發布時間：2021-03-05所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]介紹了電化學水處理技術處理工業污水的原理及目前國內外主要應用現狀，主要包括電絮凝、電化學催化氧化、電還原等。描述了電化學水處理技術處理工業污水研究現狀和應用進展，闡述目前電化學工藝在工業污水處理過程中存在的問題，最后對電化學工藝在工
[摘要]介紹了電化學水處理技術處理工業污水的原理及目前國內外主要應用現狀，主要包括電絮凝、電化學催化氧化、電還原等。描述了電化學水處理技術處理工業污水研究現狀和應用進展，闡述目前電化學工藝在工業污水處理過程中存在的問題，最后對電化學工藝在工業污水處理方面的發展和應用進行展望。
[關鍵詞]電化學技術;工業污水;污水處理工藝
1引言
隨著工業的日益發展，工業污水排放量也日益增加，工業污水泛指工業生產過程中產生的污水和廢液，其污染物組分和性質與城市生活污水有顯著的差異。工業污水污染物組成差距大，各類污染物濃度高、有毒有害污染物種類多、生物毒性大且難降解。鑒于上述工業污水的特殊性質，往往需要針對性的處理后才能排放至水體或進入城鎮污水處理廠。污水處理方法按其作用可分為化學法、物化法、生物法和電化學法等。電化學水處理技術利用外加電場，通過一系列的物理反應、化學反應以及電化學反應對污水中污染物在特定的電化學反應器內進行降解的過程。
2電化學法在工業污水中的應用
2.1電絮凝工藝(Electrocoagulation,EC)
2.1.1電絮凝基本理論
隨著電化學技術的發展，電絮凝技術在諸多污水處理特別是工業污水領域得到了廣泛應用，例如化工、造紙、印染、電鍍等行業。電絮凝水處理技術通常采用廉價的鐵、鋁、不銹鋼等金屬作為電極陽極，在電解過程中可溶性金屬陽極逐漸溶解，其生成的金屬陽離子經過一系列水解、聚合反應后生成各種羥基絡合物、多核羥基絡合物及金屬氫氧化物，對污水中的膠體、懸浮物具有很強的絮凝吸附作用。鋁為可溶性陽極時，電絮凝過程中所形成的單核羥基化合物主要有Al(OH)2+，Al2(OH)4+，及Al(OH)4-，單核羥基化合物主要有Al6(OH)153+，Al8(OH)204+;鐵為可溶性陽極時，電絮凝過程中所形成的羥基化合物主要有Fe(OH)4-，Fe(OH)2+，Fe(OH)2+，Fe(H2O)5(OH)2+，Fe(H2O)4(OH)2+，Fe(H2O)5(OH)2+，Fe2(H2O)6(OH)42+。這類電解形成的水解產物活性高且吸附性能好，具有較強的絮凝作用，可與污水中的有機污染物、懸浮物、膠體等結合生成較大絮體。
2.1.2電絮凝技術特點
電絮凝對工業污水中懸浮物、乳化油、膠體等具有較高的去除率，其裝置設備簡單、操作方便，技術適應能力強，對不同污染物組成的污水均具有較好的處理效果。電絮凝法處理工業污水，一般不需要添加化學藥劑，因此能有效避免藥劑造成二次污染，但其可溶性金屬電極易發生鈍化，電極的鈍化會使電絮凝的處理效率降低、電耗升高。陽極的鈍化主要是在陽極電解過程中，陽極表面的金屬離子濃度不斷升高，與溶液中的陰離子結合在電極表面生成金屬氧化物或金屬鹽類，形成致密的鈍化層覆蓋于電極表面，很大程度上抑制了陽極反應。陰極的鈍化主要由污水中的鈣、鎂離子生成的不溶性鹽附著于陰極表面。電解過程中陽極或是陰極的鈍化都會導致裝置電耗增加、電流效率下降，因此，為保證裝置平穩運行，在電絮凝裝置運行過程中需要采取相應措施來減緩極板的鈍化。
2.1.3電絮凝工藝應用
A.DanielVillalobos-Lara等[1]制備環形電絮凝反應器去除制革污水中高濃度污染物，在外加電流密度為6mA/cm2時該反應器對COD的去除率達70%，總懸浮物、鉻(III)和濁度去除率接近100%。王車禮[2]以除油率為評價指標，考慮了電流密度、pH值以及電極間距對污水處理效果的影響，實驗結果表明在電流強度為1A、不外加絮凝劑、電極間距1cm、pH值為7.5時裝置對油類的去除率達84.3%。王蓉沙等[3]在處理含油煉化污水方面分析了電流密度、電極材料及停留時間對處理效率的影響，實驗結果表明電凝聚氣浮技術適宜處理含油污水，其具有較高的除油效率和降低污水COD、SS的作用，油類和SS的去除率分別為96%及97%，處理后污水能達到國家污水排放標準。
