電絮凝技術(shù)在海水養(yǎng)殖尾水處理中的研究應(yīng)用

徐建平，陳福迪，尉 瑩，杜以帥，孫建明

(1中國科學(xué)院海洋研究所，中科院實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

中國是海水養(yǎng)殖大國，2017年海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量為2 000.70萬t，占全國海水產(chǎn)品總產(chǎn)量的60.23%，產(chǎn)值3 307.40億元[1]。海水養(yǎng)殖在拉動(dòng)中國漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增加漁民收入、提高人民生活水平、改善飲食結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮了重大作用[1]。然而，在中國海水養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，養(yǎng)殖尾水的任意排放給海洋環(huán)境帶來了巨大的壓力，如破壞海洋生態(tài)平衡、降低生物多樣性、誘發(fā)各類疾病等[2]。由于鹽度較高，海水養(yǎng)殖尾水中的微生物不能進(jìn)行正常的生長(zhǎng)、代謝[3]，因此傳統(tǒng)的微生物水處理法不能高效穩(wěn)定地處理海水養(yǎng)殖尾水。近年來，人們發(fā)展了一系列不受鹽度影響的物理化學(xué)方法[4]，其中電絮凝(Electrocoagulation，EC)作為一種環(huán)境友好型水處理技術(shù)，能充分利用海水養(yǎng)殖尾水高鹽度的優(yōu)勢(shì)，降低能耗、提高污水處理能力。電絮凝技術(shù)在處理海水養(yǎng)殖尾水方面近年來備受關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。本文將主要介紹電絮凝技術(shù)在海水養(yǎng)殖尾水處理方面的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。

1 電絮凝水處理技術(shù)

電絮凝技術(shù)是犧牲陽極在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生具有絮凝特性的金屬陽離子，在水中經(jīng)過水解、聚合形成一系列多核羥基絡(luò)合物，然后通過絮凝沉淀或氣浮分離等方式去除污水中的污染物[5]。電絮凝技術(shù)處理廢水具有操作簡(jiǎn)單、污染物去除效率高、適用范圍廣、占地面積小等特點(diǎn)[6]。該技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于印染、電鍍、船舶運(yùn)輸、煉油等行業(yè)，對(duì)染料、重金屬、懸浮物、有機(jī)物、病菌、油類等污染物有很好的處理效果[4]。

1.1 電絮凝原理

電絮凝技術(shù)主要通過氧化還原、絮凝、氣浮來凈化污水，此外，電絮凝過程中還會(huì)發(fā)生吸附、電泳遷移等物理化學(xué)反應(yīng)[5]。電絮凝凈水原理如圖1所示。

(1) 氧化還原

電絮凝過程中，陽極發(fā)生氧化作用，陰極發(fā)生還原作用。氧化分為直接氧化和間接氧化兩種。直接氧化是污染物直接在陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；間接氧化是污染物被電絮凝過程中產(chǎn)生的活性氧化物質(zhì)(如O2-自由基、·OH自由基、Cl2等)氧化。還原同樣分為直接還原和間接還原兩種。直接還原是污染物直接在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)；間接還原是污染物中的陽離子在陰極得電子，使得污水中低價(jià)金屬陽離子或高價(jià)陽離子在陰極被還原為金屬沉淀或低價(jià)陽離子。

圖1 電絮凝凈水原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of water purification mechanism by electrocoagulation process

(2)絮凝

污水中的膠體雜質(zhì)和懸浮顆粒物都帶有一定的電荷，這些物質(zhì)因?yàn)殪o電斥力的作用不能相互聚集，在水中處于穩(wěn)定的分散狀態(tài)[7]。在電絮凝處理污水的過程中，犧牲陽極(鐵或鋁作為犧牲陽極)會(huì)釋放大量的Fe2+、Fe3+或Al3+，這些離子會(huì)生成帶電水合離子使膠體脫穩(wěn)[8]。另外，F(xiàn)e2+、Fe3+或Al3+在水中會(huì)生成含有羥基的一系列高分子線形聚合物[9]，這些聚合物能夠與膠體雜質(zhì)、懸浮顆粒發(fā)生電性中和，最終通過吸附架橋、網(wǎng)捕-卷掃等作用除去污水中的污染物[10-11]。

