电絮凝技术在水处理中的发展综述

2020-12-26翟苏皖连瑛秀朱曙光胡昊欧阳匡中

安徽建筑 2020年1期

翟苏皖，连瑛秀，朱曙光，3，胡昊，欧阳匡中

（1.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230601；2.城邑（北京）建筑设计院有限公司，北京100055；3.安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽合肥230601）

1 电絮凝技术机理

电絮凝亦可被称为电凝聚、电混凝，它是通过外电压作用使金属阳极氧化溶解成金属阳离子，此类金属阳离子于溶液中水解，并且聚合生成的氢氧化物和多核羟基络合物，最终形成高分子絮凝剂，形成过程相似于化学混凝法。同时氢氧化物和络合物表现出相较于一般药剂法水解得到的氢氧化物的更强的吸附效果，溶液中的有机分子和胶体颗粒可被有效吸附去除，此外，水的离解和部分有机杂质被电解氧化可在反应中产生由氧气和氢气形成的气泡，电解中产生的凝聚胶团和悬浮物被这些气泡带到水面，起到分离污染物的效果。当阳极板附近溶解的金属离子与阴极附近氢离子被还原会产生的氢氧根离子接触反应时，生成的物质可吸附水中的污染物质。

电絮凝技术去除水中污染物是一个较为复杂的过程，包含以下三个方面[1]：

①絮凝作用，反应过程中阳极金属（一般为铝或铁）被消解，金属阳离子会水解、凝聚生成大量吸附性强、活性高的多核水解产物，它有能产生很强的絮凝作用，此类产物与污水中的可溶性有机物、病毒、病菌、悬浮物、胶体等结合成可由沉淀或气浮去除的体积更大的絮状体；

②气浮作用，反应过程中在在液体内部会生成较小的气泡，污水中的污染物会和气泡附着在一起，在气体上浮到水面上时，污染物得以去除，因此，电絮凝过程中产生的小气泡有较强的气浮能力，可有效地除去水中污染物；

③氧化-还原作用，在高电流和高电压情况下，会把水中的有机物氧化成小分子有机物，或者直接氧化为成CO2和H2O，阴极也会因发生电子交换而产生还原能力强的新生态氢，把水中污染物还原从而降解污染物。

2 电絮凝技术在水处理中的发展历史

电絮凝技术应用于水处理领域已有100多年的历史，Eugene Hermite于1887年提出了利用电极净化废水的理论，并把铁作为阳极电解处理污水的技术申请了专利，基于该技术专利的污水处理厂在1189年于伦敦建成，这是历史上首次将电流实际应用于水处理领域。1904年F.E.Elmore使用电絮凝技术处理选矿废水并获得专利。1909年，一种使用铝-铁电极处理污水的专利被美国政府批准，基于该专利的污水处理设施在圣莫尼卡和俄克拉荷马城建成。1946年，电絮凝技术成规模应用于饮用水处理[2]。，起初，能耗高制约着电絮凝技术的推广应用，业内人士并不看好电絮凝技术处理污水的应用前景,由于当时的电化学科学研究不深入，该技术的应用发展一度陷入停滞停滞。20世纪60年代，随着电力工业的发展、电力成本的降低和电化学学科的迅猛发展，电絮凝技术的处理污水成本日益降低,该技术再次成为研究热点。

3 电絮凝技术在水处理中的应用

3.1 在饮用水中除氟的应用

氟元素是人类体内必需的微量元素，人体所需的氟主要来自于饮用水，氟元素摄入过量和不足和均会对人体健康不良影响。人体内因缺氟可能导致龋齿和骨质疏松，摄入氟超标又会导致氟中毒，我国饮用水地方性氟中毒范围广、危害大，氟危害主要集中于北方。WHO认为饮用水中0.5 mg/L～1.5 mg/L的氟化物浓度对人体有益，我国目前饮用水氟含量长期超标的地区人口有7700多万人，饮用水除氟已成为了电化学絮凝热点研究方向。传统的除氟方法有混凝沉淀、吸附离子交换、石灰沉淀法、反渗透、电渗析以及电絮凝等方式。电絮凝除氟过程是指在电解反应中由于阳极金属溶解，产生的絮凝剂能够吸附水中的氟离子。电絮凝技术能够有效地降低应用水中的氟，比传统絮凝剂水去除效果更好。但利用电絮凝技术去除水中的氟还有不足之处：耗电量大造成处理成本偏高，对于水质要求高，絮凝用时较长使处理效率偏低。

3.2 在印染废水中的应用

未经处理的染料废水中含有高致癌性的苯环类、偶氮基团类物质，若直接排放将造成严重的水污染，危害人类与动物的健康。电絮凝处理染料废水原理是，在阴极附近有还原反应的发生，氧化型色素被还原成无色透明物质，降低色度；与此同时，强氧化性物质对发色体中的不饱和共轭键产生作用，把印染废水中偶氮基团类物质降解，此外絮凝体的较大的比表面积可有效吸附水中的染料，具有良好的脱色效果。电絮凝过程中不仅可以生成对水中污染物有较强吸附作用的絮体，而且还可以产生具有较强氧化性的氢氧根等物质，可有效破坏有机物的发色基团并且降解有机物，从而使废水的色度和COD含量得到降低。因此，业内人士逐步使电絮凝技术应用于有机染料废水处理行业。

