電絮凝在廢水處理中的研究及應(yīng)用

劉海燕

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

“十四五規(guī)劃”對(duì)改善水環(huán)境質(zhì)量，開(kāi)展污水處理差別化精準(zhǔn)提標(biāo)提出全新的要求。開(kāi)發(fā)可靠和環(huán)境友好的廢水處理技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的化學(xué)法需要向水中添加一些化學(xué)物質(zhì)，易產(chǎn)生二次污染，這使得近些年電化學(xué)技術(shù)不斷興起和完善。電化學(xué)法處理廢水時(shí)，根據(jù)原理與方法的不同主要分為電化學(xué)氧化法、電絮凝和電滲析法等[1]。電絮凝法[2]由于其污泥產(chǎn)量少、不需要化學(xué)添加劑、環(huán)保、占地面積小、成本低、易操控等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到廢水以及飲用水處理行業(yè)，尤其是廢水處理中的重金屬?gòu)U水[3]、含油廢水[4]、含磷廢水[5]。

1 電絮凝的作用機(jī)理

電絮凝法的實(shí)質(zhì)是在外加電源的條件下，使作為陽(yáng)極的常用可溶性金屬電極通過(guò)電解產(chǎn)生金屬陽(yáng)離子并溶解在溶液里，最常用的電極為鐵或者鋁，在堿性環(huán)境下通過(guò)水解、聚合反應(yīng)與氫氧根反應(yīng)形成絡(luò)合物，這些絡(luò)合物具有良好的吸附和凝聚作用，從而將污染物去除。電絮凝技術(shù)處理廢水中污染物的作用機(jī)理大體可分為3 種，主要體現(xiàn)在絮凝沉淀作用、氧化還原作用和氣浮作用。其中絮凝沉淀作用主要體現(xiàn)在產(chǎn)生絮凝劑這一過(guò)程。陰極極板上產(chǎn)生微小的氫氣泡也會(huì)吸附在絡(luò)合物表面，使絡(luò)合物上升至電解液表層，起到氣浮作用，從而實(shí)現(xiàn)去除污染物的目的。

通電后，陽(yáng)極就可作為電絮凝電池中的絮凝劑，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，主要反應(yīng)式如下[6]。

2 電絮凝的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 電絮凝的優(yōu)點(diǎn)

1）反應(yīng)中不需要額外加藥，不存在二次污染的可能性，電絮凝劑是由電解氧化金屬陽(yáng)極生成的金屬離子通過(guò)水解、聚合反應(yīng)與氫氧根反應(yīng)原位生成的氫氧化物。

2）經(jīng)過(guò)EC 處理后的廢水相對(duì)其他工藝而言，色度濁度均較低且無(wú)味。

3）EC 法要求pH 值在3～10 的范圍內(nèi)，處理效果好，pH 值可操作范圍寬。

4）EC 過(guò)程電力控制，設(shè)備與維護(hù)管理簡(jiǎn)單，易于操作，有望實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

5）EC 法污泥產(chǎn)量低且沉降性能較好，便于固液分離。

2.2 電絮凝的缺點(diǎn)

1）犧牲陽(yáng)極在電解體系中不斷被損耗，因此需要定期更換極板以確保反應(yīng)正常進(jìn)行[7]。

2）電解過(guò)程中陽(yáng)極易形成包裹極板表面的氧化膜，使極板與溶液接觸面積減少，阻止陽(yáng)極溶解，造成極板鈍化。陰極鈍化也會(huì)導(dǎo)致電絮凝處理效率降低。

