難降解廢水生物電化學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)化處理探討

文_劉新鋒 山東新和成氨基酸有限公司

電化學(xué)氧化法是處理難降解廢水的一種常用方式，效果顯著，為此，文章結(jié)合微生物電化學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)涵，就難降解廢水生物電化學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)化處理問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 微生物電化學(xué)系統(tǒng)

微生物電化學(xué)系統(tǒng)是指應(yīng)用EAB作為基本催化劑來(lái)催化電極表面電化學(xué)反應(yīng)的體系。這類(lèi)體系中細(xì)菌組織可以通過(guò)特定的細(xì)胞蛋白、細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)、可溶性的氧化還原介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子在固定電極和細(xì)胞之間的傳遞、轉(zhuǎn)換。和傳統(tǒng)意義上的生物催化劑相比，微生物電化學(xué)系統(tǒng)具有比較強(qiáng)烈的復(fù)制性、多樣性、自我性的特點(diǎn)，因而在難降解廢水處理工作中得到了人們的廣泛關(guān)注。

按照EAB中電能是輸入還是輸出系統(tǒng)，微生物電化學(xué)系統(tǒng)可以細(xì)化為微生物燃料電池和微生物電解池兩個(gè)類(lèi)型。在微生物燃料電池中，陰極表面的氧化還原反應(yīng)電勢(shì)會(huì)超過(guò)陽(yáng)極表面氧化反應(yīng)電勢(shì)，電池反應(yīng)中的電勢(shì)差也會(huì)超過(guò)0，在自由能低于0的時(shí)候反應(yīng)器會(huì)自動(dòng)向外地輸出電能。在微生物電解池中，陰極表面還原反應(yīng)電勢(shì)會(huì)低于陽(yáng)極表面氧化反應(yīng)的電勢(shì)，電池反應(yīng)電勢(shì)差低于0。

按照電子在EAB和電極間的移動(dòng)方向也可以將EAB中的電極劃分為生物陽(yáng)極和陰極兩個(gè)類(lèi)型。在陽(yáng)極中，EAB會(huì)將電極作為承載體，在這個(gè)承載體的作用下對(duì)一些有機(jī)物或者無(wú)機(jī)物的電子傳遞介質(zhì)氧化處理。

2 影響電化學(xué)氧化過(guò)程的因素分析

2.1 陽(yáng)極材料

鐵質(zhì)陽(yáng)極腐蝕之后不僅會(huì)出現(xiàn)催化氧化反應(yīng)，而且還會(huì)作為絮凝體降低COD的含量。在整個(gè)反應(yīng)發(fā)生的時(shí)候會(huì)實(shí)現(xiàn)電絮凝和氧化介質(zhì)的反應(yīng)耦合。

陽(yáng)極電極具備良好的催化活性，在使用的時(shí)候能夠降低有機(jī)物的含量，但是其礦化小分子中間體不會(huì)發(fā)生完全的反應(yīng)RuO2和IrO2介質(zhì)會(huì)整合形成一個(gè)高階氧化物，在氧化物的作用下能夠增強(qiáng)電極活性。

和其他電極相比，導(dǎo)電金剛石電極還具備良好的穩(wěn)定性，在使用的時(shí)候能夠產(chǎn)生大量的.OH介質(zhì)含量，和其他介質(zhì)相比對(duì)微生物的處理效率比較高，且反應(yīng)過(guò)程比較穩(wěn)定。在FDOI-LC型的電化學(xué)反應(yīng)器中BDD膜電極對(duì)甲酚的去除率比較高。在兩極滴濾塔中，拉西環(huán)式的填料膜電極能夠完全礦化石油廢水，并降低出水生物的毒性。將BDD晶體顆粒移動(dòng)到Ti基質(zhì)上，非導(dǎo)體硅包覆蓋在顆粒之間的空位上不僅能克服氫脆、碳化雜質(zhì)隨意產(chǎn)生的缺陷，而且還能夠控制顆粒之間低密度。

