電絮凝技術在水處理中的發展綜述

翟蘇皖，連瑛秀，朱曙光，3，胡昊，歐陽匡中

（1.安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽 合肥230601；2.城邑（北京）建筑設計院有限公司，北京100055；3.安徽省綠色建筑先進技術研究院，安徽 合肥230601）

1 電絮凝技術機理

電絮凝亦可被稱為電凝聚、電混凝，它是通過外電壓作用使金屬陽極氧化溶解成金屬陽離子，此類金屬陽離子于溶液中水解，并且聚合生成的氫氧化物和多核羥基絡合物，最終形成高分子絮凝劑，形成過程相似于化學混凝法。同時氫氧化物和絡合物表現出相較于一般藥劑法水解得到的氫氧化物的更強的吸附效果，溶液中的有機分子和膠體顆粒可被有效吸附去除，此外，水的離解和部分有機雜質被電解氧化可在反應中產生由氧氣和氫氣形成的氣泡，電解中產生的凝聚膠團和懸浮物被這些氣泡帶到水面，起到分離污染物的效果。當陽極板附近溶解的金屬離子與陰極附近氫離子被還原會產生的氫氧根離子接觸反應時，生成的物質可吸附水中的污染物質。

電絮凝技術去除水中污染物是一個較為復雜的過程，包含以下三個方面[1]：

①絮凝作用，反應過程中陽極金屬（一般為鋁或鐵）被消解，金屬陽離子會水解、凝聚生成大量吸附性強、活性高的多核水解產物，它有能產生很強的絮凝作用，此類產物與污水中的可溶性有機物、病毒、病菌、懸浮物、膠體等結合成可由沉淀或氣浮去除的體積更大的絮狀體；

②氣浮作用，反應過程中在在液體內部會生成較小的氣泡，污水中的污染物會和氣泡附著在一起，在氣體上浮到水面上時，污染物得以去除，因此，電絮凝過程中產生的小氣泡有較強的氣浮能力，可有效地除去水中污染物；

③氧化-還原作用，在高電流和高電壓情況下，會把水中的有機物氧化成小分子有機物，或者直接氧化為成CO2和H2O，陰極也會因發生電子交換而產生還原能力強的新生態氫，把水中污染物還原從而降解污染物。

2 電絮凝技術在水處理中的發展歷史

電絮凝技術應用于水處理領域已有100多年的歷史，Eugene Hermite于1887年提出了利用電極凈化廢水的理論，并把鐵作為陽極電解處理污水的技術申請了專利，基于該技術專利的污水處理廠在1189年于倫敦建成，這是歷史上首次將電流實際應用于水處理領域。1904年F.E.Elmore使用電絮凝技術處理選礦廢水并獲得專利。1909年，一種使用鋁-鐵電極處理污水的專利被美國政府批準，基于該專利的污水處理設施在圣莫尼卡和俄克拉荷馬城建成。1946年，電絮凝技術成規模應用于飲用水處理[2]。，起初，能耗高制約著電絮凝技術的推廣應用，業內人士并不看好電絮凝技術處理污水的應用前景,由于當時的電化學科學研究不深入，該技術的應用發展一度陷入停滯停滯。20世紀60年代，隨著電力工業的發展、電力成本的降低和電化學學科的迅猛發展，電絮凝技術的處理污水成本日益降低,該技術再次成為研究熱點。

