纳米催化电解技术在市政污水处理中的应用和展望

黄珍艺

（厦门水务中环污水处理有限公司，福建 厦门 361008）

纳米催化电解技术在市政污水处理中的应用和展望

黄珍艺

（厦门水务中环污水处理有限公司，福建 厦门 361008）

纳米催化电解技术是市政污水处理领域的新型处理技术。通过分析纳米催化电解技术的原理和影响因素，结合在厦门污水处理厂中水回用、尾水消毒和污泥减量处理中应用的典型工程案例，阐述了该技术的适用性和可行性，并展望了其未来的发展方向。

纳米催化电解；市政污水处理；中水回用；污泥减量

厦门市是一个水资源贫乏的沿海港口城市，全市人均水资源拥有量仅 468 m3，为全国平均数的41%，预计到2020年厦门市将缺水3.89亿m3。目前，厦门市共拥有8座污水处理厂，污水处理规模88万 t/d，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002一级B排放标准，大部分出水深海排放处理。因此，寻找一种安全有效、稳定可靠和成本低廉的尾水再利用处理方法是亟需解决的问题。

纳米催化电解技术（Nano Catalytic Electrolysis，NCE）是利用具有电催化性能的纳米级别金属氧化物涂层电极，在电场作用下于溶液中产生具有强氧化性的羟基、氧和氯等自由基或其他基团攻击溶液中的有机污染物，使其完全分解为小分子的有机物或者H2O和CO2，从而降解有机物，降低出水色度和杀灭病原菌等。该技术具有设备体积小、适用性强、药剂消耗少、二次污染小和易于自动化控制等优点，是一种“环境友好”的技术[1-2]。本文结合 NCE在厦门市政污水处理中应用的典型工程案例，阐述其原理、影响因素、适用性和可行性，并展望其未来的发展方向。

1　纳米催化电解技术原理

在工作阳极钛（钛基）表面涂上纳米级的贵金属［Pt（铂）、Pd（钯）、Os（锇）、Ir（铟）、Ru（钌）、Rh（铑）等］氧化物，在通电情况下于溶液中产生化学活性很强的自由基。如：在有 Cl-存在时，阳极则生成新生态的氯（Cl·）；在水中则会产生新生态的氧（O·）。这些新生态的自由基能迅速地与溶液中的有机物（如COD）、有色物质、氨氮等起化学反应从而达到降低其浓度的目的，对病毒、细菌和藻类的孢子也具有强大的杀伤力。除了产生自由基外还能产生显著的协同效应，如酸碱效应、沉淀效应、气浮效应、诱导效应和吸附效应等，因此能大大提高水处理效果。

2　纳米催化电解技术主要影响因素

2.1电极

电解过程主要通过阳极反应来降解有机物，电位越高，有机物脱除效果越明显。但电位过高会受到阳极材质和副反应的制约，主要竞争副反应就是阳极氧气的析出。20世纪70年代发展起来的化学修饰电极，通过对电极表面进行修饰，将具有特定功能的分子、聚合物、纳米材料等固定在电极表面，改变电极表面特性，使电极具有良好的电催化性能，并降低工作电位，促使有机物在发生电极析氧反应前氧化降解，并获得良好的电极反应速率和更高效的电流输出，减少副反应发生和降低运行能耗。在此基础上发展起来的纳米级催化剂涂层技术，是现阶段比较有效的电极材料工艺。其拥有更低的工作电位和更高效的电流输出，可减少副反应发生和降低运行能耗。

2.2电解质

电解质浓度增大，溶液导电能力增强，槽电压降低，电压效率提高；但浓度高到一定程度后，电压效率的提高趋于平缓，增加药剂成本，并会增大后续深度处理的难度。此外，部分电解质如Na2SO4等惰性电解质，电解过程中不参与反应，只起导电作用，电解效率的高低仅与其浓度有关；而类似NaCl等电解质，在电解过程中不仅起导电作用，更参与电极反应，氯离子在阳极氧化，进而转变成次氯酸。次氯酸是强氧化剂，不但可直接氧化有机物，而且还能阻止有机物（或中间产物）在电极表面吸附，从而避免降低电极活性[3]。

2.3反应器结构

现在多采用三维电极结构来代替二维电极结构，以增加单元电解槽体积的电极面积，且由于每对阳极和阴极距离很小，传质非常容易，因此大大提高了电解效率和处理量（图1）。三维电极所用的填充材料主要有金属粒子、镀上金属的玻璃球或塑料球、金属氧化物、石墨和活性炭等[4-5]。

此外，溶液pH值、电解时间、电流密度、溶液的传质因素、待去除的有机污染物特性等其它条件也对电解效率有较大影响。因此，深入研究有机污染物在电极上的反应历程，开发高效电极材料，确定最佳降解条件，对提高电解效率和降低处理费用是非常必要的。

