多級(jí)電過(guò)濾技術(shù)在再生水管道中的應(yīng)用

全康環(huán)保:研究背景

隨著水資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，再生水的利用已成為水處理技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，同時(shí)供水系統(tǒng)的水質(zhì)安全越來(lái)越受到人們的關(guān)注。再生水經(jīng)生物處理后仍殘留大量有機(jī)物，且長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)腐蝕管道，使水質(zhì)惡化。消毒是再生廢水處理過(guò)程中必不可少的一部分，因?yàn)槠淇梢苑乐共≡w和條件病原體的擴(kuò)散。氯消毒是一種常用的消毒技術(shù)，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(jī)物和微生物的反應(yīng)會(huì)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(jìn)行深度處理。通常使用UV/Cl、Fenton、臭氧和膜過(guò)濾等高級(jí)氧化工藝降解有機(jī)物，然而，考慮到大部分管道都處于地下，因此，應(yīng)選擇一種效率高、維護(hù)和能耗低的技術(shù)。

電化學(xué)氧化因其反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)單、不添加化學(xué)藥劑、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，已成為水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，在電化學(xué)直接氧化過(guò)程中，陽(yáng)極表面可能會(huì)形成聚合物，導(dǎo)致陽(yáng)極失活。在實(shí)際應(yīng)用中，陽(yáng)極表面的聚合物會(huì)被強(qiáng)電流間歇氧化。在此基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新型高效多級(jí)電過(guò)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(jí)EFTM作為管道的一部分用于氧化再生水(圖1)，渦輪發(fā)電機(jī)將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，為多級(jí)EFTM提供動(dòng)力，且無(wú)額外能耗產(chǎn)生。陽(yáng)極和陰極在管道中交替平行放置(圖1b)，當(dāng)再生水流過(guò)管道時(shí)，在電壓的作用下，陽(yáng)極表面會(huì)生成的HO?氧化廢水中的有機(jī)物和細(xì)菌。

文章亮點(diǎn)

1. 開(kāi)發(fā)一種新型、高效、低耗的多級(jí)電過(guò)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(duì)三級(jí)EFTM處理再生水性能和能耗的影響。

3. 通過(guò)小試實(shí)驗(yàn)和能耗計(jì)算，從效率和能耗兩方面探討了多級(jí)EFTM處理實(shí)際管道中再生水的可行性和穩(wěn)定性。

研究?jī)?nèi)容

圖2a,b為電過(guò)濾反應(yīng)器的橫截面以及正極和陰極的位置。陽(yáng)極和陰極平行放置，并與電源相連，再生水依次流經(jīng)陽(yáng)極和陰極。如圖2c所示，過(guò)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(zhì)在電極表面和內(nèi)部的吸附和滲透，可以及時(shí)排出電解產(chǎn)生的氣泡，降低電極的電阻。由圖2d可知，一對(duì)電極的平均壓降隨著流速的增加而提高，二者呈正相關(guān)關(guān)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(jí)EFTM中，BDI值隨著電解時(shí)間的增加而增加。這是因?yàn)樵偕须y生物降解的大分子有機(jī)物與電極表面的高價(jià)態(tài)金屬氧化物結(jié)合或受到HO?的攻擊，產(chǎn)生易生物降解的小分子物質(zhì)，從而提高再生水的可生化性。與其他已報(bào)道的電極相比，多孔Ti-ENTA/SnO2-Sb電極的EE/O值最低，而準(zhǔn)一級(jí)速率常數(shù)最高(圖3b)。

由圖4a所示，在無(wú)施加電壓下，COD去除率幾乎為0%。因此，再生水中有機(jī)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(shí)，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?yàn)樵诟唠妷合?，析氧反?yīng)的發(fā)生使電化學(xué)氧化能力降低，因此，需要相當(dāng)大的能量來(lái)提高再生水中COD的去除率。圖4c和d結(jié)果表明，隨著流速的增加，反應(yīng)速率常數(shù)減小，EE/O增大，主要是因?yàn)榱魉龠^(guò)高時(shí)，有機(jī)物與電極表面接觸不足，導(dǎo)致電能利用率降低，而Flux顯著增強(qiáng)，這由于三級(jí)EFTM內(nèi)的液體流動(dòng)傾向于堵塞流動(dòng)。線性回歸分析顯示，當(dāng)流速增加時(shí)，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(chǔ)上，選擇電壓為5.0 V、流速為0.20 cm?s-1進(jìn)行下一步研究。

圖5a為電壓對(duì)三級(jí)EFTM對(duì)再生水消毒過(guò)程中細(xì)菌滅活的影響。對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，在不施加電壓的條件下，未觀察到游離氯的生成，且無(wú)細(xì)菌失活。這主要排除了電化學(xué)消毒過(guò)程中除電壓以外使細(xì)菌失活的其他因素，如電極吸附、機(jī)械應(yīng)力等。當(dāng)電壓增加時(shí)，細(xì)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(qiáng)析氯反應(yīng)，減弱析氧反應(yīng)。由圖5b可知，隨著流速的增加，細(xì)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(duì)細(xì)菌具有滅活作用，但比余氯要弱。因此，細(xì)菌的滅活與游離氯的濃度保持正相關(guān)。在無(wú)菌條件下，探討三級(jí)EFTM處理再生水過(guò)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(shuō)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(xì)菌后，通過(guò)增加NaCl濃度促進(jìn)細(xì)菌滅活，且電解3min內(nèi)細(xì)菌幾乎完全滅活。圖5d說(shuō)明利用三級(jí)EFTM處理再生水會(huì)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞造成不可逆的破壞。

由圖6a和b可知，COD去除率和細(xì)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(méi)有明顯變化。這表明電極數(shù)對(duì)COD去除率和細(xì)菌滅活的影響大于流速，這可能是因?yàn)殡姌O數(shù)的增加可以顯著擴(kuò)大電極的表面積，產(chǎn)生大量的活性位點(diǎn)。如圖6c所示，利用多級(jí)EFTM處理實(shí)際再生水時(shí)，無(wú)需添加化學(xué)藥劑和額外電源，管道中的渦輪發(fā)電機(jī)直接將流動(dòng)再生水所產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)多級(jí)EFTM處理流速為0.5?D0.8 m?s-1的再生水時(shí)，使其COD去除率和細(xì)菌滅活率分別達(dá)到90%和8-logs以上,且EE/O低于0.62 KWh?m-3，需要236－377對(duì)電極。結(jié)果表明，在無(wú)額外能源的條件下，利用多級(jí)EFTM處理實(shí)際再生水具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。因此，對(duì)于處理管道中的再生水，多級(jí)EFTM是一種具有發(fā)展前景的技術(shù)。