電化學技術在有機廢水處理中的應用和展望

闞連寶，段 輝，丁思棋，王 猛，崔紅梅

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

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電化學技術在有機廢水處理中的應用和展望

闞連寶，段 輝，丁思棋，王 猛，崔紅梅

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

綜述了有機廢水電化學處理技術的進展和應用。介紹了電催化氧化法、電絮凝法、電氣浮法以及微電解法等幾種常用的電化學廢水處理技術降解有機廢水的機理。分析并指出了電化學技術存在的問題及發(fā)展趨勢。

電化學技術；有機廢水；水處理

人類的生存和發(fā)展都離不開水，水是萬物之源，是必不可少的物質資源。然而，隨著石化、煉油、制藥、有機合成等現(xiàn)代化學工業(yè)的快速發(fā)展，在人類日常的生產和生活中，越來越多的有機合成物被廣泛地應用，進而造成大量難降解的有機污染物進入到水體當中，使得原本就緊缺的水資源又受到了嚴重的污染，導致社會的發(fā)展和人類的健康都受到了極大地威脅。因此，近幾十年來尋找經(jīng)濟、高效的水處理新技術已經(jīng)成為水處理領域中的難點和熱點。

電化學技術是高級氧化技術中一個重要的分支，與其他水處理技術相比，它具有效率高，功能多，占地面積小，沒有二次污染、自動化程度較高等優(yōu)勢。雖然，電化學方法與常規(guī)的生物法相比，能耗要高，但廢水的排放標準越來越高，生物法和其他常規(guī)水處理技術已經(jīng)無法達到要求時，電化學方法在廢水的深度處理上卻能表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，具有良好的應用前景。因此，受到了國內外研究學者的廣泛關注，對電化學方法處理生物難降解有機廢水進行了大量研究。電化學技術具有以下特點：1）電化學反應過程中產生的自由基具有強氧化性，可以將水中復雜有機物降解為無毒無害的小分子有機物，甚至完全降解為二氧化碳和水。在這個過程中無需外加氧化劑或還原劑，避免了二次污染。2）直接通過改變電流或者電壓來控制電化學反應條件，因此可以實現(xiàn)反應的自動化控制。3）電化學反應產生的強氧化性的自由基可以氧化多種有機污染物，因此可以同時去除廢水中的多種有機污染物質，進而提高廢水的可生化性。4）電化學反應過程中會生成一定量的氣體，起到氣浮的作用。此外，反應中產生的羥基自由基還有殺菌的作用。

電化學水處理技術根據(jù)具體的使用方法，主要包括：電催化氧化法、電絮凝法、電氣浮法以及微電解法。

1　電化學技術

1.1電催化氧化法

電催化氧化法處理有機廢水的機理是在常溫常壓的條件下利用有催化活性的電極，電解產生強氧化性的羥基自由基將廢水中的有機污染物質降解為小分子物質。電催化氧化法與傳統(tǒng)的處理方法相比較，具有處理設備相對簡單，管理方便，占地面積少，可直接在常溫常壓下發(fā)生反應等優(yōu)點，因此受到了國內外學者的廣泛關注。王蘇［1］等采用電催化氧化法處理陽離子染料廢水，實驗結果表明，當電流密度為5.1 mA/cm2、NaCl濃度為4 g/L、pH值為9.41、電解時間為20 min時，初始濃度為100 mg/L的結晶紫溶液的脫色率可高達 98.31%。Margaretta［2］等介紹了利用納米多孔鉑電極和平面固體鉑電極對丙二醇進行電催化氧化實驗的研究。由于納米多孔鉑電極是利用電沉積法使鉑納米粒子均勻地分散于多孔硅表面，使其相比于平面鉑電極呈現(xiàn)更高的催化活性，因此在反應過程中產生比平面固體鉑電極更強的電流密度。

電催化氧化技術雖然可以作為單獨處理工藝，但常與其他廢水處理工藝相結合使用。針對某化工企業(yè)的高濃度難生物降解有機廢水，戴啟洲等采用電催化氧化法對其進行了預處理，處理后出水的可生化性得到了提高，再進行后續(xù)的生物處理，最后水質符合《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）的三級標準，允許排入城市污水處理廠進一步處理［3］。可見，電催化氧化—生物法聯(lián)用廢水處理技術具有較好的處理效果，尤其是對高濃度化工廢水。