2.2 反應(yīng)條件

Fe3+和Fe2+離子催化。間接氧化時(shí)陽(yáng)極生成的H2O2和Fe2所打造出的試劑氧化體系是羥基自由基的重要來(lái)源，從實(shí)際操作上來(lái)看，F(xiàn)e2+陰極再生和電極材料的選擇存在密切的關(guān)聯(lián)，擴(kuò)散陰極產(chǎn)生的介質(zhì)會(huì)被Fe還原。在BDD-碳?xì)蛛姌O對(duì)中，受陽(yáng)極直接氧化能力較強(qiáng)的影響，F(xiàn)e2+會(huì)被加速氧化，.OH介質(zhì)會(huì)減少，總體氧化作用會(huì)減少。由此可以發(fā)現(xiàn)，伴隨Fe2+濃度的提升，介質(zhì)的后期礦化現(xiàn)象會(huì)抑制，介質(zhì)的濃度不會(huì)受到最開(kāi)始價(jià)態(tài)的影響。

2.3 溶液中的陰離子

Cl通過(guò)陽(yáng)極氧化反應(yīng)會(huì)形成Cl2這類(lèi)介質(zhì)，并在反應(yīng)一段時(shí)間之后會(huì)形成次氯酸，在形成次氯酸之后會(huì)和后續(xù)的有機(jī)物發(fā)生深刻的反應(yīng)。為了能夠提升電解質(zhì)的效果，提高降解效率，可以適當(dāng)?shù)奶嵘鼵l的含量。

2.4 溶液酸堿值

電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)的時(shí)候，有機(jī)物、無(wú)機(jī)鹽、水這三類(lèi)成分會(huì)互相反應(yīng)和競(jìng)爭(zhēng)，在彼此的競(jìng)爭(zhēng)下會(huì)使得電極周?chē)腛H-和H+的濃度發(fā)生深刻的變化，最終也會(huì)影響溶液的酸堿值。在堿性條件下礦化生成的二氧化碳會(huì)形成碳酸鹽。與此同時(shí)，溶液酸堿數(shù)值還會(huì)對(duì)Fenton產(chǎn)生比較明顯的氧化反應(yīng)，并在發(fā)生氧化反應(yīng)的同時(shí)降低礦化的效率。在酸性條件下，水分和氧氣還會(huì)出現(xiàn)電子競(jìng)爭(zhēng)，而在堿性條件下，陰極反應(yīng)會(huì)還原出氫氣，OH-和Fe3+發(fā)生Fe（OH）3沉淀，由此體系中的Fe2+也會(huì)受到抑制，最終會(huì)對(duì).OH產(chǎn)生不利的影響。

3 電化學(xué)氧化法處理生物難降解有機(jī)化工廢水的對(duì)策

在一般情況下，應(yīng)用電化學(xué)氧化還原方式降解化工廢水中的有機(jī)物可以具體劃分為陽(yáng)極表面和周?chē)闹苯友趸瘍蓚€(gè)類(lèi)型，在具體處理的過(guò)程中所有試驗(yàn)操作都會(huì)受到陽(yáng)極材料的影響。在生產(chǎn)加工方面常用的陽(yáng)極材料分為活性材料和非活性材料兩種。活性材料電極在電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候表面上的物質(zhì)會(huì)和氧氣直接發(fā)生關(guān)聯(lián)，材料的組合成分由此也會(huì)受到影響。非活性材料電極在電解的過(guò)程中僅僅是作為電子的重要接收體，在具體加工的時(shí)候組成成分會(huì)發(fā)生變化。

3.1 直接電氧化的處理方式

直接電氧化一般是指有機(jī)污染物在電極表面電子的直接傳遞和電極表面上出現(xiàn)了比較強(qiáng)烈的氧化劑反應(yīng)，在反應(yīng)的作用下被氧化成毒性較低或者容易被生物降解的物質(zhì)，進(jìn)而微生物將有機(jī)物直接氧化變成無(wú)機(jī)物。

