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近十年来水体重金属污染重大事件频频发生,其不仅导致流域水环境质量严重下降,还严重威胁到城市饮用水安全和人民身体健康。因此探索研究高效经济、高自动化水平的重金属废水处理技术已成为该领域的重要发展方向。电絮凝技术具有易操作、无需投加化学物质、易与其他工艺组合应用等优点,已逐步成为重金属废水处理的工业化技术,但其现实应用与发展仍面临处理成本高、自动化水平低以及极板钝化等诸多瓶颈与挑战。本研究从优化效率与成本、提高自动化水平以及降低钝化行为的角度出发,借助响应面设计(RSM)、环境扫描电镜(SEM)、电化学分析、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)及形态分布模拟(MINTEQ)等设计与分析手段,研究电絮凝技术处理含重金属废水过程的最优化设计、实时控制策略以及钝化/破钝机理,其主要的实验结果如下:电絮凝效率与成本的多因素优化实验结果表明:通过基于起始p H、电流密度、极板间距和换极周期构建的重金属(Cr(VI)和Pb、Cd、Zn)去除模型、电能消耗模型以及极板材料消耗模型能够实现电絮凝效率与成本的优化。当起始p H、电流密度、极板间距和换极周期分别设定为3.19、115.6 A/m2、12.5 mm和691s时,能以最少的能耗和材料消耗实现最大的Cr(VI)和总Cr的去除率。当起始p H、电流密度、极板间距和换极周期分别设定为8.86、96.7 A/m2、12.6 mm和437s时,能实现Pb、Cd、Zn复合废水的最大去除效果以及最小的能耗和材料消耗。RSM方差分析(ANOVA)表明p H和电流密度对Cr(VI)以及Pb、Cd、Zn复合废水的处理存在显著的交互作用,同时极板间距和电流密度对电能消耗存在显著的交互影响。电絮凝实时控制策略的实验结果表明:起始p H、起始Cr(VI)为影响最终p H的关键影响因子,且存在交互作用:当p[Cr(VI)](铬碱度)=p Hi,最终p H为中性;当p[Cr(VI)]<p Hi,最终p H为碱性;当p[Cr(VI)]>p Hi,最终p H为酸性。基于浊度、温度、比电流和p H作为监测指标构建的电絮凝去除Cr(VI)的铁/铝-电絮凝-气浮实时控制策略能够节省58.8%的材料消耗和58.3%的电能消耗,并减少58.7%的产泥量。接下来针对含Pb、Cd、Zn的底泥清淤尾水,以浊度和p H作为监测指标,静置时间作为设计参数,通过剔除非显著性因子,构建了铝-电絮凝-气浮的实时控制响应模型。相比于传统电絮凝,实时控制策略能够节省35.8%的材料消耗和43.4%的电能消耗,并降低47.9%的产泥量。电絮凝处理含Cr(VI)废水的钝化/破钝研究结果表明:钝化行为主要受起始p H、Cr(VI)浓度和脉冲电流影响,借助恒电流方法建立了电絮凝中不同起始p H和Cr(VI)浓度下的溶解/钝化区间,其中溶解区II(vd>vp)能避免钝化发生,同时能实现Cr(III)沉淀去除。钝化区III(vd<vp)中,p H 4 and Cr(VI)=520 mg/L生成钝化膜中Fe3+/(Fe3++Fe2+)和Cr/Cr+Fe比例分别为71.0%和1.2%,且短换极周期会生成具有保护作用的钝化膜。基于电絮凝过程中的溶解/钝化及钝化膜的转化行为,开展了Cl-的破钝行为及其优化研究,并提出了确定最优Cl-破钝量(OCD)的新方法,具体如下:(a)构建钝化区III中与p H和Cr(VI)相关的最小破钝Cl-量(MCPD)的数据库,记为:MCPD=f(Cr(VI),p H);(b)构建未钝化条件下p H与Cr(VI)的演化曲线(g):g={(Cr(VI)i,p Hi),...,(Cr(VI)f,p Hf)};(c)选取最小破钝Cl-量中的最大值,即OCD=Max{MCPD1,MCPD2,...MCPDn}。综上所述,响应面最优化设计模型解决了稳定水质下电絮凝处理效率与成本的最优化问题;实时控制策略实现了波动水质下电絮凝的自动化运行,处理成本显著降低;通过阐述电絮凝去除Cr(VI)的钝化形成及破钝机理,提出了一种用于Cl-破钝量最优化的且具有高稳定性和准确性的新方法。