(3)氣浮

電絮凝過程中，在外加電場(chǎng)的作用下陰極會(huì)產(chǎn)生H2氣泡(直徑17～50 μm)[12]，相較于加壓氣浮氣泡(直徑100～150 μm)，這些氣泡具有尺寸小、表面積大、吸附浮載能力強(qiáng)、浮升條件良好等優(yōu)點(diǎn)[13]。H2氣泡上浮過程中會(huì)吸附在絡(luò)合物表面，將其帶至水體表層，最終通過分離去除。

1.2 影響電絮凝的因素

1.2.1 陽極材料

陽極材料決定了電絮凝金屬氫氧化物絮凝劑的類型。目前，鋁和鐵是電絮凝最常用的犧牲陽極材料。以鋁或鐵作為陽極時(shí)，不同電極上的主要反應(yīng)見表1[4]。

表1 電絮凝電極主要反應(yīng)Tab.1 Main electrode reaction in electrocoagulation process

鋁或鐵作為犧牲陽極處理海水養(yǎng)殖尾水主要有以下區(qū)別：

(1)處理后的水體pH變化不同。相對(duì)于鐵，鋁作為犧牲陽極的pH緩沖能力更強(qiáng)。Harif等[14]研究發(fā)現(xiàn)，使用鋁作為犧牲陽極電絮凝處理污水，最終水體的pH為7.0～8.0。鐵作為犧牲陽極，即使水體最初pH呈酸性，電絮凝后最終pH會(huì)達(dá)到9.0～10.0[15]。中國海水養(yǎng)殖尾水排放標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)為pH 7.0～8.5，Ⅱ級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)為pH 6.5～9.0[16]。因此使用鐵作為犧牲陽極處理海水養(yǎng)殖尾水時(shí)，需注意pH的最終變化是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)對(duì)水體溶氧的需求不同。Fe2+具有高度的可溶性，因此無法有效地利用 Fe(OH)3實(shí)現(xiàn)膠體脫穩(wěn)，導(dǎo)致電絮凝效果較差[17]。因此，在鐵作為陽極電絮凝處理海水養(yǎng)殖尾水的過程中，需要增加溶氧來提高Fe2+的氧化速度，增加Fe3+的濃度。

(3)絮體結(jié)構(gòu)不同。鐵作為犧牲陽極產(chǎn)生的絮體結(jié)構(gòu)致密緊湊，絡(luò)合速度快；鋁作為犧牲陽極產(chǎn)生的絮體結(jié)構(gòu)松散稀疏，絡(luò)合速度慢但網(wǎng)捕-卷掃作用顯著[18]。

1.2.2 pH

pH影響電絮凝的絮凝機(jī)制，污水中的初始pH決定絮凝體的形成及在水體中的存在狀態(tài)[5]。電絮凝過程中吸附和絮凝的強(qiáng)弱取決于水體pH[19]。在中性或弱堿性條件下，絮凝體的吸附架橋和混凝效果更好[20]。而pH較低時(shí)，犧牲陽極釋放的金屬離子主要與膠體發(fā)生電性中和作用，從而使膠體脫穩(wěn)沉淀[21]。楊菁等[22]在進(jìn)水pH 3.0～9.0的條件下以鋁作為陽極利用電絮凝-氣浮法處理養(yǎng)魚廢水，發(fā)現(xiàn)在pH 6.7～7.8時(shí)處理效果最好。另外，養(yǎng)殖尾水中的pH會(huì)影響氨氮和磷酸鹽的去除效率。Sun等[23]在研究pH對(duì)電氧化-電絮凝技術(shù)處理養(yǎng)殖尾水的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在pH 3.0～11.0時(shí)氨氮的去除率隨pH的升高而緩慢增加，而磷酸鹽在堿性條件下去除效率低。Saleem[24]利用電絮凝技術(shù)處理海水養(yǎng)殖水體中的亞硝酸鹽氮，發(fā)現(xiàn)在pH 4.0～9.0時(shí)隨著pH的升高，處理效率下降。正常情況下，魚類養(yǎng)殖水體pH的合適范圍為6.5～8.5[25]，在此條件下電絮凝對(duì)養(yǎng)殖尾水的脫氮除磷效果較好[23]。

