本發(fā)明屬于電化學(xué)廢水處理領(lǐng)域，涉及一種高效率的電化學(xué)廢水處理裝置及其控制方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

一、工業(yè)廢水零排放

工業(yè)用水的量大面廣，既有以水作為生產(chǎn)工藝的原料或輔助原料的，也有大量的水是作為生產(chǎn)工藝過程的冷卻水使用。

用水的工廠都會產(chǎn)生廢水。

工業(yè)廢水實現(xiàn)零排放和趨零排放，是各種在生產(chǎn)工藝中要使用水資源的工廠，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、保護環(huán)境、節(jié)約生產(chǎn)成本的重大舉措。

廢水的零排放，包含三項主要工作：即回收水資源、回收化學(xué)資源和消除廢水中的污染物。

1.回收水資源，得到工藝回用水

水在大多數(shù)廢水中占有95％以上的質(zhì)量比，它又是生產(chǎn)過程必不可少的資源，可以回收作為生產(chǎn)工藝用水。

工業(yè)用水在使用過程中往往溶解了一些無機鹽類，是水質(zhì)指標(biāo)中較為重要的“溶解性總固體”的主要成分，簡稱TDS。大多數(shù)工藝用水對于含鹽量的要求一般在10²mg/L的量級即可，與自來水相近。

回收水資源的工藝裝置，稱為廢水淡化器。淡化器將廢水分離，得到工藝回用水或冷卻水，同時還得到濃水。

2.回收化學(xué)資源，得到濃縮液

廢水中含有多種(重)金屬鹽類，作為化學(xué)資源也必須回收。

這些(重)金屬鹽類進入環(huán)境就會造成嚴(yán)重的污染，而回收了，就變成了財富。

回收的方法就是將廢水淡化器得到的濃水達到濃縮液的濃度即12-20％，再經(jīng)過“蒸發(fā)-結(jié)晶”的工藝過程，得到化學(xué)資源的結(jié)晶固體。

3.消除有機污染

廢水中還有一些有機污染物，比如常說的化學(xué)耗氧量COD、印染廢水的色度等等，通過廢水氧化技術(shù)可以部分或大部分去除這些有機污染物。

二、將城市污水轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)再生水

一般每個城市有好幾個污水處理廠，每個廠每天的處理能力都在十幾萬到幾十萬噸，污水處理廠將城市污水處理后，就得到了符合《SL368-2006再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的再生水。

1.優(yōu)質(zhì)再生水

再生水經(jīng)過進一步深度凈化，去除無機鹽類，尤其是容易導(dǎo)致結(jié)垢的硬度離子和有毒有害的重金屬離子，以及再生水中仍然殘存的、常規(guī)方法難以去除的有機污染物后，使得這兩項指標(biāo)甚至要優(yōu)于國標(biāo)自來水的相關(guān)水平，比如，使硬度小于國標(biāo)自來水規(guī)定的450mg/L，便于在工業(yè)應(yīng)用中可以少結(jié)垢或不結(jié)垢，這是非常有用的，再經(jīng)消毒殺菌，即可得到優(yōu)質(zhì)再生水。

這樣就可以極大地拓展再生水的利用空間，除了飲用、洗浴等與人體密切接觸之外的，幾乎所有場合都可以使用，就不再只限于綠化、建筑、沖廁、工業(yè)冷卻水等用途了。

這樣，優(yōu)質(zhì)再生水已經(jīng)成為城市可靠的第二水源。其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于遠(yuǎn)距離引水和海水淡化。

2.優(yōu)質(zhì)再生水的生產(chǎn)技術(shù)有待優(yōu)化

一些場合使用反滲透(RO)技術(shù)來得到優(yōu)質(zhì)再生水，由于RO系統(tǒng)的除鹽率達到98％以上，所以其產(chǎn)水中的鹽類離子含量不超過普通自來水的百分之二，除了高壓發(fā)電鍋爐補水等個別用途之外，對于絕大多數(shù)用途來說這是一項用不著的功能，此項工藝方法導(dǎo)致了優(yōu)質(zhì)再生水的生產(chǎn)成本增加不少，膜元件的壽命又較短。

由于RO膜太過于精密，它的“嬌氣”也是人所共知的，必須有阻垢劑等添加劑陪護，尤其是處理污水時，稍有不慎就會導(dǎo)致膜元件損壞；RO系統(tǒng)的水收率較低，在純水制造時也只有75％，在高濃度廢水中，比如20-40g/L，水收率不到40％，這無疑增加了其濃水后續(xù)處理的難度；工作壓力和耗電量都比較高，所以大多數(shù)用戶不愿意接受。

應(yīng)該說，RO技術(shù)原始的設(shè)計意圖是為純凈水的生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備的，就不是給污水用的，用于污水實在是勉為其難。

所以，水處理工藝沒有優(yōu)劣之分，適合就是最好的，不適合就不能說是最好的。

3.生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)再生水具有重大意義

現(xiàn)在，為滿足城市日益增長的供水需要，從數(shù)百，甚至上千公里外引水-比如南水北調(diào)工程，花費了巨額的資金，與之比較，優(yōu)質(zhì)再生水就在城市里，它對于人類的可持續(xù)發(fā)展具有重大、深遠(yuǎn)的意義。

『人民日報海外版』(2001年12月14日第14版)《污水再生利用緩解城市缺水危機》一文指出：“以色列是嚴(yán)重缺水國家，目前城市污水再生利用率已達90％，此外，俄羅斯、日本、西歐各國、印度、南非和納米比亞的污水再生利用事業(yè)也很普遍”，“南水北調(diào)中線工程每年調(diào)水量100多億立方米，主體工程投資超過1000億元，其單位投資約3500～4000元/噸。而再生水深度處理的單位投資僅約500～600元/噸”。如果每天一個處理20萬噸城市污水廠得到的再生水要節(jié)約的引水的投資為[(3500-500)×200 000＝]6億元，則全國的節(jié)省量就是天文數(shù)字。

綜上，本發(fā)明開發(fā)設(shè)計電化學(xué)廢水處理裝置的目的有二：一是要滿足工業(yè)廢水零排放的要求；二是由城市污水得到優(yōu)質(zhì)再生水。

目前常用的兩種高效的廢水處理技術(shù)為：

電吸附技術(shù)：是一種很好的廢水淡化技術(shù)。它是使用工作電極通過電吸附的方法，將水中的鹽類離子吸附在工作電極上，使其脫離水體得到淡化水。同時，被吸附的鹽離子，通過電極再生過程還會得到已經(jīng)達到了濃縮液水平的高濃度的濃水。電吸附是一種非膜法的除鹽技術(shù)，所以對于預(yù)處理的要求簡單，抗污染、且單位能耗及處理成本較低。

電化學(xué)氧化技術(shù)：是一種高效率的深度氧化技術(shù)，也稱為“高級氧化”技術(shù)，即在電極上產(chǎn)生的羥基自由基，主導(dǎo)COD的氧化去除過程。對于更徹底地消除廢水中的有機物污染很有效，包括一些使用常規(guī)技術(shù)難以去除的污染物。

如何能將這兩種處理技術(shù)有機的整合到一起，從裝置的本體結(jié)構(gòu)和操作控制，以及工藝流程，全面地、系統(tǒng)地整合設(shè)計成為目前亟待解決的問題，最終可以同時滿足廢水零排放所需要完成的主要工作和滿足優(yōu)質(zhì)再生水的處理要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的將電吸附技術(shù)和電化學(xué)氧化技術(shù)有機地結(jié)合的技術(shù)問題，而提供一種高效率的電化學(xué)廢水處理裝置及其控制方法和應(yīng)用。本發(fā)明的裝置主要利用復(fù)極式電極構(gòu)成的電堆、端部電極室總成及自動頻繁倒極操作等技術(shù)特征，從而達到使裝置本身得到均勻的電場，均勻的水流場和過渡流流態(tài)，快速再生并提高產(chǎn)能-體積比，長期保證電極活性等效果，同時將此裝置應(yīng)用到制水系統(tǒng)中，可大幅度提高水收率，并得到濃縮液。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種高效率的電化學(xué)廢水處理裝置，其特征在于，包括：

