電化學(xué)法在生活污水處理中的研究進展

徐珍玲

（安慶市望江縣生態(tài)環(huán)境分局，安徽安慶246200）

隨著經(jīng)濟發(fā)展，人民生活水平提高，不可避免地產(chǎn)生大量生活廢水，絕大部分生活污水主要進污水處理廠處理，但部分農(nóng)村地區(qū)由于自然條件和生活區(qū)域等限制，產(chǎn)生的生活污水量較小，成分相對復(fù)雜，居民生活點分散，污水難以集中處理[1]。因為生活污水含有大量的有機物、懸浮固體、營養(yǎng)物質(zhì)及病原體，如果直接由污染源排放至江河湖泊，會使天然水體富營養(yǎng)化，供氧量不足，魚蝦死亡，最終導(dǎo)致水體污染嚴重。傳統(tǒng)的污水處理廠不僅需要較高的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，還由于產(chǎn)生的污水量小，處理設(shè)備未能有效利用，處理效果不理想[2]，此時采取電化學(xué)法處理這一類的生活污水較為合理可行。

1 生活污水處理現(xiàn)狀

目前我國生活污水源主要是餐廚污水、廁所污水、畜禽養(yǎng)殖廢水以及洗漱廢水等，其中絕大多數(shù)來源于農(nóng)村。由于農(nóng)村建筑比較分散，導(dǎo)致污染源面廣，不易集中處理；由于農(nóng)村生活水平不斷提高，產(chǎn)生的污水量也在上漲[3]。2016 年調(diào)查顯示，我省80%以上農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)都沒有建立完善的污水處理裝置以及回收設(shè)備[4],甚至一些偏遠的山區(qū)根本就沒有污水處理裝置，還一直保留原生態(tài)的生活方式，一些養(yǎng)殖污水在雨天會隨著雨水的沖刷流經(jīng)河道，滲透地下，污染地下水源，危害人們健康。此外，一些農(nóng)村、河道、池塘黑臭現(xiàn)象仍然普遍存在，加上農(nóng)村資金有限，技術(shù)力量薄弱，一些先進的污水處理設(shè)備無法建設(shè)，實用技術(shù)難以應(yīng)用，導(dǎo)致農(nóng)村生活污水治理成效緩慢[5]。

我國的農(nóng)村生活污水需要大量資金投入治理。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計顯示，污水分散處理平均每人需要投入500元左右，年維護人均170元以上；集中處理方式，平均每人需要投入740 元左右，年維護人均 260 元以上[6]。按照我省鄉(xiāng)鎮(zhèn)已有經(jīng)驗，建設(shè)農(nóng)村污水處理設(shè)施每戶居民需要投入大概1 萬元資金。由于省級財政對項目補助資金有限，單靠市縣兩級資金壓力比較大，如果這些資金全部由居民承擔顯然又是不切實際的，因此，由于資金短缺難以滿足目前農(nóng)村環(huán)境改善的需要。

我省各個鄉(xiāng)村人口以及社會條件不同，每個村莊對污水處理的認知度與接受程度也不盡相同，如果所有地區(qū)都采用一樣的污水治理技術(shù)，難以實現(xiàn)理想的治理效果[7]。同時，由于部分污水治理技術(shù)對于農(nóng)村生活污水處理適應(yīng)性比較差，投入與回報不成正比，不能有針對性地解決污水收集、排放等問題，大大降低了污水治理效果。此外，由于農(nóng)村生活條件差，經(jīng)濟水平低，很多高學(xué)歷大學(xué)生紛紛選擇在城市發(fā)展，農(nóng)村缺乏相關(guān)高層次人才，直接影響了農(nóng)村污水治理的發(fā)展[8]。

2 電化學(xué)法技術(shù)原理

電化學(xué)法指利用電位差來控制電子的流向，促使污染物在電極或溶液中的環(huán)境界面絮凝、吸附、沉淀的過程，使污染物降解或轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，從而實現(xiàn)水體凈化的效果[9]。