图1　反应器结构示意及进出水流程Fig.1　Schematic diagram of reactor structure and flow chart of inlet and outlet water

3　纳米催化电解技术在厦门市政污水处理中的应用

根据NCE的特点，其应用主要有如下几方面：1）将尾水处理达到或接近饮用水标准，直接回用到日常生活中，即实现水资源循环利用。该方式适用于水资源极度缺乏的地区，但投资高，工艺复杂。2）将尾水处理到非饮用水标准，不与人体直接接触，如便器冲洗、地面和汽车清洗、绿化浇洒和消防用水等。该方式适用性好，易推广。3）将达到外排标准的工业污水进行再处理后循环利用，一般需增加膜处理装置等使其达到软化水水平。4）应用于污水处理厂剩余污泥的前处理，从源头减少污泥产量。目前，NCE在厦门市政污水处理中应用的典型案例有污水处理厂中水回用、尾水消毒和污泥减量处理等。

3.1中水回用作为道路冲洗水

2012年，根据上级部门的要求，提高厦门市污水处理厂尾水利用率，拟将尾水进一步处理，以满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》GB/T 18920-2002道路冲洗水质要求，用于冲洗市环岛路等路段。对污水处理厂尾水检测分析（表1）后可知：1）大部分指标均可达到相应水质要求；2）总大肠菌群值超标严重，为满足≤3个/L要求，必须强化消毒工艺；3）尾水采用紫外消毒，无总余氯。

中水处理工艺选择主要基于如下几方面考虑：1）现场场地较为狭小；2）设施要求安全性高，运行维护简单，可自动化运行；3）确保尾水经处理后含有一定余氯；4）污染物浓度、色度进一步降低。对常见的尾水消毒工艺（紫外、加氯、二氧化氯、臭氧和电解消毒等）进行比选，结合尾水水质和处理后出水水质要求，确定采用纳米催化电解+砂、碳过滤的处理工艺（图2），设计并建设处理水量为300 t/d的中水回用工程。其中，纳米催化电解机外形尺寸H1485mm×W820mm×D530mm，采用三相交流380 V供电，额定输出直流电压0~50 V，额定输出电流0~1 000A，实际有效占地约10 m2。电解机每个电解槽的电解容积约7.2 L，电解停留时间一般控制在4s左右（根据实际进水量可进行调整），极板间距根据来水杂质颗粒大小一般选择间距为4mm，极板交叉分布。

图2　中水回用工程工艺流程Fig.2　Process chart of reclaimed water project

表1　污水处理厂尾水与电解后的出水水质指标Table 1　Water quality index of tail water and electrolyzed water of sewage treatment plant

该项目自2012年5月起连续2年多无故障运行，检测结果表明各项出水指标达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》GB/T 18920-2002道路冲洗水质要求（表1），且BOD5、色度和浊度均明显下降，出水总大肠菌群数稳定小于3个/L。该项目运行能耗约0.78 kwh/t，运行成本约0.42元/t（包括提升单元），滤料成本约 0.24元/t，电解机能耗约0.1 kwh/t。电解机为电极串联使用，采用恒电流控制，实际输出直流电压约17 V，输出电流约170 A。

3.2小型污水处理站尾水消毒

因厦门市本岛机场北侧工业区部分企业排放污水问题，拟在机场北侧车辆拆检定损中心北侧建设临时污水处理站，主要处理附近约1 km2范围内产生的约30 t/d污水。污水处理主体工艺采用一体式氧化沟，将传统污水处理技术中的格栅、厌氧池、好氧池和沉淀池集成一体，大幅度减少用地面积；同时采用高效射流曝气机，实现曝气和推流；由于系统无内、外回流，无复杂自动化控制系统，对运行人员要求低。在消毒工艺的选择上，考虑到污水处理站无人值守或仅设置设备看守人员的现状，确定采用运行管理简单的纳米催化电解消毒工艺，在提供消毒功能的同时，可适当降低出水色度和浊度，也方便衔接后续中水回用工程。

该处理站设计规模为100 t/d，占地约120 m2，总投资约60万元。污水处理工艺为一体式氧化沟+转盘过滤+纳米催化电解+超滤膜过滤（图3），污水经沉砂、隔油后提升进入篮式格栅，除去大于15mm固体垃圾后，进入一体式氧化沟，经历生物降解、过滤、电解消毒等处理过程，出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级 B排放标准，再根据去向选择外排或超滤后作为中水回用。（表2）

图3　小型污水处理站工艺流程Fig.3　Process chart of small sewage treatment station

表2　小型污水处理站设计进、出水与实际出水水质指标Table 2　Design water quality index of inlet and outlet water of small treatment station, and the actual water quality index of outlet water