1.2.3 極板間距

極板間距不僅影響電絮凝設(shè)備中電場(chǎng)的分布，而且還會(huì)影響系統(tǒng)的流場(chǎng)分布。極板間距增加，電壓降就會(huì)增加，從而增加能耗。極板間距對(duì)電絮凝過程的能耗影響較為明顯，兩者成正相關(guān)[26]。極板距離減小會(huì)提高板間物質(zhì)的傳質(zhì)效率，加快絮凝劑與懸浮顆粒物、膠體之間的反應(yīng)速率[27]。但極板間距過小會(huì)增加施工難度，容易短路和阻塞，還會(huì)增加流體壓損。極板最適間距約為1.0 cm，小于1.0 cm時(shí)陰極極板表面極易附著一層白色物質(zhì)[28]，這些附著物會(huì)導(dǎo)致電極鈍化，增加能耗，不利于后續(xù)處理[29]。目前，一般認(rèn)為極板間距在1.0～1.5 cm有利于電絮凝的操作[30]。

1.2.4 電流密度

電流在電絮凝中的作用甚至可直接作為絮凝的調(diào)控機(jī)理進(jìn)行研究[31]。電流密度是流經(jīng)單位極板面積的電流，其決定電絮凝過程中絮凝劑的產(chǎn)生量、陰極氣泡的生成速率[4]。電絮凝過程中電流密度的選擇與污染物質(zhì)量濃度、類型及建設(shè)、運(yùn)行成本等有關(guān)[4]。電流密度過大會(huì)加劇電極的鈍化和極化現(xiàn)象[32]，過量的金屬陽離子可能使絮凝脫穩(wěn)的膠體再次分散，導(dǎo)致絮凝效率降低。另外，電流密度過高還會(huì)導(dǎo)致次級(jí)反應(yīng)的發(fā)生，縮短犧牲陽極的使用壽命。張鵬等[33]研究認(rèn)為選擇合適的電流密度對(duì)提高處理效率和降低能耗有重要意義。一般情況下，電絮凝水處理過程中電流密度建議控制在20～25 A/m2[34]。

2 電絮凝技術(shù)在海水養(yǎng)殖中的研究應(yīng)用

海水養(yǎng)殖尾水具有水量大、鹽度高等特點(diǎn)，主要污染物包括藻類、懸浮顆粒物、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、磷酸鹽、抗生素、致病菌等[35-36]。電絮凝技術(shù)對(duì)這些污染物都有較強(qiáng)的去除能力，且不受海水養(yǎng)殖尾水高鹽度的負(fù)面影響，研究發(fā)現(xiàn)碳酸氫鹽的堿度會(huì)提高電絮凝對(duì)污染物的去除能力[37]。因此，電絮凝技術(shù)在海水養(yǎng)殖中的應(yīng)用前景十分廣闊。

