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【摘要】本文通过改变脉冲电源的性能，即改变脉冲频率、占空比及峰值电压，对废水进行电凝聚处理，探明其处理效果，并通过正交试验来分析各因素的影响程度，确定脉冲电源对电凝聚处理废水的重要影响因素。试验表明，脉冲电源的占空比对脉冲电凝聚处理废水影响最大；频率对电凝聚处理废水影响最小。作者根据上述试验结果优化后的参数，进行了废水电凝聚处理的工艺设计。
【关键词】脉冲电凝聚，占空比，频率，峰值电压，单位功率去除率，工艺设计
一. 脉冲电源的特性对电凝聚处理废水的影响研究
1.1污水处理的一般方法
传统污水处理有物理处理方法、化学处理方法和生物处理方法，其中物理处理方法主要有筛滤法、沉淀法、上浮法、气浮法、过滤法和反渗透法等；化学处理方法主要有中和法、混凝法、电解法、氧化还原法、汽提法、萃取法、吸附法、离子交换法和电渗析法等；生物处理方法主要有好氧氧化法（活性污泥法和生物膜法两种）、厌氧好氧法等。
在实际污水处理中，这些方法常常组合使用，形成各种不同的污水处理工艺流程，如传统活性污泥法、高负荷活性污泥和化学絮凝的生化和物化结合法（B-C法）、吸附降解法、超高负荷污泥法（A-B法）、厌氧好氧处理法（A/O法）、厌氧-缺氧-好氧处理法（A2/O法）、连续循环曝气法（氧化沟法）、序批式好氧活性污泥法或间歇式活性污泥法（SBR法）、连续进水周期排水延时曝气好氧活性污泥法（ICEAS法）等。
随着工业的发展，水环境污染问题日益严重，水质污染趋于多样化，这使得传统水处理方法面临更为严峻的挑战，从而促使各种新的水污染处理技术得到更加深入的研究开发。
1.2电化学处理废水方法的发展
电化学方法处理废水具有无需要添加化学药品、设备体积小、占地面积少，操作简便灵活等优点。但电化学方法一直存在着电耗大、成本高等缺点，从而大大限制着它在废水处理中的应用和发展。在几种电化学处理废水类型中，电凝聚方法的应用比较成熟，其显著缺陷在于电耗高。提高电流效率、降低电极极化是降低能耗的关键所在，也是今后电凝聚研究的主攻方向。
电凝聚的应用已有较长的历史，在源水和多种行业废水处理中有着广泛的应用。电凝聚又称电絮凝，就是在外加电压作用下，利用可溶性阳极产生大量阳离子（如Fe2+、Al3+等），对胶体废水进行凝聚沉淀。通常选用铁或铝作为阳极材料。将金属电极（如铁）置于被处理的水中，然后通以直流电，此时金属阳极发生氧化反应，产生的铁离子在水中水解、聚合，生成一系列多核水解产物而起凝聚作用，其过程和机理与化学混凝法基本相同。主要电极反应如下：
阳极反应：
阴极反应：
在电凝聚器中阴极上产生的新生态的氢，其还原能力很强，可与废水中的污染物起还原反应，或生成氢气。在阳极上也可能有氧气放出。氢气和氧气以微气泡的形式出现，在水处理过程中与悬浮颗粒接触可获得良好的粘附性能，从而提高水处理效率。
此外，在电流的作用下，废水中的部分有机物可能分解为低分子有机物，还有可能直接被氧化成为二氧化碳和水而不产生污泥。未被彻底氧化的有机物部分还可和悬浮固体颗粒被氢氧化铁吸附凝聚并在氢气和氧气带动下上浮分离。总之，电凝聚处理源水和废水是多种过程的协同作用，污染物在这些作用下易被除去。
目前电凝聚技术应用于污水处理时，其主要不足就是能耗较高，处理效果不稳定，因此在学术和相关的工程领域已引发如下研究热点：
（1）电源技术的改进。采用脉冲电源。由于施加脉冲信号，电极上的反应时断时续，有利于离子扩散，降低浓差极化，从而更有效地避免极板钝化而达到降低能耗的目的。而当电解槽施加交流电信号时，由于两极均可溶，可从两极产生阳离子，更有利于金属离子与胶体间的作用，同时由于两极极性经常变化，对防止电极钝化起到了积极的作用，但交流如果频率变化太快的话就会使生产的离子尚没脱离极板就被还原从而不能达到处理废水的功效。