3 電絮凝技術在水處理中的應用

3.1 在飲用水中除氟的應用

氟元素是人類體內必需的微量元素，人體所需的氟主要來自于飲用水，氟元素攝入過量和不足和均會對人體健康不良影響。人體內因缺氟可能導致齲齒和骨質疏松，攝入氟超標又會導致氟中毒，我國飲用水地方性氟中毒范圍廣、危害大，氟危害主要集中于北方。WHO認為飲用水中0.5 mg/L～1.5 mg/L的氟化物濃度對人體有益，我國目前飲用水氟含量長期超標的地區人口有7700多萬人，飲用水除氟已成為了電化學絮凝熱點研究方向。傳統的除氟方法有混凝沉淀、吸附離子交換、石灰沉淀法、反滲透、電滲析以及電絮凝等方式。電絮凝除氟過程是指在電解反應中由于陽極金屬溶解，產生的絮凝劑能夠吸附水中的氟離子。電絮凝技術能夠有效地降低應用水中的氟，比傳統絮凝劑水去除效果更好。但利用電絮凝技術去除水中的氟還有不足之處：耗電量大造成處理成本偏高，對于水質要求高，絮凝用時較長使處理效率偏低。

3.2 在印染廢水中的應用

未經處理的染料廢水中含有高致癌性的苯環類、偶氮基團類物質，若直接排放將造成嚴重的水污染，危害人類與動物的健康。電絮凝處理染料廢水原理是，在陰極附近有還原反應的發生，氧化型色素被還原成無色透明物質，降低色度；與此同時，強氧化性物質對發色體中的不飽和共軛鍵產生作用，把印染廢水中偶氮基團類物質降解，此外絮凝體的較大的比表面積可有效吸附水中的染料，具有良好的脫色效果。電絮凝過程中不僅可以生成對水中污染物有較強吸附作用的絮體，而且還可以產生具有較強氧化性的氫氧根等物質，可有效破壞有機物的發色基團并且降解有機物，從而使廢水的色度和COD含量得到降低。因此，業內人士逐步使電絮凝技術應用于有機染料廢水處理行業。

3.3 在造紙廢水中的應用

造紙生產過程中產生的廢水有黑液、中段水和白水。造紙廢水中的成分非常復雜，含有纖維素、木素、有機酸、助劑、油墨中溶出的有害物質和脂類等，造紙廢水中有很高的BOD和COD，色度、濁度都很高。由于造紙生產中的漿料、紙種、生產工藝、藥劑不同，廢水中污染物的含量和種類也不同。當下，國內外的傳統處理造紙廢水的方法有化學法、物理法和生物法。

電絮凝技術包含了水污染物與強電場的反應及因電場產生的氧化和還原反應，化學絮凝的陽離子與表面電荷的中和反應機理在電絮凝技術中都有體現，在電絮凝反應過程中，廢水中高達99%以上的重金屬離子被去除。電絮凝法適用于處理污染物較高的造紙廢水，無需預處理去除懸浮物,在較低電壓和電流條件下，安全性高，與化學絮凝法相比，成本低，廢水的COD去除率和濁度去除率可達60%和95%左右。這種技術于中小型紙廠的廢水處理應用中具有廣闊前景。

3.4 在制革廢水中的應用

隨著我國從業人員對制革產業全面且深入的研究，制革工業的迅猛發展，同時也導致了大量有毒有害污染物的產生，制革廢水中含Cr、硫化物、COD、大量的懸浮物導致其污染較高。制革工藝中廣泛添加的各類藥劑使廢水中包含大量對環境及人體有害物質，如處理不當或隨意排放都會造成不可逆的環境污染惡果。隨著人們對皮革制品的消費需求增大，皮革產量連年攀升，導致廢水排放量逐年增大，這迫切需要我們針對廢水排放問題有效管控。政府為了保護自然生態和老百姓的身體健康，不斷加大環保力度，制定相關行業標準并將工業排水中污染物的標準限值降低，據《制革及毛皮加工工業水污染物排放標準》（GB30486-2013）可知，pH值為6-9、CODCr小 于100 mg/L、總鉻小于1.5 mg/L BOD5小于30 mg/L。由于相關排放標準的不斷提高，不僅要盡可能的提高水資源利用率，減小水資源的使用量，還需盡可能使制革廢水達到行業排放標準，這為廢水處理的工藝和方法的創新及選擇帶來挑戰和機遇[3]。用優勢菌與電絮凝方法相結合的方式處理山東某制革廢水中的有機物和鉻，其中電絮凝反應中使用鋁鈦作為陽極效果最佳，電壓5 V，電流800 A/m2，反應30 min時，COD去除率為83.38%，總鉻去除率可以達98.88%，Cr(III)去除率甚至達到98.93%，完全能夠滿足《制革及毛皮加工工業水污染物排放標準》（GB30486-2013）中規定的排放標準。

