電絮凝技術(shù)在水處理中的發(fā)展綜述

翟蘇皖，連瑛秀，朱曙光，3，胡昊，歐陽匡中

（1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥230601；2.城邑（北京）建筑設(shè)計(jì)院有限公司，北京100055；3.安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥230601）

1 電絮凝技術(shù)機(jī)理

電絮凝亦可被稱為電凝聚、電混凝，它是通過外電壓作用使金屬陽極氧化溶解成金屬陽離子，此類金屬陽離子于溶液中水解，并且聚合生成的氫氧化物和多核羥基絡(luò)合物，最終形成高分子絮凝劑，形成過程相似于化學(xué)混凝法。同時(shí)氫氧化物和絡(luò)合物表現(xiàn)出相較于一般藥劑法水解得到的氫氧化物的更強(qiáng)的吸附效果，溶液中的有機(jī)分子和膠體顆?？杀挥行饺コ?，此外，水的離解和部分有機(jī)雜質(zhì)被電解氧化可在反應(yīng)中產(chǎn)生由氧氣和氫氣形成的氣泡，電解中產(chǎn)生的凝聚膠團(tuán)和懸浮物被這些氣泡帶到水面，起到分離污染物的效果。當(dāng)陽極板附近溶解的金屬離子與陰極附近氫離子被還原會(huì)產(chǎn)生的氫氧根離子接觸反應(yīng)時(shí)，生成的物質(zhì)可吸附水中的污染物質(zhì)。

電絮凝技術(shù)去除水中污染物是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，包含以下三個(gè)方面[1]：

①絮凝作用，反應(yīng)過程中陽極金屬（一般為鋁或鐵）被消解，金屬陽離子會(huì)水解、凝聚生成大量吸附性強(qiáng)、活性高的多核水解產(chǎn)物，它有能產(chǎn)生很強(qiáng)的絮凝作用，此類產(chǎn)物與污水中的可溶性有機(jī)物、病毒、病菌、懸浮物、膠體等結(jié)合成可由沉淀或氣浮去除的體積更大的絮狀體；

②氣浮作用，反應(yīng)過程中在在液體內(nèi)部會(huì)生成較小的氣泡，污水中的污染物會(huì)和氣泡附著在一起，在氣體上浮到水面上時(shí)，污染物得以去除，因此，電絮凝過程中產(chǎn)生的小氣泡有較強(qiáng)的氣浮能力，可有效地除去水中污染物；

③氧化-還原作用，在高電流和高電壓情況下，會(huì)把水中的有機(jī)物氧化成小分子有機(jī)物，或者直接氧化為成CO2和H2O，陰極也會(huì)因發(fā)生電子交換而產(chǎn)生還原能力強(qiáng)的新生態(tài)氫，把水中污染物還原從而降解污染物。

2 電絮凝技術(shù)在水處理中的發(fā)展歷史

電絮凝技術(shù)應(yīng)用于水處理領(lǐng)域已有100多年的歷史，Eugene Hermite于1887年提出了利用電極凈化廢水的理論，并把鐵作為陽極電解處理污水的技術(shù)申請(qǐng)了專利，基于該技術(shù)專利的污水處理廠在1189年于倫敦建成，這是歷史上首次將電流實(shí)際應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。1904年F.E.Elmore使用電絮凝技術(shù)處理選礦廢水并獲得專利。1909年，一種使用鋁-鐵電極處理污水的專利被美國政府批準(zhǔn)，基于該專利的污水處理設(shè)施在圣莫尼卡和俄克拉荷馬城建成。1946年，電絮凝技術(shù)成規(guī)模應(yīng)用于飲用水處理[2]。，起初，能耗高制約著電絮凝技術(shù)的推廣應(yīng)用，業(yè)內(nèi)人士并不看好電絮凝技術(shù)處理污水的應(yīng)用前景,由于當(dāng)時(shí)的電化學(xué)科學(xué)研究不深入，該技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展一度陷入停滯停滯。20世紀(jì)60年代，隨著電力工業(yè)的發(fā)展、電力成本的降低和電化學(xué)學(xué)科的迅猛發(fā)展，電絮凝技術(shù)的處理污水成本日益降低,該技術(shù)再次成為研究熱點(diǎn)。