污染物在陽(yáng)極電氧化操作的時(shí)候可以通過(guò)在陽(yáng)極上生成的物理吸附活性氧完成操作，也可以通過(guò)化學(xué)吸附活性氧來(lái)完成一系列的操作。吸附態(tài)的OH會(huì)和有機(jī)物出現(xiàn)電化學(xué)的燃燒反應(yīng)，這一系列的反應(yīng)包含脫氫、親電加成，在這些反應(yīng)的作用下能夠?qū)⒂袡C(jī)物降解處理，最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的礦化發(fā)展。如果吸附態(tài)OH能夠和氧化物的陽(yáng)極出現(xiàn)速度比較快的氧化反應(yīng)，氧氣會(huì)從OH時(shí)候能夠快速轉(zhuǎn)移到氧化物的陽(yáng)極晶格上，最終發(fā)展形成高價(jià)的氧化物。

3.2 間接電氧化

間接電氧化是指借助電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)的強(qiáng)氧化劑來(lái)將一系列的物質(zhì)傳遞到本體溶液中，這些溶液會(huì)和污染物出現(xiàn)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的降解。間接氧化能夠在很大程度上發(fā)揮出陽(yáng)極直接氧化的作用，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生氧化劑，因而能夠提升污水的處理效率。常用的間接電氧化包含以下幾個(gè)形式。

3.2.1 中介電氧化

在發(fā)生中介電氧化的時(shí)候穩(wěn)定的金屬離子會(huì)在陽(yáng)極上被氧化形成具備反應(yīng)活性的不穩(wěn)定高價(jià)態(tài)離子，這些離子能夠直接氧化被降解的污染物，或者還能夠在溶液中通過(guò)反應(yīng)來(lái)生成烴基，由此破壞有機(jī)污染物，通過(guò)一系列的反應(yīng)操作來(lái)達(dá)到降解有機(jī)物的作用。中介電氧化發(fā)生反應(yīng)之后能夠有效降解二氧化碳、一氧化碳，且對(duì)這些污染物的降解率達(dá)到了98%的比例。但是需要注意的是，中介電氧化氧化能力和介質(zhì)對(duì)應(yīng)的電極電位存在關(guān)聯(lián)，需要在酸性環(huán)境下完成操作，但是在反應(yīng)的過(guò)程中容易受到二次污染。

3.2.2 生成次氯酸酸根

如果溶液中含有Cl，會(huì)通過(guò)電化學(xué)氧化氯化物生成次ClO-降解有機(jī)物的方式來(lái)去除其中的雜質(zhì)。電解產(chǎn)生的ClO-間接氧化在電化學(xué)氧化過(guò)程中起著十分重要的作用，且重新生成的ClO-會(huì)被人們應(yīng)用到廢水和垃圾滲濾液的處理中。

3.2.3 生成H2O2

污染物能夠被電化學(xué)反應(yīng)，還能夠被反應(yīng)之后新生成的H2O2氧化降解，在發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程中應(yīng)用多孔碳-聚四氟乙烯氧擴(kuò)散電極來(lái)作為陰極。氧氣在陰極的電化學(xué)還原反應(yīng)作用下會(huì)生成新的H2O2。

從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，H2O2是一種強(qiáng)度比較高的氧化劑，在使用的時(shí)候能夠氧化有機(jī)污染物，在廢水中加入Fe2+這類(lèi)介質(zhì)會(huì)在芬頓反應(yīng)的作用下產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的氧化劑——烴基自由基，在OH的作用下能夠提升H2O2的總體氧化能力。

4 結(jié)語(yǔ)

電化學(xué)氧化反應(yīng)是在近幾年發(fā)展起來(lái)的一種有效的廢水處理方式，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，人們將注意力集中在改進(jìn)電極和反應(yīng)器的響應(yīng)下， 但是在具體實(shí)施操作的時(shí)候很少對(duì)微生物電化學(xué)催化劑研發(fā)和制作予以指導(dǎo)，很少對(duì)生物電極結(jié)構(gòu)、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)操作問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)生物電化學(xué)氧化處理有機(jī)污染物效果的認(rèn)識(shí)停留在宏觀意義上COD、BOD和污染物濃度變化的獲得上，很少?gòu)纳镫娀瘜W(xué)層面上對(duì)降解機(jī)理進(jìn)行研究和報(bào)道。在經(jīng)過(guò)一系列的分析研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)打造滿足微生物電化學(xué)處理有機(jī)物過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，從而為實(shí)際意義上的生物電化學(xué)系統(tǒng)處理有機(jī)污染物提供支持，具有十分重要的指導(dǎo)意義。