3.5 在生活污水中的應用

污水中存在大量的磷酸鹽與氨氮會導致水體富營養化，造成藻類大規模增殖。這一現象將對湖泊、河流、水庫以及沿海地區產生影響，也是近幾年造成嚴重的水污染問題原因之一。因此，對于控制富營養化，去除磷酸鹽與氨氮是十分必要的。馬度度等[4]采用鐵、鋁電極進行電化學除磷，在電極間距為1cm、2cm和5cm時，磷的去除率分別為92.2%、92.0%和89.0%。在pH為5，電解時間為55min，除磷率達到了89.2%。當電流密度從8.68 mA/cm2升到13.88 mA/cm2時，除磷率從61.0%增加到91.0%；處理條件為銅/鋅電極、電流密度18.32 mA/cm2，極板間距1.1cm、溫度40℃、氯化鈉濃度0.5g/L、COD濃度185 mg/L和處理時間30 min時，氨氮去除效率最優（接近100%）。

4 電絮凝技術的改進

4.1 改進電源技術

在直流電絮凝設備長時間運行后，電極易出現鈍化從而使能耗變高。擴散傳質是電極附近的主要傳質形式，當溶解的金屬陽離子來不及擴散到溶液本體的情況下，便形成了濃差極化，電極表面形成可以阻礙電極反應進一步進行的致密的氧化膜，從而造成電極鈍化的現象。為避免此現象，業內嘗試過多種辦法，其中脈沖電通過重復進行供電與斷電，電解效率得到有效提高，能耗有所降低。林輝[5]利用脈沖電源電解的方式消除鋁陽極絮凝的鈍化現象，在達到相同高的CODCr和油的去除率的情況下，有助于提高電解效率，脈沖電絮凝工藝的耗能比直流電絮凝工藝低了30%。

4.2 采用新型電極材料和電極結構

電極材料方面，可以用不溶性陽極代替傳統的金屬陽極材料鐵和鋁，有以鈦為基體并用熱沉積氧化法或者電鍍法引入活性層作為陽極的，例如鈦鍍二氧化鉛、鈦涂含銥元素涂層等等。此類涂層擁有良好的導電性、能夠耐腐蝕、具有較長的使用壽命，而且無需更換電極，可以對有機污染物的氧化起到較好的電催化作用。炭纖維—鐵復合電極已在處理印染、染料、造紙等廢水中應用。同時，三維電極也是一個重要的研究方向，三維電極即是在傳統的二維電極間裝填粒裝或其他碎屑狀工作電極材料，使裝填材料表面帶電，變為能夠在工作電極材料表面發生電化學反應新的一極，使電解槽面體比增大，離子間距減小，因此具有較高的傳質效率和電流效率，應用三維電極處理印染廢水、重金屬廢水、焦化廢水等已成為較為成熟的技術。

4.3 與其他工藝的結合

水處理中單一的使用電絮凝技術可能無法達到相應的處理標準，亦或是僅僅使用電絮凝技術效率太低和費用較高，所以多種工藝相結合的方法既能達到低耗費也能達到高效率的效果。因此，使電絮凝技術與其他水處理技術相結合的工藝是目前及今后的發展方向之一。

5 結語

電絮凝技術在水處理中的應用有很長時間的歷史，在水處理領域已經得到了廣泛的應用，是一項很有前途的技術。通過改善技術，采用新型電極材料和電極結構，與其他水處理工藝相結合結合，進一步降低成本，提高處理效率是電絮凝技術的未來趨勢。