电化学技术在有机废水处理中的应用和展望

阚连宝，段 辉，丁思棋，王 猛，崔红梅

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）



电化学技术在有机废水处理中的应用和展望

阚连宝，段 辉，丁思棋，王 猛，崔红梅

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

综述了有机废水电化学处理技术的进展和应用。介绍了电催化氧化法、电絮凝法、电气浮法以及微电解法等几种常用的电化学废水处理技术降解有机废水的机理。分析并指出了电化学技术存在的问题及发展趋势。

电化学技术；有机废水；水处理

人类的生存和发展都离不开水，水是万物之源，是必不可少的物质资源。然而，随着石化、炼油、制药、有机合成等现代化学工业的快速发展，在人类日常的生产和生活中，越来越多的有机合成物被广泛地应用，进而造成大量难降解的有机污染物进入到水体当中，使得原本就紧缺的水资源又受到了严重的污染，导致社会的发展和人类的健康都受到了极大地威胁。因此，近几十年来寻找经济、高效的水处理新技术已经成为水处理领域中的难点和热点。

电化学技术是高级氧化技术中一个重要的分支，与其他水处理技术相比，它具有效率高，功能多，占地面积小，没有二次污染、自动化程度较高等优势。虽然，电化学方法与常规的生物法相比，能耗要高，但废水的排放标准越来越高，生物法和其他常规水处理技术已经无法达到要求时，电化学方法在废水的深度处理上却能表现出明显的优势，具有良好的应用前景。因此，受到了国内外研究学者的广泛关注，对电化学方法处理生物难降解有机废水进行了大量研究。电化学技术具有以下特点：1）电化学反应过程中产生的自由基具有强氧化性，可以将水中复杂有机物降解为无毒无害的小分子有机物，甚至完全降解为二氧化碳和水。在这个过程中无需外加氧化剂或还原剂，避免了二次污染。2）直接通过改变电流或者电压来控制电化学反应条件，因此可以实现反应的自动化控制。3）电化学反应产生的强氧化性的自由基可以氧化多种有机污染物，因此可以同时去除废水中的多种有机污染物质，进而提高废水的可生化性。4）电化学反应过程中会生成一定量的气体，起到气浮的作用。此外，反应中产生的羟基自由基还有杀菌的作用。

电化学水处理技术根据具体的使用方法，主要包括：电催化氧化法、电絮凝法、电气浮法以及微电解法。

1　电化学技术

1.1电催化氧化法

电催化氧化法处理有机废水的机理是在常温常压的条件下利用有催化活性的电极，电解产生强氧化性的羟基自由基将废水中的有机污染物质降解为小分子物质。电催化氧化法与传统的处理方法相比较，具有处理设备相对简单，管理方便，占地面积少，可直接在常温常压下发生反应等优点，因此受到了国内外学者的广泛关注。王苏［1］等采用电催化氧化法处理阳离子染料废水，实验结果表明，当电流密度为5.1 mA/cm2、NaCl浓度为4 g/L、pH值为9.41、电解时间为20 min时，初始浓度为100 mg/L的结晶紫溶液的脱色率可高达 98.31%。Margaretta［2］等介绍了利用纳米多孔铂电极和平面固体铂电极对丙二醇进行电催化氧化实验的研究。由于纳米多孔铂电极是利用电沉积法使铂纳米粒子均匀地分散于多孔硅表面，使其相比于平面铂电极呈现更高的催化活性，因此在反应过程中产生比平面固体铂电极更强的电流密度。

电催化氧化技术虽然可以作为单独处理工艺，但常与其他废水处理工艺相结合使用。针对某化工企业的高浓度难生物降解有机废水，戴启洲等采用电催化氧化法对其进行了预处理，处理后出水的可生化性得到了提高，再进行后续的生物处理，最后水质符合《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）的三级标准，允许排入城市污水处理厂进一步处理［3］。可见，电催化氧化—生物法联用废水处理技术具有较好的处理效果，尤其是对高浓度化工废水。

1.2电絮凝法

电絮凝技术是一种交叉技术，结合电化学和化学混凝的优势，其原理就是：在直流电的作用下，铝、铁等金属阳极发生电化学反应，溶出Al3+或Fe2+等离子，在水中水解进而发生混凝或絮凝作用。电絮凝技术具有以下优点：（1）可去除的多种污染物；（2）适用的PH范围广；（3）所形成的沉渣密实，澄清效果好。因此，电絮凝技术在多种行业的废水处理中可得到了广泛地应用，例如电镀废水，纺织废水，造纸厂废水等。陈光光［4］等采用电絮凝工艺处理石油裂化催化剂废水，在最优工艺参数条件下催化剂生产废水的浊度和 SS分别降至不足5NTU和15 mg/L，去除率均在97%和95%以上。结果显示电絮凝法除浊效果较好，适合用于处理石油裂化催化剂废水，具有良好应用前景。El-Ashtoukhy［5］等采用电絮凝法处理洗车废水，该实验采用了一种将水平螺旋阳极放置在水平盘形阴极上的新型电池，该方法有效降低了废水中的COD和浊度。

电絮凝技术可以作为预处理或后处理过程，与其他水处理技术联用，以降低后续工艺的负荷或进行深度处理［6］。陈波［7］等为强化垃圾渗滤液后续处理工艺的运行效率，减轻后续处理设备的负荷，采用以铝为电极的电絮凝法预处理垃圾焚烧发电厂的渗滤液。结果显示，当极间距为1.3 cm，电絮凝时间为30 min，电流密度为0.41 A/cm2时，SS的最大去除率可达 97.52%。此外，研究还表明，电絮凝预处理还具有脱色、去除COD、NH3-N等作用。

