電化學(xué)水處理技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

李思琪

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

隨著電力企業(yè)的迅速發(fā)展，電化學(xué)水處理技術(shù)的發(fā)展也逐漸成為電力領(lǐng)域不可或缺的一種新型技術(shù)，對(duì)人類社會(huì)發(fā)展起到了重要作用，因此得到人們廣泛關(guān)注。電化學(xué)法是一種高級(jí)氧化技術(shù)，具有氧化能力強(qiáng)、工藝靈活、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，目前電化學(xué)氧化、電絮凝、電滲析等工藝在處理難降解廢水等領(lǐng)域已經(jīng)獲得一定的研究成果且得以廣泛應(yīng)用，但是在飲用水處理領(lǐng)域還有所欠缺。近年來(lái)在處理飲用水方面的研究也逐漸開展，尤其是對(duì)于電化學(xué)氧化法的運(yùn)用。

1 電化學(xué)水處理技術(shù)的分類

1.1 電化學(xué)氧化水處理技術(shù)

電化學(xué)氧化法分為直接氧化和間接氧化2種。直接氧化，也就是使水中的污染物直接在陽(yáng)極上失去電子發(fā)生氧化，以此達(dá)到處理效果。而間接氧化則比直接氧化過(guò)程復(fù)雜，是利用溶液中的Fe2+、Cl-等離子在陽(yáng)極失去電子生成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，如羥基自由基、活性氯等，進(jìn)而將溶液中的污染物通過(guò)氧化去除。一般情況下，2種方式同時(shí)存在并起作用。大部分飲用水處理的研究都是利用電化學(xué)氧化這一技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如，李軍幸等進(jìn)行了微電解法去除地下水中鐵錳離子的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羥基自由基對(duì)鐵錳的去除起到很大作用，水中鐵錳得到了一定的去除，這為電解-過(guò)濾法除高錳地下水提供了一定依據(jù)。

目前電化學(xué)氧化水處理技術(shù)是一種最為常見(jiàn)的電化學(xué)水處理技術(shù)，可以解決常規(guī)水處理技術(shù)不易解決的水處理方面的難題，同時(shí)也是一種可以實(shí)現(xiàn)污染物超低排放要求的水處理技術(shù)，也對(duì)構(gòu)建“碳中和”水處理技術(shù)模式具有很重要的研究意義，是電化學(xué)氧化未來(lái)的研究方向。

1.2 電絮凝水處理技術(shù)

電絮凝法的作用原理是在電解過(guò)程中可溶性陽(yáng)極極板失電子，在電極表面產(chǎn)生大量的金屬陽(yáng)離子，與在陰極的電子產(chǎn)生的OH-發(fā)生聚合反應(yīng)，生成多核羥基絡(luò)合物及氫氧化物，二者作為絮凝劑，使水中的懸浮物和有機(jī)物通過(guò)絮凝作用去除。此過(guò)程與傳統(tǒng)的絮凝過(guò)程相似，但電解絮凝的效果更好。

電絮凝水處理技術(shù)現(xiàn)今被廣泛應(yīng)用于污廢水處理領(lǐng)域，尤其是工業(yè)污水，如制革、印染、電鍍等污水，多用來(lái)廢水預(yù)處理和二級(jí)出水處理中去除懸浮性顆粒物質(zhì)、重金屬等。但是在給水處理領(lǐng)域卻很難得到應(yīng)用，主要原因是給水水質(zhì)要求高，電絮凝技術(shù)在水處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生起作用的金屬陽(yáng)離子，金屬離子進(jìn)入水中很可能產(chǎn)生二次污染，所以此方法并不是很適合用于給水處理領(lǐng)域。另外，電絮凝水處理技術(shù)一般與生物法和其它處理技術(shù)相結(jié)合以達(dá)到處理的目的，電絮凝技術(shù)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)損耗大量電能并產(chǎn)生電極的損耗，同時(shí)也會(huì)造成二次污染，這也是限制電絮凝法大規(guī)模廣泛應(yīng)用的主要原因。所以，未來(lái)電絮凝水處理技術(shù)的研究方向主要是減少電極損耗，提高電極效率，或者與其它處理技術(shù)耦合用以提高處理效率或處理具有更高水質(zhì)要求的飲用水。

1.3 電氣浮水處理技術(shù)

電氣浮水處理技術(shù)主要是利用電解作用，在直流電場(chǎng)的作用下在陰極和陽(yáng)極的表面產(chǎn)生許多微小的氣泡，在這些微小氣泡上浮的過(guò)程中帶走水中的部分懸浮物質(zhì)和油類，使其懸浮在氣泡表面，使其上浮去除。

