太陽光伏電化學技術(shù)處理廢水研究

解宇峰

（1.北京大學環(huán)境科學與工程學院，北京100871；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇南京210042）

隨著我國經(jīng)濟的增長及工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)排放的廢水呈現(xiàn)出成分復雜、種類多、毒害大等特點，若未能得到有效治理，將會對環(huán)境和人類健康帶來很大的威脅。處理廢水使其達標排放的技術(shù)方法很多［1－2］，目前按照廢水處理的作用原理可分為3大類。第一是物理法：利用物理作用使懸浮狀態(tài)的污染物質(zhì)與廢水分離，在處理過程中污染物質(zhì)的性質(zhì)不發(fā)生變化；第二是化學法（包括物理化學法）：利用某種化學反應使廢水中污染物質(zhì)的性質(zhì)或形態(tài)發(fā)生改變，而將其從水中除去；第三是生化法（或生物法）：利用微生物的作用去除廢水中膠體和溶解性有機物的方法。此外，還有這些方法的綜合應用。但是，這些處理方法存在二次污染和占地面積大等不足。

電化學法是近年發(fā)展起來的頗具競爭力的廢水處理方法，它利用電化學原理處理廢水，具有如下優(yōu)點［3］：①無需添加任何氧化劑、絮凝劑等化學藥品；②既可單獨處理又可與其他技術(shù)相結(jié)合，如作為前處理提高廢水的可生化性，或依靠電催化功能選擇性降解氧化有機物；③不會或很少產(chǎn)生二次污染；④設備體積小，占地少，一般在常溫常壓下操作，簡便靈活。因此該法被稱為環(huán)境友好的處理方法，備受各國學者關(guān)注，近年來相關(guān)研究十分廣泛，涉及各類污水處理領(lǐng)域，例如染料廢水［4－5］、印染廢水［6－7］、含油廢水、食品廢水等高濃度有機廢水［8－9］以及金屬冶煉廢水［3，10］等。

1 電化學水處理技術(shù)

電化學水處理技術(shù)是指在外加電場的作用下，在特定的電化學反應器內(nèi)，通過一定的化學反應、電化學過程或物理過程，產(chǎn)生大量的自由基，利用自由基的強氧化性對廢水中的污染物進行降解的過程［11］。特別是利用不同電極的陽極氧化［12－15］或者過氧化氫的陰極發(fā)生器［16－18］而對有機污染物進行氧化處理。電化學技術(shù)的實質(zhì)就是直接或間接地利用電解作用，把水中污染物去除或把有毒物質(zhì)變?yōu)闊o毒、低毒物質(zhì)。廢水處理的電化學法主要有內(nèi)電解法、電凝聚法、電氣浮法、電化學氧化法、電還原法和電滲析法等［11，19］。

電化學方法處理廢水起源于20世紀40年代，由于當時電力缺乏，其發(fā)展十分緩慢。到了20世紀60年代，伴隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，開始逐步受到研究者的注意。作為一種清潔處理方法，其優(yōu)點是顯而易見的。但是它作為一種新興的廢水處理方法，在實際應用中存在著能耗大、成本高、效率不高以及有析氧和析氫副反應等弱點［19］。

2 太陽光伏電化學水處理研究

太陽是能量的天然來源，太陽能每天都能無限供應，而且數(shù)量龐大。能夠?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)變成電能的光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)，具有無污染、無噪聲、設備可分散化放置、壽命長以及維護成本較低等優(yōu)點［20］。將PV發(fā)電系統(tǒng)與電化學系統(tǒng)耦合使用，可以有效克服電化學技術(shù)在應用中能耗大、成本高的弱點。