2.1 電絮凝技術(shù)在海水養(yǎng)殖尾水處理中的研究進(jìn)展

2.1.1 除藻

電絮凝技術(shù)在處理海水養(yǎng)殖尾水時(shí)，能夠直接殺死跨膜電壓為1V的藻類，還能通過絮凝沉淀作用去除水體中的藻類[4]。Vandamme等[38]利用鋁作為犧牲陽極，通過電絮凝-電氣浮技術(shù)收集海水中的微藻，研究發(fā)現(xiàn)在電流密度為3 mA/cm2、通電30 min時(shí)，微藻去除率在90%以上，而且相較于離心法其能耗更低；高珊珊[39]利用相同的技術(shù)處理銅綠微囊藻水體，發(fā)現(xiàn)除藻過程中除了電絮凝和電氣浮的作用之外，還有電解生成的有效氯與電場(chǎng)的協(xié)同滅藻作用，且此方法顯著優(yōu)于化學(xué)絮凝方法。彭澤壯等[40]利用緩釋氯化鎂-電絮凝方法去除養(yǎng)殖水體中的藻類，發(fā)現(xiàn)藻類的絮凝率可達(dá)95%，并對(duì)水體中藻類的生長(zhǎng)抑制作用十分明顯。白曉磊等[41]、劉洋等[42]利用電絮凝法收集海水中的小球藻取得了不錯(cuò)的效果，收集率在80%以上。電絮凝技術(shù)無論在海水養(yǎng)殖水體除藻還是藻類培養(yǎng)收集方面都有較好的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)過程中，Andrew等[43]利用電絮凝和混凝沉降工藝收集海水中的微藻，成本(電能、電極和設(shè)備折舊)為0.19 kg干物質(zhì)/美元。

2.1.2 降低濁度和COD

電絮凝技術(shù)可以通過犧牲陽極在水體中形成絮凝劑絮凝水體中的懸浮顆粒物，最終通過絮凝沉淀和氣浮分離的方式去除養(yǎng)殖尾水中的懸浮顆粒物，從而降低濁度和化學(xué)需氧量(COD)。另外，電絮凝技術(shù)還可以通過電氧化作用減少養(yǎng)殖尾水中的COD。Iawegbe等[44]利用電絮凝技術(shù)(鐵作為犧牲電極)處理養(yǎng)魚尾水，發(fā)現(xiàn)在電流為2.4 A、通電12 min、沉淀30 min時(shí)對(duì)水體濁度(初始質(zhì)量濁度為328 NTU)的去除率為91.84%。王樹勛等[45]利用鐵或鋁作為犧牲陽極處理人工配制的養(yǎng)殖尾水，發(fā)現(xiàn)電絮凝技術(shù)對(duì)濁度有較好的處理效果且鋁作為犧牲陽極的處理效果要高于鐵，最高去除率可達(dá)85%以上；另外還發(fā)現(xiàn)電流密度為8 mA/cm2、通電10 min時(shí)COD(初始質(zhì)量濃度約2.5 mg/L)的去除率為80%。楊菁等[22]處理養(yǎng)魚廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)在電流密度為20 mA/cm2、通電30 min時(shí)COD(初始質(zhì)量濃度85 mg/L)去除率達(dá)65%。

2.1.3 脫氮除磷

電絮凝能夠去除海水養(yǎng)殖水體中毒性較大的總氨氮(TAN)、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)。TAN、NO-2-N主要在間接電氧化作用下被轉(zhuǎn)化為毒性較小的硝酸鹽氮(NO-3-N)[46]，其轉(zhuǎn)化效率隨著電流密度和水體中Cl-質(zhì)量濃度的增加而增加[47]。硝酸鹽最終被電還原作用還原為N2從水體中去除。養(yǎng)殖尾水中的磷主要依靠電絮凝的吸附、絮凝沉淀作用去除，電絮凝產(chǎn)生的多核羥基化合物對(duì)磷有較好的吸附能力[48]。研究發(fā)現(xiàn)，相比氨氮，電極對(duì)磷的去除效率更高且能耗低[49]。另外，研究發(fā)現(xiàn)鐵作為犧牲陽極在處理磷酸鹽方面比鋁更有優(yōu)勢(shì)[20]，能耗更低[50]。

