電化學技術處理難降解廢水的應用綜述

宋萌　何忠洲　江濤

摘 要：生化處理等常規(guī)水處理方法已難于滿足日益嚴格的廢水排放標準，近年興起的高級氧化技術體現(xiàn)出了較大優(yōu)勢，電化學技術作為高級氧化技術的一類，具有高效率、占地小、無二次污染等優(yōu)點。但由于電化學技術能耗問題，一直限制了該技術推廣，而新型的電極材料和催化劑的發(fā)展，會使電化學技術在廢水深度處理領域的優(yōu)勢日益突出。該文概述了幾類難降解廢水的水質特點及電化學技術在其中的應用。

關鍵詞：電化學技術；難降解廢水；深度處理

中圖分類號 X79 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）02-0068-03

Abstract：The conventional biochemical wastewater treatment methods have been unable to meet increasingly tougher of wastewater discharge standards，the advanced oxidation technology raised in recent years and shows great advantages，electrochemical technology is a branch of advanced oxidation technology，which is more efficiency，covering smaller space，with no secondary pollution，etc. The energy consumption problem resistance the development of electrochemical technology.Besides with the rapid development of the electrode material and catalyst，the electrochemical technology will show more and more obvious advantage. This paper summarizes the characteristic of some low-degradability wastewater and the related electrochemical technology application.

Key words：Electrochemical technology；Low-degradability waste water；Advanced treatment

1 前言

電化學技術處理廢水的應用起源于20世紀40年代，由于一次性投資較大，電力緊張，成本較高，因而一直以來發(fā)展緩慢。直到20世紀60年代，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電化學技術才逐漸被應用到廢水處理過程中，常用的水和廢水處理電化學方法有電解回收法、電化學氧化法、電解氣浮法、電滲析法、微電解法等[1-2]。近年來，電化學方法已被應用在垃圾滲濾液、印染廢水以及石化廢水的預處理、深度處理領域。

電化學技術在發(fā)展過程中，出現(xiàn)了以下2個問題：一是處理廢水所需要的時間問題，針對該問題，研制高催化活性的電極材料和有效的反應器將成為研究的熱點入手來解決；二是電極壽命問題，則要從電極材料的結構和制備方法入手去研究。本文概述了幾類難降解廢水的水質特點及電化學技術在其中的應用，為電化學技術處理難降解廢水提供參考。

2 電化學在焦化廢水處理中的應用

2.1 焦化廢水的水質特點 焦化廢水是從原煤的高溫干餾、煤氣凈化和化工產品精致過程中產生的。焦化工藝的復雜性直接決定了焦化廢水成分的復雜性。焦化廢水中含有大量的有機物和無機物，一般而言，焦化廢水呈深棕色，內含酚、氰化物、苯、氨氮、焦油和硫化物等有毒有害物質[3]。高濃度的有機物和氨氮對微生物生長有強烈的抑制作用，目前，焦化廢水有80%的企業(yè)存在氨氮和COD排放不達標的情況。

2.2 焦化廢水處理現(xiàn)狀與存在問題 近幾年來，對焦化廢水處理技術的研究十分活躍。對于焦化廢水的處理，水處理中的所有常用工藝，如物理方法中的利用混凝劑的混凝沉淀法、活性炭吸附法、吹脫、化學中和法等，生物處理工藝中的A/O工藝、AA/O工藝、SBR工藝等，都被利用到焦化廢水的處理[4]。目前，很多企業(yè)對于進入生化池的廢水仍采取注入清水稀釋的方法來降低氨氮和難降解的有機物的濃度，進而提高廢水的可生化性。經過預處理的焦化廢水，較多企業(yè)采用A/O工藝去除其中的有機物和氨氮，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果顯示，大部分企業(yè)出水COD、NH3-N 2個指標難以穩(wěn)定達標。