1.2電絮凝法

電絮凝技術是一種交叉技術，結合電化學和化學混凝的優(yōu)勢，其原理就是：在直流電的作用下，鋁、鐵等金屬陽極發(fā)生電化學反應，溶出Al3+或Fe2+等離子，在水中水解進而發(fā)生混凝或絮凝作用。電絮凝技術具有以下優(yōu)點：（1）可去除的多種污染物；（2）適用的PH范圍廣；（3）所形成的沉渣密實，澄清效果好。因此，電絮凝技術在多種行業(yè)的廢水處理中可得到了廣泛地應用，例如電鍍廢水，紡織廢水，造紙廠廢水等。陳光光［4］等采用電絮凝工藝處理石油裂化催化劑廢水，在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下催化劑生產廢水的濁度和 SS分別降至不足5NTU和15 mg/L，去除率均在97%和95%以上。結果顯示電絮凝法除濁效果較好，適合用于處理石油裂化催化劑廢水，具有良好應用前景。El-Ashtoukhy［5］等采用電絮凝法處理洗車廢水，該實驗采用了一種將水平螺旋陽極放置在水平盤形陰極上的新型電池，該方法有效降低了廢水中的COD和濁度。

電絮凝技術可以作為預處理或后處理過程，與其他水處理技術聯(lián)用，以降低后續(xù)工藝的負荷或進行深度處理［6］。陳波［7］等為強化垃圾滲濾液后續(xù)處理工藝的運行效率，減輕后續(xù)處理設備的負荷，采用以鋁為電極的電絮凝法預處理垃圾焚燒發(fā)電廠的滲濾液。結果顯示，當極間距為1.3 cm，電絮凝時間為30 min，電流密度為0.41 A/cm2時，SS的最大去除率可達 97.52%。此外，研究還表明，電絮凝預處理還具有脫色、去除COD、NH3-N等作用。

1.3電氣浮

電氣浮工藝的原理就是：廢水電解時，在陰陽極表面產生氣體呈微小氣泡析出，使污染物上浮去除的電化學過程。電氣浮工藝可自動控制，操作方便；氣泡微小，氣浮效果好；不用設置動力設備，節(jié)省了能耗；還具有良好的殺菌作用。孫淑波［8］等采用電凝聚—電氣浮法處理活性黃印染廢水，在正負極換向周期為6 s、電解時間為50 min、攪拌轉速為1 000 r/min、極板間距為1.0 cm、電解電壓為11 V、硫酸鈉溶液濃度為0.010 mol/L的條件下，模擬廢水脫色率和COD去除率可達96%和83%以上。郭迎慶［9］等進行了電氣浮—粉末TiO2光催化氧化降解腐植酸的靜態(tài)實驗，在最佳處理條件下，CODMn的去除率可達到 80%以上。通過對實驗過程的分析，發(fā)現(xiàn)電氣浮與光催化氧化聯(lián)用具有較好的協(xié)同作用。Belkacem［10］等采用電絮凝電氣浮技術分別處理合成溶液和紡織廢水，合成溶液的濁度去除率可達89.6%，紡織廢水中各項指標的去除率分別是：SS為85.5%，濁度為76.2%，BOD為88.9%，COD為79.7%，色度為93%。可見，電絮凝電氣浮技術是去除廢水中濁度和有機污染物最有效的方法之一。

1.4微電解法

微電解技術又稱內電解法，通常將其作為預處理工藝。該方法是將微電解材料填充在廢水中，材料自身將會產生1.2 V電位差，進而電解廢水，這樣就可以降解廢水中的有機污染物。同時，電極反應生成的產物具有較強的氧化還原你能力，也能與溶液中的污染發(fā)生反應，產生吸附、絮凝沉淀等，達到進一步去除污染物的目的。該法具有較低成本、廣泛適用、高效處理、易于操作，便于維護，節(jié)電環(huán)保等優(yōu)點。難降解高濃度有機廢水的處理廣泛采取此辦法，不僅大幅度地去除COD和降低色度，還提高了廢水可生化處理能力。此外，能夠有效地脫除氨氮。還有研究采用微電解—Fenton氧化法對新諾明合成廢水進行預處理。首先，通過正交及單因素試驗確定微電解法的最佳工藝條件，經(jīng)預處理后COD去除率達27%以上；再聯(lián)合Fenton氧化法確定最佳反應條件，處理后出水總COD去除率達到55%以上，B/C由0.12提高至0.3，經(jīng)預處理廢水的可生化性明顯提高［11］。林業(yè)星［12］等采用曝氣鐵碳內電解法預處理含氰電鍍廢水，總氰化物去除率可達到75.52%。

