發(fā)布時(shí)間：2021-03-05所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]介紹了電化學(xué)水處理技術(shù)處理工業(yè)污水的原理及目前國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用現(xiàn)狀，主要包括電絮凝、電化學(xué)催化氧化、電還原等。描述了電化學(xué)水處理技術(shù)處理工業(yè)污水研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展，闡述目前電化學(xué)工藝在工業(yè)污水處理過(guò)程中存在的問(wèn)題，最后對(duì)電化學(xué)工藝在工
[摘要]介紹了電化學(xué)水處理技術(shù)處理工業(yè)污水的原理及目前國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用現(xiàn)狀，主要包括電絮凝、電化學(xué)催化氧化、電還原等。描述了電化學(xué)水處理技術(shù)處理工業(yè)污水研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展，闡述目前電化學(xué)工藝在工業(yè)污水處理過(guò)程中存在的問(wèn)題，最后對(duì)電化學(xué)工藝在工業(yè)污水處理方面的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行展望。
[關(guān)鍵詞]電化學(xué)技術(shù);工業(yè)污水;污水處理工藝
1引言
隨著工業(yè)的日益發(fā)展，工業(yè)污水排放量也日益增加，工業(yè)污水泛指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污水和廢液，其污染物組分和性質(zhì)與城市生活污水有顯著的差異。工業(yè)污水污染物組成差距大，各類污染物濃度高、有毒有害污染物種類多、生物毒性大且難降解。鑒于上述工業(yè)污水的特殊性質(zhì)，往往需要針對(duì)性的處理后才能排放至水體或進(jìn)入城鎮(zhèn)污水處理廠。污水處理方法按其作用可分為化學(xué)法、物化法、生物法和電化學(xué)法等。電化學(xué)水處理技術(shù)利用外加電場(chǎng)，通過(guò)一系列的物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)以及電化學(xué)反應(yīng)對(duì)污水中污染物在特定的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行降解的過(guò)程。
2電化學(xué)法在工業(yè)污水中的應(yīng)用
2.1電絮凝工藝(Electrocoagulation,EC)
2.1.1電絮凝基本理論
隨著電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電絮凝技術(shù)在諸多污水處理特別是工業(yè)污水領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如化工、造紙、印染、電鍍等行業(yè)。電絮凝水處理技術(shù)通常采用廉價(jià)的鐵、鋁、不銹鋼等金屬作為電極陽(yáng)極，在電解過(guò)程中可溶性金屬陽(yáng)極逐漸溶解，其生成的金屬陽(yáng)離子經(jīng)過(guò)一系列水解、聚合反應(yīng)后生成各種羥基絡(luò)合物、多核羥基絡(luò)合物及金屬氫氧化物，對(duì)污水中的膠體、懸浮物具有很強(qiáng)的絮凝吸附作用。鋁為可溶性陽(yáng)極時(shí)，電絮凝過(guò)程中所形成的單核羥基化合物主要有Al(OH)2+，Al2(OH)4+，及Al(OH)4-，單核羥基化合物主要有Al6(OH)153+，Al8(OH)204+;鐵為可溶性陽(yáng)極時(shí)，電絮凝過(guò)程中所形成的羥基化合物主要有Fe(OH)4-，F(xiàn)e(OH)2+，F(xiàn)e(OH)2+，F(xiàn)e(H2O)5(OH)2+，F(xiàn)e(H2O)4(OH)2+，F(xiàn)e(H2O)5(OH)2+，F(xiàn)e2(H2O)6(OH)42+。這類電解形成的水解產(chǎn)物活性高且吸附性能好，具有較強(qiáng)的絮凝作用，可與污水中的有機(jī)污染物、懸浮物、膠體等結(jié)合生成較大絮體。
2.1.2電絮凝技術(shù)特點(diǎn)
