电解法水处理技术：多种功能去除污染物，解决城市用水紧张问题

电解法水处理技术：多种功能去除污染物，解决城市用水紧张问题

电解水处理技术主要利用电解原理对水进行电化学处理，除具有氧化还原作用外，还具有气浮、混凝、杀菌、调节pH、吸附和共沉淀等多种作用，可去除多种污染物。随着环境保护越来越受到重视，工业和城市迅速发展，水资源短缺已成为制约经济发展的关键因素之一，客观上要求开发易于自动化、方便、稳定的新型污水回用处理工艺。电解法以其多种优势，为解决受水质和水量困扰的城市缺水问题提出了新思路。污水处理后，不仅去除了有毒有害物质，还可以用于工业、市政杂用、家庭中水回用。

1 电解处理技术发展概述

电解处理废水的历史可以追溯到1889年英国人尝试用铁电极处理城市污水。20世纪40年代有人提出用电解法处理废水，但由于电力不足、成本高，发展缓慢。20世纪60年代初，随着电力工业的迅速发展，电解法开始引起人们的重视。短短几十年间，电解法处理废水工艺取得了很大的进展。1969年，等人提出了流化床电极（Fluid Bed，缩写为FBE）的设计。这种电极不同于平板电极，具有一定的立体构型，其比表面积是平板电极的几十倍甚至几百倍，电解液在孔隙中流动，电解反应器内的传质过程得到很大的改善。1973年，M.F与其合作者研制成功双极固定床电极（Bed BPBE）。 槽内电极材料在高梯度电场作用下复极化，形成双极性粒子，小粒子两端发生氧化还原反应。每个粒子相当于一个微电解池。由于每个微电解池的阴极和阳极之间的距离很小，所以迁移很容易实现。同时由于整个电解池相当于无数个串联起来的微电解池，所以效率成倍提高。我国从20世纪60年代开始，不断研究和应用电解法处理各类含铬、氯、酚、印染、制革等工业废水。

2 电解去除污染物的机理

电解作为对各类污水处理适应性强、效率高、无二次污染的处理方法，其依据的原理如下：

·氧化电解过程中的氧化可分为直接氧化，即污染物在阳极直接失去电子而被氧化；和间接氧化，是利用溶液中电极电位较低的阴离子，如OH-、Cl-等在阳极失去电子，生成新的活性物质[O]、Cl2等，这些活性物质是氧化性更强的，利用这些活性物质使污染物失去电子而氧化分解，降低原溶液中的BOD5、CODcr、NH3-N等。

还原电解过程中的还原也可分为两类，一类是直接还原，即污染物在阴极直接获得电子而被还原；另一类是间接还原，污染物中的阳离子先在阴极获得电子，使电解液中的高价或低价金属阳离子在阴极获得电子，直接被还原为低价阳离子或金属沉淀物。

·混凝作用：当可溶性阳极如铁、铝阳极通以直流电时，它们失去电子形成金属阳离子Fe2+、Al3+，与溶液中的OH-发生反应，生成具有极强吸附能力的金属氢氧化物胶体絮凝剂，通过吸附、共沉淀的作用去除废水中的污染物。

·气浮作用 电气浮选就是将废水电解，当电压达到水的分解电压时，在阴极和阳极分别析出氢气和氧气，气泡尺寸极小，且分散性很高，它作为载体粘附在水中的悬浮物上而上浮，因此很容易去除污染物。电气浮选既可以去除废水中的疏水性污染物，也可以去除亲水性污染物。

