電化學(xué)技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用和展望

闞連寶，段 輝，丁思棋，王 猛，崔紅梅

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

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電化學(xué)技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用和展望

闞連寶，段 輝，丁思棋，王 猛，崔紅梅

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

綜述了有機(jī)廢水電化學(xué)處理技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用。介紹了電催化氧化法、電絮凝法、電氣浮法以及微電解法等幾種常用的電化學(xué)廢水處理技術(shù)降解有機(jī)廢水的機(jī)理。分析并指出了電化學(xué)技術(shù)存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。

電化學(xué)技術(shù)；有機(jī)廢水；水處理

人類(lèi)的生存和發(fā)展都離不開(kāi)水，水是萬(wàn)物之源，是必不可少的物質(zhì)資源。然而，隨著石化、煉油、制藥、有機(jī)合成等現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，在人類(lèi)日常的生產(chǎn)和生活中，越來(lái)越多的有機(jī)合成物被廣泛地應(yīng)用，進(jìn)而造成大量難降解的有機(jī)污染物進(jìn)入到水體當(dāng)中，使得原本就緊缺的水資源又受到了嚴(yán)重的污染，導(dǎo)致社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)的健康都受到了極大地威脅。因此，近幾十年來(lái)尋找經(jīng)濟(jì)、高效的水處理新技術(shù)已經(jīng)成為水處理領(lǐng)域中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

電化學(xué)技術(shù)是高級(jí)氧化技術(shù)中一個(gè)重要的分支，與其他水處理技術(shù)相比，它具有效率高，功能多，占地面積小，沒(méi)有二次污染、自動(dòng)化程度較高等優(yōu)勢(shì)。雖然，電化學(xué)方法與常規(guī)的生物法相比，能耗要高，但廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，生物法和其他常規(guī)水處理技術(shù)已經(jīng)無(wú)法達(dá)到要求時(shí)，電化學(xué)方法在廢水的深度處理上卻能表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。因此，受到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，對(duì)電化學(xué)方法處理生物難降解有機(jī)廢水進(jìn)行了大量研究。電化學(xué)技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1）電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的自由基具有強(qiáng)氧化性，可以將水中復(fù)雜有機(jī)物降解為無(wú)毒無(wú)害的小分子有機(jī)物，甚至完全降解為二氧化碳和水。在這個(gè)過(guò)程中無(wú)需外加氧化劑或還原劑，避免了二次污染。2）直接通過(guò)改變電流或者電壓來(lái)控制電化學(xué)反應(yīng)條件，因此可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的自動(dòng)化控制。3）電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性的自由基可以氧化多種有機(jī)污染物，因此可以同時(shí)去除廢水中的多種有機(jī)污染物質(zhì)，進(jìn)而提高廢水的可生化性。4）電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成一定量的氣體，起到氣浮的作用。此外，反應(yīng)中產(chǎn)生的羥基自由基還有殺菌的作用。

電化學(xué)水處理技術(shù)根據(jù)具體的使用方法，主要包括：電催化氧化法、電絮凝法、電氣浮法以及微電解法。

1　電化學(xué)技術(shù)

1.1電催化氧化法

電催化氧化法處理有機(jī)廢水的機(jī)理是在常溫常壓的條件下利用有催化活性的電極，電解產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基將廢水中的有機(jī)污染物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)。電催化氧化法與傳統(tǒng)的處理方法相比較，具有處理設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，管理方便，占地面積少，可直接在常溫常壓下發(fā)生反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。王蘇［1］等采用電催化氧化法處理陽(yáng)離子染料廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電流密度為5.1 mA/cm2、NaCl濃度為4 g/L、pH值為9.41、電解時(shí)間為20 min時(shí)，初始濃度為100 mg/L的結(jié)晶紫溶液的脫色率可高達(dá) 98.31%。Margaretta［2］等介紹了利用納米多孔鉑電極和平面固體鉑電極對(duì)丙二醇進(jìn)行電催化氧化實(shí)驗(yàn)的研究。由于納米多孔鉑電極是利用電沉積法使鉑納米粒子均勻地分散于多孔硅表面，使其相比于平面鉑電極呈現(xiàn)更高的催化活性，因此在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生比平面固體鉑電極更強(qiáng)的電流密度。

電催化氧化技術(shù)雖然可以作為單獨(dú)處理工藝，但常與其他廢水處理工藝相結(jié)合使用。針對(duì)某化工企業(yè)的高濃度難生物降解有機(jī)廢水，戴啟洲等采用電催化氧化法對(duì)其進(jìn)行了預(yù)處理，處理后出水的可生化性得到了提高，再進(jìn)行后續(xù)的生物處理，最后水質(zhì)符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，允許排入城市污水處理廠進(jìn)一步處理［3］?？梢?jiàn)，電催化氧化—生物法聯(lián)用廢水處理技術(shù)具有較好的處理效果，尤其是對(duì)高濃度化工廢水。