電絮凝對(duì)工業(yè)污水中懸浮物、乳化油、膠體等具有較高的去除率，其裝置設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，技術(shù)適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)不同污染物組成的污水均具有較好的處理效果。電絮凝法處理工業(yè)污水，一般不需要添加化學(xué)藥劑，因此能有效避免藥劑造成二次污染，但其可溶性金屬電極易發(fā)生鈍化，電極的鈍化會(huì)使電絮凝的處理效率降低、電耗升高。陽(yáng)極的鈍化主要是在陽(yáng)極電解過(guò)程中，陽(yáng)極表面的金屬離子濃度不斷升高，與溶液中的陰離子結(jié)合在電極表面生成金屬氧化物或金屬鹽類，形成致密的鈍化層覆蓋于電極表面，很大程度上抑制了陽(yáng)極反應(yīng)。陰極的鈍化主要由污水中的鈣、鎂離子生成的不溶性鹽附著于陰極表面。電解過(guò)程中陽(yáng)極或是陰極的鈍化都會(huì)導(dǎo)致裝置電耗增加、電流效率下降，因此，為保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行，在電絮凝裝置運(yùn)行過(guò)程中需要采取相應(yīng)措施來(lái)減緩極板的鈍化。
2.1.3電絮凝工藝應(yīng)用
A.DanielVillalobos-Lara等[1]制備環(huán)形電絮凝反應(yīng)器去除制革污水中高濃度污染物，在外加電流密度為6mA/cm2時(shí)該反應(yīng)器對(duì)COD的去除率達(dá)70%，總懸浮物、鉻(III)和濁度去除率接近100%。王車禮[2]以除油率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考慮了電流密度、pH值以及電極間距對(duì)污水處理效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在電流強(qiáng)度為1A、不外加絮凝劑、電極間距1cm、pH值為7.5時(shí)裝置對(duì)油類的去除率達(dá)84.3%。王蓉沙等[3]在處理含油煉化污水方面分析了電流密度、電極材料及停留時(shí)間對(duì)處理效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電凝聚氣浮技術(shù)適宜處理含油污水，其具有較高的除油效率和降低污水COD、SS的作用，油類和SS的去除率分別為96%及97%，處理后污水能達(dá)到國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)。
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工業(yè)污水的污染物組成復(fù)雜，通常將電絮凝與其他處理工藝相結(jié)合，例如電絮凝-過(guò)濾工藝、電絮凝-吸附工藝等。滕華妹等[4]利用電絮凝-砂濾處理制革污水，污水經(jīng)過(guò)電解處理后再進(jìn)入砂濾池，經(jīng)砂濾后的出水排入納污水體，浮渣排入污泥干化場(chǎng)，該工藝可使原污水的CODcr濃度從806mg/L降至135mg/L，BOD5從209mg/L降至45mg/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明將絮凝與過(guò)濾技術(shù)相結(jié)合可以有效的處理制革污水。吳恬[5]等利用電絮凝-砂濾處理低濁度污水，實(shí)驗(yàn)證明該工藝能有效的處理濁度低于200NTU的污水，出水濁度小于5NTU。程宇婕等[6]利用電絮凝-微濾工藝探討了電流密度、pH值和電解時(shí)間等因素對(duì)循環(huán)水中氨氮、油類的去除影響。結(jié)果表明電絮凝-微濾法能有效去除污水中的油類和氨氮，增大電流密度有利于油類和氨氮的去除，升高電解時(shí)間有利于和氨氮的去除。L.Sun等[7]采用電絮凝-微濾法處理工業(yè)含鎳廢水，采用兩種不同處理工藝處理含鎳污水：無(wú)曝氣電絮凝+微濾以及強(qiáng)化曝氣電絮凝+沉降+微濾，當(dāng)采用強(qiáng)化曝氣時(shí)可使溶氧保持在高水平，氫氧化鐵的形成速率更高，對(duì)鎳的去除率更高，且強(qiáng)化曝氣工藝出水中剩余鎳和鐵濃度能滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。程太平[8]利用JH-YR電凝聚氣浮裝置-粗濾池-生物炭塔組合工藝處理印染污水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電解過(guò)程中產(chǎn)生的大量微小氣泡能與絮體有效結(jié)合，隨后上浮分離從而達(dá)到清污分流，凈化污水的目的。北京礦冶研究總院[9]開(kāi)發(fā)電絮凝-二級(jí)生化-吸附工藝處理含酸污水，在電絮凝和生化處理的基礎(chǔ)上增加吸附單元，電絮凝處理后的污水BOD/COD比值從0.03提高到0.1以上，該工藝處理后的污水能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)污水的色度和COD有較高的去除率，其去除率分別達(dá)96.1%和98.1%以上。