Sun等[23]利用電氧化-電絮凝技術(shù)處理人工配制的海水養(yǎng)殖尾水，以鐵作為犧牲陽極在pH 7.0、電壓10 V、通電180 min的條件下對(duì)氨氮的去除效率達(dá)到98.84%，能耗為0.622 kW·h/g；在同等條件下，通電15 min對(duì)磷酸鹽的去除率達(dá)到99.78%，能耗為0.109 kW·h/g。Saleem等[51]利用電絮凝技術(shù)處理養(yǎng)殖水體中的亞硝酸鹽氮，發(fā)現(xiàn)在鋁作為犧牲陽極、pH 7.65、電流密度3 mA/cm2、通電20 min 時(shí)對(duì)亞硝酸鹽氮的去除率為73%，而鐵作為犧牲陽極的去除率為92%。張雨山等[52]利用鐵做犧牲陽極處理人工配制的海水養(yǎng)殖尾水，發(fā)現(xiàn)電絮凝技術(shù)對(duì)總磷質(zhì)量有很好的去除效果，在電流密度4 mA/cm2、通電15 min時(shí)去除率為80.58%；另外還發(fā)現(xiàn)剩余總磷質(zhì)量濃度與反應(yīng)時(shí)間呈一級(jí)反應(yīng)關(guān)系：-ln(Ct/C0)=(0.013x+0.0538)t(C0為初始總磷質(zhì)量濃度，Ct為電絮凝反應(yīng)t小時(shí)后總磷的質(zhì)量濃度，t為反應(yīng)時(shí)間)。

2.1.5 消毒滅菌

海水養(yǎng)殖尾水中富含有機(jī)物，容易滋生病菌等微生物，因此養(yǎng)殖尾水的凈化及再利用就涉及污水中微生物的去除過程。電絮凝技術(shù)擁有凈化水中有機(jī)污染物和殺菌消毒的雙重功能，其主要通過3方面的作用來殺滅水中的細(xì)菌：1)電場(chǎng)作用，電場(chǎng)能夠破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)[53]。2)吸附、絮凝、氣浮作用，電極能夠吸附有機(jī)體，使細(xì)菌等微生物失活[54]，聚集在懸浮顆粒物上的細(xì)菌，通過絮凝沉淀和氣浮作用從水體中被分離。3)活性氧化物質(zhì)的作用，電絮凝過程中會(huì)產(chǎn)生許多活性氧化物質(zhì)，如過氧化氫、游離氯、二氧化氯、·OH和O2-自由基等[55]。

楊菁等[22]采用電絮凝結(jié)合氣浮技術(shù)處理養(yǎng)魚污水(細(xì)菌總數(shù)1.5×104～3.7×104CFU/mL)，發(fā)現(xiàn)在電流密度20 A/m2、電解時(shí)間20 min時(shí)，殺菌率高達(dá)92.7%。Hakizimana等[56]利用電絮凝技術(shù)(鋁作為犧牲陽極)對(duì)污染海水消毒，當(dāng)電流密度為5.6 mA/cm2時(shí)異養(yǎng)菌(初始質(zhì)量濃度為4 100 CFU/mL)的去除率在10 min內(nèi)達(dá)到80%以上。Ndjomgoue等[57]研究犧牲陽極材料對(duì)人工配制的海水養(yǎng)殖尾水中細(xì)菌的去除效果，發(fā)現(xiàn)相比鋁電極鐵作為犧牲陽極對(duì)細(xì)菌的去除率更高，在電流密度12.5 mA/cm2、進(jìn)水pH 7.1、細(xì)菌質(zhì)量濃度5 000 CFU/mL時(shí)，去除率達(dá)到100%，能耗為2.69 kW·h/m3。Ricordel等[58]利用電絮凝技術(shù)(鋁作為犧牲陽極)處理人工配制的海水養(yǎng)殖尾水，發(fā)現(xiàn)在電流強(qiáng)度0.22 A、通電35 min時(shí)對(duì)細(xì)菌的去除率可達(dá)97%，并發(fā)現(xiàn)水體中細(xì)菌的去除主要依靠電絮凝作用，相比化學(xué)絮凝，電絮凝對(duì)細(xì)菌的去除率更高。