電氣浮技術(shù)一般與其它處理工藝相結(jié)合以達(dá)到更高的處理效率。李舵等采用電氣浮-微電解-生化組合工藝聯(lián)合處理農(nóng)藥廢水，在實(shí)驗(yàn)室條件下COD的去除率可以達(dá)到99.1%，NH3-N去除率達(dá)97.5%，并且可以長(zhǎng)期保證處理效果穩(wěn)定。出水水質(zhì)符合污水綜合排放三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。高珊珊的電絮凝-電氣浮工藝處理微污染含藻水研究表明，對(duì)于去除微污染含藻水中的藻類，這種方法是行之有效的，并且該技術(shù)凈水效率高、靈活性高、設(shè)備簡(jiǎn)單。未來(lái)可以應(yīng)用在中小型水處理廠或者富營(yíng)養(yǎng)化的水源處理中，可以有效提高供水的安全性和可靠性。

1.4 電滲析水處理技術(shù)

電滲析法是一種利用離子交換膜分離溶液中電解質(zhì)的電化學(xué)水處理技術(shù)。整個(gè)處理裝置主要由電極、陰陽(yáng)離子交換膜和特制的隔板構(gòu)成。在直流電場(chǎng)作用下，以電位差為動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。關(guān)瑩對(duì)電滲析法深度處理農(nóng)藥生產(chǎn)廢水進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)電滲析反應(yīng)器在對(duì)農(nóng)藥生產(chǎn)二級(jí)處理出水進(jìn)行處理時(shí)，鹽分脫除率達(dá)到95.8%，總碳去除率達(dá)到72.3%，出水水質(zhì)比較好。另外，也可以將電滲析技術(shù)與電化學(xué)氧化技術(shù)相結(jié)合，與傳統(tǒng)電滲析工藝相比，能有效降低廢水中的有機(jī)污染物，并且能耗低、出水電導(dǎo)率低。

1.5 電吸附水處理技術(shù)

電吸附法的作用原理是在外加電場(chǎng)的作用下使水中的帶電粒子朝帶相反電荷的電極附近遷移，進(jìn)而導(dǎo)致水中的帶電物質(zhì)被吸引到電極上，通過(guò)使水中的帶電物質(zhì)在電極表面被吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)污水凈化目的。徐永清等研究使用電吸附工藝處理焦化廢水，結(jié)果表明，電吸附法對(duì)焦化廢水中的無(wú)機(jī)鹽離子和有機(jī)污染物處理效果比較好，并且處理效率高、周期短，具有很好的應(yīng)用前景。同時(shí)，該處理技術(shù)能耗低、處理效率高，目前在對(duì)于工業(yè)廢水的處理上已經(jīng)取得較好的處理效果，但對(duì)于生活污廢水的處理還有待完善，未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在提高吸附容量、提高去除效率、研究更加經(jīng)濟(jì)高效的電極材料等方面。

2 電化學(xué)水處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 應(yīng)用廣泛

電化學(xué)水處理技術(shù)主要是利用電化學(xué)和氧化還原法的原理達(dá)到去除水中污染物的目的。其不僅可以應(yīng)用在污水處理中，也可以應(yīng)用于部分飲用水的處理或者化工生產(chǎn)的某一流程。

2.2 工藝靈活

電化學(xué)水處理技術(shù)涉及方面很廣，并且氧化能力強(qiáng)，凈水效果比較好?？梢愿鶕?jù)處理的水質(zhì)、環(huán)境、處理要求選擇合適的處理技術(shù)，以達(dá)到最高的處理效率、最低的成本，以爭(zhēng)取最高的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 無(wú)二次污染

電化學(xué)水處理技術(shù)在凈化水的過(guò)程中產(chǎn)生的部分物質(zhì)可以循環(huán)利用，另外，其產(chǎn)生的氧化性物質(zhì)大多為游離的電子，不會(huì)產(chǎn)生其它有害物質(zhì)，所以電化學(xué)法污染性較低，符合低排放的要求，適應(yīng)當(dāng)今綠色發(fā)展的需求。

2.4 操作簡(jiǎn)單

電化學(xué)水處理技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，只需通入直流電源即可，不需加壓和催化就可以使反應(yīng)正常進(jìn)行。因此，電化學(xué)技術(shù)操作簡(jiǎn)單、易掌握，反應(yīng)過(guò)程也容易控制。

綜上所述，電化學(xué)水處理技術(shù)具有氧化能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染、工藝靈活、裝置啟動(dòng)迅速、后續(xù)處理簡(jiǎn)單、處理?xiàng)l件溫和以及容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，并且裝置占地面積小，可與其它方法相結(jié)合，以形成降解能力強(qiáng)的復(fù)合工藝。

3 電化學(xué)水處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

電化學(xué)水處理技術(shù)目前已經(jīng)成為處理難生物降解、有毒、有害、高濃度、高色度和高COD有機(jī)廢水的優(yōu)選技術(shù)。電化學(xué)技術(shù)在污廢水處理領(lǐng)域已經(jīng)得到很好的發(fā)展，在處理垃圾滲濾液、高濃度印染廢水、化肥廢水等領(lǐng)域都有一定的研究應(yīng)用。下面列舉了幾個(gè)電化學(xué)技術(shù)在水處理領(lǐng)域的相關(guān)研究。