2.1 電化學(xué)氧化

電化學(xué)氧化技術(shù)包括直接氧化和間接氧化，都是陽極過程[10]。前者通過陽極氧化使污染物質(zhì)在電極表面發(fā)生反應(yīng)，從而將污染物分解轉(zhuǎn)化為毒性偏小或者是易生物降解的物質(zhì)，還有可能發(fā)生有機物質(zhì)無機化，從而達到減少、消除污染物的目的；間接氧化主要通過陽極反應(yīng)得到具有強氧化作用的中間產(chǎn)物，使被處理污染物質(zhì)發(fā)生氧化作用，從而轉(zhuǎn)化為無害無毒的物質(zhì)。陽極直接氧化過程，若反應(yīng)物濃度偏低，電化學(xué)表面反應(yīng)則會受傳質(zhì)過程的限制；于間接氧化過程，這種限制是不存在的。無論是直接還是間接氧化過程，析H2或O2的副反應(yīng)都有可能發(fā)生，可以更換電極材料和控制電勢抑制副反應(yīng)發(fā)生。

2.2 電化學(xué)還原

電化學(xué)還原有兩類，一種是直接還原，反應(yīng)過程是污染物質(zhì)在陰極上直接得到電子發(fā)生還原作用；還有一種是間接還原，污染物中含有的陽離子在陰極得到電子，電解質(zhì)里的高價或低價金屬陽離子在陰極上得到電子，從而還原為低價態(tài)的陽離子或者是金屬沉淀[11-12]。

2.3 電沉積

電沉積是利用電解質(zhì)溶液里具有的不同金屬，再根據(jù)組分來產(chǎn)生電勢差，自由態(tài)的溶解性金屬會在陰極析出。選用合適的電勢在電沉積技術(shù)中至關(guān)重要。無論金屬的形態(tài)各異，都能根據(jù)溶液里的離子活度大小，利用能斯特方程計算得到電勢。在這個技術(shù)處理過程中，溶液的組成成分、溫度以及選用的電極材料在電沉積過程都會產(chǎn)生影響。

2.4 電凝聚電氣浮

通過外加電壓作用，陽極因為具有可溶性，容易被氧化，從而產(chǎn)生大量陽離子形成膠體，廢水中的污染物質(zhì)發(fā)生凝聚，這里的可溶性陽極可以是鐵也可以是鋁。大量的氫氣會從陰極上產(chǎn)生，轉(zhuǎn)變成微小的氣泡再與絮粒粘附[13]。鐵鋁常常在電凝聚中做陽極材料；溶解的金屬離子在內(nèi)電解法中會形成氫氧化物，包括Fe(OH)2和FeOH 等絮狀沉淀，堿性條件可以創(chuàng)造較好的絮凝效果。污水的pH值提高到合適的值時，F(xiàn)e(OH)3還可以進一步水解生成由Fe（OH）2，F(xiàn)e（OH）3+等構(gòu)成的陽性水合膠粒,這種物質(zhì)有很強的絮凝性能[14-15]。

2.5 電滲析

利用電滲析法來處理金屬離子時,有時候無法直接回收到固體金屬，我們可以從中得到濃縮的鹽溶液，使得出水水質(zhì)得到明顯改善[16]。目前對單陽膜電滲析法研究較多。在直流電場的作用下，由于選擇性透過膜具有獨特功能，離子可以從一種溶液進入到另一種溶液中，實現(xiàn)對離子化污染物的分離與濃縮。

2.6 電吸附-過濾吸附

采用電極作為吸附表面，根據(jù)傳統(tǒng)吸附過程進行化學(xué)物質(zhì)的回收，分離水中低濃度的有機物和其他部分物質(zhì)。采用大比表面積的吸附電極可維持高吸附特性。我們用鐵屑和銅聯(lián)合構(gòu)成的內(nèi)電解反應(yīng)柱的過濾作用比較好，生成的產(chǎn)物膠體可以對反應(yīng)柱的過濾吸附作用進行強化，還可以產(chǎn)生新的膠粒，更容易吸附、共沉、攜帶大量的有害電解質(zhì),并可和各種金屬發(fā)生共沉淀作用。

