电凝聚法处理淡水透镜体水的实验研究

试验在西沙某岛进行，试验采用的处理工艺：淡水透镜体水—电凝聚—沉淀—过滤—消毒—饮用水。以下用电凝聚来代替加药混凝，研究其处理淡水透镜体水的实际效果。

（1）凝聚器的设计计算

1）电凝聚过程所需铝量的计算

电凝聚法通过电凝聚器电解产生铝离子，铝离子在水中水解、聚合成各种配合物，对原水中的悬浮物、胶体等杂质脱稳、凝聚。因此，电解产生的铝离子量对处理效果有着重要影响。对于某一特定原水，为达到处理要求，需要电解产生多少铝量，是电凝聚器设计的基础。

去除淡水透镜体水中的有机物，色度是主要的控制指标，设计计算以去除色度为基础。

电凝聚过程中处理单位体积水所需要的铝量DAl（mg/L）为：

式中　H——原水的色度，度；珊瑚岛淡水透镜体水取H＝70度；

　　　α——系数；对于铝电极，α＝0.15～0.3，对于铁电极，α＝0.5～1.0；此处，系数α

2）电凝聚器结构计算

电解过程中产生的铝离子的浓度c：

式中　K——计算参数，K＝

　　　M——铝的摩尔质量，g/mol；

　　　Ai——电极板的有效面积，m2；

　　　L——电极板的有效长度，m；

　　　AF——电极板截面积，m2；

　　　ve——离子价数；

　　　F——法拉弟常数；

　　　n——电极板数量；

　　　IF——电流密度，A/m2；

　　　t——停留时间，s。

一般电凝聚器的结构设计时，n、IF、t均为定值，设计时使DAl＝c，从而计算确定其他参数。试验装置的设计中，n、IF、T均是试验的相关因素，需要试验不同的水平。

试验中电极板采用锯齿式的曲折板，考虑到加工状况，阳极采用厚2 mm铝板，阴极采用厚0.8 mm不锈钢板。试验中弯折角度采用90°、弯折边长20 mm，总共弯折14次，加上固定电极板的连接螺栓所需长度为20 mm，选取电极板有效长度为580 mm。

电极板采用折板时，折板电极组的布置形式有两种：波峰对波谷安装，称为“同波折板”；波峰相对安装，称为“异波折板”。采用异波折板电极时，由于水流通道的不断缩放，水流扰动更大，但由于试验装置考虑的电极板间距较小，异波折板电极的加工难以达到要求，因而采用同波折板电极组。具体形式如图9.1所示。

图9.1　电凝聚器结构简图

试验中电极板间距分别取为5、10、15 mm，电极板间采用塑料垫圈隔开。由于电凝聚器的外壳尺寸一定，所以设计中当间距为5 mm时，采用6块铝板、7块不锈钢板连接成电极组；当间距为10 mm时，采用3块铝板、4块不锈钢板连接成电极组；当间距为15 mm时，采用2块铝板、3块不锈钢板连接成电极组。这样三种情况下电极组的厚度为86～99 mm。考虑适量的间隙，并考虑加工方便，取电凝聚器为正方形，截面尺寸为105 mm×105 mm，电极板宽度b取为100 mm。每块电极板的有效面积为0.058 m2。(https://www.xing528.com)

为保证水在电凝聚器间均匀分布，在电极空间的进水和出水处分别设有一定的自由段l1和l2，取l1＝70 mm、l2＝100 mm。为了观察方便，电凝聚器外壳材料采用透明有机玻璃，但由于下部进水区为圆锥形，有机玻璃难以制作，在试验中主要观察电解区的情况，因而电凝聚器分上下两部分制作，下部改用不锈钢材料，两部分之间用螺栓连接。

