納米催化電解技術在市政污水處理中的應用和展望

黃珍藝

（廈門水務中環污水處理有限公司，福建 廈門 361008）

納米催化電解技術在市政污水處理中的應用和展望

黃珍藝

（廈門水務中環污水處理有限公司，福建 廈門 361008）

納米催化電解技術是市政污水處理領域的新型處理技術。通過分析納米催化電解技術的原理和影響因素，結合在廈門污水處理廠中水回用、尾水消毒和污泥減量處理中應用的典型工程案例，闡述了該技術的適用性和可行性，并展望了其未來的發展方向。

納米催化電解；市政污水處理；中水回用；污泥減量

廈門市是一個水資源貧乏的沿海港口城市，全市人均水資源擁有量僅 468 m3，為全國平均數的41%，預計到2020年廈門市將缺水3.89億m3。目前，廈門市共擁有8座污水處理廠，污水處理規模88萬 t/d，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB 18918-2002一級B排放標準，大部分出水深海排放處理。因此，尋找一種安全有效、穩定可靠和成本低廉的尾水再利用處理方法是亟需解決的問題。

納米催化電解技術（Nano Catalytic Electrolysis，NCE）是利用具有電催化性能的納米級別金屬氧化物涂層電極，在電場作用下于溶液中產生具有強氧化性的羥基、氧和氯等自由基或其他基團攻擊溶液中的有機污染物，使其完全分解為小分子的有機物或者H2O和CO2，從而降解有機物，降低出水色度和殺滅病原菌等。該技術具有設備體積小、適用性強、藥劑消耗少、二次污染小和易于自動化控制等優點，是一種“環境友好”的技術[1-2]。本文結合 NCE在廈門市政污水處理中應用的典型工程案例，闡述其原理、影響因素、適用性和可行性，并展望其未來的發展方向。

1　納米催化電解技術原理

在工作陽極鈦（鈦基）表面涂上納米級的貴金屬［Pt（鉑）、Pd（鈀）、Os（鋨）、Ir（銦）、Ru（釕）、Rh（銠）等］氧化物，在通電情況下于溶液中產生化學活性很強的自由基。如：在有 Cl-存在時，陽極則生成新生態的氯（Cl·）；在水中則會產生新生態的氧（O·）。這些新生態的自由基能迅速地與溶液中的有機物（如COD）、有色物質、氨氮等起化學反應從而達到降低其濃度的目的，對病毒、細菌和藻類的孢子也具有強大的殺傷力。除了產生自由基外還能產生顯著的協同效應，如酸堿效應、沉淀效應、氣浮效應、誘導效應和吸附效應等，因此能大大提高水處理效果。

2　納米催化電解技術主要影響因素

2.1電極

電解過程主要通過陽極反應來降解有機物，電位越高，有機物脫除效果越明顯。但電位過高會受到陽極材質和副反應的制約，主要競爭副反應就是陽極氧氣的析出。20世紀70年代發展起來的化學修飾電極，通過對電極表面進行修飾，將具有特定功能的分子、聚合物、納米材料等固定在電極表面，改變電極表面特性，使電極具有良好的電催化性能，并降低工作電位，促使有機物在發生電極析氧反應前氧化降解，并獲得良好的電極反應速率和更高效的電流輸出，減少副反應發生和降低運行能耗。在此基礎上發展起來的納米級催化劑涂層技術，是現階段比較有效的電極材料工藝。其擁有更低的工作電位和更高效的電流輸出，可減少副反應發生和降低運行能耗。

2.2電解質

電解質濃度增大，溶液導電能力增強，槽電壓降低，電壓效率提高；但濃度高到一定程度后，電壓效率的提高趨于平緩，增加藥劑成本，并會增大后續深度處理的難度。此外，部分電解質如Na2SO4等惰性電解質，電解過程中不參與反應，只起導電作用，電解效率的高低僅與其濃度有關；而類似NaCl等電解質，在電解過程中不僅起導電作用，更參與電極反應，氯離子在陽極氧化，進而轉變成次氯酸。次氯酸是強氧化劑，不但可直接氧化有機物，而且還能阻止有機物（或中間產物）在電極表面吸附，從而避免降低電極活性[3]。

2.3反應器結構

現在多采用三維電極結構來代替二維電極結構，以增加單元電解槽體積的電極面積，且由于每對陽極和陰極距離很小，傳質非常容易，因此大大提高了電解效率和處理量（圖1）。三維電極所用的填充材料主要有金屬粒子、鍍上金屬的玻璃球或塑料球、金屬氧化物、石墨和活性炭等[4-5]。

此外，溶液pH值、電解時間、電流密度、溶液的傳質因素、待去除的有機污染物特性等其它條件也對電解效率有較大影響。因此，深入研究有機污染物在電極上的反應歷程，開發高效電極材料，確定最佳降解條件，對提高電解效率和降低處理費用是非常必要的。