3）EC 對(duì)處理水的導(dǎo)電性有一定要求。

3 電絮凝法在廢水處理中的應(yīng)用

3.1 重金屬?gòu)U水

重金屬?gòu)U水是電鍍廢水中污染最大的一種，含有各種有毒有害重金屬物質(zhì)，如銅、鉻、鎘、錳、鋅等。EC 由于操作簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)較好、易于固液分離、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)被作為一種有效的處理重金屬?gòu)U水的方法。張欣[8]等探討了電絮凝法對(duì)鋼鐵廠鍍鎘廢水中Cd2+的處理效果，主要考察了起始pH、極板電壓、極板間距和電流密度這4 種因素對(duì)電絮凝法去除Cd2+能力的影響。當(dāng)起始pH=4.0、極板電壓為5 V、極板間距為20 mm、電流密度為30 mA·cm-2時(shí)，三級(jí)去除率超過(guò)99.9%，表明采用電絮凝法處理鍍鎘廢水的實(shí)驗(yàn)效果佳，且處理廢水中Cd2+的含量可以達(dá)到國(guó)家現(xiàn)行電鍍污染物排放限值要求。譚超雄[9]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究電絮凝法處理含銅鉻電鍍廢水的處理效果，實(shí)驗(yàn)中電絮凝裝置采用穩(wěn)壓直流電源，有機(jī)玻璃制成的電解槽，Al 作為陽(yáng)極，F(xiàn)e 為陰極。結(jié)果表明，Cu 在pH 大于4 后具有較高去除率，而Cr 在pH 小于8 時(shí)去除效果較好，也就是說(shuō)控制pH 值為4～8 時(shí)，Cu 和Cr 的去除率分別達(dá)到90%和80%以上。楊國(guó)超[10]等采用電絮凝法處理某企業(yè)堿性含鉈重金屬?gòu)U水，實(shí)驗(yàn)裝置主要包括直流電源、反應(yīng)器、增氧泵、水泵。結(jié)果表明，當(dāng)起始pH=10.0、通電時(shí)間10 min、極板間距1 cm、電流密度6.25 mA·cm-2的最優(yōu)條件下，廢水中錳質(zhì)量濃度經(jīng)處理后達(dá)到1.0 mg·L-1以下，鉈質(zhì)量濃度經(jīng)處理后達(dá)到5.0 μg·L-1以下，符合《無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB31573—2015)排放要求。這表明電絮凝法同時(shí)深度去除重金屬?gòu)U水中錳和鉈是可行的。

3.2 含油廢水

含油廢水的來(lái)源十分廣泛，不僅包括油田開(kāi)采工業(yè)產(chǎn)生的大量含油廢水，還包括紡織工業(yè)、輕工業(yè)產(chǎn)生的少量含油廢水。油類以浮油、乳化油、溶解油等3 類形式在廢水中存在[11]，若不加處理就排放到自然界，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)、水體復(fù)氧有著嚴(yán)重的抑制作用。EC 處理含油廢水，處理效果良好，產(chǎn)生的浮渣量相對(duì)較少，陰極生成的H2對(duì)通過(guò)浮選去除污染物起到促進(jìn)作用[12]。劉楊[13]等采用電絮凝法處理自行配置的含油廢水，首先探討溶液pH、極板間距等影響因素對(duì)除油率的影響，然后考察電流密度對(duì)電絮凝裝置中豎直方向A、B、C 3 層溶液除油率隨著反應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，在pH=7、極板間距1 cm、電流密度150 A·m-2、NaCl 投加量2 g·L-1的條件下位于溶液中上部的A 層溶液的除油效果最好，除油率為96.05%。楊婷婷[14]采用自制的電絮凝裝置分別處理間歇式及流動(dòng)式油田壓裂廢水，探究電絮凝裝置降解COD 的影響因素，在pH=7、極板間距0.07 cm、電流密度70 mA·cm-2、容積比為1∶1.2 的條件下反應(yīng)70 min 后，對(duì)間歇式壓裂廢水COD 去除率為84.75%，經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后去除率達(dá)到 90.55%。其他條件相同，流速20 mL·min-1，反應(yīng)5 min 后，對(duì)流動(dòng)式壓裂廢水COD去除率為62.77%。經(jīng)過(guò)對(duì)比，流動(dòng)式處理方法優(yōu)于間歇式且兩種方式處理壓裂廢水均符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。武捷[15]等采用以Al 為電極的直流電絮凝-氣浮法處理乳化油廢水并優(yōu)化工藝條件，結(jié)果表明，在 pH=3、極板間距 1.5 cm、電流密度12.47 mA·cm-2、反應(yīng)50 min 后，除油率為96.01%，COD 去除率為95.28%。IBANEZ[16]等以Fe 為陽(yáng)極的電絮凝裝置處理油水乳化液，并對(duì)電絮凝的原理進(jìn)行了探究，在裝置運(yùn)行30 min 后，油滴從水相中分離出來(lái)，出水清澈且黏度得到了有效降低。