2.3 電化學氧化法處理焦化廢水 二級生化處理后的焦化廢水的水質特點是COD和NH3-N不達標，對焦化廢水深度處理的主要任務是對COD和NH3-N指標的去除，針對這一任務，單明軍等搭建復極性三維電極反應器處理焦化廢水小試裝置，其中以鈦板為基材，在鈦板的表面涂鍍一定比例的RuO2和TiO2活性涂層，并在活性涂層中添加一定比例的IrO2作為陽極，以鋼板作為陰極，焦粉粒子作為反應器中的填料（第三極）。實驗過程中，設計了二維電極與復極性三維電極的對比實驗，在同等試驗條件下，采用三維電極反應器對焦化廢水進行深度處理對COD和NH3-N去除效果明顯高于二維電極反應器。同時進行復極性三維電極法深度處理焦化廢水的正交試驗，設計電解時間、極板間距、電流密度、極板對數(shù)、曝氣量5個因素在4個水平上的試驗，得出各因素對COD和NH3-N去除率影響大小的關系都是極板間距>電流密度>電解時間>極板對數(shù)>曝氣量，得到復極性三維電極最佳反應條件是不曝氣的條件下設置電解時間60min、極板間距1cm、電流密度20mA/cm2、極板對數(shù)3對以測定深度處理的效果，結果表明：經過生化處理后的焦化廢水水樣經過焦粉復極性三維電極反應器處理后，其中的主要污染物質：揮發(fā)酚、氰化物、COD、石油類和NH3-N等指標可同時滿足《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標準》（GB13456-92）中焦化廢水排放一級標準限值[5]。

3 電化學在垃圾滲濾液處理中的應用

3.1 垃圾滲濾液的水質特點 垃圾滲濾液水質極其復雜，污染物濃度高，因此滲濾液的處理一直是一個世界性的難題。根據(jù)垃圾填埋場的年份，垃圾滲濾液又可分為早期滲濾液和晚期滲濾液。早期滲濾液主要特點是：COD、BOD5高，B/C為0.4～0.8，可生化性較好。有機物主要是揮發(fā)性脂肪酸，pH一般為5～7，氨氮濃度較高，C/N比較高。晚期滲濾液主要特點是：COD、BOD5降低，B/C接近0.1，可生化性差，有機物主要有腐殖酸和富里酸等組成，氨氮濃度高，C/N比較低[6]。

3.2 垃圾滲濾液處理方法及存在問題 與常規(guī)廢水處理類似，用于垃圾滲濾液處理的方法也主要包括物化法和生化法，物化法主要包括化學氧化法、吸附法、膜法等。生化法主要包括好氧處理法、厭氧處理法、厭氧-好氧結合法等，生化處理方法能耗少、費用低，可有效降低BOD5、COD和氨氮，還可以去除鐵、錳等金屬，是應用廣泛的處理方法。但是處理在COD、氨氮濃度較高的垃圾滲濾液時一些處理方法達不到達標排放的要求，還需要進一步的深度處理，以滿足達標排放的要求。

3.3 電化學氧化法處理垃圾滲濾液 某污水處理廠A/O工藝處理過的垃圾滲濾液水質：CODcr=300mg/L，BOD5=80mg/L，TN=100mg/L，NH3-N=70mg/L，未能達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889-2008）排放要求。魏平方等同樣采用三維電極反應器，三維電極陽極材料采用Ti/RuO2·IrO2，陰極材料采用不銹鋼電極，焦粉粒子填充在電極和電解槽的空隙中，采用氣泵于復極性三維電極反應器底部曝氣，對垃圾滲濾液進行深度處理。設計了不同電流密度的試驗、不同類型電極反應器的對比試驗、各種因素和水平的正交試驗。得到的試驗結論是：在0～120min的反應時間內，電流密度越大，COD和氨氮的去除率逐步增加；通過二維電極、焦粉粒子三維電極和GAC粒子三維電極對比試驗，無論是焦粉三維電極還是GAC三維電極，其對垃圾滲濾液中的COD和氨氮的去除率都高于二維電極；正交試驗的結果顯示，在反應時間80min、電流密度25mA/cm2、電極間距1cm、極板數(shù)量3對、曝氣量2L/min的最佳試驗條件下，經焦粉離子三維電極深度處理后的垃圾滲濾液廢水最終可達標排放[7-8]。

4 電化學在城鎮(zhèn)污水處理廠處理中的研究

4.1 城鎮(zhèn)污水處理廠脫氮除磷工藝及存在問題 物化脫氮除磷工藝在去除氮磷的同時，對BOD、COD、SS、濁度都有一定的去除。然而生物法脫氮除磷是最常見的方法，現(xiàn)有的城鎮(zhèn)污水處理廠利用SBR、AA/O、倒置AA/O和工藝的占多數(shù)，AA/O中利用缺氧段和好氧段進行硝化和反硝化脫氮，厭氧和好氧的吸磷釋磷已達到除磷效果，同時該工藝可以有效去除SS、BOD、COD等物質[]。但是隨著我國對環(huán)保問題的重視，廢水排放標準日趨嚴格，具體表現(xiàn)在《城鎮(zhèn)污水處理處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的頒布與執(zhí)行，該標準對城鎮(zhèn)污水處理廠排水中的主要污染指標作出了更為嚴格的規(guī)定，同時針對氮、磷等營養(yǎng)元素對水體產生的富營養(yǎng)化問題，該標準對氮、磷等指標作出了詳細的規(guī)定。因此，原有的污水處理廠已不能滿足新的排放標準。因此脫氮除磷還將是污水處理廠升級改造的重點。