圖1　反應器結構示意及進出水流程Fig.1　Schematic diagram of reactor structure and flow chart of inlet and outlet water

3　納米催化電解技術在廈門市政污水處理中的應用

根據NCE的特點，其應用主要有如下幾方面：1）將尾水處理達到或接近飲用水標準，直接回用到日常生活中，即實現水資源循環利用。該方式適用于水資源極度缺乏的地區，但投資高，工藝復雜。2）將尾水處理到非飲用水標準，不與人體直接接觸，如便器沖洗、地面和汽車清洗、綠化澆灑和消防用水等。該方式適用性好，易推廣。3）將達到外排標準的工業污水進行再處理后循環利用，一般需增加膜處理裝置等使其達到軟化水水平。4）應用于污水處理廠剩余污泥的前處理，從源頭減少污泥產量。目前，NCE在廈門市政污水處理中應用的典型案例有污水處理廠中水回用、尾水消毒和污泥減量處理等。

3.1中水回用作為道路沖洗水

2012年，根據上級部門的要求，提高廈門市污水處理廠尾水利用率，擬將尾水進一步處理，以滿足《城市污水再生利用 城市雜用水水質》GB/T 18920-2002道路沖洗水質要求，用于沖洗市環島路等路段。對污水處理廠尾水檢測分析（表1）后可知：1）大部分指標均可達到相應水質要求；2）總大腸菌群值超標嚴重，為滿足≤3個/L要求，必須強化消毒工藝；3）尾水采用紫外消毒，無總余氯。

中水處理工藝選擇主要基于如下幾方面考慮：1）現場場地較為狹小；2）設施要求安全性高，運行維護簡單，可自動化運行；3）確保尾水經處理后含有一定余氯；4）污染物濃度、色度進一步降低。對常見的尾水消毒工藝（紫外、加氯、二氧化氯、臭氧和電解消毒等）進行比選，結合尾水水質和處理后出水水質要求，確定采用納米催化電解+砂、碳過濾的處理工藝（圖2），設計并建設處理水量為300 t/d的中水回用工程。其中，納米催化電解機外形尺寸H1485mm×W820mm×D530mm，采用三相交流380 V供電，額定輸出直流電壓0~50 V，額定輸出電流0~1 000A，實際有效占地約10 m2。電解機每個電解槽的電解容積約7.2 L，電解停留時間一般控制在4s左右（根據實際進水量可進行調整），極板間距根據來水雜質顆粒大小一般選擇間距為4mm，極板交叉分布。

圖2　中水回用工程工藝流程Fig.2　Process chart of reclaimed water project

表1　污水處理廠尾水與電解后的出水水質指標Table 1　Water quality index of tail water and electrolyzed water of sewage treatment plant

該項目自2012年5月起連續2年多無故障運行，檢測結果表明各項出水指標達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質》GB/T 18920-2002道路沖洗水質要求（表1），且BOD5、色度和濁度均明顯下降，出水總大腸菌群數穩定小于3個/L。該項目運行能耗約0.78 kwh/t，運行成本約0.42元/t（包括提升單元），濾料成本約 0.24元/t，電解機能耗約0.1 kwh/t。電解機為電極串聯使用，采用恒電流控制，實際輸出直流電壓約17 V，輸出電流約170 A。

3.2小型污水處理站尾水消毒

因廈門市本島機場北側工業區部分企業排放污水問題，擬在機場北側車輛拆檢定損中心北側建設臨時污水處理站，主要處理附近約1 km2范圍內產生的約30 t/d污水。污水處理主體工藝采用一體式氧化溝，將傳統污水處理技術中的格柵、厭氧池、好氧池和沉淀池集成一體，大幅度減少用地面積；同時采用高效射流曝氣機，實現曝氣和推流；由于系統無內、外回流，無復雜自動化控制系統，對運行人員要求低。在消毒工藝的選擇上，考慮到污水處理站無人值守或僅設置設備看守人員的現狀，確定采用運行管理簡單的納米催化電解消毒工藝，在提供消毒功能的同時，可適當降低出水色度和濁度，也方便銜接后續中水回用工程。

該處理站設計規模為100 t/d，占地約120 m2，總投資約60萬元。污水處理工藝為一體式氧化溝+轉盤過濾+納米催化電解+超濾膜過濾（圖3），污水經沉砂、隔油后提升進入籃式格柵，除去大于15mm固體垃圾后，進入一體式氧化溝，經歷生物降解、過濾、電解消毒等處理過程，出水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級 B排放標準，再根據去向選擇外排或超濾后作為中水回用。（表2）

圖3　小型污水處理站工藝流程Fig.3　Process chart of small sewage treatment station

表2　小型污水處理站設計進、出水與實際出水水質指標Table 2　Design water quality index of inlet and outlet water of small treatment station, and the actual water quality index of outlet water