3 電絮凝技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

3.1 在飲用水中除氟的應(yīng)用

氟元素是人類體內(nèi)必需的微量元素，人體所需的氟主要來自于飲用水，氟元素?cái)z入過量和不足和均會(huì)對(duì)人體健康不良影響。人體內(nèi)因缺氟可能導(dǎo)致齲齒和骨質(zhì)疏松，攝入氟超標(biāo)又會(huì)導(dǎo)致氟中毒，我國飲用水地方性氟中毒范圍廣、危害大，氟危害主要集中于北方。WHO認(rèn)為飲用水中0.5 mg/L～1.5 mg/L的氟化物濃度對(duì)人體有益，我國目前飲用水氟含量長期超標(biāo)的地區(qū)人口有7700多萬人，飲用水除氟已成為了電化學(xué)絮凝熱點(diǎn)研究方向。傳統(tǒng)的除氟方法有混凝沉淀、吸附離子交換、石灰沉淀法、反滲透、電滲析以及電絮凝等方式。電絮凝除氟過程是指在電解反應(yīng)中由于陽極金屬溶解，產(chǎn)生的絮凝劑能夠吸附水中的氟離子。電絮凝技術(shù)能夠有效地降低應(yīng)用水中的氟，比傳統(tǒng)絮凝劑水去除效果更好。但利用電絮凝技術(shù)去除水中的氟還有不足之處：耗電量大造成處理成本偏高，對(duì)于水質(zhì)要求高，絮凝用時(shí)較長使處理效率偏低。

3.2 在印染廢水中的應(yīng)用

未經(jīng)處理的染料廢水中含有高致癌性的苯環(huán)類、偶氮基團(tuán)類物質(zhì)，若直接排放將造成嚴(yán)重的水污染，危害人類與動(dòng)物的健康。電絮凝處理染料廢水原理是，在陰極附近有還原反應(yīng)的發(fā)生，氧化型色素被還原成無色透明物質(zhì)，降低色度；與此同時(shí)，強(qiáng)氧化性物質(zhì)對(duì)發(fā)色體中的不飽和共軛鍵產(chǎn)生作用，把印染廢水中偶氮基團(tuán)類物質(zhì)降解，此外絮凝體的較大的比表面積可有效吸附水中的染料，具有良好的脫色效果。電絮凝過程中不僅可以生成對(duì)水中污染物有較強(qiáng)吸附作用的絮體，而且還可以產(chǎn)生具有較強(qiáng)氧化性的氫氧根等物質(zhì)，可有效破壞有機(jī)物的發(fā)色基團(tuán)并且降解有機(jī)物，從而使廢水的色度和COD含量得到降低。因此，業(yè)內(nèi)人士逐步使電絮凝技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)染料廢水處理行業(yè)。

3.3 在造紙廢水中的應(yīng)用

造紙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水有黑液、中段水和白水。造紙廢水中的成分非常復(fù)雜，含有纖維素、木素、有機(jī)酸、助劑、油墨中溶出的有害物質(zhì)和脂類等，造紙廢水中有很高的BOD和COD，色度、濁度都很高。由于造紙生產(chǎn)中的漿料、紙種、生產(chǎn)工藝、藥劑不同，廢水中污染物的含量和種類也不同。當(dāng)下，國內(nèi)外的傳統(tǒng)處理造紙廢水的方法有化學(xué)法、物理法和生物法。

電絮凝技術(shù)包含了水污染物與強(qiáng)電場的反應(yīng)及因電場產(chǎn)生的氧化和還原反應(yīng)，化學(xué)絮凝的陽離子與表面電荷的中和反應(yīng)機(jī)理在電絮凝技術(shù)中都有體現(xiàn)，在電絮凝反應(yīng)過程中，廢水中高達(dá)99%以上的重金屬離子被去除。電絮凝法適用于處理污染物較高的造紙廢水，無需預(yù)處理去除懸浮物,在較低電壓和電流條件下，安全性高，與化學(xué)絮凝法相比，成本低，廢水的COD去除率和濁度去除率可達(dá)60%和95%左右。這種技術(shù)于中小型紙廠的廢水處理應(yīng)用中具有廣闊前景。

3.4 在制革廢水中的應(yīng)用

隨著我國從業(yè)人員對(duì)制革產(chǎn)業(yè)全面且深入的研究，制革工業(yè)的迅猛發(fā)展，同時(shí)也導(dǎo)致了大量有毒有害污染物的產(chǎn)生，制革廢水中含Cr、硫化物、COD、大量的懸浮物導(dǎo)致其污染較高。制革工藝中廣泛添加的各類藥劑使廢水中包含大量對(duì)環(huán)境及人體有害物質(zhì)，如處理不當(dāng)或隨意排放都會(huì)造成不可逆的環(huán)境污染惡果。隨著人們對(duì)皮革制品的消費(fèi)需求增大，皮革產(chǎn)量連年攀升，導(dǎo)致廢水排放量逐年增大，這迫切需要我們針對(duì)廢水排放問題有效管控。政府為了保護(hù)自然生態(tài)和老百姓的身體健康，不斷加大環(huán)保力度，制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并將工業(yè)排水中污染物的標(biāo)準(zhǔn)限值降低，據(jù)《制革及毛皮加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30486-2013）可知，pH值為6-9、CODCr小 于100 mg/L、總鉻小于1.5 mg/L BOD5小于30 mg/L。由于相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，不僅要盡可能的提高水資源利用率，減小水資源的使用量，還需盡可能使制革廢水達(dá)到行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，這為廢水處理的工藝和方法的創(chuàng)新及選擇帶來挑戰(zhàn)和機(jī)遇[3]。用優(yōu)勢菌與電絮凝方法相結(jié)合的方式處理山東某制革廢水中的有機(jī)物和鉻，其中電絮凝反應(yīng)中使用鋁鈦?zhàn)鳛殛枠O效果最佳，電壓5 V，電流800 A/m2，反應(yīng)30 min時(shí)，COD去除率為83.38%，總鉻去除率可以達(dá)98.88%，Cr(III)去除率甚至達(dá)到98.93%，完全能夠滿足《制革及毛皮加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30486-2013）中規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 在生活污水中的應(yīng)用

