電化學法處理含重金屬電鍍廢水研究

曾毅夫 ，劉君 ，邱敬賢 ，黃獻

（1.航天凱天環保科技股份有限公司，湖南長沙410100；2.長沙環保（服務）工業技術研究院，湖南長沙410100）

電鍍行業排放的生產廢水是造成環境污染的重要工業污染源之一，在2000年國內就成立了上萬家電鍍廠點，年電鍍廢水的排放量就已達到40億m3以上，如果不經處理或處理效果不好，將造成資源浪費，并嚴重危害環境[1]。電鍍廢水主要包括酸堿廢水、部分有機廢水和重金屬廢水，其中重金屬廢水又是電鍍廢水治理的重點[2，3]。目前，常規的重金屬廢水處理方法有化學沉淀法、吸附法、生物法等，其主要原理是將重金屬轉化成沉淀或其他形式，這易對環境造成二次污染。如部分工程項目采用Fenton試劑處理電鍍廢水，處理效果較好，但成本偏高。

近年來，電化學法作為重金屬廢水處理技術之一備受關注，其具有電解、絮凝、氣浮、氧化還原和微電解等作用，這些作用在廢水處理中常常同時進行。電解反應原理主要包括電凝聚、電氧化還原、電氣浮。其中，電氧化和電氣浮分別用于處理有機廢水和含固態小顆粒、油污廢水；電還原是通過得電子還原高價態金屬離子為低價態金屬離子或金屬沉淀，故該作用在重金屬廢水處理領域中廣泛應用；而電絮凝原理是可溶性的鐵、鋁等陽極，在通直流電的情況下會失去電子形成金屬陽離子Fe2+和A13+，與溶液中的OH-生成金屬氫氧化物膠體絮凝劑，不僅可以有效去除電鍍廢水中的重金屬離子，同時還可以使廢水中的含鹽量降低。

1 含重金屬電鍍廢水的來源和分類

含重金屬電鍍廢水主要產生于電鍍處理過程中多余的或不規范操作造成廢液以及清洗鍍件或設備產生的廢液，水質成分復雜，不易控制，其中除含有鉻、鎳、銅、鋅等重金屬離子外，還有氰化物、有機物等污染物的存在。根據目前電鍍行業的發展，含重金屬電鍍廢水按所含主要重金屬物質進行如下分類。

（1）含鉻廢水：鉻系廢水主要含有鉻（Ⅵ）、少量其他重金屬離子；

（2）含鎳廢水：主要污染物為鎳離子、懸浮物等物質；

（3）含銅廢水：主要含有銅離子或絡合銅離子；

（4）重金屬混合廢水：主要含有鉻及其他重金屬離子、氰及懸浮物。

2 電化學法處理含重金屬電鍍廢水

2.1 電化學法處理含鉻電鍍廢水

電鍍廢水中存在大量鉻，且主要以高價態存在，如Cr2O72-和CrO42-。許多研究[4-6]采用鐵-碳微電解或鐵屑內電解處理含鉻電鍍廢水，在pH值和停留時間最佳時，Cr6+去除率高達99%以上，出水能達標排放。劉崢等[7]采用鈦-鐵雙陽極電絮凝技術去除電鍍廢水中鉻（Ⅵ），鉻（Ⅵ）的去除率可達96.57%。當使用電化學與生物法組合處理時，Cr6+的去除率更好，還能同時去除廢水中的有機污染物。如采用微電解/電解-生物法組合工藝處理時，微電解/電解法相當于廢水的預處理，鉻（Ⅵ）的去除率可達90%以上，隨后進入后續生化工藝處理后，Cr6+的去除率高達 99.9%，去除效果明顯[8，9]。單一的電化學法對含鉻電鍍廢水處理效果明顯，而與生物法聯用后處理效果更佳，并可有效降低運行成本，具有進一步的推廣價值。

2.2 電化學法處理含鎳電鍍廢水

在電鍍工業上，電鍍鎳因其具有抗蝕性、耐磨性、可焊性等特點已廣泛被使用，故其工業量僅次于表面鍍鋅排列第二[10]。含鎳電鍍廢水如不處理直接排放，不僅對環境造成嚴重污染，并危害人體健康，而且還會造成資源浪費。目前，含鎳電鍍廢水的處理方法和大部分工業廢水處理方法一樣，大致分為物化法、化學法、生物法或各方法的組合工藝。楊劍[11]通過實驗探討了微電解法處理高濃度含鎳電鍍廢水的效果，鎳的去除率可達64.09%，有利于后續處理。劉存海等[12]采用絮凝和電解組合工藝對寶雞長嶺集團的電鍍車間含鎳廢水進行了研究，通過處理后出水中鎳離子濃度降至0.365 mg/L，出水低于0.5 mg/L的國家標準。故將傳統絮凝工藝與電化學法聯用處理含鎳電鍍廢水，可使廢水直接達標的同時，還降低運行成本。