2.2 電絮凝技術(shù)耦合其他水處理技術(shù)在海水養(yǎng)殖中的應(yīng)用

近年來，生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)發(fā)展迅速，電絮凝技術(shù)與微生物水處理技術(shù)耦合應(yīng)用為污水凈化提供了新的方法和思路[59]。BES能夠增加物質(zhì)的傳遞速率，提高電子的利用率，減少碳的使用[60]。犧牲陽極產(chǎn)生的絮凝劑能夠提高微生物吸附能力并改善污泥特性。有研究表明，電絮凝過程中鹵代烴在陰極會(huì)被還原脫鹵，增強(qiáng)可生化性，從而有利于后續(xù)的微生物處理[13]。Sander等[61]利用BES技術(shù)去除海水循環(huán)水養(yǎng)殖水體中的硝酸鹽，研究發(fā)現(xiàn)在電流密度7.2 mA/cm2時(shí)每天可去除390 g N，在電流密度3.9 mA/cm2時(shí)每天可去除350 g N，平均去除能耗約為27 kW·h/kg，并且發(fā)現(xiàn)低的進(jìn)水負(fù)荷不僅有利于提高BES對(duì)硝酸鹽的去除率，還能減少亞硝酸鹽的積累。Li等[62]將電絮凝與膜生物反應(yīng)器(MBR)相結(jié)合，利用BES技術(shù)處理人工配制的海水養(yǎng)殖尾水，以鐵作為犧牲陽極，研究發(fā)現(xiàn)鐵電極可提高污泥濃度和顆粒大小，增強(qiáng)與脫氮有關(guān)酶的活性，通過電絮凝的強(qiáng)化作用，總氮(TN)去除率從59.48%提高到75.09%。Dong等[63]利用BES技術(shù)處理養(yǎng)殖尾水中的藻類和氨氮，研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)藻類的完全去除，而且對(duì)氨氮的去除效率較高，以鐵作為犧牲陽極，電流密度66 A/m2時(shí)氨氮的去除速率為7.28 mg/(L·h)。

電絮凝還能夠與其他水處理技術(shù)耦合應(yīng)用。Feng等[64]利用電絮凝和電氧化聯(lián)合工藝處理池塘養(yǎng)殖水，以Ti/RuO2-TiO2作為電氧化裝置的陽極，鐵作為電絮凝裝置的犧牲陽極，在進(jìn)水流量0.3 m3/h、電流密度3 mA/cm2、通電15 min、沉淀1 h的條件下，對(duì)TN(4.4 mg/L)、TP(0.296 mg/L)、BOD(10 mg/L)、COD(46 mg/L)和TSS(68 mg/L)的去除率分別為83%、90%、78%、92%和97%。王樹勛等[45]利用電絮凝和化學(xué)絮凝組合工藝處理人工配制的海水養(yǎng)殖尾水，在鋁作為犧牲陽極、電流密度6 mA/cm2、電壓1.9～2.3 V的條件下，濁度(5.7 NTU)、COD(2.35 mg/L)、總磷(2.85 mg/L)和進(jìn)水細(xì)菌總數(shù)(490 CFU/mL)的去除率分別為89.9%、68%、87%和93.8%，電耗為0.063～0.077 kWh/m3。

3 電絮凝成本計(jì)算及能源回收

3.1 電絮凝成本計(jì)算

運(yùn)營(yíng)成本計(jì)算對(duì)于電絮凝水處理技術(shù)的可行性至關(guān)重要。電絮凝設(shè)備的總運(yùn)行成本(TCO)可以按照以下公式估算：

MTCO=Ax+By+Cz+Dt+E+F

(2)

式中：A—電絮凝每方養(yǎng)殖尾水的能耗，kWh；x—電的價(jià)格,元/kWh；B—電絮凝每方養(yǎng)殖尾水消耗的電極板的質(zhì)量，kg；y—電極板的價(jià)格，元/kg；C—電絮凝每方養(yǎng)殖尾水產(chǎn)生的固體廢物，kg；z—固體廢物的運(yùn)輸處理價(jià)格，元/kg；D—每方養(yǎng)殖尾水處理過程中添加的化學(xué)藥品，kg；t—添加的化學(xué)藥品的價(jià)格，元/kg；E—維護(hù)保養(yǎng)成本，元；F—人工成本，元。