3 电解工艺研究现状及其在再生水处理中的应用

3.1 电解过程研究现状

目前，电解法水处理在国内的研究和应用已有一定的基础。马志毅等研究了电凝聚对悬浮物和有机物的去除效果，对7种废水进行了电解过程研究，得到CODcr去除率在8.1%~81.3%之间；BOD去除率在55.6%~79.5%之间，悬浮物去除率平均为95.03%；浊度去除率平均为89.3%。利用异养-电极-生物膜组合反应器膜对地下水中硝酸盐的去除进行了研究，发现当处理硝酸盐氮浓度为40mg/L的进水时，反应器的反硝化率在98%以上，出水中亚硝酸盐浓度在0.1mg/L以下。利用固定床化学反应器对含铜废水进行了处理研究。 该类反应器能有效处理含有Cu2+、Pb2+、Ag+、Hg+等重金属离子的废水，使水质达到排放标准，同时回收相应的金属，是一种经济有效的处理方法，目前国外已有成功的中试厂和工厂。研究了用双极固定床电极处理偶氮染料活性蓝、络合染料活性艳绿废水的效果，COD去除率可达50%以上，脱色率可达98%以上；对于蒽醌类染料废水，脱色率近100%，COD去除率可达90%以上。用活性炭纤维电极对印染废水、染料废水进行电解处理，表明在色度去除方面，一般不逊于目前广泛使用的药剂，有些染料废水用电解处理的效果比用药剂处理更好。 垃圾渗滤液的BOD/COD为0.1-0.2，属于难生化废水，经电解处理后，其BOD/COD可提高至0.5，废水具有良好的可生化性。需要指出的是，电解处理技术还具有去除NH3-N、NO2-N的功能，这在废水的深度处理中尤为重要。

随着我国经济的快速发展，人口的增加，人民生活水平的逐步提高，工业化、城镇化进程的加快，用水量急剧增加，排放量也相应增加，加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染。因此，研究、开发和应用投资少、能耗低、运行费用低的电解回用水处理技术尤为重要。

3.2 电解法处理微污染水

微污染水的特点是污染相对较轻，水质较好，由于BOD较低，难以达到传统生物处理的效果，但利用电解法处理该类水却有很大的优势，它适应水质水量变化较大、负荷率较低的要求。目前已有电解与生物法相结合处理微污染水的研究。与单纯的生物膜法相比，电解与生物膜法相结合的主要优势体现在电极的使用上，一是利用电极作为生物膜的载体，二是电场对水进行微电解释放出的H+为反硝化提供氢气。生物反硝化需要原水中有足够大的C/N比才能顺利进行，因此往往需要外加碳源。微污染水中有机物含量较低，利用电解产生的游离H+是一个解决办法，数据显示亚硝酸盐氮去除率可达85-95%； 硝酸盐氮去除率比单纯的生物膜法提高近20-30%，可达60-80%；COD去除率可达41-50%，说明此方法不仅可以处理微污染水，而且可以比较彻底地去除硝酸盐氮，并能很好地控制亚硝酸盐氮的生成。实验结果表明，电解法不仅操作简便，无二次污染，而且处理后的水也能达到回用水的标准。同时，电解处理后的水不易滋生细菌，易于保存。对于一些其它微污染污水，如洗浴废水、城镇污水处理厂二级生物处理出水等，开发一种达到回用水标准的电解处理工艺将有很大的实用价值。

3.3 电解法处理工业废水

工业废水水质复杂，且大多含有大量有毒有害物质，生物处理受多种生物生长因素制约，效果不佳，另外污泥驯化需花费大量时间。电解法的应用克服了这一缺点。电解法不但能去除有机物，而且能去除色度。纺织印染厂产生的高色度废水经电解处理，对色度、COD、SS等去除效果良好。处理后的废水可循环使用，或加入水质稳定剂后用作工艺冷却水。例如含铬废水的回用，废水中以重铅酸离子（-）形式存在的六价铬是一种剧毒物质。采用以碳粒填料床为阴极的电解法处理-，将Cr(VI)还原为Cr(III)：

-+ 14H+ + 6e → 2Cr3+ + 7H2O

由于此反应中消耗了大量氢离子，导致阴极附近溶液的pH值上升。这样，Cr(III)以Cr(OH)3的形式沉积在碳填料床中，而Cr(VI)则从溶液中除去。沉积在填料床中的Cr(OH)3定期用次氯酸钠处理，使其重新氧化为Cr(VI)：