端部電極室總成，分為前端電極室總成和后端電極室總成，所述前端電極室總成自外向內(nèi)依次包括方鋼管夾緊框、電堆夾緊端板、密封墊、端電極、多孔板和半透性極膜，所述后端電極室總成自外向內(nèi)的結(jié)構(gòu)同所述前端電極室總成；

置于所述前端電極室總成和所述后端電極室總成之間的由多對工作電極組合成的電堆，所述工作電極為復(fù)極式電極，每兩個工作電極之間設(shè)有布水隔板；

所述前端電極室總成、所述電堆和所述后端電極室總成堆疊后通過螺桿夾緊組成一個密封性良好的電化學(xué)廢水處理裝置本體結(jié)構(gòu)，所述本體結(jié)構(gòu)外側(cè)通過面板和側(cè)面護板圍護，所述電化學(xué)廢水處理裝置在使用時與直流電源相通。

進一步地，所述電堆夾緊端板的上部設(shè)有布水通道出口、極水出口，下部設(shè)有極水入口和布水通道入口；所述電堆夾緊端板靠近電堆的內(nèi)側(cè)設(shè)有供所述端電極部分容納的電極槽；所述端電極分為上下兩部分，在所述電極槽中部設(shè)有用于隔離兩部分端電極的支撐塊(極水通過支撐塊體之間的流道是通暢的)；所述電堆夾緊端板的中上部和中下部還分別設(shè)有供所述端電極上的電氣連接螺栓通過的孔；所述電堆夾緊端板通過螺栓穿過設(shè)置在所述電堆夾緊端板兩端的電堆緊固螺栓孔與所述方鋼管夾緊框緊固，所述端電極的電氣連接螺栓依次穿過密封墊、設(shè)置在所述電堆夾緊端板上的孔與電極接線螺母固定并密封，其中密封墊的厚度為3-6mm，用于容納所述端電極，密封墊的中空結(jié)構(gòu)(密封墊的結(jié)構(gòu)尺寸與下述的工作電極框的結(jié)構(gòu)尺寸相同)充當(dāng)金屬端電極的電極室，在此極水流速達到5-25m/min，滿足排出垢屑的要求。

進一步地，所述端電極使用金屬電極，所述端電極的電極本體采用絲式或網(wǎng)式的釕鈦電極體焊接于鈦板條集流體上，所述電氣連接螺栓設(shè)置于所述鈦板條集流體中部；所述工作電極使用具有三維結(jié)構(gòu)、多微孔、孔徑為2-50nm的纖維狀或顆粒狀的活性炭及其制品，所述工作電極四周用工作電極框限定，所述工作電極框的厚度與所述工作電極的厚度相適應(yīng)為0.5-6mm，所述工作電極框包括電極框體密封周邊、設(shè)置在電極框體密封周邊兩端的布水通道及中空的容納區(qū)。

這樣，流過電堆的工作電流是由金屬陽極穿過工作電極到達金屬陰極，所以電流是流過碳電極的厚度方向，從而使得電阻較大的碳電極上的歐姆電壓降降到最低，對于節(jié)能有益。

進一步地，所述多孔板的結(jié)構(gòu)尺寸同所述工作電極框，包括多孔板密封周邊、設(shè)置在所述多孔板密封周邊兩端的多孔板布水通道及中部的鉆孔區(qū)，所述孔徑為8mm-13mm，孔間距10mm-15mm；在安裝緊固時，所述多孔板的長度方向的正中抵于所述支撐塊上；所述半透性極膜的結(jié)構(gòu)尺寸同所述工作電極框，包括整張極膜本體和設(shè)置在所述極膜本體兩端的極膜布水通道。

進一步地，所述布水隔板的隔板厚度一般為0.5mm-2.0mm，所述布水隔板包括隔板框、設(shè)置在所述隔板框兩端的布水孔和設(shè)置在中部的隔板網(wǎng)，所述隔板網(wǎng)通過布水槽與所述布水孔相通，硬質(zhì)的隔板框與軟質(zhì)的工作電極框一起構(gòu)成了水室的密封周邊。

進一步地，所述電化學(xué)廢水處理裝置在常溫常壓的條件下工作，本體結(jié)構(gòu)材料使用耐腐蝕和絕緣性能良好的合成高分子材料，采用硬聚氯乙烯板材或者抗氧化能力更強的含氟材料。

以上，均勻的電場是廢水進行電化學(xué)處理的根本，只有均勻的電場才能保證工作電流密度均勻，工作電極的所有面積才能全部投入工作，本發(fā)明所述的端電極的設(shè)置，是要得到均勻的電場的基礎(chǔ)措施。

陰極、陽極兩片工作電極面對面之間的間隔，形成了待處理廢水的流通通道，簡稱水室。均勻的流場是指，水室水的流動應(yīng)該是分布在水室兩側(cè)的工作電極的整個電極體的表面上，避免偏流，使整個電極都工作；水室水流動時，不應(yīng)使之處于層流流動狀態(tài)，因為層流對于水室水中的離子和帶電粒子向工作電極表面遷移過程中，存在較大的阻力，也就是說層流對于物質(zhì)傳遞-簡稱為“傳質(zhì)”過程不利。應(yīng)該設(shè)法使水室水處于過渡流的流態(tài)，這樣水室水和工作電極表面的傳質(zhì)過程就會大為改觀。流動方向：水室水自下向上流動有利于均勻布水，也有利于防止氣體的聚集遮蔽部分電極表面，而浪費電極的可用面積和產(chǎn)生安全隱患。

布水隔板的設(shè)置既使得水流分布均勻，又有過渡流促進器的作用。隔板的厚度要合適，過厚于傳質(zhì)不利，水室的歐姆電壓降增大，于節(jié)能不利，過薄則易堵塞。

本發(fā)明還公開了一種上述的高效率的電化學(xué)廢水處理裝置的控制方法，其特征在于，所述電化學(xué)廢水處理裝置通過自動頻繁倒極操作提高產(chǎn)能-體積比和長期保持電極活性，包括如下步驟：

將等待再生/活化的電極的供電的極性反接，通過PLC控制完成；先停止供電和供水，電堆的雙電層電容性充電電壓與倒極后的直流電源的電壓形成串聯(lián)，共同對電堆放電形成較強的、大小可控的浪涌電流，浪涌電流的流動方向與倒極前的工作電流流向相反，與倒極完成后的工作電流流向相同；待電容放完了電以后，又會被直流電源用與電化學(xué)廢水處理裝置原來相反的極性充電，工作電流恢復(fù)正常，暫停供電，先排濃縮液，再經(jīng)水洗后，供水供電投入循環(huán)工作。

倒極使得電極界面層的酸堿性改變，倒極前陰極上生成的堿性垢，在倒極變成陽極后，界面層內(nèi)pH呈酸性，從而將堿性垢清除。這也是倒極的重要作用之一。

倒極操作使得電極再生/活化的時間大大縮短，每次的再生時間不超過3min。這樣可以將裝置的產(chǎn)能-體積比提高到2倍以上。電極鈍化是所有的電化學(xué)廢水處理器都要面對的，倒極操作較徹底地消除鈍化，保證了電極的活性得以長期保持。

獲得了均勻的電場和均勻的流場以后，就為電化學(xué)廢水處理裝置的大型化打下基礎(chǔ)。比如，可以設(shè)計成寬度800mm-1500mm、高1500mm-3000mm的大型設(shè)備，單機的產(chǎn)水能力達到800m³/d-1500m³/d，就可以從容地應(yīng)對動輒每天數(shù)萬噸的廢水處理的需要。自動頻繁倒極的使用，為大型化的工業(yè)廢水電化學(xué)處理裝置解除了電極再生/活化的問題，沒有了后顧之憂。

本發(fā)明還公開了一種上述的高效率的電化學(xué)廢水處理裝置在制水系統(tǒng)中的應(yīng)用，其特征在于，廢水水箱經(jīng)工作泵、保安過濾器與所述電化學(xué)廢水處理裝置相連通，所述電化學(xué)廢水處理裝置經(jīng)再生泵分別與洗水水箱、濃縮液箱相連通，所述電化學(xué)廢水處理裝置還通過管路與回用水水箱相連通，上述各水箱通過閥門控制管路通閉實現(xiàn)直接或間接與所述電化學(xué)廢水處理裝置的連通。