3.3 含磷廢水

磷是自然界動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育必備的元素[17]，越來(lái)越多的含磷產(chǎn)品走進(jìn)人們的生活。含磷產(chǎn)品生產(chǎn)和使用過(guò)程中所產(chǎn)生的含磷廢水導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、降低土壤性能、污染地下水。種種危害表明除磷刻不容緩，EC 產(chǎn)生的多核羥基化合物具有吸附性，因此可以較好去除水體中的磷。王銳[18]分別采用電絮凝法、石灰沉淀法、電絮凝-石灰組合工藝處理含磷酸鹽廢水，在pH=3、極板間距1 cm、電流密度10 mA·cm-2、電絮凝30 min 的條件下，TP 的去除率約為72.8%。用石灰沉淀法處理電絮凝出水，投加量為2 g·L-1，停留時(shí)間20 min，TP 的去除率大于99.99%。張吉庫(kù)[19]等采用Fe 作陽(yáng)極、Ti 作陰極的電絮凝裝置結(jié)合活性焦曝氣技術(shù)處理含磷廢水，在極板間距為4 cm、電流密度20 mA·cm-2、活性焦質(zhì)量濃度0.45 g·L-1、裝置運(yùn)行40 min 后，磷的去除率為89.19%。

4 電絮凝技術(shù)的改進(jìn)

4.1 改進(jìn)供電方式

把直流電源更換為脈沖電源可以解決電絮凝過(guò)程中極板鈍化的問(wèn)題。徐國(guó)仁[20]等采用高壓脈沖電凝技術(shù)處理鍍鎳廢水，處理效果顯著。許丹陽(yáng)[21]采用脈沖電絮凝處理農(nóng)村飲用水中的重金屬離子，對(duì)Cu、Zn、Pb 的去除率均大于90%。

4.2 改進(jìn)電極形狀

把二維電極用三維電極材料代替可以提高傳質(zhì)效率，增大接觸面積。石梁[22]等用電絮凝-三維電極組合工藝對(duì)高濃度對(duì)氰基苯酚廢水進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理出水中氨氮、TP 的去除率分別達(dá)到66.63%和56.71%，有利于廢水的后續(xù)深化處理。

4.3 改進(jìn)電極材料

采用不溶性陽(yáng)極，不僅導(dǎo)電性能良好、耐腐蝕、壽命較長(zhǎng)，而且這類電極在反應(yīng)中可以發(fā)揮電絮凝、電催化兩種效應(yīng)。亓振蓮[23]采用雙鐵電極的新型電絮凝系統(tǒng)處理有機(jī)污染物，提高了總磷的去除率并降低了反應(yīng)能耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用電絮凝方法處理了常見(jiàn)的3 種廢水，是一種緊跟時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)的環(huán)保型水處理工藝，近幾年被更加廣泛的應(yīng)用，具有無(wú)二次污染、污泥量少、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，在廢水處理中展現(xiàn)了優(yōu)越性[24]。為進(jìn)一步發(fā)揮電絮凝的綜合作用，應(yīng)從電極的材料、電源、裝置3 方面不斷強(qiáng)化電絮凝技術(shù)，以提高對(duì)實(shí)際廢水的處理效率。