（2）新型电极的应用。三维电极的面体比极大增加，并且粒子间距小，物质传质极大改善，因而具有较高的电流效率和单位时空效率。利用三维电极的原理，并巧妙地配以催化氧化技术，在最佳试验条件下，可达到很好的处理效果。
（3）电解槽的改进设计。将流体的传质与电凝聚结合起来构成导流电凝聚法。电解槽的阴、阳极既起电极的作用，又起导流桶的作用，在较低搅拌速度下可使槽内液体充分湍动。该法缩短电解脱色时间，减少极化作用，从而降低了电耗。
（4）电凝聚与其他工艺的组合。
综上所述，电凝聚处理废水是一种具有极大发展前途的方法。
1.3脉冲电源处理污水基本原理
近年来，电化学工艺的不断进步以及新电极材料、电源技术和膜材料的应用为电化学方法治理污染提供了更新、更有效的解决手段。脉冲技术几乎遍及国防、科研及生产各个领域，在遥控遥测、高能物理、电化学等领域，脉冲技术的应用越来越广泛，其重要性与日俱增。将脉冲技术和电凝聚方法结合起来为废水处理提供了崭新的思路和研究课题。
脉冲对电极过程的影响主要有三个方面：液相传质过程、吸附和脱附现象、双电层的电容效应。当采用脉冲电流进行电解时，紧靠电极表面的离子浓度也将随脉冲电流的作用而涨落，从而影响了液相传质过程。吸附、脱附过程不仅在电脉冲期间起作用，在断点期间的作用更为明显和重要，因为在脉冲中断时，吸附于阴极的氢或杂质可以解吸返回溶液中。当脉冲持续时间过短或者采用窄脉冲时，双电层的充电时间与前者相比显得较长，这时就不能忽略电容效应。
脉冲不断地重复进行“供电-断点-供电”的电解过程，使电解效率达到大幅度的提高。因为通电时间小于电解处理总反应时间，铁的溶解量将少于直流电解时的溶解量；由于施加脉冲信号，电极上的反应时断时续，有利于离子的扩散，降低浓差极化，从而减低电耗。 电解槽内的电流是离子在电场作用下移动而形成的。在供电时间内，离子浓度会迅速降低；而在断电的间隙时间内，离子浓度又会得到迅速恢复和补充。所以在脉冲供电方式下，电流密度要比直流供电下的电流密度有所提高，这就使电解去污效果增强。
在一般直流电流电解时，在阳极上可能形成一层氧化膜，阻止了阳极金属的正常溶解，采用脉冲电解时阳极上的氧化膜大为减少。
脉冲电压通常在100～400V左右，相对直流供电的电压增大了不少，但实际上，采用较高的电压，可以大大降低总电流强度和减少电解时间，从而提高电流效率，降低能耗、铁耗，电解效果会更好。由于整体平均电耗降低，电流又不大，因此变压器不容易热，设备运行可靠安全，容易实现工业化。
2、试验设备、原理及方法
2.1脉冲电凝聚处理废水
废水处理中的电化学法，有电化学氧化、电化学还原、电解浮上、电解凝聚及膜电解。本试验采用电解凝聚法处理废水，在外加电压的作用下，利用可溶阳极产生大量阳离子，对胶体废水进行凝聚沉淀，用铁做阳极材料，将金属电极置于被处理的水中，然后通过直流电，此时金属阳极发生氧化反应，产生的Fe2+在水中水解、聚合，产生一系列多核水解产物而起凝聚作用，其过程和机理与化学混凝法基本相同；同时，在电凝聚过程中，阴极上产生的新生态氢，其还原能力很强，可与废水中的污染物起还原反应，或生成氢气，在阳极上也可能有氧气放出，氢气和氧气以微气泡的形式出现，在水处理过程中与悬浮颗粒接触可获得良好的粘附性能，从而提高了处理效率。
此外，在电流的作用下，废水中的部分有机物可能分解为低分子有机物，还有可能直接被氧化为二氧化碳和水而不产生污泥。未被彻底氧化的有机物部分还可和悬浮固体颗粒被氢氧化铁吸附凝聚并在氢气和氧气带动下上浮分离。总之，电凝聚处理原水和废水是多种过程的协同作用，污染物在这些作用下易被去除。