進一步地，所述電化學(xué)廢水處理裝置在制水系統(tǒng)中完成制水過程-再生過程-制水過程；

所述制水過程包括如下步驟：打開閥門Ⅲ、閥門Ⅳ，啟動工作泵，將廢水送入電化學(xué)廢水處理裝置處理，由出水口的在線電導(dǎo)率儀檢測、PLC控制，不合格的產(chǎn)水自閥門Ⅴ返回所述廢水水箱，產(chǎn)水合格后，通過閥門Ⅷ將得到的工藝回用水送到回用水水箱；極水用過后，返回廢水水箱；

所述再生過程包括如下步驟：

通過倒極產(chǎn)生浪涌電流，使得電極得以快速再生，再生完成浪涌電流消退后，暫停供電，收集濃縮液和濃洗水；

收集濃縮液，打開閥門Ⅵ、閥門Ⅸ、閥門Ⅺ、閥門XⅢ，啟動再生泵，將電化學(xué)廢水處理裝置內(nèi)的存水經(jīng)過再生過程生成的濃縮液送往濃縮液箱；

收集濃洗水，打開閥門XIV、閥門Ⅶ、閥門Ⅹ、閥門XⅢ，啟動再生泵，再生泵經(jīng)過2-3次啟動和停止，把較濃的洗水收集到濃縮液箱；

沖洗電化學(xué)廢水處理裝置，打開閥門XIV、閥門Ⅶ、閥門Ⅹ、閥門Ⅻ，啟動再生泵，沖洗電化學(xué)廢水處理裝置，洗水回到洗水水箱；

上述再生過程僅需用幾分鐘時間即可完成，然后，再次供電，開始新一輪制水過程。

濃洗水轉(zhuǎn)運和洗水水箱補水，多次使用的洗水達到洗水水箱電導(dǎo)率儀的設(shè)定值時，PLC控制打開閥門XIV、閥門Ⅺ、閥門XⅢ，啟動再生泵，將濃洗水轉(zhuǎn)送到濃縮液箱；打開閥門Ⅱ，啟動工作泵，將洗水水箱補滿，再生過程結(jié)束轉(zhuǎn)入制水過程；

上述每個過程中，未提及的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，閥門Ⅰ處于打開狀態(tài)。

進一步地，若廢水水質(zhì)較差時，設(shè)置極水水箱和極水循環(huán)泵，極水可自身循環(huán)。

眾所周知，在進行電吸附試驗時，為了省電，不希望在電極上發(fā)生電極反應(yīng)，盡量使用較低的電壓，在通常情況下，工作電壓一般低于1.2V時不大可能發(fā)生水解離的電極反應(yīng)，電極上看不見明顯的氣泡。但是為了得到更高的電吸附容量，往往會將工作電壓調(diào)高一些，比如1.5V，這時氣泡就會比較明顯，說明電極反應(yīng)已經(jīng)發(fā)生了，而且在除鹽率得到提高的同時，COD的去除率也同時提高了。

過去認(rèn)為在電吸附過程，由于陰、陽離子分別吸附于陽、陰電極上，不能相遇，所以電吸附器不存在結(jié)垢的問題。但在實際運行中電吸附器的確有結(jié)垢的問題，那么原因是什么呢？按照電化學(xué)原理，其實正是發(fā)生了電極反應(yīng)，才是結(jié)垢的根本原因。由上述，為了提高“產(chǎn)能-體積比”，也稱為“時空產(chǎn)率”，所以電吸附器的工作電壓一般都設(shè)定在1.4-2.0V左右。這樣，就會發(fā)生電極反應(yīng)，在陰極上水解離產(chǎn)生氫氣的同時，還產(chǎn)生了強堿性的氫氧根離子OH^-，而陰極表面這時還吸附著局部濃度很高的Ca²⁺和Mg²⁺離子，則形成Ca(OH)₂尤其是難溶鹽Mg(OH)₂的堿性結(jié)垢就成為了必然。

同理，在電化學(xué)氧化過程中，電極的結(jié)垢也因此而不可避免。而電極結(jié)垢的積累，就會直接導(dǎo)致電極性能的鈍化，使廢水處理效果降低。

應(yīng)該看到，電化學(xué)廢水處理裝置的電耗本來就不高，提高工作電壓會增加電耗，但是該增量的絕對值并不大，而裝置的處理能力卻能得到較大的提高，同時COD的去除能力也得以提高。如果能夠徹底解決結(jié)垢這一影響較大的問題，對于裝置的工業(yè)化、大型化具有積極意義。

本發(fā)明裝置具有除鹽和消除有機污染物的雙重功能，電化學(xué)原理表明，電吸附除鹽過程和電化學(xué)氧化除COD過程，都發(fā)生在固體電極與水溶液的固液兩相間的界面層內(nèi)，在討論到“電吸附”過程的時候往往稱為雙電層。

只要給放置于水溶液中的電極通電，電吸附和電化學(xué)氧化兩種過程就會都發(fā)生。實際上，正因為有了電極的電吸附作用，表面帶有負(fù)電荷的COD的膠體顆粒才能到達陽極表面，才能與陽極產(chǎn)生的自由基接觸、反應(yīng)，從而被氧化、降解。

這樣，使得電化學(xué)廢水處理裝置具有了雙重的功能，設(shè)計合適的裝置結(jié)構(gòu)和工藝操作條件，并提供電能，就能夠滿足工業(yè)廢水的除鹽以回收水資源，并消除其中的有機污染物的要求。本發(fā)明的宗旨就是設(shè)計合適的裝置結(jié)構(gòu)和工藝流程及工藝操作條件。電化學(xué)廢水處理裝置的這一特性，正好與工業(yè)廢水零排放和優(yōu)質(zhì)再生水提質(zhì)的要求相適應(yīng)。

協(xié)調(diào)兩個過程滿足廢水處理的需要，一是常用的調(diào)控手段，由上可見，通過調(diào)節(jié)工作電壓和廢水的停留時間，可以在電吸附/電化學(xué)氧化的聯(lián)合工況中，選擇更適合于待處理廢水的實際情況的操作條件，也就是電吸附和電化學(xué)氧化兩個過程的分配比例；倒極操作所具備的調(diào)控能力，倒極操作也是一個較有力的調(diào)控手段，如果將倒極再生的次數(shù)減少，在電極吸附飽和后，電吸附的除鹽過程就會基本上停頓下來，COD顆粒還是奔著陽極而去，這時裝置的主要工作是電化學(xué)氧化。這時倒極的主要目的是消除電極的鈍化，倒極的時間間隔將視具體情況而定。如果增加倒極的次數(shù)，那么電吸附的作用就會大起來，裝置的產(chǎn)能-體積比也會同時提高，這時水室水的流速快了，水室水在電堆內(nèi)停留時間減少，電化學(xué)氧化的作用就相對減少了。這兩種調(diào)控手段可以相互協(xié)調(diào)，對于應(yīng)對千差萬別的工業(yè)廢水無疑將是有力度的。三是當(dāng)廢水中的COD較高時，則先行電化學(xué)氧化，原來的電吸附裝置對于廢水中的COD有限制，比如100mg/L以下。而在本裝置中，如果廢水中的COD高了可以這么辦：在以電吸附過程為主的電化學(xué)廢水處理裝置的前面，增設(shè)一臺以電化學(xué)氧化過程為主的電化學(xué)廢水處理裝置，將COD降到100mg/L以下。這樣，對于各種各樣的工業(yè)廢水的適應(yīng)能力就要好得多。

提高裝置的產(chǎn)能-體積比和獲得高濃度的濃縮液以及裝置的大型化，本發(fā)明還通過自動頻繁倒極操作使裝置的產(chǎn)能-體積比可以得到成倍地提高。

強化濃縮液回收能力的工藝流程，還能獲得高濃度的廢水濃縮液直接供給蒸發(fā)器，在得到化學(xué)資源的同時還節(jié)約了能源。城市污水的濃縮液可以自行處理，如要送到別處集中處理，由于濃縮液的體積僅為原再生水的百分之幾，則委托處理費和運費也可隨之大幅度減少。