2.2電催化氧化工藝(ElectrocatalyticOxidation,EO)
2.2.1電催化氧化基本理論
電化學(xué)氧化處理難降解污水是污染物在電極上發(fā)生直接電化學(xué)反應(yīng)或間接電化學(xué)反應(yīng)，間接電化學(xué)反應(yīng)是利用電極表面產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性活性物質(zhì)使污染物發(fā)生氧化還原轉(zhuǎn)變，適用于高鹽度污水處理，該方法易于控制、無(wú)二次污染，在電鍍、紡織、石化煉化等各類難生物降解的污水處理中得到廣泛應(yīng)用，尤其適用于含烴、醛、醇、醚、酚及染料等有機(jī)污染物的污水。
陽(yáng)極材料的選擇是決定電化學(xué)氧化過(guò)程中污染物去除效率的重要因素。陽(yáng)極材料的選擇應(yīng)滿足：良好導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性、耐腐蝕、高電催化活性等。目前應(yīng)用于電化學(xué)氧化法處理污水的常用極板材料有：石墨電極、DSA(DimensionallyStableAnode)電極以及摻硼金剛石(Boron-DopedDiamond,BDD)電極等。電極材料不同的性質(zhì)及制備工藝賦予其不同的電極組成結(jié)構(gòu)，電極結(jié)構(gòu)是電催化性能的重要影響因素，通過(guò)對(duì)電極材料以及電極制備工藝的研究和拓展，可以有效提高電化學(xué)催化氧化的處理效果[10]-[12]。
2.2.2電催化氧化技術(shù)特點(diǎn)
雖然電化學(xué)氧化法在有機(jī)污水的處理領(lǐng)域尤其是在難生物降解的有機(jī)污水處理中是行之有效的，但由于其能量轉(zhuǎn)化效率不高等原因至今未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工程應(yīng)用。電化學(xué)氧化法處理工業(yè)污水的瓶頸是如何提高電化學(xué)催化氧化的反應(yīng)速率和電能轉(zhuǎn)換效率及如何提高電極的穩(wěn)定性和使用壽命。
2.2.3電催化氧化工藝應(yīng)用
周濤[13]以Ti/PbO2作為電催化氧化陽(yáng)極，陰極為鉛處理對(duì)氯苯酚污水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在氯苯酚的初始濃度為8mmol/L、pH=11、電流密度為10A/dm2、Na2SO4為0.5mol/L，反應(yīng)6小時(shí)后對(duì)COD去除率達(dá)到65%。李海濤[14]利用電化學(xué)氧化法處理海洋油田污水，對(duì)比了不同電極對(duì)含油污水降解的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)采用鈦基氧化物涂層做陽(yáng)極，鈦?zhàn)麝帢O時(shí)，處理效果最好，電解產(chǎn)物為二氧化碳和水。此外，陽(yáng)極在電解過(guò)程中還會(huì)生產(chǎn)次氯酸鈉，在次氯酸鈉的作用下部分有機(jī)物可以進(jìn)一步降解，為深度處理創(chuàng)造條件。
為解決焦化污水中氨氮和COD無(wú)法通過(guò)生化處理達(dá)到排放和回用標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，伏吉帥等[15]利用改性二氧化鉛電極(ESIXPb-I)對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)降解實(shí)現(xiàn)污水零排放，并考察了電流密度、初始pH值及氯離子濃度對(duì)降解的影響。研究結(jié)果表明，ESIXPb-I電極提高了Ti/PbO2電極的穩(wěn)定性，有效降低了膜電阻。使用該電極降解焦化污水30min后，氨氮與COD去除率達(dá)到100%。沈鋒英[16]利用金剛石薄膜電極處理含油污水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金剛石薄膜電極會(huì)產(chǎn)生大量自由基對(duì)石油污水中的大分子有機(jī)物質(zhì)具有很好的降解效率。