該項目中利用 NCE去除污水色度、產生微氣泡去除濁度和產生強氧化性自由基實現消毒功能，相比常規加氯和紫外消毒工藝，無需補充化學藥劑，設備簡單易操作，運行穩定。2012年11月項目運行以來，出水水質指標中的糞大腸菌群值穩定低于10 000個/L。該項目運行能耗約1.10 kWh/t，其中電解機能耗約0.09 kWh/t，因本項目處理水量較小，電解機采用單電解槽，且在電壓、電流控制上進一步優化，能耗較低。電解機實際輸出直流電壓約3 V，輸出電流約150 A。

3.3污水處理廠污泥處理減量

廈門前埔污水處理廠采用自主研發深度脫水工藝處理污泥，產生泥餅含水率<60%，泥質滿足《城鎮污水處理廠污泥處置 混合填埋用泥質》（GB/T 23485-2009）標準[6]，萬噸污水產泥量從傳統方法9.5 t降至5.4 t。為進一步降低污泥產量，擬利用納米催化電解技術處理剩余污泥，減少進入后續工藝的污泥絕干量，從源頭減少污泥產量。主要工藝流程（圖 4）與深度脫水工藝流程相似，區別在于剩余污泥先經納米催化電解處理，利用電解產生的自由基和其他氧化性物質破壞污泥細胞結構，使污泥細胞內物質和結合水溶出并釋放到溶液中，經提升進入重力濃縮池，隨上清液溢流進入生化池補充碳源，從而減少進入化學調質池的絕干污泥量。經測算，污泥電解后，絕干污泥量減少16%；濃縮池上清液性質發生顯著變化，但對污水處理工藝基本不產生影響，出水水質保持穩定（表3）。該項目電解質投加量相當于0.107 kg/萬t 污水，約64 元/萬t污水，該指標可進一步降低，并通過余氯濃度指示。

圖4　污泥納米催化電解處理減量工藝流程Fig.4　Process chart of sludge reduction by NCE treatment

表3　污泥經納米催化電解處理前后的泥質指標對比及污水處理廠進出水情況Table 3 Comparison of sludge quality index before and after NCE process, and the actual water quality of inlet and outlet

4　結　語

納米催化電解產生的氯、氧等自由基可使尾水脫色，有效殺滅水中病原菌，電絮凝效應可凈化出水水質，產生的氣泡可帶走部分固體懸浮物，對后續可能增加的深度處理過濾組件也可起到有效保護作用。在廈門污水處理廠中水回用、尾水消毒和污泥減量處理中的應用結果表明，該技術具有經濟實用、快速便捷、運行穩定和處理高效的優點，適合于城市發展對污水處理和節水技術的需求。雖然該技術的運行能耗較高，但相信隨著化學修飾電極技術的進步和對反應器結構的不斷優化，相應能耗會進一步降低，從而可以降低污水處理廠運行成本，為水資源可持續開發利用提供良好的技術支撐。

[1] Feng Y J, Li X Y.Electro-catalytic oxidation of phenol on several metal-oxide electrodes in aqueous solution[J].Water Research.2003, 37(10):2 399-2 407.

[2] 景長勇，張新生，霍保全，等.電催化氧化技術研究進展[J].工業安全與環保.2008, 34(3):1-3.

[3] Panizza M, Bocca C, Cerisola G.Electrochemical treatment of wastewater containing polyaromatic organic pollutants[J].Water Research.2000, 34(9):2 601-2 605.

[4] 申哲民，徐向榮.三維電極法和Fenton試劑法對染料廢水處理的效果比較[J].上海交通大學學報.2000, 34(11):1 531-1 534.

[5] 楊林，宋鑫，王玉軍，等.微電解預處理靛藍牛仔布印染廢[J].環境工程學報.2013, 7(1):268-272.

[6] 謝小青，黃珍藝，戴蘭華，等.廈門城市污泥深度脫水處理及資源化利用研究[J].中國給水排水.2010, 26(5):138-140.

（責任編輯：任萬森）

Application of Nano Catalytic Electrolysis Technology in the Field of Municipal Wastewater Treatment

HUANG Zhen-yi
（Xiamen Water Affairs Zhonghuan Sewage Treatment Co., Ltd, Xiamen, 361008, China）

The nano catalytic electrolysis (NCE) is a novel technology in the field of municipal wastewater treatment.The municipal wastewater treatment plant in Xiamen city was cited as typical engineering case of middle water reusing, tail water disinfection and sludge reduction .By analyzing the principles and factors that impactNCE, the applicability and feasibility of NCE was represented, and the future development orientation was also described.

nano catalytic electrolysis; municipal wastewater treatment; middle water reusing; sludge reduction

X703

A

1673-9159（2015）01-0095-04

2015-01-07

黃珍藝（1966-），女，高級工程師，主要從事污水、污泥處理，設備自動化控制等的研究。