由上可見，工業(yè)廢水零排放的三項主要任務(wù)：得到工藝回用水、得到濃縮液、消除有機物污染，在本發(fā)明電化學(xué)廢水處理裝置中，都能夠較好地完成；并且可以將再生水中殘留的、難以使用普通方法去除的COD更徹底地去除。尤其是裝置在工業(yè)大型化方面，完全可以滿足工業(yè)廢水處理的需要。可以說電化學(xué)廢水處理裝置是從工程化的角度解決了電化學(xué)廢水處理所存在的問題，是滿足工業(yè)廢水處理需要的一個很好的平臺。

本發(fā)明對廢水處理方面節(jié)能對環(huán)境友好，具有以下優(yōu)點：

1、不需設(shè)置加藥系統(tǒng)

由于陽極上產(chǎn)生的具有強氧化能力的物質(zhì)，只依靠電能和水來產(chǎn)生，所以不會對環(huán)境產(chǎn)生不良的影響，而且，與化學(xué)氧化法比較，可以節(jié)約藥劑費和加藥系統(tǒng)的投資。

2、預(yù)處理簡單

電化學(xué)廢水處理裝置是一個非膜法的水除鹽過程，所以對于原水的預(yù)處理要求比起膜法除鹽技術(shù)來要低得多，并且抗污染性能也很強，可以節(jié)省廢水預(yù)處理過程的投資和日常操作費用。

3、清潔生產(chǎn)

電化學(xué)廢水處理裝置是一種清潔的工藝過程，不使用化學(xué)藥劑，對環(huán)境友好。這些優(yōu)點對于促進工業(yè)廢水的(趨)零排放具有積極的意義。

4、廢棄的舊電極不會危害環(huán)境

經(jīng)許多年使用后廢棄的碳電極，對于環(huán)境也不會產(chǎn)生任何不良影響，這一點比各種膜法水處理的技術(shù)都要好，廢棄的各種高分子材料的膜，比如納濾膜、電滲析的離子交換膜等，在自然界中都是很難降解的。

5、金屬釕鈦電極的回收

使用了5年以上的金屬端電極的二氧化釕涂層消耗后，則可以將其取下后重新做涂層。由圖6(1)可見，拆卸端電極時，只需將端部極水室總成的電氣連接螺栓與電堆夾緊端板之間的環(huán)氧樹脂灌注密封使用手電鉆鉆掉，即可將端電極完好地取下，同時端板也不會有損傷。

以上優(yōu)點是本發(fā)明對環(huán)境友好的突出長處，本發(fā)明可在廢水處理領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為單極式電極堆及工作電壓的示意圖。

圖2(1)為本發(fā)明復(fù)極式電極堆及工作電壓的示意圖；

圖2(2)為本發(fā)明復(fù)極式電極堆及工作電壓，省略端電極的極水系統(tǒng)的示意圖。

圖3為本發(fā)明布水隔板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明工作電極框、多孔板、極膜的結(jié)構(gòu)示意圖(三者的外形尺寸和布水通道都與圖3一樣，中間的部分與圖3中隔板網(wǎng)的尺寸相同；軟質(zhì)的電極框中間挖空填充電極，硬質(zhì)的多孔板在中間區(qū)域鉆孔，極膜中間不挖空，是整體的)，圖中以工作電極框為例標(biāo)號。

圖5(1)為本發(fā)明端電極的側(cè)視圖；

圖5(2)為本發(fā)明端電極的正視圖。

圖6(1)為本發(fā)明端部電極室總成的部件圖；

圖6(2)為本發(fā)明端部電極室總成的總裝圖；

圖6(3)為本發(fā)明電化學(xué)廢水處理裝置的方鋼管夾緊框上下端伸出形成吊裝框和起重框的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6(4)為本發(fā)明電化學(xué)廢水處理裝置的裝置面板示意圖；

圖6(5)為本發(fā)明電化學(xué)廢水處理裝置的側(cè)面護板示意圖；

圖6(6)為本發(fā)明電化學(xué)廢水處理裝置多組并排安裝的示意圖。

圖7為本發(fā)明電化學(xué)廢水處理裝置倒極過程示意圖，其中：A工作狀態(tài)Ⅰ；B、E進入再生程序：停電/停水/倒換直流電源極性；C、F供電/生成浪涌電流/完成再生/停電收集濃縮液/供水供電；D工作狀態(tài)Ⅱ。

圖8為浪涌電流的控制示意圖，其中，(1)為原有的電壓控制電路，工作時，使用多圈電位器g，電壓值為U；(2)為改裝后，在倒極時，使用多圈電位器i，電壓值為(10-100％)U，倒極后之后再返回多圈電位器g。

圖9為本發(fā)明倒極開關(guān)的示意圖，通過裝置的電流(實線)的流動方向由左向右，倒極后(虛線)，電流反向。

圖10為本發(fā)明電化學(xué)廢水處理裝置在制水系統(tǒng)中的工藝流程圖。

圖中：1、直流電源；2、電堆夾緊端板；201、布水通道入口(即廢水入口)；202、布水通道出口(即產(chǎn)水出口)；203、極水入口；204、極水出口；205、支撐塊；206、電堆緊固螺栓孔；3、工作電極框；301、電極框體密封周邊；302、布水通道；303、中空的容納區(qū)；4、金屬陽極多孔板；4’、陽極；4”、金屬電極與碳電極組合；5、金屬陰極多孔板；5’、陰極；6、布水隔板；601、隔板框；602、布水孔；603、隔板網(wǎng)；604、布水槽；7、半透性極膜；8、密封墊；9、端電極；901、電氣連接螺栓；902、鈦板條集流體；903、釕鈦電極體；904、電極接線螺母；905、環(huán)氧樹脂灌注密封體；10、方鋼管夾緊框；1001、吊裝框；1002、叉車起重框；11、面板；12、側(cè)面護板；

101、廢水水箱；102、工作泵；103、保安過濾器；104、電化學(xué)廢水處理裝置；105、再生泵；106、洗水水箱；107、濃縮液箱；108、回用水水箱；109、閥Ⅰ(廢水[手動閥])；110、閥Ⅱ(洗水補水[電動閥])；111、閥Ⅲ(反應(yīng)器進水[電動閥])；112、閥Ⅳ(極水進水[電動閥])；113、閥Ⅴ(不合格產(chǎn)水返回101水箱[電動閥])；114、閥Ⅵ(進空氣[電動閥])；115、閥Ⅶ(洗水進水[電動閥])；116、閥Ⅷ(產(chǎn)水出水[電動閥])；117、閥Ⅸ(再生泵入口[電動閥])；118、閥Ⅹ(洗水[電動閥])；119、閥Ⅺ(濃縮液[電動閥])；120、閥Ⅻ(淡洗水[電動閥])；121、閥ⅩⅢ(濃縮液入箱[電動閥])；122、閥ⅩⅣ(洗水箱出口閥[電動閥])；123、閥ⅩⅤ(濃縮液外供[手動閥])；124、閥ⅩⅥ(工藝回用水外供[手動閥])；

a、廢水；b、淡化水；c、濃縮液；d、空氣；e、工作電流；f、浪涌電流；k、倒極開關(guān)；h、電源的控制盒；g、正常工作時，調(diào)整電壓(流)的多圈電位器；i、調(diào)整再生時的浪涌電流幅值的多圈電位器；j、PLC控制的浪涌電流調(diào)節(jié)開關(guān)；←電流方向。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例1

如圖2(1)所示，一種高效率的電化學(xué)廢水處理裝置，包括：端部電極室總成，分為前端電極室總成和后端電極室總成，所述前端電極室總成自外向內(nèi)依次包括方鋼管夾緊框10、電堆夾緊端板2、密封墊8、端電極9、多孔板(金屬陽極多孔板4、金屬陰極多孔板5)和半透性極膜7，所述后端電極室總成自外向內(nèi)的結(jié)構(gòu)同所述前端電極室總成。