當(dāng)極間距為2mm，電壓為8V時(shí)，反應(yīng)5h后COD降解率達(dá)到94%，色度去除率接近100%。隨著研究的不斷深入學(xué)者們又開(kāi)發(fā)了三維電極電氧化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)污染物的快速降解。XiupingZhu[17]探究活性炭吸附協(xié)同電化學(xué)氧化處理污水的效果，相比與傳統(tǒng)的二維電極，活性炭與BDD所組成的三維電極對(duì)COD的降解率提高了2-7倍，且研究表明電化學(xué)氧化與活性炭吸附之間的協(xié)同作用，這種協(xié)同作用不僅來(lái)源于活性炭上的直接電化學(xué)氧化，而且還來(lái)自于活性炭的電催化作用到羥基自由基介導(dǎo)的間接電化學(xué)氧化。
2.3電還原工藝(ElectrochemicalReduction,ER)
2.3.1電還原基本理論
電化學(xué)還原是指電解過(guò)程中在陰極發(fā)生的還原反應(yīng)，部分有機(jī)物污染物難以化學(xué)氧化，卻較易化學(xué)還原，如芳香烴類、偶氮類以及硝基芳香烴類等。化學(xué)還原產(chǎn)物對(duì)微生物的毒性和抑制性都大大減弱，污水的生化性得到了顯著提高。電還原法還可以有效的沉淀污水中的各類重金屬，工業(yè)中產(chǎn)生的污水里含有多種重金屬元素，其中主要有鎘、鉻、汞、鉛和鋅等，化學(xué)還原技術(shù)處理含重金屬污水是利用不溶性陽(yáng)極，在電流的作用下，使污水中的金屬離子定向遷移至陰極表面，并在陰極表面沉積、富集的電化學(xué)技術(shù)。
2.3.2電還原技術(shù)特點(diǎn)
理論上只要污水中金屬陽(yáng)離子的氧化還原電位高于氫，就能優(yōu)先在陰極被吸附并還原富集，電還原法處理污水無(wú)需加入化學(xué)藥品，去除效率高，并且后處理簡(jiǎn)單、管理方便、占地面積小、污泥量少。此外，電還原法處理重金屬污水可直接回收得到純金屬，工業(yè)污水中包括重金屬和貴金屬在內(nèi)大約30多種金屬離子還可進(jìn)行電沉積還原，電化學(xué)還原技術(shù)是一種可以在污水中回收重金屬的有效方法，同時(shí)在處理難降解有機(jī)污水方面也有一定成效。
2.3.3電還原工藝應(yīng)用
XiaohuiGuan[18]用酸化-鐵碳微電解組合工藝處理油頁(yè)巖干餾污水，當(dāng)鐵碳比為5︰8時(shí)處理效果最佳，此時(shí)體系pH值為5.0，反應(yīng)60min沉淀2小時(shí)后，該工藝對(duì)CODcr去除率為78%，苯酚去除率接近100%，色度去除率達(dá)79%，污水的可生化性大幅提高，B/C值從0.05增至0.34。QinLi[19]對(duì)銀/碳納米管(Ag/MWNTs)復(fù)合材料修飾電極進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)碳納米管修飾后電極能促進(jìn)水中污染物的電催化還原，實(shí)驗(yàn)證明Ag/MWNTs電極能有效去除污水中的溴酸鹽。熊長(zhǎng)齊等[20]采用電化學(xué)的電還原方法處理重金屬污水，研究不同的電解電壓對(duì)重金屬污水的處理效果，得出電解重金屬污水的最佳電解電壓為40V，電流為3A，電解時(shí)間為2h時(shí)該工藝對(duì)Cd2+的去除率最高，去除率可達(dá)95.60%。
3結(jié)論
通常而言電化學(xué)工藝處理工業(yè)污水不需要添加化學(xué)助劑，該污水處理工藝集氧化還原、氣浮、殺菌消毒為一體，是一種適用范圍廣、安全、高效、環(huán)境友好的污水處理工藝。但電化學(xué)工藝依舊存在例如電解槽能耗較高、電極材料的穩(wěn)定性差、能量利用率低、電極活性和壽命較低等缺點(diǎn)。為克服上述問(wèn)題，未來(lái)電化學(xué)技術(shù)的研究方向可以包涵以下方面：深層次的探索電極材料，開(kāi)發(fā)出成本低廉、催化活性高、穩(wěn)定性好的電極材料;從電極的尺寸、組成比例、表面結(jié)構(gòu)等方面改善電極材料，提高電極性能;進(jìn)一步完善和優(yōu)化電解裝置，使其向高效、低耗能、低成本、更易規(guī)模化生產(chǎn)使用的方向發(fā)展;將電化學(xué)技術(shù)與其他水處理技術(shù)聯(lián)合使用，將電化學(xué)作為預(yù)處理工藝或深度處理工藝單元，達(dá)到更好的處理效果。——論文作者：秦中良1，陳霖2
