難降解廢水生物電化學系統強化處理探討

文_劉新鋒 山東新和成氨基酸有限公司

電化學氧化法是處理難降解廢水的一種常用方式，效果顯著，為此，文章結合微生物電化學系統的內涵，就難降解廢水生物電化學系統強化處理問題進行分析。

1 微生物電化學系統

微生物電化學系統是指應用EAB作為基本催化劑來催化電極表面電化學反應的體系。這類體系中細菌組織可以通過特定的細胞蛋白、細胞組織結構、可溶性的氧化還原介質來實現電子在固定電極和細胞之間的傳遞、轉換。和傳統意義上的生物催化劑相比，微生物電化學系統具有比較強烈的復制性、多樣性、自我性的特點，因而在難降解廢水處理工作中得到了人們的廣泛關注。

按照EAB中電能是輸入還是輸出系統，微生物電化學系統可以細化為微生物燃料電池和微生物電解池兩個類型。在微生物燃料電池中，陰極表面的氧化還原反應電勢會超過陽極表面氧化反應電勢，電池反應中的電勢差也會超過0，在自由能低于0的時候反應器會自動向外地輸出電能。在微生物電解池中，陰極表面還原反應電勢會低于陽極表面氧化反應的電勢，電池反應電勢差低于0。

按照電子在EAB和電極間的移動方向也可以將EAB中的電極劃分為生物陽極和陰極兩個類型。在陽極中，EAB會將電極作為承載體，在這個承載體的作用下對一些有機物或者無機物的電子傳遞介質氧化處理。

2 影響電化學氧化過程的因素分析

2.1 陽極材料

鐵質陽極腐蝕之后不僅會出現催化氧化反應，而且還會作為絮凝體降低COD的含量。在整個反應發生的時候會實現電絮凝和氧化介質的反應耦合。

陽極電極具備良好的催化活性，在使用的時候能夠降低有機物的含量，但是其礦化小分子中間體不會發生完全的反應RuO2和IrO2介質會整合形成一個高階氧化物，在氧化物的作用下能夠增強電極活性。

和其他電極相比，導電金剛石電極還具備良好的穩定性，在使用的時候能夠產生大量的.OH介質含量，和其他介質相比對微生物的處理效率比較高，且反應過程比較穩定。在FDOI-LC型的電化學反應器中BDD膜電極對甲酚的去除率比較高。在兩極滴濾塔中，拉西環式的填料膜電極能夠完全礦化石油廢水，并降低出水生物的毒性。將BDD晶體顆粒移動到Ti基質上，非導體硅包覆蓋在顆粒之間的空位上不僅能克服氫脆、碳化雜質隨意產生的缺陷，而且還能夠控制顆粒之間低密度。

2.2 反應條件

Fe3+和Fe2+離子催化。間接氧化時陽極生成的H2O2和Fe2所打造出的試劑氧化體系是羥基自由基的重要來源，從實際操作上來看，Fe2+陰極再生和電極材料的選擇存在密切的關聯，擴散陰極產生的介質會被Fe還原。在BDD-碳氈電極對中，受陽極直接氧化能力較強的影響，Fe2+會被加速氧化，.OH介質會減少，總體氧化作用會減少。由此可以發現，伴隨Fe2+濃度的提升，介質的后期礦化現象會抑制，介質的濃度不會受到最開始價態的影響。

2.3 溶液中的陰離子

Cl通過陽極氧化反應會形成Cl2這類介質，并在反應一段時間之后會形成次氯酸，在形成次氯酸之后會和后續的有機物發生深刻的反應。為了能夠提升電解質的效果，提高降解效率，可以適當的提升Cl的含量。

2.4 溶液酸堿值

電極表面發生氧化反應的時候，有機物、無機鹽、水這三類成分會互相反應和競爭，在彼此的競爭下會使得電極周圍的OH-和H+的濃度發生深刻的變化，最終也會影響溶液的酸堿值。在堿性條件下礦化生成的二氧化碳會形成碳酸鹽。與此同時，溶液酸堿數值還會對Fenton產生比較明顯的氧化反應，并在發生氧化反應的同時降低礦化的效率。在酸性條件下，水分和氧氣還會出現電子競爭，而在堿性條件下，陰極反應會還原出氫氣，OH-和Fe3+發生Fe（OH）3沉淀，由此體系中的Fe2+也會受到抑制，最終會對.OH產生不利的影響。