试验采用的电解反应器是竖流式电解槽，待处理的水从下向上流动（升流式），水流与沉积物逆向接触，在固体颗粒周围产生无数微小涡流，有利于离子的扩散，改善了电极反应的条件，使电解时间缩短，电耗减少。
本试验的工艺流程图如下（图2-1）。
2.2试验设备
（1）竖流式电解槽
由课题组根据研究目的和要求自行设计加工，电极板间距是1.8cm，其结构图如图2-2所示。
主要材料为PVC，电解槽结构尺寸为39cm（长）×22cm（宽））×54cm（高），有效容积为36L，进水和出水水管直径均为2cm。进水流量为60L/h，污水有效停留时间为36min。
（2）电极
阳极和阴极全部是根据需要用钢板加工而成，形状及尺寸如图2-3所示。
（3）功率表
型号：HIOKI3184
主要用于测定电路中的功率消耗
（4）可调直流稳压电源
型号：PAD110-5L
（5）数字万能表
型号：UT70A
主要用于测定输出电压
（6）数字万能表
型号：PLUKE
主要用于测槽电压
（7）电流表
型号：C43
重要用于测定电路中电流
（8）721分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）
（9）污水COD速测仪（承德市环保仪器厂）
型号：TL-1A
（10）DDS-11C电导率仪（上海磁仪器厂）
（11）示波器
型号：B4325（20MHz）
（12）脉冲转换器（自行研制）
2.3试验用水
配制水：用彩奇洗洁精和自来水配制，pH值6.0～7.0，电导率为401～750μS/cm，CODCr700～950mg/L。
3.结论
综合上述试验结果分析，占空比对电凝聚处理废水的影响因素最大，次之为峰值电压，影响程度最小的为频率。一般情况下，单位功率去除率都随占空比的增加而减小，峰值电压也如此，平均每升高10V的峰值电压可使单位功率去除率下降13%左右；平均每升高10%的占空比可使单位功率去除率下降20%左右；单位功率去除率基本上是不随频率的变化而变化，那些微小的变化可以认为是试验分析的误差造成的差异。
【关键词】脉冲电凝聚，占空比，频率，峰值电压，单位功率去除率，工艺设计
一. 脉冲电源的特性对电凝聚处理废水的影响研究
1.1污水处理的一般方法
传统污水处理有物理处理方法、化学处理方法和生物处理方法，其中物理处理方法主要有筛滤法、沉淀法、上浮法、气浮法、过滤法和反渗透法等；化学处理方法主要有中和法、混凝法、电解法、氧化还原法、汽提法、萃取法、吸附法、离子交换法和电渗析法等；生物处理方法主要有好氧氧化法（活性污泥法和生物膜法两种）、厌氧好氧法等。
在实际污水处理中，这些方法常常组合使用，形成各种不同的污水处理工艺流程，如传统活性污泥法、高负荷活性污泥和化学絮凝的生化和物化结合法（B-C法）、吸附降解法、超高负荷污泥法（A-B法）、厌氧好氧处理法（A/O法）、厌氧-缺氧-好氧处理法（A2/O法）、连续循环曝气法（氧化沟法）、序批式好氧活性污泥法或间歇式活性污泥法（SBR法）、连续进水周期排水延时曝气好氧活性污泥法（ICEAS法）等。
随着工业的发展，水环境污染问题日益严重，水质污染趋于多样化，这使得传统水处理方法面临更为严峻的挑战，从而促使各种新的水污染处理技术得到更加深入的研究开发。
1.2电化学处理废水方法的发展
电化学方法处理废水具有无需要添加化学药品、设备体积小、占地面积少，操作简便灵活等优点。但电化学方法一直存在着电耗大、成本高等缺点，从而大大限制着它在废水处理中的应用和发展。在几种电化学处理废水类型中，电凝聚方法的应用比较成熟，其显著缺陷在于电耗高。提高电流效率、降低电极极化是降低能耗的关键所在，也是今后电凝聚研究的主攻方向。