污水中存在大量的磷酸鹽與氨氮會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，造成藻類大規(guī)模增殖。這一現(xiàn)象將對(duì)湖泊、河流、水庫以及沿海地區(qū)產(chǎn)生影響，也是近幾年造成嚴(yán)重的水污染問題原因之一。因此，對(duì)于控制富營養(yǎng)化，去除磷酸鹽與氨氮是十分必要的。馬度度等[4]采用鐵、鋁電極進(jìn)行電化學(xué)除磷，在電極間距為1cm、2cm和5cm時(shí)，磷的去除率分別為92.2%、92.0%和89.0%。在pH為5，電解時(shí)間為55min，除磷率達(dá)到了89.2%。當(dāng)電流密度從8.68 mA/cm2升到13.88 mA/cm2時(shí)，除磷率從61.0%增加到91.0%；處理?xiàng)l件為銅/鋅電極、電流密度18.32 mA/cm2，極板間距1.1cm、溫度40℃、氯化鈉濃度0.5g/L、COD濃度185 mg/L和處理時(shí)間30 min時(shí)，氨氮去除效率最優(yōu)（接近100%）。

4 電絮凝技術(shù)的改進(jìn)

4.1 改進(jìn)電源技術(shù)

在直流電絮凝設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行后，電極易出現(xiàn)鈍化從而使能耗變高。擴(kuò)散傳質(zhì)是電極附近的主要傳質(zhì)形式，當(dāng)溶解的金屬陽離子來不及擴(kuò)散到溶液本體的情況下，便形成了濃差極化，電極表面形成可以阻礙電極反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行的致密的氧化膜，從而造成電極鈍化的現(xiàn)象。為避免此現(xiàn)象，業(yè)內(nèi)嘗試過多種辦法，其中脈沖電通過重復(fù)進(jìn)行供電與斷電，電解效率得到有效提高，能耗有所降低。林輝[5]利用脈沖電源電解的方式消除鋁陽極絮凝的鈍化現(xiàn)象，在達(dá)到相同高的CODCr和油的去除率的情況下，有助于提高電解效率，脈沖電絮凝工藝的耗能比直流電絮凝工藝低了30%。

4.2 采用新型電極材料和電極結(jié)構(gòu)

電極材料方面，可以用不溶性陽極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬陽極材料鐵和鋁，有以鈦為基體并用熱沉積氧化法或者電鍍法引入活性層作為陽極的，例如鈦鍍二氧化鉛、鈦涂含銥元素涂層等等。此類涂層擁有良好的導(dǎo)電性、能夠耐腐蝕、具有較長的使用壽命，而且無需更換電極，可以對(duì)有機(jī)污染物的氧化起到較好的電催化作用。炭纖維—鐵復(fù)合電極已在處理印染、染料、造紙等廢水中應(yīng)用。同時(shí)，三維電極也是一個(gè)重要的研究方向，三維電極即是在傳統(tǒng)的二維電極間裝填粒裝或其他碎屑狀工作電極材料，使裝填材料表面帶電，變?yōu)槟軌蛟诠ぷ麟姌O材料表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)新的一極，使電解槽面體比增大，離子間距減小，因此具有較高的傳質(zhì)效率和電流效率，應(yīng)用三維電極處理印染廢水、重金屬廢水、焦化廢水等已成為較為成熟的技術(shù)。

4.3 與其他工藝的結(jié)合

水處理中單一的使用電絮凝技術(shù)可能無法達(dá)到相應(yīng)的處理標(biāo)準(zhǔn)，亦或是僅僅使用電絮凝技術(shù)效率太低和費(fèi)用較高，所以多種工藝相結(jié)合的方法既能達(dá)到低耗費(fèi)也能達(dá)到高效率的效果。因此，使電絮凝技術(shù)與其他水處理技術(shù)相結(jié)合的工藝是目前及今后的發(fā)展方向之一。

5 結(jié)語

電絮凝技術(shù)在水處理中的應(yīng)用有很長時(shí)間的歷史，在水處理領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)。通過改善技術(shù)，采用新型電極材料和電極結(jié)構(gòu)，與其他水處理工藝相結(jié)合結(jié)合，進(jìn)一步降低成本，提高處理效率是電絮凝技術(shù)的未來趨勢。