—+ → + 3NaCl + 2H2O

处理后的溶液可直接以Cr(VI)形式加入到电解液中用于生产氯酸钠，并循环使用。该技术成功的关键在于碳粒的选择和阴极电位的精确控制。在运行成本方面，电解工艺通常低于相应的化学氯化工艺。从环保角度来看，该工艺更为优越。

4 电解工艺的优点及问题

电解法应用十分广泛，具有其它工艺无法比拟的特点。在污水再生领域，常用的物理化学方法有电解法、混凝沉淀法等。电解法与通常的混凝法相比有许多优点：

1）废水处理过程中不需要添加任何化学混凝剂，为废水回用创造了条件。

2）投加混凝剂（Al2(SO4)3、FeCl3等）会给处理后的水添加多余的阴离子（如SO42-、Cl-等），同时还会将重金属等杂质带入水中，造成二次污染。电解法生成的Fe2+为单一物质，成分比较简单，不含阴离子和杂质。

3）电解反应器形成的电场，使水中悬浮颗粒的双电层发生改变，产生正、负电荷分别在颗粒一侧的状态，使颗粒之间由相互排斥变为吸引、聚集。

4）电解反应中产生的O2、H2气泡，可作为微小气泡起浮选作用，吸附轻悬浮颗粒或疏水物质，将其与水分离。

5）电解过程中，通过去除水中的悬浮物，使用特殊的电极，可以去除细菌。这种消毒方法可以使处理过的水的寿命更长。

生物处理是常用的污水回用技术，而电解是一种新型的处理技术。与生物处理相比，电解水处理技术的优势在于：

1）电解过程中产生的·OH与废水中的有机污染物直接、无选择性地发生反应，将其降解为二氧化碳、水和简单的有机物，几乎不产生二次污染；

2）能量效率高，电化学过程一般可在常温、常压下进行；

3）可单独使用，也可与其他处理工艺配合使用，如作为预处理，提高废水的可生化性；

4）由于属于电化学反应，可以应用于低COD浓度废水的回用和处理。

因此，电解水处理技术被称为“环境友好型”技术（）。

电解水处理技术已经存在了40多年，主要问题是在实际工程中还没有得到广泛的应用，主要原因是电流效率太低。解决这个问题必须从相关理论入手，合理设计电解反应器。现有的电解理论解释可以归结为对电极几何形状和尺寸、电极相和电解质的有效电导率、流体的力学性质、电极的极化类型和程度等的研究。

由于三维电极大大放大了电极表面体积比，相对完美地解决了传质问题，但是也带来了床层内电流和电位分布的问题。徐文林等人提出了单极固定床的理论模型并进行了试验，实验结果与理论一致。对于双极固定床电极，理论研究还不够，从理论上研究床层内各点电位和电流分布对于双极固定床电极的优化至关重要，这是推广应用的关键。另外，电极钝化是电解技术应用中的技术难点，因此开发新型电极材料和电极结构，克服电极钝化将是电解技术广泛应用的前提。

一般认为有机物在电解反应器中氧化有两种方式：直接氧化和间接氧化。间接氧化是通过电极反应生成强氧化性物质，然后以这些氧化性物质为基础对有机物进行氧化。一般认为这些物质，包括H2O2和·OH，在Cl-存在下会更容易被氧化，但这些机理都缺乏直接的实验支持。电化学降解机理是一个非常困难但又非常重要的问题。

这些有价值的结果对于实际设计高效电解反应器具有重要的理论指导意义，客观上也需要进一步开展理论研究，以拓宽思路、为解决现有的各类低效率问题提供理论。

5 结论

电解的实际工程应用证明了这项新技术在废水回用领域的广阔潜力，它的特点使我们有理由相信随着现代电化学工程理论的完善和实验研究的深入，电解技术将在再生水处理中得到广泛的应用。