电凝聚的应用已有较长的历史，在源水和多种行业废水处理中有着广泛的应用。电凝聚又称电絮凝，就是在外加电压作用下，利用可溶性阳极产生大量阳离子（如Fe2+、Al3+等），对胶体废水进行凝聚沉淀。通常选用铁或铝作为阳极材料。将金属电极（如铁）置于被处理的水中，然后通以直流电，此时金属阳极发生氧化反应，产生的铁离子在水中水解、聚合，生成一系列多核水解产物而起凝聚作用，其过程和机理与化学混凝法基本相同。主要电极反应如下：
阳极反应：
阴极反应：
在电凝聚器中阴极上产生的新生态的氢，其还原能力很强，可与废水中的污染物起还原反应，或生成氢气。在阳极上也可能有氧气放出。氢气和氧气以微气泡的形式出现，在水处理过程中与悬浮颗粒接触可获得良好的粘附性能，从而提高水处理效率。
此外，在电流的作用下，废水中的部分有机物可能分解为低分子有机物，还有可能直接被氧化成为二氧化碳和水而不产生污泥。未被彻底氧化的有机物部分还可和悬浮固体颗粒被氢氧化铁吸附凝聚并在氢气和氧气带动下上浮分离。总之，电凝聚处理源水和废水是多种过程的协同作用，污染物在这些作用下易被除去。
目前电凝聚技术应用于污水处理时，其主要不足就是能耗较高，处理效果不稳定，因此在学术和相关的工程领域已引发如下研究热点：
（1）电源技术的改进。采用脉冲电源。由于施加脉冲信号，电极上的反应时断时续，有利于离子扩散，降低浓差极化，从而更有效地避免极板钝化而达到降低能耗的目的。而当电解槽施加交流电信号时，由于两极均可溶，可从两极产生阳离子，更有利于金属离子与胶体间的作用，同时由于两极极性经常变化，对防止电极钝化起到了积极的作用，但交流如果频率变化太快的话就会使生产的离子尚没脱离极板就被还原从而不能达到处理废水的功效。
（2）新型电极的应用。三维电极的面体比极大增加，并且粒子间距小，物质传质极大改善，因而具有较高的电流效率和单位时空效率。利用三维电极的原理，并巧妙地配以催化氧化技术，在最佳试验条件下，可达到很好的处理效果。
（3）电解槽的改进设计。将流体的传质与电凝聚结合起来构成导流电凝聚法。电解槽的阴、阳极既起电极的作用，又起导流桶的作用，在较低搅拌速度下可使槽内液体充分湍动。该法缩短电解脱色时间，减少极化作用，从而降低了电耗。
（4）电凝聚与其他工艺的组合。
综上所述，电凝聚处理废水是一种具有极大发展前途的方法。
1.3脉冲电源处理污水基本原理
近年来，电化学工艺的不断进步以及新电极材料、电源技术和膜材料的应用为电化学方法治理污染提供了更新、更有效的解决手段。脉冲技术几乎遍及国防、科研及生产各个领域，在遥控遥测、高能物理、电化学等领域，脉冲技术的应用越来越广泛，其重要性与日俱增。将脉冲技术和电凝聚方法结合起来为废水处理提供了崭新的思路和研究课题。
脉冲对电极过程的影响主要有三个方面：液相传质过程、吸附和脱附现象、双电层的电容效应。当采用脉冲电流进行电解时，紧靠电极表面的离子浓度也将随脉冲电流的作用而涨落，从而影响了液相传质过程。吸附、脱附过程不仅在电脉冲期间起作用，在断点期间的作用更为明显和重要，因为在脉冲中断时，吸附于阴极的氢或杂质可以解吸返回溶液中。当脉冲持续时间过短或者采用窄脉冲时，双电层的充电时间与前者相比显得较长，这时就不能忽略电容效应。
脉冲不断地重复进行“供电-断点-供电”的电解过程，使电解效率达到大幅度的提高。因为通电时间小于电解处理总反应时间，铁的溶解量将少于直流电解时的溶解量；由于施加脉冲信号，电极上的反应时断时续，有利于离子的扩散，降低浓差极化，从而减低电耗。 电解槽内的电流是离子在电场作用下移动而形成的。在供电时间内，离子浓度会迅速降低；而在断电的间隙时间内，离子浓度又会得到迅速恢复和补充。所以在脉冲供电方式下，电流密度要比直流供电下的电流密度有所提高，这就使电解去污效果增强。