為了避免能量波動，并且在夜間繼續(xù)工作，用于廢水處理的PV系統(tǒng)，一般是由連接到蓄電池系統(tǒng)（一般鉛酸類型）的PV模塊組成。Weiner等［21］在一個海水淡化工廠進行研究，用PV發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)與能自動供電2d的蓄電池連接，利用反滲透技術(shù)淡化當?shù)睾}水，研究期間每天能夠生產(chǎn)3m3淡水，將來還能增大至9m3，非常適用于淡水資源稀缺而海水資源豐富的偏遠小區(qū)。Suleimani和Nair［22］在阿曼的一個偏遠地區(qū)進行了實驗，研究利用太陽能供電系統(tǒng)驅(qū)動的反滲透裝置來淡化地下咸水。太陽能供電系統(tǒng)中包括PV發(fā)電器、蓄電池以及其他儀器。實驗達到了每天5m3水設計出水量的目標，平均生產(chǎn)成本估計為6.52美元／m3（設備壽命以20年計）。

然而，這些蓄電池在使用中存在幾個問題：（1）充放電效率僅達到70%～80%［23］；（2）電池壽命大大短于PV發(fā)電系統(tǒng)的壽命；（3）需要嚴格控制每1塊電池的電荷狀態(tài)；（4）必須考慮電池處置的經(jīng)濟和環(huán)境成本。

所以有學者開始研究不用蓄電池而直接將PV發(fā)電系統(tǒng)作為電源為電化學系統(tǒng)供電。Richards等［24］研究了在無電池情況下，采用PV電池供電的混合超濾－納濾／反滲透（UF－NF／RO）膜脫鹽系統(tǒng)處理澳大利亞內(nèi)陸含鹽地下水。經(jīng)過對4種膜材料的處理效果分析，得出結(jié)論認為，無電池情況下直接由PV電池供電膜系統(tǒng)處理含鹽水，操作簡單，運行可靠，不僅晴天可穩(wěn)定運行，甚至中等云層條件也適用。Sch?fer等［25］也對類似問題進行了研究，并通過調(diào)整操作參數(shù)找出最佳操作條件，最多生產(chǎn)250 L優(yōu)質(zhì)飲用水的同時僅消耗1.2kWh／m3的太陽能。Ortiz等［26］在西班牙南部開展試驗，對直接使用PV能源為電滲析脫鹽系統(tǒng)供電的可行性進行了研究并獲得成功，研究認為PV供電的電滲析脫鹽系統(tǒng)簡單、可靠、成本低。該作者另外還研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)與電滲析系統(tǒng)的相互作用機理，在此基礎上進行了實際應用，并計算了該系統(tǒng)的運行成本［27－28］。Valero等［29］采用無電池的光電能源供電對合成紡織廢水進行電凝聚處理研究，證明了PV陣列的配置是影響光電電力的重要因素。還有學者對以太陽能為動力開展以水制氫耦合電化學氧化有機物過程進行了研究［30－32］。Valero等［33］還開展了直接由PV系統(tǒng)供電的電化學氧化處理染料廢水的研究，證明了PV發(fā)電器和電化學反應器的配置對實驗的最佳效果有巨大影響，并提出最適宜PV發(fā)電器配置受太陽輻射強度、溶液電導率和污染物濃度3方面因素的影響。

3 結(jié)語

各種研究和實例表明，電化學廢水處理技術(shù)與PV發(fā)電技術(shù)二者可以有效耦合使用，耦合系統(tǒng)具有運行成本低、簡單、適應性強等特點，特別適用于為缺乏淡水資源（有海水或苦咸地下水）而電網(wǎng)又難以覆蓋的偏遠地區(qū)供應飲用水?？紤]到未來化石能源越趨緊缺，該系統(tǒng)也可在電力緊張地區(qū)使用。將來，研究者可以考慮對PV發(fā)電系統(tǒng)直接與其他電化學處理技術(shù)（如電化學合成、電化學去除重金屬、電氣浮等）耦合過程進行研究，尤其應關(guān)注耦合系統(tǒng)的能源利用效率以及系統(tǒng)的建設和運營成本問題。

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