流密度、串并聯結構、COD初始值、反應器總數量有關，并與之成正比；與線路損耗、陰陽極間距離、反應器內水的流速、處理的水量有關，并與之成反比.

2.電催化氧化法可以解決污水處理問題。通過對流量為5 t/h的焦化污水處理試驗表明，傳統的方法如生化法不能處理的污水完全可以用電催化氧化法處理。

3.合理的裝備提高降解率且節水不排污。多反應器的結構設計、連接和調試很重要，合理的結構、串并聯連接和運行參數可使COD降解率達到60%～70%，甚至達到100%，完全能做到達標排放或反回到補充水系統再應用，節約用水且不排污。

4.降解率可調可控操作方便。在其他因數不變的情況下，一個給定電壓（就地手動或PLC程序設定）對應一個電功率，或對應一個COD降解率，真正做到通過操作旋鈕達到降解率可調、可控。

鑒于電催化氧化技術在處理各類廢水中的應用得到快速發展，并給廢水處理，尤其是難降解廢水的深度處理帶來了新的活力，拓寬了水處理技術視野。

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