3.1 電化學(xué)水處理技術(shù)處理有機(jī)廢水

李強(qiáng)等運(yùn)用電解法處理魚粉廢水，通過(guò)單因素影響實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)的方法確定了4個(gè)因素對(duì)COD的影響，依次為pH、電解質(zhì)投加量、電壓、電解時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)室條件下，電解法處理魚粉廢水取得了較好的有機(jī)物去除效果，具有工業(yè)應(yīng)用的前景。

王世真研究電化學(xué)法處理硝基苯廢水，實(shí)驗(yàn)采用活性炭為填充粒子，利用自制的電化學(xué)反應(yīng)器處理硝基苯模擬廢水，結(jié)論表明，在電流為1.5A、處理時(shí)間為3h、pH為5時(shí)處理效果最佳，去除硝基苯的效率可達(dá)90%左右，可見(jiàn)處理效果還是相當(dāng)可觀的。

3.2 電化學(xué)水處理工藝處理工業(yè)廢水

Daniel Villalobos-Lara等制作環(huán)形電絮凝反應(yīng)器去除制革污水中高濃度污染物，利用鋁板作為陽(yáng)極材料，通電后，陽(yáng)極產(chǎn)生大量的金屬離子Al3+，可以自發(fā)發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生氫氧化物及聚氫氧化物。不溶性的氫氧化鋁懸浮于水中，通過(guò)絡(luò)合及靜電作用使污染物凝結(jié)，再經(jīng)過(guò)沉淀池去除。

曾誠(chéng)等研發(fā)了電化學(xué)和紫外線技術(shù)聯(lián)用處理化工廢水，相較于單個(gè)的電化學(xué)水處理技術(shù)及紫外線處理技術(shù)，對(duì)于化工廢水中的有機(jī)物質(zhì)處理效果更好。其去除原理主要是通過(guò)電化學(xué)法將廢水中的Cl-轉(zhuǎn)化為ClO-，而ClO-離子又可以在紫外光的照射下產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，利用這些強(qiáng)氧化性物質(zhì)將污染物氧化。

3.3 電化學(xué)水處理技術(shù)處理含重金屬離子廢水

Jiancheng Shu利用電化學(xué)法處理電解金屬錳廢水，可同時(shí)除氨氮和二價(jià)錳離子，二價(jià)錳的去除率可達(dá)到99.1%；試驗(yàn)中，向廢水中投加氯離子及次氯酸根離子對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行初步氧化，在電解過(guò)程中陽(yáng)極可以產(chǎn)生氯氣，與水反應(yīng)后生成具有強(qiáng)氧化活性的次氯酸及次氯酸根，進(jìn)一步發(fā)揮作用。此方法一定程度上驗(yàn)證了電解-過(guò)濾處理高錳地下水方法的可行性。

李軍幸等關(guān)于微電解法處理地下水中鐵錳離子的文章表明，微電解法產(chǎn)生的羥基自由基把鐵錳離子進(jìn)行氧化去除，但是該技術(shù)對(duì)鐵的去除率可達(dá)70%～80%，而錳離子的去除率僅達(dá)到40%～50%，處理效果可見(jiàn)一般，但是這卻為電化學(xué)水處理技術(shù)在飲用水領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展提供了參考價(jià)值。

4 總結(jié)與展望

電化學(xué)水處理技術(shù)氧化能力強(qiáng)、工藝靈活、無(wú)二次污染、占地面積小，不易受外界環(huán)境干擾并且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，目前電化學(xué)法在污廢水處理領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)展和相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用，但在飲用水的處理領(lǐng)域還未得到一定的研究和發(fā)展，原因有其處理效果不是很穩(wěn)定，并且處理時(shí)能耗及成本等問(wèn)題。雖然這些方法還沒(méi)有在飲用水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是近幾年人們對(duì)這方面的研究更加關(guān)注，使其向高效率、低能耗、低成本、更易于規(guī)?；a(chǎn)的方向發(fā)展。另外，未來(lái)關(guān)于電化學(xué)處理技術(shù)的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在以下幾個(gè)方面。在運(yùn)行過(guò)程中電極材料消耗過(guò)多，能耗高，導(dǎo)致水處理成本過(guò)高，這也是電化學(xué)水處理技術(shù)難以廣泛推廣應(yīng)用的主要原因，所以未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在研究出新型的高催化活性并且價(jià)格低廉的電極材料上；關(guān)于電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究還有欠缺，由于在電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，產(chǎn)生的許多中間產(chǎn)物無(wú)法及時(shí)檢測(cè)到，所以對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理還需進(jìn)行更加深入的研究；另外，在處理廢水時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)電化學(xué)處理技術(shù)與其它水處理技術(shù)的聯(lián)用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，靈活運(yùn)用，以增加水處理的效果。

隨著電力企業(yè)的不斷發(fā)展，新型電極材料的研制，電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的深入研究，以及與其它處理技術(shù)的聯(lián)用，電化學(xué)水處理技術(shù)一定會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。