2　應用前景

高濃度難降解有機廢水的處理一直是水處理領域的難點問題，電化學方法作為一種環(huán)境友好型的水處理技術，已成為國內外水處理領域的研究熱點。但電化學技術普遍存在以下幾方面的問題：首先，對其處理有機污染物的機理探討尚不夠深入，缺乏具體的理論指導；其次，電流效率偏低，經(jīng)濟上不合理也是我們面臨的一個主要問題；最后，反應器容易結垢，電極腐蝕等問題，也限制著電化學技術的推廣。

針對電化學技術存在的問題，要使電化學技術得到廣泛應用必須要做到以下幾個方面：（1）設計新型反應器，盡可能的提高反應速率和處理水量。（2）研制新型電極材料，盡可能的提高電流效率，降低處理成本。（3）開發(fā)與其他水處理方法聯(lián)用技術，形成協(xié)同效應，提高組合工藝的實用性和經(jīng)濟性。（4）深入探討電化學反應的機理，豐富理論指導，促進電化學技術的廣泛應用。單純使用電化學方法去除廢水中的有機物，想要實現(xiàn)工業(yè)化應用還比較困難，因此，電化學技術與與傳統(tǒng)工藝結合是近年來電化學技術研究的主要方向。

［1］ 王蘇，顏幼平，鄒勇斌，梁睿榮. 電催化氧化法處理陽離子染料廢水的試驗研究［J］. 安全與環(huán)境工程，2012，19（5）：46-50.

［2］ Margaretta M,Dimos. G.J,Blanchard. Electro-catalytic oxidation of 1,2-propanediol atnanoporous and planar solid Pt electrodes[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2011, 654(1-2):13-19.

［3］ 戴啟洲，蔡少卿，王家德，陳建孟. 電催化氧化/生物法聯(lián)用處理高濃度化工廢水［J］. 中國給水排水，2010，26（12）：96-99.

［4］ 陳光光。胡奇，李耀彩，胡威夷，高大文. 電絮凝法處理石油裂化催化劑廢水［J］. 環(huán)境工程學報，2015，9（10）：4850-4856.

［5］ E-S. Z. El-Ashtoukhy,N. K. Amin,Y.O. Fouad. Treatment of real wastewater produced from Mobil car wash station using electrocoagulation technique[J]. Environmental Monitoring and Assessment,2015,187(10):628.

［6］ 張石磊，江旭佳，洪國良，童美萍. 電絮凝技術在水處理中的應用［J］. 工業(yè)水處理，2013，33（1）：10-14+19.

［7］ 陳波，程治良，全學軍，朱新才. 電絮凝法預處理垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液及其過程優(yōu)化［J］. 化工進展，2011，30（S1）：902-908.

［8］ 孫淑波，孫兆楠，胡筱敏. 電凝聚-電氣浮法處理活性黃印染廢水［J］. 化工環(huán)保，2010，30（5）：391-394.

［9］ 郭迎慶，姚長吉，雷春生，王利平，張玉先. 電氣浮-光催化氧化對微污染原水中腐植酸的去除研究［J］. 環(huán)境工程，2011，29（5）：32-34.

［10］ Belkacem M,Khodir M,Abdelkrim S. Using electrocoagulationelectroflotation technology to treat synthetic solution and textile wastewater,two case studies[J]. Desalination, 2010,250(2): 573-577.

［11］ 李立，劇盼盼，李偉，李貴霞，趙俊娜. 微電解-Fenton氧化法預處理新諾明合成廢水［J］. 工業(yè)水處理，2015，35（8）：34-36+41.

［12］ 林業(yè)星，王子波.曝氣鐵碳內電解法預處理含氰電鍍廢水［J］. 污染防治技術，2015，28（3）：41-44+47.

Application and Prospects of the Electrochemical Technology in Organic Wastewater Treatment

KAN Lian-bao，DUAN Hui，DING Si-qi，WANG Meng，CUI Hong-mei
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Development and application of the electrochemical technology in organic wastewater treatment were reviewed. Electrochemical treatment methods of organic wastewater and their mechanisms were introduced, such as electrocatalytic oxidation, electrocoagulation, electroflotation, microelectrolysis. The problems of the technology were analyzed, and the development direction of the electrochemical technology in the future was discussed.

electrochemical technology; organic wastewater; wastewater treatment

段輝（1991-），女，碩士研究生，研究方向：電化學。E-mail：1106690121@qq.com。

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1671-0460（2016）05-0952-03

黑龍江省教育廳科學技術研究項目，項目號：12541077；大學生創(chuàng)新訓練項目，項目號：201410220035。

2016-01-07

闞連寶（1979-），男，黑龍江大慶人，副教授，碩士，研究方向：從事電催化氧化技術工作。