電凝聚法下印染廢水處理實驗系統
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摘要：紡織印染工業是我國發展最早且具有國際競爭力的傳統優勢產業之一，已有一個多世紀的發展歷史，但同時也是典型的高能耗、高水耗、高污染產業，制約其發展最主要的障礙就是環保問題。本文針對印染廢水的處理問題設計了一個基于電凝聚的污水處理系統，旨在處理污水中的色度、COD、苯胺等物質。該系統包括容器、電解質、電源模塊以及控制裝置，通過單片機產生不同電壓不同電流的脈沖信號來達到使污染物凝聚進而去除的目的。電源模塊將采用DC-DC芯片來產生不同電壓電流的電源。控制裝置將把直流電源信號轉化成不同頻率以及不同占空比的脈沖信號，加在污水中的電極上來達到電凝聚的目的。本裝置對污水處理有著極好的效果，也符合綠水青山就是金山銀山的國家發展戰略。
關鍵詞：環保；污水處理；脈沖信號；電源；電凝聚
引言
據網上的公開數據整合，2017年全國印染廢水排放量占全國廢水排放的11％左右，每年20-23億噸。化學需氧量（COD）排放量每年約24-30萬噸，全工業行業占比在9％左右。印染作為水污大戶，其廢水排放量和污染物總量分別位居全國工業部門的第二位和第四位，占紡織業廢水七成以上。據報道，印染廠每加工100米織物將產生廢水量3-5噸[1-2]。根據數據顯示，我國印染工業的水資源利用效率較低，單位用水量是國外的3-4倍，而廢水中污染物平均含量高達國外的2-3倍。這些問題突出了我國紡織印染業發展所面臨的嚴重的環保問題與經濟效益問題，但同時也側面凸顯出了廢水處理技術的無窮潛力。印染污水能否安全的處理密切聯系著人民的身體健康和生命安全。2013年紡織印染行業出臺四項標準，對廢水排放、污染防治等提出了更高要求。此種背景下，加強紡織印染廢水處理技術的創新研發，提升傳統處理方法和設備的技術水平，提高處理效率就成了當務之急。本文介紹的基于電凝聚法的印染廢水處理實驗系統能夠有效的處理印染廢水中的有害物質，使廢水在處理后能夠達到排放標準。
1系統總體設計
利用STM32芯片作為處理器，采用其內部自帶的DAC模塊用于控制可調電源，并采用人機交互采用按鍵和液晶屏，使得參數的設置和工作狀態的控制實現數字化。通過通信端口實現上位機對電源的遠程操作，提高工作效率改善操作人員的工作環境。電壓（電流）經采樣電路及信號調理電路后轉換為數字信號傳送給MCU，MCU處理后通過數字方式控制全橋逆變器和輸出斬波電路。人機交互采用按鍵和液晶屏完成，使得參數的設置和工作狀態的控制實現數字化。通過通信端口實現上位機對電源的遠程操作，提高工作效率改善操作人員的工作環境。控制策略的數字化是在前述硬件電路數字化的基礎上，對系統各個狀態量的控制實現數字化。主要是根據工藝需要，對開關管的狀態進行控制，以調整脈沖極性、開關頻率、占空比、電壓電流值等參數。同時能夠根據輕重緩急對各個報警信號分級處理。控制策略的數字化的另一重要內容是根據檢測到的系統各個狀態量及用戶設定值，設計適當的控制算法并根據實時狀態選擇合適的參數實現對系統的最優控制。
2系統硬件設計
2.1主控板
本系統采用STM32單片機作為主控板，它是一款內核為Cortex-M3，屬于ARMv7架構的微型計算機，其工作頻率為72MHZ，板載64KByteFlash以及20KByteSRAM；擁有2個SPI接口、3個USART接口、2個IIC接口、一個CAN接口以及37個I/O口；并且有2路ADC通道；支持JTAG/SWD接口調試下載，支持IAP；同時它還具有多種串行、并行、PWM等擴展引腳。STM32單片機體積小巧，功耗低，價格低廉，性能強大并且具有豐富的可拓展資源，是非常理想的主控中心平臺選擇。
2.2硬件模塊
2.2.1DC-DC電源模塊DCDC電源模塊分為三種類型，降壓型、升壓型、穩壓型，它們均可穩定電壓的輸出，將不同的電壓變換成需要的電壓。
2.2.2IGBT驅動器本系統中，主電路有較為成熟的設計，控制電路中的信號檢測及調理電路也都是常見的電路。但由于脈沖電源通常工作于大電流狀態，因此IGBT驅動器的設計就尤為重要，需要保證柵極可靠的通斷及較小的di/dt、dv/dt，以防止炸管。
2.2.3液晶、按鍵本系統通過按鍵來輸入要輸出的電壓電流值以及占空比等一系列參數，并且通過液晶顯示，能夠很直觀的顯示出該系統的運行狀態，實現控制系統的自動化，更有利于人機交互以及實驗的進行。
3系統技術分析
研發可調節不同周期、波形、幅值和極性電源的全數字化技術[3-7]。現代電力電子技術的發展正朝著數字化控制的方向深入。數字控制相對于模擬控制有著諸多優點，如抗干擾能力強、減少了電路硬件結構、提高系統的運行可靠性、便于實現遠程監控、簡化系統調試、加快生產研發進度等。
