基于电凝聚法的印染废水处理实验系统

王振宇，黄贤盛，黄一明，王刚，余亚东

(绍兴文理学院数理信息学院, 浙江绍兴，312000）

0 引言

据网上的公开数据整合，2017年全国印染废水排放量占全国废水排放的11%左右，每年20-23亿吨。化学需氧量（COD）排放量每年约24-30万吨，全工业行业占比在9%左右。印染作为水污大户，其废水排放量和污染物总量分别位居全国工业部门的第二位和第四位，占纺织业废水七成以上。据报道，印染厂每加工100米织物将产生废水量3-5吨[1-2]。根据数据显示，我国印染工业的水资源利用效率较低，单位用水量是国外的3-4倍，而废水中污染物平均含量高达国外的2-3倍。这些问题突出了我国纺织印染业发展所面临的严重的环保问题与经济效益问题，但同时也侧面凸显出了废水处理技术的无穷潜力。

印染污水能否安全的处理密切联系着人民的身体健康和生命安全。2013年纺织印染行业出台四项标准，对废水排放、污染防治等提出了更高要求。此种背景下，加强纺织印染废水处理技术的创新研发，提升传统处理方法和设备的技术水平，提高处理效率就成了当务之急。本文介绍的基于电凝聚法的印染废水处理实验系统能够有效的处理印染废水中的有害物质，使废水在处理后能够达到排放标准。

1 系统总体设计

利用STM32芯片作为处理器，采用其内部自带的DAC模块用于控制可调电源，并采用人机交互采用按键和液晶屏，使得参数的设置和工作状态的控制实现数字化。通过通信端口实现上位机对电源的远程操作，提高工作效率改善操作人员的工作环境。电压（电流）经采样电路及信号调理电路后转换为数字信号传送给MCU，MCU处理后通过数字方式控制全桥逆变器和输出斩波电路。人机交互采用按键和液晶屏完成，使得参数的设置和工作状态的控制实现数字化。通过通信端口实现上位机对电源的远程操作，提高工作效率改善操作人员的工作环境。

图1 系统框图

控制策略的数字化是在前述硬件电路数字化的基础上，对系统各个状态量的控制实现数字化。主要是根据工艺需要，对开关管的状态进行控制，以调整脉冲极性、开关频率、占空比、电压电流值等参数。同时能够根据轻重缓急对各个报警信号分级处理。控制策略的数字化的另一重要内容是根据检测到的系统各个状态量及用户设定值，设计适当的控制算法并根据实时状态选择合适的参数实现对系统的最优控制。

2 系统硬件设计

2.1 主控板

本系统采用STM32单片机作为主控板，它是一款内核为Cortex - M3，属于ARMv7架构的微型计算机，其工作频率为72MHZ，板载64K Byte Flash以及20K Byte SRAM；拥有2个SPI接口、3个USART接口、2个IIC接口、一个CAN接口以及37个I/O口；并且有2路ADC通道；支持JTAG/SWD接口调试下载，支持IAP；同时它还具有多种串行、并行、PWM等扩展引脚。

STM32单片机体积小巧，功耗低，价格低廉，性能强大并且具有丰富的可拓展资源，是非常理想的主控中心平台选择。

2.2 硬件模块

2.2.1 DC-DC电源模块

DCDC电源模块分为三种类型，降压型、升压型、稳压型，它们均可稳定电压的输出，将不同的电压变换成需要的电压。

2.2.2 IGBT驱动器

本系统中，主电路有较为成熟的设计，控制电路中的信号检测及调理电路也都是常见的电路。但由于脉冲电源通常工作于大电流状态，因此IGBT驱动器的设计就尤为重要，需要保证栅极可靠的通断及较小的di/dt、dv/dt，以防止炸管。

2.2.3 液晶、按键

本系统通过按键来输入要输出的电压电流值以及占空比等一系列参数，并且通过液晶显示，能够很直观的显示出该系统的运行状态，实现控制系统的自动化，更有利于人机交互以及实验的进行。

3 系统技术分析

研发可调节不同周期、波形、幅值和极性电源的全数字化技术[3-7]。现代电力电子技术的发展正朝着数字化控制的方向深入。数字控制相对于模拟控制有着诸多优点，如抗干扰能力强、减少了电路硬件结构、提高系统的运行可靠性、便于实现远程监控、简化系统调试、加快生产研发进度等。

3.1 电凝聚气浮技术

在各种电化学处理方法中，电凝聚法（也有文献称为电絮凝法）[8]是一种极具发展潜力的废水处理方法，去除污染物范围非常广，不需投放添加剂，是一种环境友好的凝聚技术。电凝聚就是在外电压作用下,利用可溶性阳极（铁、铝等）产生大量阳离子,对含胶体和悬浮物废水进行凝聚沉淀,同时阴极产生氢气,形成微小的气泡,利用气浮原理将沉淀物浮起形成浮渣层，它兼具电化学氧化、凝聚和气浮三者特点。