3.3 在造纸废水中的应用

造纸生产过程中产生的废水有黑液、中段水和白水。造纸废水中的成分非常复杂，含有纤维素、木素、有机酸、助剂、油墨中溶出的有害物质和脂类等，造纸废水中有很高的BOD和COD，色度、浊度都很高。由于造纸生产中的浆料、纸种、生产工艺、药剂不同，废水中污染物的含量和种类也不同。当下，国内外的传统处理造纸废水的方法有化学法、物理法和生物法。

电絮凝技术包含了水污染物与强电场的反应及因电场产生的氧化和还原反应，化学絮凝的阳离子与表面电荷的中和反应机理在电絮凝技术中都有体现，在电絮凝反应过程中，废水中高达99%以上的重金属离子被去除。电絮凝法适用于处理污染物较高的造纸废水，无需预处理去除悬浮物,在较低电压和电流条件下，安全性高，与化学絮凝法相比，成本低，废水的COD去除率和浊度去除率可达60%和95%左右。这种技术于中小型纸厂的废水处理应用中具有广阔前景。

3.4 在制革废水中的应用

随着我国从业人员对制革产业全面且深入的研究，制革工业的迅猛发展，同时也导致了大量有毒有害污染物的产生，制革废水中含Cr、硫化物、COD、大量的悬浮物导致其污染较高。制革工艺中广泛添加的各类药剂使废水中包含大量对环境及人体有害物质，如处理不当或随意排放都会造成不可逆的环境污染恶果。随着人们对皮革制品的消费需求增大，皮革产量连年攀升，导致废水排放量逐年增大，这迫切需要我们针对废水排放问题有效管控。政府为了保护自然生态和老百姓的身体健康，不断加大环保力度，制定相关行业标准并将工业排水中污染物的标准限值降低，据《制革及毛皮加工工业水污染物排放标准》（GB30486-2013）可知，pH值为6-9、CODCr小于100 mg/L、总铬小于1.5 mg/L BOD5小于30 mg/L。由于相关排放标准的不断提高，不仅要尽可能的提高水资源利用率，减小水资源的使用量，还需尽可能使制革废水达到行业排放标准，这为废水处理的工艺和方法的创新及选择带来挑战和机遇[3]。用优势菌与电絮凝方法相结合的方式处理山东某制革废水中的有机物和铬，其中电絮凝反应中使用铝钛作为阳极效果最佳，电压5 V，电流800 A/m2，反应30 min时，COD去除率为83.38%，总铬去除率可以达98.88%，Cr(III)去除率甚至达到98.93%，完全能够满足《制革及毛皮加工工业水污染物排放标准》（GB30486-2013）中规定的排放标准。

3.5 在生活污水中的应用

污水中存在大量的磷酸盐与氨氮会导致水体富营养化，造成藻类大规模增殖。这一现象将对湖泊、河流、水库以及沿海地区产生影响，也是近几年造成严重的水污染问题原因之一。因此，对于控制富营养化，去除磷酸盐与氨氮是十分必要的。马度度等[4]采用铁、铝电极进行电化学除磷，在电极间距为1cm、2cm和5cm时，磷的去除率分别为92.2%、92.0%和89.0%。在pH为5，电解时间为55min，除磷率达到了89.2%。当电流密度从8.68 mA/cm2升到13.88 mA/cm2时，除磷率从61.0%增加到91.0%；处理条件为铜/锌电极、电流密度18.32 mA/cm2，极板间距1.1cm、温度40℃、氯化钠浓度0.5g/L、COD浓度185 mg/L和处理时间30 min时，氨氮去除效率最优（接近100%）。

4 电絮凝技术的改进

4.1 改进电源技术

在直流电絮凝设备长时间运行后，电极易出现钝化从而使能耗变高。扩散传质是电极附近的主要传质形式，当溶解的金属阳离子来不及扩散到溶液本体的情况下，便形成了浓差极化，电极表面形成可以阻碍电极反应进一步进行的致密的氧化膜，从而造成电极钝化的现象。为避免此现象，业内尝试过多种办法，其中脉冲电通过重复进行供电与断电，电解效率得到有效提高，能耗有所降低。林辉[5]利用脉冲电源电解的方式消除铝阳极絮凝的钝化现象，在达到相同高的CODCr和油的去除率的情况下，有助于提高电解效率，脉冲电絮凝工艺的耗能比直流电絮凝工艺低了30%。

4.2 采用新型电极材料和电极结构

电极材料方面，可以用不溶性阳极代替传统的金属阳极材料铁和铝，有以钛为基体并用热沉积氧化法或者电镀法引入活性层作为阳极的，例如钛镀二氧化铅、钛涂含铱元素涂层等等。此类涂层拥有良好的导电性、能够耐腐蚀、具有较长的使用寿命，而且无需更换电极，可以对有机污染物的氧化起到较好的电催化作用。炭纤维—铁复合电极已在处理印染、染料、造纸等废水中应用。同时，三维电极也是一个重要的研究方向，三维电极即是在传统的二维电极间装填粒装或其他碎屑状工作电极材料，使装填材料表面带电，变为能够在工作电极材料表面发生电化学反应新的一极，使电解槽面体比增大，离子间距减小，因此具有较高的传质效率和电流效率，应用三维电极处理印染废水、重金属废水、焦化废水等已成为较为成熟的技术。