2.7 電泳作用

在微原電池產(chǎn)生周圍電場的作用下，廢水中發(fā)生微電解，以膠體狀態(tài)存在的污染物完成電泳沉積作用所需要的時間比較短，即帶電的膠粒向相反電荷的電極移動。由于在靜電引力和表面能的作用下，其附集并沉積在電極上可以幫助去除色度和COD。由于使用的是低壓直流電源，化學(xué)藥劑并不會損耗太多。廢水中污染物濃度如果有變化,通過調(diào)整電壓和電流的方法，確保出水水質(zhì)的穩(wěn)定。

3 電化學(xué)法處理生活污水的影響因素

3.1 電解質(zhì)溶液

電化學(xué)法處理生活污水時，電解質(zhì)溶液的濃度控制十分重要，濃度變化對于有機物的轉(zhuǎn)化分解速率影響較大。當發(fā)生電解時，溶液濃度如果增加，降解污染物的速率也會增高，但是產(chǎn)生的費用也會增加[17]，此外，在電解過程中電化學(xué)反應(yīng)會根據(jù)電解質(zhì)而改變。根據(jù)具體的反應(yīng)選取電解質(zhì)溶液，以提高反應(yīng)速率，減少資金投入。

3.2 停留時間

在電化學(xué)法工藝過程中控制好停留時間十分關(guān)鍵，污染物的停留時間越長，可以將氧化還原作用發(fā)揮更全面。但是污染物停留時間過長，所需要的能量也在增加，所以選取合適的停留時間是很重要的[18]。停留時間需要根據(jù)不同成分的廢水做出具體調(diào)整。廢水的初始pH值與停留時間成正比。

3.3 電極材料

電化學(xué)氧化反應(yīng)會根據(jù)電荷的移動在電極表面進行非均相催化反應(yīng)[19]。電荷的移動快慢對反應(yīng)速率產(chǎn)生影響，我們可以了解到電荷的移動快慢與電極的電位有關(guān)，電極的基體材料會對電極電位起決定作用。電極材料的不同，發(fā)生反應(yīng)的可能性和速率也是不同的。電極的類型可能不同，但好的導(dǎo)電性和耐蝕性是共同具備的[20]。

4 總結(jié)和展望

電化學(xué)法在我國工業(yè)廢水和生活污水治理方面作出的貢獻十分重大，在我國水污染控制工程中的利用逐漸廣泛。近幾年對于電化學(xué)法與環(huán)境材料結(jié)合的研究逐步深入，電化學(xué)水處理技術(shù)也越發(fā)成熟，如二維層狀材料電極取代傳統(tǒng)的金屬電極，以消除新型污染物，加大對能源和資源的回收利用。我國電化學(xué)法處理廢水相關(guān)研究起步較晚，與其他技術(shù)結(jié)合聯(lián)用的研究也是在國外研究的基礎(chǔ)上去展開的，電化學(xué)可以與光、磁以及聲技術(shù)融合，產(chǎn)生協(xié)同作用，降低治理成本，實現(xiàn)經(jīng)濟性和創(chuàng)新性。

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的電化學(xué)法相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，可以看出電化學(xué)法主要發(fā)展方向體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）創(chuàng)新組合工藝。我國越來越重視水質(zhì)標準，電化學(xué)法與其他有關(guān)的水處理技術(shù)結(jié)合使用效果甚好，可以開發(fā)高效電化學(xué)反應(yīng)器。電氧化、電還原、電絮凝等一系列的電極反應(yīng)可以控制膜污染，電化學(xué)反應(yīng)器融入生物技術(shù)也是一條思路，對污染物治理產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，通過低電位去處理難降解的有機污染物。

（2）優(yōu)化電極材料。優(yōu)化電極材料是電化學(xué)法的核心手段，包括電極材料、設(shè)計合理的表面官能團，使污染物和電極之間的相互作用和電子傳遞過程更順暢。還可以引進微觀成像技術(shù)，設(shè)計材料三維微結(jié)構(gòu)，提高反應(yīng)面積，完成材料表面和內(nèi)部微電場控制，提高電極材料的電流傳質(zhì)速度。

（3）資源能源回收利用。在治理水污染過程中，回收利用寶貴資源能源同等重要，如電還原回收二氧化碳技術(shù)，對電極反應(yīng)進行控制、精細化、高效化地回用資源，以實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。