3）电解产铝量的核算

在试验中为需调整电极板间距d、电流密度IF、停留时间t的取值范围，寻求更好的处理工况。根据铝离子浓度的计算公式，当d、IF、t三个因素取值不同时，电解过程中产生的铝离子的浓度也不同。同时，要使淡水透镜体水中的有机物能有效去除，出水色度达到生活饮用水水质标准要求，必须使电解过程中产生的铝离子满足处理水量的需要。

制作电凝聚器装置。每块电极板的有效面积Ai＝0.058 m2，截面面积AF＝0.011 025 m2，M＝27 g/mol，L＝0.580 m，ve＝3，F＝96 485.338 c/mol。

因而，铝离子浓度C＝K·nIF t＝0.00 085·nIF t g/m3

试验中电极板间距分别为5、10、15 mm，电解槽边长取105 mm，电极板数量分别取6块、3块、2块；设计电流密度分别为10、20、30 A/m2；设计停留时间分别为60、75、90 s。三个因素、每一因素的三个水平可任意选取一个，则nIF t的取值范围为：2×10×60～6×30×90，即1 200～16 200，将nIF t的取值范围代入式（9.14）可得试验时电解过程中产生的铝离子的浓度C为1.02～13.77 g/m3，能够满足处理要求。

（2）电凝聚净化工艺试验

1）试验装置及参数

试验装置主要由一体化净水装置和电凝聚装置组成。一体化净水装置中，包括了絮凝器、沉淀器、过滤器和消毒工艺。为了适应岛上的具体情况，一体化净水装置将絮凝器、沉淀器、过滤器等巧妙地结合在一起，组成一个有机的整体，使结构紧凑，操作维护方便。

电凝聚装置设计成筒形，采用的电极板为曲折板，考虑到电极板装卸和清洗方便，设计板间距为7 mm。装置结构简如图9.2所示，试验现场布置如图9.3所示。电极板阳极采用纯铝板，共12块，每块有效面积为0.3 m2，电极板总有效面积为3.6 m2。试验中通过调节电流强度I来改变电流密度IF。

图9.2　电凝聚装置结构简图

图9.3　现场试验装置布置

2）试验过程及结果分析

①试验过程及控制参数

电凝聚采用了两种不同大小的电流，共进行了3个工况的试验，其试验参数见表9.2。原水浊度为4 NTU左右，色度为50度左右。试验中分别检测了沉淀室出水浊度、过滤室出水浊度和色度，当沉淀室出水浊度超过5 NTU时便对一体化净水装置进行排泥，排泥时间为5 min。当过滤室出水浊度超过设定的3 NTU时，认为运行周期结束，反冲洗滤池。

表9.2　电凝聚试验方案参数

②试验结果与分析

试验结果表明，电凝聚法可以有效处理淡水透镜体的水，出水浊度都在3 NTU以内，绝大多数在1 NTU以内，出水色度一般在10度以下。当减小电流时，运行周期有明显增加，但出水色度略有提高。

在电凝聚电流为40 A、处理水量为1.02 m3/h时，取净化水样，经国家城市供水水质监测网重庆监测站检测，除硫酸盐外，其他检测指标均满足生活饮用水水质标准，其部分指标见表9.3、表9.4。从表中可以看出，色度、浊度、氯化物和溶解性总固体含量大大减小，去除效果明显。硫酸盐含量虽有减小，但仍不能达到国家生活饮用水水质标准。说明电凝聚工艺去除硫酸盐的效率有限，去除率为56.9%。

表9.3　电凝聚净化水主要水质指标报告表

表9.4　电凝聚净化水水质检验报告表

通过电凝聚净水工艺试验可知，“电凝聚—沉淀—过滤—消毒”工艺处理淡水透镜体水是可行的，出水浊度和色度均能满足国家生活饮用水水质标准。色度为55度左右、浊度为6.19 NTU左右的淡水透镜体水经处理后，出水色度降为10度以下、浊度为1 NTU以下，无异味。电凝聚净水工艺操作简单，对色度和浊度的去除效果均较好。