1.2電絮凝法

電絮凝技術(shù)是一種交叉技術(shù)，結(jié)合電化學(xué)和化學(xué)混凝的優(yōu)勢(shì)，其原理就是：在直流電的作用下，鋁、鐵等金屬陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，溶出Al3+或Fe2+等離子，在水中水解進(jìn)而發(fā)生混凝或絮凝作用。電絮凝技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可去除的多種污染物；（2）適用的PH范圍廣；（3）所形成的沉渣密實(shí)，澄清效果好。因此，電絮凝技術(shù)在多種行業(yè)的廢水處理中可得到了廣泛地應(yīng)用，例如電鍍廢水，紡織廢水，造紙廠廢水等。陳光光［4］等采用電絮凝工藝處理石油裂化催化劑廢水，在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下催化劑生產(chǎn)廢水的濁度和 SS分別降至不足5NTU和15 mg/L，去除率均在97%和95%以上。結(jié)果顯示電絮凝法除濁效果較好，適合用于處理石油裂化催化劑廢水，具有良好應(yīng)用前景。El-Ashtoukhy［5］等采用電絮凝法處理洗車(chē)廢水，該實(shí)驗(yàn)采用了一種將水平螺旋陽(yáng)極放置在水平盤(pán)形陰極上的新型電池，該方法有效降低了廢水中的COD和濁度。

電絮凝技術(shù)可以作為預(yù)處理或后處理過(guò)程，與其他水處理技術(shù)聯(lián)用，以降低后續(xù)工藝的負(fù)荷或進(jìn)行深度處理［6］。陳波［7］等為強(qiáng)化垃圾滲濾液后續(xù)處理工藝的運(yùn)行效率，減輕后續(xù)處理設(shè)備的負(fù)荷，采用以鋁為電極的電絮凝法預(yù)處理垃圾焚燒發(fā)電廠的滲濾液。結(jié)果顯示，當(dāng)極間距為1.3 cm，電絮凝時(shí)間為30 min，電流密度為0.41 A/cm2時(shí)，SS的最大去除率可達(dá) 97.52%。此外，研究還表明，電絮凝預(yù)處理還具有脫色、去除COD、NH3-N等作用。

1.3電氣浮

電氣浮工藝的原理就是：廢水電解時(shí)，在陰陽(yáng)極表面產(chǎn)生氣體呈微小氣泡析出，使污染物上浮去除的電化學(xué)過(guò)程。電氣浮工藝可自動(dòng)控制，操作方便；氣泡微小，氣浮效果好；不用設(shè)置動(dòng)力設(shè)備，節(jié)省了能耗；還具有良好的殺菌作用。孫淑波［8］等采用電凝聚—電氣浮法處理活性黃印染廢水，在正負(fù)極換向周期為6 s、電解時(shí)間為50 min、攪拌轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、極板間距為1.0 cm、電解電壓為11 V、硫酸鈉溶液濃度為0.010 mol/L的條件下，模擬廢水脫色率和COD去除率可達(dá)96%和83%以上。郭迎慶［9］等進(jìn)行了電氣浮—粉末TiO2光催化氧化降解腐植酸的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，在最佳處理?xiàng)l件下，CODMn的去除率可達(dá)到 80%以上。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的分析，發(fā)現(xiàn)電氣浮與光催化氧化聯(lián)用具有較好的協(xié)同作用。Belkacem［10］等采用電絮凝電氣浮技術(shù)分別處理合成溶液和紡織廢水，合成溶液的濁度去除率可達(dá)89.6%，紡織廢水中各項(xiàng)指標(biāo)的去除率分別是：SS為85.5%，濁度為76.2%，BOD為88.9%，COD為79.7%，色度為93%。可見(jiàn)，電絮凝電氣浮技術(shù)是去除廢水中濁度和有機(jī)污染物最有效的方法之一。

1.4微電解法

微電解技術(shù)又稱(chēng)內(nèi)電解法，通常將其作為預(yù)處理工藝。該方法是將微電解材料填充在廢水中，材料自身將會(huì)產(chǎn)生1.2 V電位差，進(jìn)而電解廢水，這樣就可以降解廢水中的有機(jī)污染物。同時(shí)，電極反應(yīng)生成的產(chǎn)物具有較強(qiáng)的氧化還原你能力，也能與溶液中的污染發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生吸附、絮凝沉淀等，達(dá)到進(jìn)一步去除污染物的目的。該法具有較低成本、廣泛適用、高效處理、易于操作，便于維護(hù)，節(jié)電環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。難降解高濃度有機(jī)廢水的處理廣泛采取此辦法，不僅大幅度地去除COD和降低色度，還提高了廢水可生化處理能力。此外，能夠有效地脫除氨氮。還有研究采用微電解—Fenton氧化法對(duì)新諾明合成廢水進(jìn)行預(yù)處理。首先，通過(guò)正交及單因素試驗(yàn)確定微電解法的最佳工藝條件，經(jīng)預(yù)處理后COD去除率達(dá)27%以上；再聯(lián)合Fenton氧化法確定最佳反應(yīng)條件，處理后出水總COD去除率達(dá)到55%以上，B/C由0.12提高至0.3，經(jīng)預(yù)處理廢水的可生化性明顯提高［11］。林業(yè)星［12］等采用曝氣鐵碳內(nèi)電解法預(yù)處理含氰電鍍廢水，總氰化物去除率可達(dá)到75.52%。