置于所述前端電極室總成和所述后端電極室總成之間的由百對以上的工作電極組合成的電堆，所述工作電極為復(fù)極式電極，每兩個工作電極之間設(shè)有布水隔板6；電極間的極間距選在0.5mm-2.0mm時，無論是電極上的直接氧化，還是在近電極區(qū)域的間接氧化過程，都會得到強化。極間距小，則被處理的水室水的歐姆電壓降-或者稱為“槽電壓”，可以做到很小，對于提高電流效率和降低電能消耗，都會有很大的優(yōu)勢。也容易得到均勻的流場。例如，單體以150-500對電極，電極有效寬度800-1500mm，則可得到處理能力可以達到10³m³/d的模塊，多模塊并聯(lián)以提高處理能力，串聯(lián)可深化處理效果。

本發(fā)明選用復(fù)極式電極是由于：單極式電極的電堆，由于電極的電氣連接與均勻的水路布置相互干擾，不容易得到均勻的流場；并且由于工作電流很大，采用自動頻繁倒極技術(shù)較難，由圖1可見，它的陽極4’和陰極5’是與直流電源1的正極和負(fù)極直接相連，即單極式電極，并且是以陽極-陰極-陽極-陰極的電極交錯的形式安裝。特點是電源供出的電壓是每對電極的工作電壓，電源供出的電流是所有電極對工作電流的總和，即很低的工作電壓和很大的工作電流，與供電系統(tǒng)不易協(xié)調(diào)，布水難以均勻，所以裝置的工作效率低，工作電流太大，采用倒極再生的難度很大，只能采用停止供電/短接的常規(guī)方式再生，所以它的再生時間很長，導(dǎo)致產(chǎn)能-體積比??；這樣的直流電源制作難度大、效率低、造價高。圖9的PLC控制的倒極開關(guān)k需要很大的容量，投資、體積都大。復(fù)極式電極由于它的性能更好，在電化學(xué)工業(yè)中越來越多地被采用，比如已經(jīng)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的氯堿工業(yè)的復(fù)極式電解槽，并且已經(jīng)建立了復(fù)極式電解槽的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。相對于單極式電極來說，復(fù)極式電極的電堆，除兩端的端電極是單極式的，其余電極均為一面為陽極、另一面為陰極的復(fù)極形式。

這樣設(shè)計的好處是，電氣連接簡單、制造方便、水路布水均勻、電極材料利用率高、電流通過電極的是電極厚度，電極體的歐姆壓降比較小、工作電流理論上是單極式裝置的1/(電極對數(shù))。電極對數(shù)往往超百甚至數(shù)百，所以工作電流小了這么多倍，倒極的開關(guān)就很容易選擇了。

如：某單極式電堆使用150電對，工作電流為1500A，電壓1.6V。改用復(fù)極式工作，則有：

工作電流I＝1500÷150＝10(A)實為每一個單極式電極的工作電流

工作電壓U＝1.6×150＝240(V)是所有工作電極的電壓之和

可見，復(fù)極式電堆的工作電壓電流都適中，這樣的直流電源1價廉、易得；倒極開關(guān)k造價低、體積小、配置容易；電氣接點發(fā)熱少，安全、節(jié)電。

復(fù)極式電堆還有一個較大的好處是，由于工作電流適中，可以方便地采用自動頻繁倒極來提高裝置的產(chǎn)能-體積比和長期保證電極的活性。

所述前端電極室總成、所述電堆和所述后端電極室總成堆疊后通過螺桿夾緊組成一個密封性良好的電化學(xué)廢水處理裝置本體結(jié)構(gòu)，為規(guī)整的長方體外形，所述本體結(jié)構(gòu)外側(cè)通過面板11和側(cè)面護板12圍護(如圖6(3-6)所示)廠房內(nèi)可以高密度布置更多裝置，節(jié)省廠房的面積，方鋼管夾緊框10的上部設(shè)計有吊裝框1001、下部設(shè)計有叉車用的起重框1002，使得運輸、安裝都很方便，并且可靠、美觀。起重框1002的下邊框，可以防止叉車在托舉設(shè)備時，發(fā)生傾覆事故。使用方鋼管作為裝置的總承力結(jié)構(gòu)的優(yōu)點很多，在設(shè)備的混凝土基座上，使用預(yù)埋的地腳螺栓將裝置本體緊固好。如有必要，利用吊裝框1001上沿和起重框1002下邊框作為支撐，可以再上一層設(shè)備，兩層之間也使用連接螺栓緊固，可以使廠房面積的利用率又提高一倍。一般可以將下層作為一級處理器，上層為二級處理器，接管可以更順當(dāng)。裝置所有的外聯(lián)管路，由裝置面板和端板之間的空間，向上或向下引出。

如圖6(1)所示，所述電堆夾緊端板2的上部設(shè)有布水通道出口202、極水出口204，下部設(shè)有極水入口203和布水通道入口201；所述電堆夾緊端板2靠近電堆的內(nèi)側(cè)設(shè)有供所述端電極9部分容納的電極槽；所述端電極9分為上下兩部分，在所述電極槽中部設(shè)有用于隔離兩部分端電極的支撐塊205，支撐塊205間是極水流通的通道；所述電堆夾緊端板2的中上部和中下部還分別設(shè)有供所述端電極上的電氣連接螺栓通過的孔；所述電堆夾緊端板2通過螺栓穿過設(shè)置在所述電堆夾緊端板2兩端的電堆緊固螺栓孔206與所述方鋼管夾緊框10緊固，所述端電極9的電氣連接螺栓901依次穿過密封墊、設(shè)置在所述電堆夾緊端板2上的孔與電極接線螺母904固定并通過環(huán)氧樹脂灌注密封體905密封；其中密封墊的厚度為3-6mm，用于容納所述端電極，密封墊的中空結(jié)構(gòu)(密封墊的結(jié)構(gòu)尺寸與下述的工作電極框的結(jié)構(gòu)尺寸相同)充當(dāng)金屬端電極的電極室，在此極水流速達到5-25m/min，滿足排出垢屑的要求。

如圖5(1)，5(2)所示，所述端電極9使用金屬電極，所述端電極9的電極本體采用絲式或網(wǎng)式的釕鈦電極體903焊接于鈦板條集流體902上，所述電氣連接螺栓901設(shè)置于所述鈦板條集流體902中部；所述工作電極使用具有三維結(jié)構(gòu)、多微孔、孔徑為2-50nm的纖維狀或顆粒狀活性炭及其制品，簡稱為碳電極及其制品，所述工作電極四周用工作電極框3限定，所述工作電極框的厚度與所述工作電極的厚度相適應(yīng)為0.5-6mm，(如圖4所示)所述工作電極框3包括電極框體密封周邊301、設(shè)置在電極框體密封周邊兩端的布水通道302及中空的容納區(qū)303。

碳電極的微孔面積很大，但是有近一小半的面積無法參與工作，原因是孔徑＜2nm的微孔內(nèi)由于無法建立雙電層而不能利用。自動頻繁倒極的過程產(chǎn)生的浪涌電流，會使得這些微孔在·OH強烈的氧化腐蝕作用下，從而一點一點地得到擴張，得到孔徑為2-50nm的中孔而投入工作，從而使得裝置的生產(chǎn)能力也逐步提高；另外，活性炭還會有一些表面被疏水性的物質(zhì)覆蓋，比如生產(chǎn)活性炭活化過程中沒有徹底去除的焦油，浪涌電流可以氧化這些物質(zhì)，增強碳電極表面的親水性，提高處理能力。

在裝置投入使用前，可以使用較高的浪涌電流的方法“二次活化”碳電極，而在日常工作中，也可以不斷地得到活化，保持并強化裝置的處理能力。利用倒極操作可使得所有電極的雙面都能得到活化。

由于要倒極操作，電極在工作中既要做陽極又要做陰極使用，裝置兩端的金屬電極都使用已經(jīng)大量工業(yè)應(yīng)用的鈦涂釕電極，而工作電極都使用上述相同的不溶性三維碳電極。