陽極極板損耗可以通過法拉第定律計(jì)算：

(3)

式中：m—陽極金屬溶解質(zhì)量，g；I—電流，A；t—運(yùn)行時(shí)間，s；M—摩爾質(zhì)量，g/mol；z—參與反應(yīng)的電子數(shù)；F—法拉第常數(shù)，96 485 C/mol。

3.2 能源回收

能源回收是降低成本的有效途徑之一。電絮凝產(chǎn)生的氫氣是高能清潔燃料(122 kJ/g)，大量研究證明，電絮凝產(chǎn)生的氫氣可以補(bǔ)償電絮凝裝置運(yùn)行的能耗[65-66]。電絮凝過程中氫氣的產(chǎn)生量可以通過以下公式估算[66]：

(4)

式中：QH2—?dú)錃獾漠a(chǎn)生量，mol；Cd—電流密度，A/m2；A—電極板的有效表面積，m2；t—反應(yīng)時(shí)間，s；H—參加反應(yīng)的電子所生成的氫氣分子數(shù)，為1/2；F—法拉第常數(shù)，96 485 C/mol。

回收氫氣產(chǎn)生的能量計(jì)算公式[66]：

EH2=0.244mH

(5)

式中：EH2—?dú)錃猱a(chǎn)生的能量，MJ；mH—?dú)錃獾哪柫?，mol。3.6 MJ能夠產(chǎn)生10 kWh。

4 電絮凝技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

(1)處理成本較高。電絮凝技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中效率與成本是最受關(guān)注的問題。電絮凝技術(shù)對(duì)許多污染物有較好的處理效果，但處理成本阻礙了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用[67]。目前很多研究中對(duì)電絮凝操作因素間的相互作用探究不夠充分，而且缺乏對(duì)污染物處理成本的考量[7]。針對(duì)海水養(yǎng)殖尾水的水質(zhì)特點(diǎn)，如何優(yōu)化電絮凝技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)、控制處理成本成為電絮凝技術(shù)在海水養(yǎng)殖尾水處理中的難題。隨著多目標(biāo)優(yōu)化方法的出現(xiàn)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、響應(yīng)面法等，使電絮凝處理養(yǎng)殖尾水的效率與成本優(yōu)化問題有了解決途徑，但降低電絮凝處理成本的同時(shí)保證其處理效率，仍然是制約其發(fā)展的一大問題。

(2)缺乏應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的參考模型。電絮凝技術(shù)出現(xiàn)并已使用了較長(zhǎng)一段時(shí)間，但現(xiàn)有的研究無法為電絮凝反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供系統(tǒng)的理論和方法[68]。電絮凝技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的污水處理中已經(jīng)相當(dāng)成功，然而很少有將這些技術(shù)與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合。目前，大多數(shù)電絮凝方面的研究都是使用小規(guī)模的間歇式反應(yīng)器，而實(shí)際生產(chǎn)過程中養(yǎng)殖尾水的水處理量很大，需要使用連續(xù)流動(dòng)的模式。因此，需要更多的研究來評(píng)估連續(xù)流動(dòng)模式下電絮凝裝置的性能，并設(shè)計(jì)更有效的反應(yīng)器，同時(shí)針對(duì)連續(xù)流動(dòng)模式下電絮凝的過程動(dòng)力學(xué)和數(shù)學(xué)模型展開研究。