2　應(yīng)用前景

高濃度難降解有機(jī)廢水的處理一直是水處理領(lǐng)域的難點(diǎn)問(wèn)題，電化學(xué)方法作為一種環(huán)境友好型的水處理技術(shù)，已成為國(guó)內(nèi)外水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但電化學(xué)技術(shù)普遍存在以下幾方面的問(wèn)題：首先，對(duì)其處理有機(jī)污染物的機(jī)理探討尚不夠深入，缺乏具體的理論指導(dǎo)；其次，電流效率偏低，經(jīng)濟(jì)上不合理也是我們面臨的一個(gè)主要問(wèn)題；最后，反應(yīng)器容易結(jié)垢，電極腐蝕等問(wèn)題，也限制著電化學(xué)技術(shù)的推廣。

針對(duì)電化學(xué)技術(shù)存在的問(wèn)題，要使電化學(xué)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用必須要做到以下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器，盡可能的提高反應(yīng)速率和處理水量。（2）研制新型電極材料，盡可能的提高電流效率，降低處理成本。（3）開(kāi)發(fā)與其他水處理方法聯(lián)用技術(shù)，形成協(xié)同效應(yīng)，提高組合工藝的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。（4）深入探討電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，豐富理論指導(dǎo)，促進(jìn)電化學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。單純使用電化學(xué)方法去除廢水中的有機(jī)物，想要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還比較困難，因此，電化學(xué)技術(shù)與與傳統(tǒng)工藝結(jié)合是近年來(lái)電化學(xué)技術(shù)研究的主要方向。

［1］ 王蘇，顏幼平，鄒勇斌，梁睿榮. 電催化氧化法處理陽(yáng)離子染料廢水的試驗(yàn)研究［J］. 安全與環(huán)境工程，2012，19（5）：46-50.

［2］ Margaretta M,Dimos. G.J,Blanchard. Electro-catalytic oxidation of 1,2-propanediol atnanoporous and planar solid Pt electrodes[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2011, 654(1-2):13-19.

［3］ 戴啟洲，蔡少卿，王家德，陳建孟. 電催化氧化/生物法聯(lián)用處理高濃度化工廢水［J］. 中國(guó)給水排水，2010，26（12）：96-99.

［4］ 陳光光。胡奇，李耀彩，胡威夷，高大文. 電絮凝法處理石油裂化催化劑廢水［J］. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9（10）：4850-4856.

［5］ E-S. Z. El-Ashtoukhy,N. K. Amin,Y.O. Fouad. Treatment of real wastewater produced from Mobil car wash station using electrocoagulation technique[J]. Environmental Monitoring and Assessment,2015,187(10):628.

［6］ 張石磊，江旭佳，洪國(guó)良，童美萍. 電絮凝技術(shù)在水處理中的應(yīng)用［J］. 工業(yè)水處理，2013，33（1）：10-14+19.

［7］ 陳波，程治良，全學(xué)軍，朱新才. 電絮凝法預(yù)處理垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液及其過(guò)程優(yōu)化［J］. 化工進(jìn)展，2011，30（S1）：902-908.

［8］ 孫淑波，孫兆楠，胡筱敏. 電凝聚-電氣浮法處理活性黃印染廢水［J］. 化工環(huán)保，2010，30（5）：391-394.

［9］ 郭迎慶，姚長(zhǎng)吉，雷春生，王利平，張玉先. 電氣浮-光催化氧化對(duì)微污染原水中腐植酸的去除研究［J］. 環(huán)境工程，2011，29（5）：32-34.

［10］ Belkacem M,Khodir M,Abdelkrim S. Using electrocoagulationelectroflotation technology to treat synthetic solution and textile wastewater,two case studies[J]. Desalination, 2010,250(2): 573-577.

［11］ 李立，劇盼盼，李偉，李貴霞，趙俊娜. 微電解-Fenton氧化法預(yù)處理新諾明合成廢水［J］. 工業(yè)水處理，2015，35（8）：34-36+41.

［12］ 林業(yè)星，王子波.曝氣鐵碳內(nèi)電解法預(yù)處理含氰電鍍廢水［J］. 污染防治技術(shù)，2015，28（3）：41-44+47.

Application and Prospects of the Electrochemical Technology in Organic Wastewater Treatment

KAN Lian-bao，DUAN Hui，DING Si-qi，WANG Meng，CUI Hong-mei
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Development and application of the electrochemical technology in organic wastewater treatment were reviewed. Electrochemical treatment methods of organic wastewater and their mechanisms were introduced, such as electrocatalytic oxidation, electrocoagulation, electroflotation, microelectrolysis. The problems of the technology were analyzed, and the development direction of the electrochemical technology in the future was discussed.

electrochemical technology; organic wastewater; wastewater treatment

段輝（1991-），女，碩士研究生，研究方向：電化學(xué)。E-mail：1106690121@qq.com。

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1671-0460（2016）05-0952-03

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：12541077；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：201410220035。

2016-01-07

闞連寶（1979-），男，黑龍江大慶人，副教授，碩士，研究方向：從事電催化氧化技術(shù)工作。