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工業污水的污染物組成復雜，通常將電絮凝與其他處理工藝相結合，例如電絮凝-過濾工藝、電絮凝-吸附工藝等。滕華妹等[4]利用電絮凝-砂濾處理制革污水，污水經過電解處理后再進入砂濾池，經砂濾后的出水排入納污水體，浮渣排入污泥干化場，該工藝可使原污水的CODcr濃度從806mg/L降至135mg/L，BOD5從209mg/L降至45mg/L，實驗結果證明將絮凝與過濾技術相結合可以有效的處理制革污水。吳恬[5]等利用電絮凝-砂濾處理低濁度污水，實驗證明該工藝能有效的處理濁度低于200NTU的污水，出水濁度小于5NTU。程宇婕等[6]利用電絮凝-微濾工藝探討了電流密度、pH值和電解時間等因素對循環水中氨氮、油類的去除影響。結果表明電絮凝-微濾法能有效去除污水中的油類和氨氮，增大電流密度有利于油類和氨氮的去除，升高電解時間有利于和氨氮的去除。L.Sun等[7]采用電絮凝-微濾法處理工業含鎳廢水，采用兩種不同處理工藝處理含鎳污水：無曝氣電絮凝+微濾以及強化曝氣電絮凝+沉降+微濾，當采用強化曝氣時可使溶氧保持在高水平，氫氧化鐵的形成速率更高，對鎳的去除率更高，且強化曝氣工藝出水中剩余鎳和鐵濃度能滿足國家排放標準。程太平[8]利用JH-YR電凝聚氣浮裝置-粗濾池-生物炭塔組合工藝處理印染污水，實驗結果表明電解過程中產生的大量微小氣泡能與絮體有效結合，隨后上浮分離從而達到清污分流，凈化污水的目的。北京礦冶研究總院[9]開發電絮凝-二級生化-吸附工藝處理含酸污水，在電絮凝和生化處理的基礎上增加吸附單元，電絮凝處理后的污水BOD/COD比值從0.03提高到0.1以上，該工藝處理后的污水能滿足排放標準，且對污水的色度和COD有較高的去除率，其去除率分別達96.1%和98.1%以上。
2.2電催化氧化工藝(ElectrocatalyticOxidation,EO)
2.2.1電催化氧化基本理論
電化學氧化處理難降解污水是污染物在電極上發生直接電化學反應或間接電化學反應，間接電化學反應是利用電極表面產生的強氧化性活性物質使污染物發生氧化還原轉變，適用于高鹽度污水處理，該方法易于控制、無二次污染，在電鍍、紡織、石化煉化等各類難生物降解的污水處理中得到廣泛應用，尤其適用于含烴、醛、醇、醚、酚及染料等有機污染物的污水。
陽極材料的選擇是決定電化學氧化過程中污染物去除效率的重要因素。陽極材料的選擇應滿足：良好導電性、高穩定性、耐腐蝕、高電催化活性等。目前應用于電化學氧化法處理污水的常用極板材料有：石墨電極、DSA(DimensionallyStableAnode)電極以及摻硼金剛石(Boron-DopedDiamond,BDD)電極等。電極材料不同的性質及制備工藝賦予其不同的電極組成結構，電極結構是電催化性能的重要影響因素，通過對電極材料以及電極制備工藝的研究和拓展，可以有效提高電化學催化氧化的處理效果[10]-[12]。
2.2.2電催化氧化技術特點
雖然電化學氧化法在有機污水的處理領域尤其是在難生物降解的有機污水處理中是行之有效的，但由于其能量轉化效率不高等原因至今未能實現大規模的工程應用。電化學氧化法處理工業污水的瓶頸是如何提高電化學催化氧化的反應速率和電能轉換效率及如何提高電極的穩定性和使用壽命。
2.2.3電催化氧化工藝應用
周濤[13]以Ti/PbO2作為電催化氧化陽極，陰極為鉛處理對氯苯酚污水，實驗結果表明在氯苯酚的初始濃度為8mmol/L、pH=11、電流密度為10A/dm2、Na2SO4為0.5mol/L，反應6小時后對COD去除率達到65%。李海濤[14]利用電化學氧化法處理海洋油田污水，對比了不同電極對含油污水降解的效果。試驗結果表明當采用鈦基氧化物涂層做陽極，鈦作陰極時，處理效果最好，電解產物為二氧化碳和水。此外，陽極在電解過程中還會生產次氯酸鈉，在次氯酸鈉的作用下部分有機物可以進一步降解，為深度處理創造條件。