為使金屬電極長期穩(wěn)定運行，最好設(shè)置獨立的極水循環(huán)。為了防止電極室斷水影響安全，極水都是由下向上流動的，使電極室會有存水，與工作電極的水室水相同，這樣除了能保證布水均勻外，還可以防止氣體聚集使電極的有效面積不能全部參與工作和可能產(chǎn)生的氣體爆鳴毀壞設(shè)備。極水的用量少，一般極水用量為0.5-1.5m³/h左右，就可以滿足極水流速大于5-25m/min，足以排出垢屑的要求。大多數(shù)情況下也可以直接使用原廢水。

當(dāng)處理的廢水結(jié)垢物質(zhì)和有機污染物較少、膠體和懸浮物也較少的時候，則圖2(1)可以改為如圖2(2)所示的形式，省略金屬電極的極水系統(tǒng)，以簡化裝置結(jié)構(gòu)，由圖2(2)可見電堆兩端的單極性工作電極直接與金屬電極緊密貼合在一起，即金屬電極與碳電極組合4”。具有圖2(1)的大部分優(yōu)點，但只局限于原廢水水質(zhì)較好的場合。優(yōu)點是省掉了極水室，也就省掉了多孔板和極膜，裝置得以簡化。

如圖4所示，所述多孔板4的結(jié)構(gòu)尺寸同所述工作電極框3，包括多孔板密封周邊、設(shè)置在所述多孔板密封周邊兩端的多孔板布水通道及中部的鉆孔區(qū)，所述孔徑為8mm-13mm，孔間距10mm-15mm，多孔板4采用厚度5mm-10mm硬質(zhì)高分子板材制成；在安裝緊固時，所述多孔板的長度方向的正中抵于所述支撐塊205上，開孔率提高到了50-60％，減少了端電極室及孔板的歐姆電壓降，對節(jié)電有利，所述半透性極膜7的結(jié)構(gòu)尺寸同所述工作電極框3，包括整張極膜本體和設(shè)置在所述極膜本體兩端的極膜布水通道。為了保證電流通道的暢通，在金屬端電極室與電堆之間設(shè)置了多孔板4和半透性極膜7，多孔板4是溝通金屬端電極9和裝置電堆的電流通道，支撐電堆，并且還使用了半透性極膜7將端電極室的極水與電堆內(nèi)的水室水隔離開，同時它與裝置的工作電極框3、布水隔板6一起，保證了電堆的整體性和密封性。

如圖3所示，所述布水隔板6的隔板厚度一般為0.5mm-2.0mm，所述布水隔板6包括隔板框601、設(shè)置在所述隔板框601兩端的布水孔602和設(shè)置在中部的隔板網(wǎng)603，所述隔板網(wǎng)603通過布水槽604與所述布水孔602相通，硬質(zhì)的隔板框601與軟質(zhì)的工作電極框3一起構(gòu)成了水室的密封周邊，保證了水室水不外漏，并與端電極室總成一起，由夾緊裝置形成電堆。隔板網(wǎng)603的設(shè)置可以方便地在水室中的作為擾流網(wǎng)，使得在較低的流速下也可以破壞對于傳質(zhì)非常不利的層流流態(tài)，而轉(zhuǎn)變成過渡流流態(tài)，大大強化了傳質(zhì)過程，極大地提高了電化學(xué)反應(yīng)的速度及反應(yīng)的徹底性。

布水隔板6的作用如下：作為電對之間的絕緣、隔離物和支撐物；形成水室，布水隔板6與工作電極一起構(gòu)成了液流通道即形成了水室，使水室水按規(guī)定的方向流動；避免湍流，水室水也要防止流速太快形成湍流，湍流會導(dǎo)致水力壓降過大，造成水泵動力消耗增加；也會對碳電極形成強烈的沖刷，導(dǎo)致其早期損壞；而過高的流速對于提高傳質(zhì)效率的貢獻不大，水室水的流速一般在0.6-5m/min比較合適；隔板的水阻，就是由布水孔602和布水槽604及隔板網(wǎng)603組合，形成一個穩(wěn)定的、均勻分布的水流流場。布水孔602和布水槽604的尺寸，可以根據(jù)處理水量，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)的計算公式來計算得到。每臺裝置的水路壓降一般為0.02-0.06MPa，主要是隔板網(wǎng)603的水阻。在常用的2-3級的處理流程中，水泵揚程一般選擇為12-20m即可。可以選擇優(yōu)點較多的輕型立式泵，耗電省、壽命長；減少水室的歐姆電壓降。

所述電化學(xué)廢水處理裝置在常溫常壓的條件下工作，本體結(jié)構(gòu)材料使用耐腐蝕和絕緣性能良好的合成高分子材料，采用硬聚氯乙烯板材或者抗氧化能力更強的含氟材料。

實施例2

如圖7所示，一種上述的高效率的電化學(xué)廢水處理裝置的控制方法，所述電化學(xué)廢水處理裝置通過自動頻繁倒極操作提高產(chǎn)能-體積比和長期保持電極活性，包括如下步驟：

通過PLC控制完成，先停止供電和供水，將等待再生/活化的電極的供電的極性反接，然后供電，電堆的雙電層電容性充電電壓與倒極后的直流電源的電壓形成串聯(lián)，共同對電堆內(nèi)的水體放電，并形成較強的、幅值可控的浪涌電流，浪涌電流的流動方向與倒極前的工作電流流向相反，與倒極完成后的工作電流流向相同；就像普通電容使用電源充電，再把充好電的電容，反過來再接到電源上的結(jié)果是一樣的。待電容放完了電以后，又會被直流電源用與電化學(xué)廢水處理裝置原來相反的極性充電，工作電流恢復(fù)正常，暫停供電，先排濃縮液，再經(jīng)水洗后，供電供水投入循環(huán)工作。

下面詳述一下倒極操作的用途及控制要點：

1.倒極操作的用途

1)縮短再生時間

對于電化學(xué)廢水處理裝置的再生所耗費的時間，即再生耗時可由原來不倒極的長達工作時間的17-50％，減少到5-10％?？梢暂^大幅度地提高了電化學(xué)廢水處理裝置的產(chǎn)能-體積比，一般可以提高2-4倍。

2)再生和解除污堵都很徹底，工作電極的活性得以恢復(fù)并可長期保持，有利于裝置長期穩(wěn)定運行。

3)由于倒極操作，得到了高濃度的廢水濃縮液，可以大幅度地減少后續(xù)的蒸發(fā)-結(jié)晶工藝過程的投資和能耗。

4)提高對于有機污染物去除效果和微生物的殺滅效果。

5)免除了工作電極的酸洗，節(jié)省了日常操作費用，避免了酸洗過程對于環(huán)境的不良影響。

2.倒極操作的過程及其長處

由圖7可見，電化學(xué)廢水處理裝置的工作狀態(tài)，設(shè)定是從A工作狀態(tài)開始，經(jīng)過B、C的倒極暫態(tài)過程，進入D的工作狀態(tài)；下一個倒極過程，是由D的工作狀態(tài)，經(jīng)過E、F的倒極暫態(tài)過程，又回到A的工作狀態(tài)，如此周而復(fù)始。圖中a、廢水；b、淡化水；c、濃縮液；d、空氣；e、工作電流；f、浪涌電流。

1)倒極周期

根據(jù)吸附飽和的時間長度和廢水水質(zhì)和產(chǎn)水水質(zhì)的要求，如COD的種類和濃度等具體情況，倒極周期一般設(shè)計為電極吸附飽和時間的65-95％，或者是電化學(xué)氧化的速率明顯下降之前。

2)倒極時，先停止供電和供水。

3)然后倒換工作電極的供電的極性，見圖7之B、E狀態(tài)。

供電的極性倒換后，接著使用正常工作電壓的10-100％的電壓-可以一步也可以分幾步，來給電化學(xué)廢水處理裝置供電，調(diào)整該電壓，就可以控制浪涌電流的幅值和持續(xù)時間。