图2 电凝絮气浮法示意图

大量的研究表明电凝聚气浮废水处理主要包括三方面的作用机理：电解凝聚、电解气浮及电解氧化还原，电解凝聚是可溶性阳极产生的阳离子进入溶液中经过水解聚合作用，可生成多核羟基络合物及氢氧化物，作为絮凝剂对水中悬浮物及胶体进行凝聚处理。电解气浮是水在电解时，由于水的离解以及其它物质的电解氧化，在阴极和阳极的表面会产生如过氧化氢等气体的微小气泡，所产生的气泡粒径和密度很小，这些气泡具有强大的浮载的能力并具有良好的粘附电凝聚气浮技术的作用机理，过滤与分离性能。可以吸附着电凝聚过程中产生的凝聚絮团以及水中的悬浮物等颗粒上升到水面，从而达到分离的效果。

现有研究表明,电凝聚法主要具有以下一些优点：设备简单紧凑，占地面积小，处理操作方便，混凝剂在处理过程中随时产生，表面吸附杂质少，表面吸附能力大，净化效果优于一般的化学混凝剂。能去除任何极性化合物，处理过程中产生的淤泥少，并且淤泥会被气泡带到液面，淤泥的去除和收集方便。处理后的水无色无味，可循环利用，并且可以不消耗或少消耗化学药品，回收有用物质，不会或很少产生二次污染。电凝聚法的这些优点使其应用领域日益广阔。

3.2 控制算法的设计

DSP对采样值进行处理并根据控制算法计算控制逆变桥的开关状态，形成闭环控制，使电源的输出与用户设定值保持一致。本项目采用基于滞环调节的滑模控制技术。由于不同厂家印染废水的成分和比例不尽相同，因此对不同厂家的印染废水处理时电源输出脉冲的参数可能不同，而滑模控制[9-10]的主要优点就是可以保证系统在参数不确定的情况下的稳定性和鲁棒性，并且易于实现，非常适合于DCDC功率调节应用。

3.3 不同杂质的处理策略

对于污水最简单的处理当中，采用铜铝电极就已经能做到非常好的处理效果。色度以及COD含量能够达到排放标准。但是其中一个非常重要的指标——苯胺却不能很好的达标，所以选取石墨电极、钛电极、钌铱电极以及各种不同的电极，以用于除去苯胺。并且，由于电解质的材料以及浓度的不同，污水的处理效率以及效果也会发生很大的变化，采用合适的电解质会使得整个系统变得更加高效。

3.4 延长系统的使用周期

由于传统的电凝聚法阳极可溶解，须定时更换电极，电耗较大。在长期运行过程中，电极容易发生钝化，导致电流急剧下降，金属溶解减缓甚至停止，出水水质变坏，能耗大。最近的研究表明，电凝聚法采用脉冲电源处理印染废水时所消耗的电能比采用直流电源有明显的下降，脉冲电源比直流电源大约节省15%～35%的电能消耗，去污效果增强5%～7%，同时脉冲电源能有效降低极板的钝化作用，提高电极利用率。近几年出现的周期换向方波电源[11-12]不仅能进一步节省电耗和电极消耗，还可以有效的防止电极钝化和电极表面结垢，出水水质稳定，周期换向方波是一种具有工业实用价值的污水处理方法。

4 系统测试与分析

本系统通过不断地实验，建立污染物含量（及污染物种类）、电解质和电极板的参数关系模型以及污染物含量（及污染物种类）与波形、周期、幅值和极性的参数关系模型。通过反复的实验进行比较与验证，选出来了一组效果的电极板材料。同时通过实验发现不同电解质材料使得电解过程的速度以及效果也存在较大差异，同时建立电解质材料与污染物含量的模型通过对电解速度以及电解效果得出了实验中最佳的电解质材料。

同时本项目将从电解槽的负载特性入手，建立电解负载的等效电路模型，得出脉冲电源参数选取的原则，并通过现场实验进行验证和优化。从而使可周期换向脉冲电源实用化，整套技术可工程化。

5 结束语

本项目针对印染废水研发电凝聚法的印染废水处理实验系统，采用可调节不同周期、波形、幅值和极性电源作为电解电源，继承了传统电凝聚法的优势同时又解决了电源耗电大、电极钝化等缺陷。并且采用铜电极、铝电极用于初步处理污水，降低污水中的COD含量以及改善其色度，采用下一阶段电极二次处理污水，降低污水中的苯胺含量。

本文通过对印染废水研发电凝聚法的印染废水处理实验系统各功能设计及实现的相关介绍，较完整地阐述了系统从模块到相关功能实现的过程，并通过对相关功能的测试，表现系统整体的性能较为优良，达到预期的设计目的。今后还需进一步完善系统的稳定性及可靠性，不断改进印染废水处理系统的功能。