(3)自動(dòng)化控制水平低、方法少。自動(dòng)化控制水平是評(píng)價(jià)一項(xiàng)技術(shù)易用性的重要指標(biāo)[69]。傳統(tǒng)的電絮凝技術(shù)自動(dòng)化控制是基于污染物質(zhì)量濃度恒定的條件下通過控制反應(yīng)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，這種控制機(jī)制在處理水質(zhì)波動(dòng)較大的養(yǎng)殖尾水時(shí)容易造成額外的能耗。研發(fā)多種實(shí)時(shí)調(diào)控電絮凝設(shè)備的方法和技術(shù)，對(duì)電絮凝技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣尤為重要。實(shí)際生產(chǎn)過程中可以根據(jù)海水養(yǎng)殖尾水處理前后的變化，利用色度、濁度、pH等易于辨識(shí)、測(cè)量的指標(biāo)對(duì)電絮凝設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行反饋調(diào)控，降低不必要的能耗。

(4)電極易鈍化增加能耗。電絮凝過程中犧牲陽極鈍化形成無源層會(huì)阻礙陽極的溶解和電子的傳遞，加大電極表面過電勢(shì)，降低電絮凝的效率，增加能耗[70]。因此，電絮凝處理海水養(yǎng)殖尾水過程中電極鈍化機(jī)理及其破鈍方面的研究尤為重要。Yang等[71]認(rèn)為可以通過添加足夠數(shù)量的氯離子分解無源層或通過施加交流脈沖電流來解決電極鈍化問題。海水中氯離子質(zhì)量濃度較高，對(duì)緩解鈍化有一定的優(yōu)勢(shì)。但海水中同樣含有大量的鈣鎂離子，這些離子容易加重電極鈍化。因此，交流脈沖電的調(diào)控機(jī)制顯得更加重要，需要有更多這方面的研究和技術(shù)。

(5)安全問題。電絮凝過程中陰極會(huì)產(chǎn)生氫氣，氫氣是一種易燃易爆的氣體，在實(shí)際生產(chǎn)過程中如果沒有氫氣回收裝置，在水處理車間空間狹小或通風(fēng)不良的情況下極易發(fā)生危險(xiǎn)。另外，海水養(yǎng)殖尾水中富含氯離子，電絮凝處理過程中如果陽極電位較高會(huì)發(fā)生次級(jí)氧化反應(yīng)產(chǎn)生氯氣，氯氣溶于水會(huì)產(chǎn)生次氯酸，而氯氣、次氯酸會(huì)跟有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生有毒性的氯代有機(jī)物[72]。實(shí)際生產(chǎn)過程中，尤其在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中使用電絮凝設(shè)備應(yīng)該關(guān)注氯代物、鋁離子等有毒物質(zhì)是否積累超標(biāo)，毒性物質(zhì)超標(biāo)可能會(huì)引發(fā)魚類死亡和食品安全問題。

5 結(jié)語

隨著電絮凝技術(shù)的發(fā)展，其在海水養(yǎng)殖尾水處理方面的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。作為一種綠色環(huán)保型水處理技術(shù)，電絮凝同時(shí)具備傳統(tǒng)混凝與電化學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)，其應(yīng)用前景更加廣闊。長(zhǎng)期以來，能耗、電極鈍化等問題制約著電絮凝技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，而且目前電絮凝在尾水處理方面的研究多集中于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用相對(duì)較少。因此需加強(qiáng)在電絮凝反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、建模、處理成本、長(zhǎng)期運(yùn)行及維護(hù)等方面的研究，以滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)需求。電絮凝和其他水處理技術(shù)有效結(jié)合能夠提高電絮凝工藝的處理能力，降低能耗，從而增加電絮凝技術(shù)的普適性，促進(jìn)應(yīng)用和推廣，這也是今后電絮凝工藝研究的重點(diǎn)方向之一。另外，電絮凝過程的副產(chǎn)物氫氣是一種清潔能源，實(shí)際生產(chǎn)過程中氫氣的產(chǎn)生量較大，能夠補(bǔ)償電絮凝工藝的能耗，因此，電絮凝過程中氫氣的高效收集、安全儲(chǔ)存、能源轉(zhuǎn)換等方面的研究也值得重點(diǎn)關(guān)注。