1.3电气浮

电气浮工艺的原理就是：废水电解时，在阴阳极表面产生气体呈微小气泡析出，使污染物上浮去除的电化学过程。电气浮工艺可自动控制，操作方便；气泡微小，气浮效果好；不用设置动力设备，节省了能耗；还具有良好的杀菌作用。孙淑波［8］等采用电凝聚—电气浮法处理活性黄印染废水，在正负极换向周期为6 s、电解时间为50 min、搅拌转速为1 000 r/min、极板间距为1.0 cm、电解电压为11 V、硫酸钠溶液浓度为0.010 mol/L的条件下，模拟废水脱色率和COD去除率可达96%和83%以上。郭迎庆［9］等进行了电气浮—粉末TiO2光催化氧化降解腐植酸的静态实验，在最佳处理条件下，CODMn的去除率可达到 80%以上。通过对实验过程的分析，发现电气浮与光催化氧化联用具有较好的协同作用。Belkacem［10］等采用电絮凝电气浮技术分别处理合成溶液和纺织废水，合成溶液的浊度去除率可达89.6%，纺织废水中各项指标的去除率分别是：SS为85.5%，浊度为76.2%，BOD为88.9%，COD为79.7%，色度为93%。可见，电絮凝电气浮技术是去除废水中浊度和有机污染物最有效的方法之一。

1.4微电解法

微电解技术又称内电解法，通常将其作为预处理工艺。该方法是将微电解材料填充在废水中，材料自身将会产生1.2 V电位差，进而电解废水，这样就可以降解废水中的有机污染物。同时，电极反应生成的产物具有较强的氧化还原你能力，也能与溶液中的污染发生反应，产生吸附、絮凝沉淀等，达到进一步去除污染物的目的。该法具有较低成本、广泛适用、高效处理、易于操作，便于维护，节电环保等优点。难降解高浓度有机废水的处理广泛采取此办法，不仅大幅度地去除COD和降低色度，还提高了废水可生化处理能力。此外，能够有效地脱除氨氮。还有研究采用微电解—Fenton氧化法对新诺明合成废水进行预处理。首先，通过正交及单因素试验确定微电解法的最佳工艺条件，经预处理后COD去除率达27%以上；再联合Fenton氧化法确定最佳反应条件，处理后出水总COD去除率达到55%以上，B/C由0.12提高至0.3，经预处理废水的可生化性明显提高［11］。林业星［12］等采用曝气铁碳内电解法预处理含氰电镀废水，总氰化物去除率可达到75.52%。

2　应用前景

高浓度难降解有机废水的处理一直是水处理领域的难点问题，电化学方法作为一种环境友好型的水处理技术，已成为国内外水处理领域的研究热点。但电化学技术普遍存在以下几方面的问题：首先，对其处理有机污染物的机理探讨尚不够深入，缺乏具体的理论指导；其次，电流效率偏低，经济上不合理也是我们面临的一个主要问题；最后，反应器容易结垢，电极腐蚀等问题，也限制着电化学技术的推广。

针对电化学技术存在的问题，要使电化学技术得到广泛应用必须要做到以下几个方面：（1）设计新型反应器，尽可能的提高反应速率和处理水量。（2）研制新型电极材料，尽可能的提高电流效率，降低处理成本。（3）开发与其他水处理方法联用技术，形成协同效应，提高组合工艺的实用性和经济性。（4）深入探讨电化学反应的机理，丰富理论指导，促进电化学技术的广泛应用。单纯使用电化学方法去除废水中的有机物，想要实现工业化应用还比较困难，因此，电化学技术与与传统工艺结合是近年来电化学技术研究的主要方向。

［1］ 王苏，颜幼平，邹勇斌，梁睿荣. 电催化氧化法处理阳离子染料废水的试验研究［J］. 安全与环境工程，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］ 戴启洲，蔡少卿，王家德，陈建孟. 电催化氧化/生物法联用处理高浓度化工废水［J］. 中国给水排水，2010，26（12）：96-99.

［4］ 陈光光。胡奇，李耀彩，胡威夷，高大文. 电絮凝法处理石油裂化催化剂废水［J］. 环境工程学报，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］ 张石磊，江旭佳，洪国良，童美萍. 电絮凝技术在水处理中的应用［J］. 工业水处理，2013，33（1）：10-14+19.

［7］ 陈波，程治良，全学军，朱新才. 电絮凝法预处理垃圾焚烧发电厂渗滤液及其过程优化［J］. 化工进展，2011，30（S1）：902-908.

［8］ 孙淑波，孙兆楠，胡筱敏. 电凝聚-电气浮法处理活性黄印染废水［J］. 化工环保，2010，30（5）：391-394.

［9］ 郭迎庆，姚长吉，雷春生，王利平，张玉先. 电气浮-光催化氧化对微污染原水中腐植酸的去除研究［J］. 环境工程，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，剧盼盼，李伟，李贵霞，赵俊娜. 微电解-Fenton氧化法预处理新诺明合成废水［J］. 工业水处理，2015，35（8）：34-36+41.

［12］ 林业星，王子波.曝气铁碳内电解法预处理含氰电镀废水［J］. 污染防治技术，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

段辉（1991-），女，硕士研究生，研究方向：电化学。E-mail：1106690121@qq.com。

X 703

A

1671-0460（2016）05-0952-03

黑龙江省教育厅科学技术研究项目，项目号：12541077；大学生创新训练项目，项目号：201410220035。

2016-01-07

阚连宝（1979-），男，黑龙江大庆人，副教授，硕士，研究方向：从事电催化氧化技术工作。