该项目中利用 NCE去除污水色度、产生微气泡去除浊度和产生强氧化性自由基实现消毒功能，相比常规加氯和紫外消毒工艺，无需补充化学药剂，设备简单易操作，运行稳定。2012年11月项目运行以来，出水水质指标中的粪大肠菌群值稳定低于10 000个/L。该项目运行能耗约1.10 kWh/t，其中电解机能耗约0.09 kWh/t，因本项目处理水量较小，电解机采用单电解槽，且在电压、电流控制上进一步优化，能耗较低。电解机实际输出直流电压约3 V，输出电流约150 A。

3.3污水处理厂污泥处理减量

厦门前埔污水处理厂采用自主研发深度脱水工艺处理污泥，产生泥饼含水率<60%，泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》（GB/T 23485-2009）标准[6]，万吨污水产泥量从传统方法9.5 t降至5.4 t。为进一步降低污泥产量，拟利用纳米催化电解技术处理剩余污泥，减少进入后续工艺的污泥绝干量，从源头减少污泥产量。主要工艺流程（图 4）与深度脱水工艺流程相似，区别在于剩余污泥先经纳米催化电解处理，利用电解产生的自由基和其他氧化性物质破坏污泥细胞结构，使污泥细胞内物质和结合水溶出并释放到溶液中，经提升进入重力浓缩池，随上清液溢流进入生化池补充碳源，从而减少进入化学调质池的绝干污泥量。经测算，污泥电解后，绝干污泥量减少16%；浓缩池上清液性质发生显著变化，但对污水处理工艺基本不产生影响，出水水质保持稳定（表3）。该项目电解质投加量相当于0.107 kg/万t 污水，约64 元/万t污水，该指标可进一步降低，并通过余氯浓度指示。

图4　污泥纳米催化电解处理减量工艺流程Fig.4　Process chart of sludge reduction by NCE treatment

表3　污泥经纳米催化电解处理前后的泥质指标对比及污水处理厂进出水情况Table 3 Comparison of sludge quality index before and after NCE process, and the actual water quality of inlet and outlet

4　结　语

纳米催化电解产生的氯、氧等自由基可使尾水脱色，有效杀灭水中病原菌，电絮凝效应可净化出水水质，产生的气泡可带走部分固体悬浮物，对后续可能增加的深度处理过滤组件也可起到有效保护作用。在厦门污水处理厂中水回用、尾水消毒和污泥减量处理中的应用结果表明，该技术具有经济实用、快速便捷、运行稳定和处理高效的优点，适合于城市发展对污水处理和节水技术的需求。虽然该技术的运行能耗较高，但相信随着化学修饰电极技术的进步和对反应器结构的不断优化，相应能耗会进一步降低，从而可以降低污水处理厂运行成本，为水资源可持续开发利用提供良好的技术支撑。

[1] Feng Y J, Li X Y.Electro-catalytic oxidation of phenol on several metal-oxide electrodes in aqueous solution[J].Water Research.2003, 37(10):2 399-2 407.

[2] 景长勇，张新生，霍保全，等.电催化氧化技术研究进展[J].工业安全与环保.2008, 34(3):1-3.

[3] Panizza M, Bocca C, Cerisola G.Electrochemical treatment of wastewater containing polyaromatic organic pollutants[J].Water Research.2000, 34(9):2 601-2 605.

[4] 申哲民，徐向荣.三维电极法和Fenton试剂法对染料废水处理的效果比较[J].上海交通大学学报.2000, 34(11):1 531-1 534.

[5] 杨林，宋鑫，王玉军，等.微电解预处理靛蓝牛仔布印染废[J].环境工程学报.2013, 7(1):268-272.

[6] 谢小青，黄珍艺，戴兰华，等.厦门城市污泥深度脱水处理及资源化利用研究[J].中国给水排水.2010, 26(5):138-140.

（责任编辑：任万森）

Application of Nano Catalytic Electrolysis Technology in the Field of Municipal Wastewater Treatment

HUANG Zhen-yi
（Xiamen Water Affairs Zhonghuan Sewage Treatment Co., Ltd, Xiamen, 361008, China）

The nano catalytic electrolysis (NCE) is a novel technology in the field of municipal wastewater treatment.The municipal wastewater treatment plant in Xiamen city was cited as typical engineering case of middle water reusing, tail water disinfection and sludge reduction .By analyzing the principles and factors that impactNCE, the applicability and feasibility of NCE was represented, and the future development orientation was also described.

nano catalytic electrolysis; municipal wastewater treatment; middle water reusing; sludge reduction

X703

A

1673-9159（2015）01-0095-04

2015-01-07

黄珍艺（1966-），女，高级工程师，主要从事污水、污泥处理，设备自动化控制等的研究。