2.3 電化學法處理含銅電鍍廢水

在電鍍行業中，鍍銅常作為鍍鉻和鍍鎳等其他重金屬表層的底層致使含銅電鍍廢水非常普遍。而采用電化學法處理含銅電鍍廢水時還可以直接回收銅，陳昊等[13]利用流化床電極處理低濃度硫酸銅廢水，Tian等[14]采用電解法研究Cu2+離子在不銹鋼電極上的還原特性，Zhang等[15]采用循環伏安法研究酸性環境中Cu2+離子的電沉積動力學行為，使出水能達標排放。朱又春[16]采用磁電解技術處理含銅工業廢水發現，其不僅能有效處理工業廢水中污染物，還能進一步在陰極上回收致密均勻的金屬銅。但電解法由于受金屬電沉積還原電位和傳質過程的影響，在處理含銅電鍍廢水時，處理時間長、處理效率低、能耗高等缺點，限制了該方法在該領域的推廣。為了提高處理效果，王剛等[17]則將兩種電化學方法耦合處理含銅廢水，處理效果明顯優于單獨微電解和電解法，并能促進反應的快速進行。

2.4 電化學法處理重金屬混合電鍍廢水

電鍍廢水水質復雜，通常不止含一種重金屬，而是多種重金屬離子共存，馬洪芳[18]利用鐵屑內電解法處理重金屬混合電鍍廢水，出水中Cr6+含量小于0.5 mg/L，其他金屬離子均達到排放標準。譚超雄等[19]采用單一電絮凝處理含銅、鉻兩種重金屬的電鍍廢水發現，在同一參數下，Cu的去除效果優于Cr。張條蘭等[20]采用電絮凝-活性炭纖維吸附法處理重金屬混合電鍍廢水，重金屬離子的去除率達到99.97%以上。黃山市環境監測站聯合黃山市環境工程公司采用“微電解—中和—混凝沉淀”工藝[21]，處理日排放量為20 t的含 Cr6+，Ni2+，Cu2+電鍍廢水，總投資25萬元，處理成本為1.5元/t。廣東省石油化工設計院采用微電解電化學法處理惠州市某電鍍廠廢水[22]，Q=80 m3/d的工程總投資為26萬元，處理成本約為1.05元/t。采用電化學法與其他方法聯用工藝處理重金屬混合電鍍廢水時，處理成本從3～10元/t直接降到2元/t左右，處理成本明顯降低。從成本和運行成本的角度出發，電化學法具有廣泛的推廣和應用價值。

3 存在的問題

隨著近幾十年政府對環保的重視以及水處理技術的快速研發和推廣，電化學處理技術已經廣泛應用于各工業廢水行業，尤其是電鍍廢水行業。但隨著電化學法更深層次的研究發現，該技術還存在一定的問題對其推廣有局限性。主要是包括以下幾個方面：

（1）電化學法對不同的重金屬處理效果不同，適應的條件（pH值、電極板間距、電極板等）也不一樣，故對重金屬混合電鍍廢水處理有限制；

（2）單一使用電化學法處理含重金屬電鍍廢水時，雖然處理效果好，但處理能耗高，造成運行成本增加；

（3）受電極板的限制，目前大多數電化學處理技術仍處于小試階段，還未廣泛應用于工程項目中。

4 結論和展望

隨著《電鍍行業污染物國家排放標準》（GB 21900—2008）的頒布，電鍍行業廢水中各重金屬的排放要求均有所提高。為滿足現有的排放標準和應對未來越來越嚴格的排放趨勢，傳統的處理技術均無法滿足排放要求，均需采用深度處理，但這使得處理費用大大提高，并導致資源嚴重浪費。從長遠發展來看，重金屬電鍍廢水中重金屬回收不僅能避免環境污染，還促進了循環經濟發展，是從根本上減少對環境沖擊的重要環節。為實現這一目標，可采用電化學法與生物法或物化法相結合，以減少能耗，提高處理效果，達到廢水處理和重金屬回收的雙重目的；因此，重點研發出低成本電極板和多維電化學反應器，以及選擇出最佳的工藝組合來降低能耗，已成為目前重點研發的發展方向。

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