3 電化學氧化法處理生物難降解有機化工廢水的對策

在一般情況下，應用電化學氧化還原方式降解化工廢水中的有機物可以具體劃分為陽極表面和周圍的直接氧化兩個類型，在具體處理的過程中所有試驗操作都會受到陽極材料的影響。在生產加工方面常用的陽極材料分為活性材料和非活性材料兩種?；钚圆牧想姌O在電化學反應的時候表面上的物質會和氧氣直接發生關聯，材料的組合成分由此也會受到影響。非活性材料電極在電解的過程中僅僅是作為電子的重要接收體，在具體加工的時候組成成分會發生變化。

3.1 直接電氧化的處理方式

直接電氧化一般是指有機污染物在電極表面電子的直接傳遞和電極表面上出現了比較強烈的氧化劑反應，在反應的作用下被氧化成毒性較低或者容易被生物降解的物質，進而微生物將有機物直接氧化變成無機物。

污染物在陽極電氧化操作的時候可以通過在陽極上生成的物理吸附活性氧完成操作，也可以通過化學吸附活性氧來完成一系列的操作。吸附態的OH會和有機物出現電化學的燃燒反應，這一系列的反應包含脫氫、親電加成，在這些反應的作用下能夠將有機物降解處理，最終實現有機物的礦化發展。如果吸附態OH能夠和氧化物的陽極出現速度比較快的氧化反應，氧氣會從OH時候能夠快速轉移到氧化物的陽極晶格上，最終發展形成高價的氧化物。

3.2 間接電氧化

間接電氧化是指借助電化學反應產的強氧化劑來將一系列的物質傳遞到本體溶液中，這些溶液會和污染物出現反應來實現對介質的降解。間接氧化能夠在很大程度上發揮出陽極直接氧化的作用，同時在這個過程中還會產生氧化劑，因而能夠提升污水的處理效率。常用的間接電氧化包含以下幾個形式。

3.2.1 中介電氧化

在發生中介電氧化的時候穩定的金屬離子會在陽極上被氧化形成具備反應活性的不穩定高價態離子，這些離子能夠直接氧化被降解的污染物，或者還能夠在溶液中通過反應來生成烴基，由此破壞有機污染物，通過一系列的反應操作來達到降解有機物的作用。中介電氧化發生反應之后能夠有效降解二氧化碳、一氧化碳，且對這些污染物的降解率達到了98%的比例。但是需要注意的是，中介電氧化氧化能力和介質對應的電極電位存在關聯，需要在酸性環境下完成操作，但是在反應的過程中容易受到二次污染。

3.2.2 生成次氯酸酸根

如果溶液中含有Cl，會通過電化學氧化氯化物生成次ClO-降解有機物的方式來去除其中的雜質。電解產生的ClO-間接氧化在電化學氧化過程中起著十分重要的作用，且重新生成的ClO-會被人們應用到廢水和垃圾滲濾液的處理中。

3.2.3 生成H2O2

污染物能夠被電化學反應，還能夠被反應之后新生成的H2O2氧化降解，在發生反應的過程中應用多孔碳-聚四氟乙烯氧擴散電極來作為陰極。氧氣在陰極的電化學還原反應作用下會生成新的H2O2。

從實際應用角度來看，H2O2是一種強度比較高的氧化劑，在使用的時候能夠氧化有機污染物，在廢水中加入Fe2+這類介質會在芬頓反應的作用下產生比較強烈的氧化劑——烴基自由基，在OH的作用下能夠提升H2O2的總體氧化能力。

4 結語

電化學氧化反應是在近幾年發展起來的一種有效的廢水處理方式，經過一段時間的發展，人們將注意力集中在改進電極和反應器的響應下， 但是在具體實施操作的時候很少對微生物電化學催化劑研發和制作予以指導，很少對生物電極結構、反應器的設計操作問題進行研究，對生物電化學氧化處理有機污染物效果的認識停留在宏觀意義上COD、BOD和污染物濃度變化的獲得上，很少從生物電化學層面上對降解機理進行研究和報道。在經過一系列的分析研究發現通過打造滿足微生物電化學處理有機物過程的數學模型，從而為實際意義上的生物電化學系統處理有機污染物提供支持，具有十分重要的指導意義。