為解決焦化污水中氨氮和COD無法通過生化處理達到排放和回用標準的問題，伏吉帥等[15]利用改性二氧化鉛電極(ESIXPb-I)對其進行電化學降解實現污水零排放，并考察了電流密度、初始pH值及氯離子濃度對降解的影響。研究結果表明，ESIXPb-I電極提高了Ti/PbO2電極的穩定性，有效降低了膜電阻。使用該電極降解焦化污水30min后，氨氮與COD去除率達到100%。沈鋒英[16]利用金剛石薄膜電極處理含油污水，實驗結果表明金剛石薄膜電極會產生大量自由基對石油污水中的大分子有機物質具有很好的降解效率。當極間距為2mm，電壓為8V時，反應5h后COD降解率達到94%，色度去除率接近100%。隨著研究的不斷深入學者們又開發了三維電極電氧化技術，以實現污染物的快速降解。XiupingZhu[17]探究活性炭吸附協同電化學氧化處理污水的效果，相比與傳統的二維電極，活性炭與BDD所組成的三維電極對COD的降解率提高了2-7倍，且研究表明電化學氧化與活性炭吸附之間的協同作用，這種協同作用不僅來源于活性炭上的直接電化學氧化，而且還來自于活性炭的電催化作用到羥基自由基介導的間接電化學氧化。
2.3電還原工藝(ElectrochemicalReduction,ER)
2.3.1電還原基本理論
電化學還原是指電解過程中在陰極發生的還原反應，部分有機物污染物難以化學氧化，卻較易化學還原，如芳香烴類、偶氮類以及硝基芳香烴類等。化學還原產物對微生物的毒性和抑制性都大大減弱，污水的生化性得到了顯著提高。電還原法還可以有效的沉淀污水中的各類重金屬，工業中產生的污水里含有多種重金屬元素，其中主要有鎘、鉻、汞、鉛和鋅等，化學還原技術處理含重金屬污水是利用不溶性陽極，在電流的作用下，使污水中的金屬離子定向遷移至陰極表面，并在陰極表面沉積、富集的電化學技術。
2.3.2電還原技術特點
理論上只要污水中金屬陽離子的氧化還原電位高于氫，就能優先在陰極被吸附并還原富集，電還原法處理污水無需加入化學藥品，去除效率高，并且后處理簡單、管理方便、占地面積小、污泥量少。此外，電還原法處理重金屬污水可直接回收得到純金屬，工業污水中包括重金屬和貴金屬在內大約30多種金屬離子還可進行電沉積還原，電化學還原技術是一種可以在污水中回收重金屬的有效方法，同時在處理難降解有機污水方面也有一定成效。
2.3.3電還原工藝應用
XiaohuiGuan[18]用酸化-鐵碳微電解組合工藝處理油頁巖干餾污水，當鐵碳比為5︰8時處理效果最佳，此時體系pH值為5.0，反應60min沉淀2小時后，該工藝對CODcr去除率為78%，苯酚去除率接近100%，色度去除率達79%，污水的可生化性大幅提高，B/C值從0.05增至0.34。QinLi[19]對銀/碳納米管(Ag/MWNTs)復合材料修飾電極進行了研究，經過碳納米管修飾后電極能促進水中污染物的電催化還原，實驗證明Ag/MWNTs電極能有效去除污水中的溴酸鹽。熊長齊等[20]采用電化學的電還原方法處理重金屬污水，研究不同的電解電壓對重金屬污水的處理效果，得出電解重金屬污水的最佳電解電壓為40V，電流為3A，電解時間為2h時該工藝對Cd2+的去除率最高，去除率可達95.60%。
3結論
通常而言電化學工藝處理工業污水不需要添加化學助劑，該污水處理工藝集氧化還原、氣浮、殺菌消毒為一體，是一種適用范圍廣、安全、高效、環境友好的污水處理工藝。但電化學工藝依舊存在例如電解槽能耗較高、電極材料的穩定性差、能量利用率低、電極活性和壽命較低等缺點。為克服上述問題，未來電化學技術的研究方向可以包涵以下方面：深層次的探索電極材料，開發出成本低廉、催化活性高、穩定性好的電極材料;從電極的尺寸、組成比例、表面結構等方面改善電極材料，提高電極性能;進一步完善和優化電解裝置，使其向高效、低耗能、低成本、更易規模化生產使用的方向發展;將電化學技術與其他水處理技術聯合使用，將電化學作為預處理工藝或深度處理工藝單元，達到更好的處理效果。——論文作者：秦中良1，陳霖2
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