3.1電凝聚氣浮技術
在各種電化學處理方法中，電凝聚法（也有文獻稱為電絮凝法）[8]是一種極具發展潛力的廢水處理方法，去除污染物范圍非常廣，不需投放添加劑，是一種環境友好的凝聚技術。電凝聚就是在外電壓作用下,利用可溶性陽極（鐵、鋁等）產生大量陽離子,對含膠體和懸浮物廢水進行凝聚沉淀,同時陰極產生氫氣,形成微小的氣泡,利用氣浮原理將沉淀物浮起形成浮渣層，它兼具電化學氧化、凝聚和氣浮三者特點。大量的研究表明電凝聚氣浮廢水處理主要包括三方面的作用機理：電解凝聚、電解氣浮及電解氧化還原，電解凝聚是可溶性陽極產生的陽離子進入溶液中經過水解聚合作用，可生成多核羥基絡合物及氫氧化物，作為絮凝劑對水中懸浮物及膠體進行凝聚處理。電解氣浮是水在電解時，由于水的離解以及其它物質的電解氧化，在陰極和陽極的表面會產生如過氧化氫等氣體的微小氣泡，所產生的氣泡粒徑和密度很小，這些氣泡具有強大的浮載的能力并具有良好的粘附電凝聚氣浮技術的作用機理，過濾與分離性能。可以吸附著電凝聚過程中產生的凝聚絮團以及水中的懸浮物等顆粒上升到水面，從而達到分離的效果。現有研究表明,電凝聚法主要具有以下一些優點：設備簡單緊湊，占地面積小，處理操作方便，混凝劑在處理過程中隨時產生，表面吸附雜質少，表面吸附能力大，凈化效果優于一般的化學混凝劑。能去除任何極性化合物，處理過程中產生的淤泥少，并且淤泥會被氣泡帶到液面，淤泥的去除和收集方便。處理后的水無色無味，可循環利用，并且可以不消耗或少消耗化學藥品，回收有用物質，不會或很少產生二次污染。電凝聚法的這些優點使其應用領域日益廣闊。
3.2控制算法的設計
DSP對采樣值進行處理并根據控制算法計算控制逆變橋的開關狀態，形成閉環控制，使電源的輸出與用戶設定值保持一致。本項目采用基于滯環調節的滑模控制技術。由于不同廠家印染廢水的成分和比例不盡相同，因此對不同廠家的印染廢水處理時電源輸出脈沖的參數可能不同，而滑模控制[9-10]的主要優點就是可以保證系統在參數不確定的情況下的穩定性和魯棒性，并且易于實現，非常適合于DCDC功率調節應用。
3.3不同雜質的處理策略
對于污水最簡單的處理當中，采用銅鋁電極就已經能做到非常好的處理效果。色度以及COD含量能夠達到排放標準。但是其中一個非常重要的指標——苯胺卻不能很好的達標，所以選取石墨電極、鈦電極、釕銥電極以及各種不同的電極，以用于除去苯胺。并且，由于電解質的材料以及濃度的不同，污水的處理效率以及效果也會發生很大的變化，采用合適的電解質會使得整個系統變得更加高效。
3.4延長系統的使用周期
由于傳統的電凝聚法陽極可溶解，須定時更換電極，電耗較大。在長期運行過程中，電極容易發生鈍化，導致電流急劇下降，金屬溶解減緩甚至停止，出水水質變壞，能耗大。最近的研究表明，電凝聚法采用脈沖電源處理印染廢水時所消耗的電能比采用直流電源有明顯的下降，脈沖電源比直流電源大約節省15%～35%的電能消耗，去污效果增強5%～7%，同時脈沖電源能有效降低極板的鈍化作用，提高電極利用率。近幾年出現的周期換向方波電源[11-12]不僅能進一步節省電耗和電極消耗，還可以有效的防止電極鈍化和電極表面結垢，出水水質穩定，周期換向方波是一種具有工業實用價值的污水處理方法。
4系統測試與分析
本系統通過不斷地實驗，建立污染物含量（及污染物種類）、電解質和電極板的參數關系模型以及污染物含量（及污染物種類）與波形、周期、幅值和極性的參數關系模型。通過反復的實驗進行比較與驗證，選出來了一組效果的電極板材料。同時通過實驗發現不同電解質材料使得電解過程的速度以及效果也存在較大差異，同時建立電解質材料與污染物含量的模型通過對電解速度以及電解效果得出了實驗中最佳的電解質材料。同時本項目將從電解槽的負載特性入手，建立電解負載的等效電路模型，得出脈沖電源參數選取的原則，并通過現場實驗進行驗證和優化。從而使可周期換向脈沖電源實用化，整套技術可工程化。
5結束語
本項目針對印染廢水研發電凝聚法的印染廢水處理實驗系統，采用可調節不同周期、波形、幅值和極性電源作為電解電源，繼承了傳統電凝聚法的優勢同時又解決了電源耗電大、電極鈍化等缺陷。并且采用銅電極、鋁電極用于初步處理污水，降低污水中的COD含量以及改善其色度，采用下一階段電極二次處理污水，降低污水中的苯胺含量。本文通過對印染廢水研發電凝聚法的印染廢水處理實驗系統各功能設計及實現的相關介紹，較完整地闡述了系統從模塊到相關功能實現的過程，并通過對相關功能的測試，表現系統整體的性能較為優良，達到預期的設計目的。今后還需進一步完善系統的穩定性及可靠性，不斷改進印染廢水處理系統的功能。
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作者：王振宇 黃賢盛 黃一明 王剛 余亞東 單位：紹興文理學院數理信息學院