只需按照圖8，在直流電源的控制盒h內(nèi)增設(shè)一個調(diào)整再生時的浪涌電流幅值的多圈電位器i和PLC控制的浪涌電流調(diào)節(jié)開關(guān)j，倒極時PLC將開關(guān)j切換到i導(dǎo)通，浪涌電流得以控制，倒極完成后再切換到工作電流控制的多圈電位器g，通過PLC控制，由多圈電位器g轉(zhuǎn)換到的多圈電位器i即可調(diào)整和控制浪涌電流的幅值。

正常工作時，電流的方向由PLC控制，在倒極時也由PLC來完成倒向，見圖9，工作狀態(tài)Ⅰ電化學(xué)廢水處理裝置104的供電極性左為正，倒極時，停電停水，倒極開關(guān)k在PLC的控制下，將電化學(xué)廢水處理裝置104的左側(cè)變?yōu)榱素?fù)，與電化學(xué)廢水處理裝置104的電容性儲存的電能，也就是吸附的離子形成的電動勢相疊加，產(chǎn)生了浪涌電流，強化再生過程，電容放電完后，也就是再生完成后，浪涌電流的幅值回落到工作電流的水平，停電，回收濃縮液，再次供水并供電，則電化學(xué)廢水處理裝置104進入工作狀態(tài)Ⅱ。

4)這時，仍然不要供水(電化學(xué)廢水處理裝置體內(nèi)有存水)。

不供水的目的有二：一是希望再生下來的鹽類離子形成高濃度的濃縮液而不被反洗水稀釋；二是因為在靜止的水體中傳質(zhì)效果很不好，從而可以最大限度地防止發(fā)生反向電吸附而使得再生不徹底。

5)浪涌電流的產(chǎn)生

這時裝置兩個端電極之間的電壓值等于電源電壓與裝置原雙電層電容電壓之和，見圖7之C和F，串連在一起共同對電化學(xué)廢水處理裝置工作電極之間的水體放電，即圖7之C、F狀態(tài)，從而形成浪涌電流；

待電容放完了電以后，又會被直流電源用與電化學(xué)廢水處理裝置原來相反的極性充電，即電化學(xué)廢水處理裝置的原陽極變陰極，原陰極變陽極，再次與直流電源的極性保持一致，處于電化學(xué)廢水處理裝置雙電層電容充電狀態(tài)見圖7之D、A工作狀態(tài)；

6)浪涌電流強度控制

在電化學(xué)廢水處理裝置的雙電層電容通過與電源電壓疊加對水體放電時，根據(jù)所處理的水質(zhì)不同和在第3)步所提供的電壓也不同，就會產(chǎn)生一個是工作電流的1.2-5倍的可調(diào)的浪涌電流。它使得電化學(xué)廢水處理裝置工作電極電位提高后，發(fā)生強烈的電極反應(yīng)。其陽極產(chǎn)生多種自由基和H⁺，使界面層中的水呈酸性；陰極產(chǎn)生具有很強還原能力的新生態(tài)的氫和OH^－，致使界面層中的水呈堿性。

由于倒極操作，使得同一個工作電極，在不同的時間段，分別處于酸性或堿性的交替環(huán)境，這種酸堿環(huán)境的不斷轉(zhuǎn)換，再加上陽極上產(chǎn)生的強氧化性的自由基的作用，對于清除電極上的結(jié)垢等導(dǎo)致鈍化的因素有很好的作用。

3.倒極浪涌電流的有益效果歸納

由前所述，浪涌電流的幅值和持續(xù)時間都是可調(diào)的，根據(jù)廢水水質(zhì)和種類的具體情況來調(diào)整。如圖8、圖9所示。

1)加速再生，提高產(chǎn)能-體積比

這個與倒極前工作電流方向相反的浪涌電流，迫使離子迅速脫離原來吸附它們的電極，同時工作電極也得到快速而徹底的再生。再生耗時由原來吸附工作周期的17-50％，減少到5-10％。

這樣，裝置的產(chǎn)能-體積比，也就是同樣一臺電化學(xué)廢水處理裝置的生產(chǎn)能力可以提高到2-4倍。

比如，有一臺電化學(xué)廢水處理裝置處理某廢水，在處理能力為10m³/h時，1小時吸附飽和，然后再生0.5小時，合計1.5小時，即90min。

由于倒極操作將再生時間大大縮短，所以將處理能力提高到20m³/h時，0.5小時(處理了10m³廢水)吸附飽和，倒極后再生過程3min完成，合計33min，就再次投入電化學(xué)廢水處理過程，生產(chǎn)能力提高到[1/(33÷90)＝]2.7倍。處理不同的廢水還可以將工作時間，即倒極周期減少到15-20min，則產(chǎn)能-體積比可以進一步提高，甚至可以達到4倍。

2)清除電極結(jié)垢

此時電極原來的正負(fù)極性已經(jīng)換位，新陽極的電極反應(yīng)會生成H⁺。pH值的這－變化，是清除倒極前，作為陰極時電極上產(chǎn)生的堿性結(jié)垢的強有力的手段，也就避免了化學(xué)酸洗對于環(huán)境的影響及其花費。

3)硫酸鈣垢的清除

再生不徹底或處理高濃度CaSO₄的廢水會生成硫酸鈣結(jié)垢。

對于使用常規(guī)的酸洗無效的CaSO₄結(jié)垢，采用倒極來清理是唯一的辦法。根據(jù)實際濃度，調(diào)整倒極操作的頻率，使CaSO₄在剛剛形成晶核時就倒極，防止其長大形成垢層，成為運行障礙。

結(jié)垢物質(zhì)從晶核長大形成垢層，一般需要30-60min，如果將倒極周期設(shè)定于30min以內(nèi)，結(jié)垢就不會形成運行的障礙，也不會在裝置內(nèi)積累，可以在工程調(diào)試期內(nèi)，觀察工作電壓的升高值來具體確定倒極周期。

4)提高COD去除率

浪涌電流的沖擊還會在陽極上產(chǎn)生更多的、化學(xué)活性極高的羥基自由基·OH，通過與有機物污染物之間發(fā)生加合、取代和電子轉(zhuǎn)移等反應(yīng)，將吸附在工作電極上的各種油類、COD、膠體顆粒更徹底地氧化、降解、礦化掉，提高COD的消除效果。COD的去除率可以提高到1.3-1.8倍，由原來不倒極的50％左右，可以提高到60-80％，已經(jīng)可以滿足工業(yè)廢水去除COD的要求。COD消除得更徹底的同時，也使得工作電極活性得到更徹底地恢復(fù)。

5)浪涌電流可以徹底清除倒極前覆蓋在電極表面上的粘質(zhì)的電化學(xué)氧化的中間產(chǎn)物，恢復(fù)電極活性。

6)對于微生物的抑制和殺滅的效果也很顯著，防止菌膜的生成。

7)吹除軟泥和粘質(zhì)物

浪涌電流引起的電極反應(yīng)，還可以使工作電極微孔中產(chǎn)生微氣泡，吹除微孔中原來吸著的軟泥和粘質(zhì)物，微孔表面得以更新，重新參與電化學(xué)廢水處理裝置工作。

這一點，對于電化學(xué)廢水處理裝置應(yīng)對在工業(yè)廢水和再生水中普遍存在的軟泥和粘質(zhì)物時，也很重要。所以，浪涌電流對于提高裝置的產(chǎn)能-體積比、解除和防止工作電極鈍化，保持較高的電極活性，是很有利的。

4.浪涌電流的調(diào)整和回落

1)根據(jù)廢水水質(zhì)調(diào)整浪涌電流

可以通過調(diào)整倒極時供給的電源電壓，從而調(diào)整浪涌電流的大小和持續(xù)時間。以滿足多種使用場合的需要，更適應(yīng)于工業(yè)廢水量大面廣、水質(zhì)千差萬別的實際情況。

2)這個浪涌電流來自裝置的雙電層電容放電，一般會持續(xù)5-50s，放電后自動再進入反向充電，就會自行回落而消失。所以它是短暫的、收斂的，而不是發(fā)散的，也就不會導(dǎo)致電源和裝置的損傷。