4.2 城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質特點 由前述可知，在城鎮(zhèn)污水處理廠現(xiàn)有處理水平條件下，其所排尾水中氮、磷等營養(yǎng)物質很難達標排放。針對以上問題，國內外進行大量的研究和實踐，大都采用在常規(guī)二級生物處理后深度處理以提高和改善水質。比如通過二級生物處理強化處理或者二級處理后出水投加藥劑處理。電化學深度處理也可以提高出水水質，是一種高效無二次污染的方法[10]。

4.3 電化學氧化法處理城鎮(zhèn)污水處理廠的尾水 何緒文分別以鈦板為基材，在鈦板的表面涂鍍一定比例的RuO2和TiO2活性涂層，并在活性涂層中添加一定比例的IrO2作為陽極，以鋼板作為陰極的二維電極深度處理試驗，影響電化學去除效率的主要因素包括：電壓、電流密度、極板間距、電解時間、水中氯離子濃度等。先進行實驗室靜態(tài)電解氧化小試試驗，分別對每個影響因素在不同取值條件下進行試驗，分析出水中氨氮、總氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、濁度和電導率等參數(shù)的去除效果[11]。根據(jù)去除率選擇最佳試驗參數(shù)，進行實際水流狀態(tài)進行動態(tài)電解氧化試驗，動態(tài)試驗中的電解時間即為水力停留時間。經電化學深度處理的城鎮(zhèn)污水處理廠尾水能夠達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類和Ⅳ類標準排放。

5 結論和展望

綜上，電化學技術在二級處理后的強化處理，對COD、NH3-N的處理效果顯著，一些物化或者二級生物處理達到處理極限的時候，電化學深度處理可以進一步處理，在環(huán)保受到日益關注，各類環(huán)境標準更加嚴格的情況下，電化學法深度處理復雜的廢水，具有很大的潛力，受到更加多的重視。

同時，電化學技術成本高、能耗大的劣勢也不得不引起重視，要想未來投入生產使用，還需更多的研究去尋求更加低成本高效率的途徑，未來的電化學技術的研究，可以從材料角度出發(fā)，研究一些新型的電極材料以及填充電極，提高電極反應效率，也可以從催化劑角度出發(fā)，研究不同催化劑對電化學高級氧化的作用。

參考文獻

[1]劉瑞軒，干愛華，王韜，等.一種處理含鉻電鍍污水的新工藝[J].化學通報，2005，68（7）：33-37.

[2]王韜，李鑫鋼，孫津生，等.電化學反應器降解含鉻和鋅的高濃度苯酚廢水[J].水處理技術，2006，32（11）：41-44.

[3]金熙，項成林，齊東子.工業(yè)水處理技術問答[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003：65-85.

[4]單明軍，呂艷麗，從蕾.焦化廢水處理技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007：1-216.

[5]GB13456-1992，鋼鐵工業(yè)水污染物排放標準[S].北京：中國標準出版社，1992：1-6.

[6]聶永豐，王偉.我國垃圾填埋場滲瀝液控制現(xiàn)狀、問題與解決途徑[J].環(huán)境科學研究，1998，11（3）：25-27.

[7]魏平方，鄧勇，王春宏，等.電化學氧化法處理垃圾滲濾液[J].化學與生物工程，2005，22（3）：42-45.

[8]李庭剛，陳堅，張國平，等.電化學氧化法處理高濃度垃圾滲濾液的研究[J].上海環(huán)境科學，2003，22（12）：892-897.

[9]林豐妹，鄭平，陳健松.SBR法的特點及其在生物脫氮中的應用[J].環(huán)境污染與防治，2002，24（2）：98-100.

[10]張希衡.水污染控制工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[11]何緒文，王培亮，章麗萍，等.溫榆河河水中氨氮的電化學處理技術研究[J].環(huán)境科學與技術，2008，31（6A）：290-291，353.

（責編：張宏民）