在一般直流电流电解时，在阳极上可能形成一层氧化膜，阻止了阳极金属的正常溶解，采用脉冲电解时阳极上的氧化膜大为减少。
脉冲电压通常在100～400V左右，相对直流供电的电压增大了不少，但实际上，采用较高的电压，可以大大降低总电流强度和减少电解时间，从而提高电流效率，降低能耗、铁耗，电解效果会更好。由于整体平均电耗降低，电流又不大，因此变压器不容易热，设备运行可靠安全，容易实现工业化。
2、试验设备、原理及方法
2.1脉冲电凝聚处理废水
废水处理中的电化学法，有电化学氧化、电化学还原、电解浮上、电解凝聚及膜电解。本试验采用电解凝聚法处理废水，在外加电压的作用下，利用可溶阳极产生大量阳离子，对胶体废水进行凝聚沉淀，用铁做阳极材料，将金属电极置于被处理的水中，然后通过直流电，此时金属阳极发生氧化反应，产生的Fe2+在水中水解、聚合，产生一系列多核水解产物而起凝聚作用，其过程和机理与化学混凝法基本相同；同时，在电凝聚过程中，阴极上产生的新生态氢，其还原能力很强，可与废水中的污染物起还原反应，或生成氢气，在阳极上也可能有氧气放出，氢气和氧气以微气泡的形式出现，在水处理过程中与悬浮颗粒接触可获得良好的粘附性能，从而提高了处理效率。
此外，在电流的作用下，废水中的部分有机物可能分解为低分子有机物，还有可能直接被氧化为二氧化碳和水而不产生污泥。未被彻底氧化的有机物部分还可和悬浮固体颗粒被氢氧化铁吸附凝聚并在氢气和氧气带动下上浮分离。总之，电凝聚处理原水和废水是多种过程的协同作用，污染物在这些作用下易被去除。
试验采用的电解反应器是竖流式电解槽，待处理的水从下向上流动（升流式），水流与沉积物逆向接触，在固体颗粒周围产生无数微小涡流，有利于离子的扩散，改善了电极反应的条件，使电解时间缩短，电耗减少。
本试验的工艺流程图如下（图2-1）。
2.2试验设备
（1）竖流式电解槽
由课题组根据研究目的和要求自行设计加工，电极板间距是1.8cm，其结构图如图2-2所示。
主要材料为PVC，电解槽结构尺寸为39cm（长）×22cm（宽））×54cm（高），有效容积为36L，进水和出水水管直径均为2cm。进水流量为60L/h，污水有效停留时间为36min。
（2）电极
阳极和阴极全部是根据需要用钢板加工而成，形状及尺寸如图2-3所示。
（3）功率表
型号：HIOKI3184
主要用于测定电路中的功率消耗
（4）可调直流稳压电源
型号：PAD110-5L
（5）数字万能表
型号：UT70A
主要用于测定输出电压
（6）数字万能表
型号：PLUKE
主要用于测槽电压
（7）电流表
型号：C43
重要用于测定电路中电流
（8）721分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）
（9）污水COD速测仪（承德市环保仪器厂）
型号：TL-1A
（10）DDS-11C电导率仪（上海磁仪器厂）
（11）示波器
型号：B4325（20MHz）
（12）脉冲转换器（自行研制）
2.3试验用水
配制水：用彩奇洗洁精和自来水配制，pH值6.0～7.0，电导率为401～750μS/cm，CODCr700～950mg/L。
3.结论
综合上述试验结果分析，占空比对电凝聚处理废水的影响因素最大，次之为峰值电压，影响程度最小的为频率。一般情况下，单位功率去除率都随占空比的增加而减小，峰值电压也如此，平均每升高10V的峰值电压可使单位功率去除率下降13%左右；平均每升高10%的占空比可使单位功率去除率下降20%左右；单位功率去除率基本上是不随频率的变化而变化，那些微小的变化可以认为是试验分析的误差造成的差异。