5.浪涌電流過后，工作電流恢復(fù)正常，準(zhǔn)備供水

1)收集濃縮液

在正式供水之前，暫時停止供電，先將裝置出水口處的通大氣的電動閥打開，如圖7之C和F，如圖10所示，進空氣用的閥門VI114，將其體內(nèi)再生得到的高濃度濃縮液收集起來送往濃縮液箱107，供給廢水濃縮器和蒸發(fā)器使用；然后再使用原(洗)水少量多次的、自上而下地沖洗一下，如圖7之C和F，也另外收集，以便下次再用，多次使用后，待其濃度達到濃縮液的要求，轉(zhuǎn)送到濃縮液箱107，再補入新的原水。

2)正式供水和供電

使用少量的原(洗)水沖洗之后，改由自下而上的工作方式供水，如圖7中的C－D和F－A過程的轉(zhuǎn)換，然后繼續(xù)供水，同時，將供電電壓調(diào)節(jié)到正常工作電壓，如圖8之多圈電位器i轉(zhuǎn)回到多圈電位器g。(結(jié)合下述的制水系統(tǒng)，如圖10所示)

待電導(dǎo)率儀的電導(dǎo)率指示數(shù)值開始下降時，說明電化學(xué)廢水處理裝置開始了新一輪的、電極極性與上一輪的極性相反的但效果相同的除鹽、除COD的過程了。

再如，裝置體內(nèi)存水約100L，處理的廢水濃度5000mg/L、處理水量6000L，得到的濃縮液濃度為(未計入淡化水帶走的鹽)：

(5000÷1000)÷(100÷6000)＝300(g/L)

在使用原(洗)水沖洗兩、三次后，得到的濃縮液濃度接近200g/L，可以直接供入蒸發(fā)器。

相比較，沒有倒極操作時，會為再生洗水太多發(fā)愁，收集濃縮液和濃洗水之后，不但沒有了反洗水，并且每次再生還減少了150L轉(zhuǎn)化成為濃縮液的待處理水量。

這時的水收率為：

[(6000-150)÷6000]×100％＝97.5％，即濃縮液的體積只有原廢水的2.5％。

3)將這期間不合格的水送往廢水水箱101；

4)當(dāng)產(chǎn)水合格后，改送往回用水水箱108。

5)快速再生

以上整個再生過程一般在0.5-3min內(nèi)完成，是原來不倒極的再生時間的1/15-1/20。

6.倒極過程的自動控制

倒極操作過程看似比較復(fù)雜，但對于使用可編程控制器PLC的裝置來說，則很容易自動完成各步操作，不需要人工介入。

7.水收率得到提高

不倒極的裝置的水收率一般只有75％左右。而倒極操作這種方法的水收率可以達到90-98％，節(jié)省再生沖洗用水。若原廢水濃度為0.5％，那么其濃水濃度則可以達到12-20％，這對于后續(xù)的蒸發(fā)-結(jié)晶過程的節(jié)能，是很有益處的。

在各種蒸發(fā)器中，熱泵蒸發(fā)器，簡稱MVR的能耗是目前最低的。它的能耗主要是離心蒸汽壓縮機和循環(huán)泵電機用電。由于原廢水的性質(zhì)差異很大，以及蒸汽壓縮機的設(shè)計、制造水平的差異等等，蒸發(fā)每噸水的電耗需要23-70kWh/m³。電化學(xué)廢水處理裝置的單位能耗僅為MVR的10-30％左右，所以為獲得濃度更高的濃縮液是值得下功夫的，可以為用戶節(jié)省許多操作費用。

8.提高產(chǎn)能-體積比

倒極操作還帶來一個很大的好處，就是可以提高電化學(xué)廢水處理裝置的產(chǎn)能-體積比，因此工程的投資可以大幅度地降低，這對于廢水零排放和優(yōu)質(zhì)再生水的生產(chǎn)，將具有極大的促進作用。

總之，倒極的浪涌電流加速了再生/活化過程、提高了產(chǎn)能-體積比，保證了電極活性的長久性。由于＜2nm的微孔逐步擴張和電極表面親水性的逐步提高，所以在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，裝置的生產(chǎn)能力是逐步得到提高的。

由上可見，本發(fā)明的裝置對于工業(yè)廢水和城市污水具有很強的適應(yīng)能力。

對于其它方面的應(yīng)用，如苦咸水除鹽、工業(yè)水軟化、海水淡化，也都有較強的實用價值。

實施例3

如圖10所示，一種上述的高效率的電化學(xué)廢水處理裝置在制水系統(tǒng)中的應(yīng)用，廢水水箱101經(jīng)工作泵102、保安過濾器103與所述電化學(xué)廢水處理裝置104相連通，所述電化學(xué)廢水處理裝置104經(jīng)再生泵105分別與洗水水箱106、濃縮液箱107相連通，所述電化學(xué)廢水處理裝置104還通過管路與回用水水箱108相連通，上述各水箱通過閥門控制管路通閉實現(xiàn)直接或間接與所述電化學(xué)廢水處理裝置104的連通。

所述電化學(xué)廢水處理裝置104在制水系統(tǒng)中完成制水過程-再生過程-制水過程；

所述制水過程包括如下步驟：打開閥門Ⅲ111(反應(yīng)器進水[電動閥])、閥門Ⅳ112(極水進水[電動閥])，啟動工作泵102，將廢水送入電化學(xué)廢水處理裝置104處理，由出水口的在線電導(dǎo)率儀檢測、PLC控制，不合格的產(chǎn)水自閥門Ⅴ113(不合格產(chǎn)水返回101水箱[電動閥])返回所述廢水水箱101，產(chǎn)水合格后，通過閥門Ⅷ116(產(chǎn)水出水[電動閥])將得到的工藝回用水送到回用水水箱108，回用水通過閥門XⅥ124(工藝回用水外供[手動閥])與后續(xù)設(shè)備相連；極水用過后，返回廢水水箱101；

所述再生過程包括如下步驟：

通過倒極產(chǎn)生浪涌電流，使得電極得以快速再生，再生完成浪涌電流消退后，暫停供電，收集濃縮液和濃洗水；

收集濃縮液，打開閥門VI114(進空氣[電動閥])、閥門Ⅸ117(再生泵入口[電動閥])、閥門Ⅺ119(濃縮液[電動閥])、閥門XⅢ121(濃縮液入箱[電動閥])，啟動再生泵105，將電化學(xué)廢水處理裝置104內(nèi)的存水經(jīng)過再生過程生成的濃縮液送往濃縮液箱107；

收集濃洗水，打開閥門XIV122(洗水箱出口閥[電動閥])、閥門Ⅶ115(洗水進水[電動閥])、閥門Ⅹ118(洗水[電動閥])、閥門XⅢ121(濃縮液入箱[電動閥])，啟動再生泵105，再生泵105經(jīng)過2-3次啟動和停止，把較濃的洗水收集到濃縮液箱107，濃縮液通過閥門XV123(濃縮液外供[手動閥])與后續(xù)設(shè)備相連；

沖洗電化學(xué)廢水處理裝置104，打開閥門XIV122(洗水箱出口閥[電動閥])、閥門Ⅶ115(洗水進水[電動閥])、閥門Ⅹ118(洗水[電動閥])、閥門Ⅻ120(淡洗水[電動閥])，啟動再生泵105，沖洗電化學(xué)廢水處理裝置104，洗水回到洗水水箱106；

上述再生過程僅需用幾分鐘時間即可完成，然后，再次供電，開始新一輪制水過程。

濃洗水轉(zhuǎn)運和洗水水箱106補水，多次使用的洗水達到洗水水箱106電導(dǎo)率儀的設(shè)定值時，PLC控制打開閥門XIV122(洗水箱出口閥[電動閥])、閥門Ⅺ119(濃縮液[電動閥])、閥門XⅢ121(濃縮液入箱[電動閥])，啟動再生泵105，將濃洗水轉(zhuǎn)送到濃縮液箱107；打開閥門Ⅱ110(洗水補水[電動閥])，啟動工作泵102，將洗水水箱106補滿，再生過程結(jié)束轉(zhuǎn)入制水過程；

上述每個過程中，未提及的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，閥門Ⅰ109處于打開狀態(tài)。若廢水水質(zhì)較差時，設(shè)置極水水箱和極水循環(huán)泵，極水可單獨自身循環(huán)。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。