電絮凝在廢水處理中的研究及應用

劉海燕

（沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

“十四五規劃”對改善水環境質量，開展污水處理差別化精準提標提出全新的要求。開發可靠和環境友好的廢水處理技術逐漸成為研究熱點，傳統的化學法需要向水中添加一些化學物質，易產生二次污染，這使得近些年電化學技術不斷興起和完善。電化學法處理廢水時，根據原理與方法的不同主要分為電化學氧化法、電絮凝和電滲析法等[1]。電絮凝法[2]由于其污泥產量少、不需要化學添加劑、環保、占地面積小、成本低、易操控等特點被廣泛應用到廢水以及飲用水處理行業，尤其是廢水處理中的重金屬廢水[3]、含油廢水[4]、含磷廢水[5]。

1 電絮凝的作用機理

電絮凝法的實質是在外加電源的條件下，使作為陽極的常用可溶性金屬電極通過電解產生金屬陽離子并溶解在溶液里，最常用的電極為鐵或者鋁，在堿性環境下通過水解、聚合反應與氫氧根反應形成絡合物，這些絡合物具有良好的吸附和凝聚作用，從而將污染物去除。電絮凝技術處理廢水中污染物的作用機理大體可分為3 種，主要體現在絮凝沉淀作用、氧化還原作用和氣浮作用。其中絮凝沉淀作用主要體現在產生絮凝劑這一過程。陰極極板上產生微小的氫氣泡也會吸附在絡合物表面，使絡合物上升至電解液表層，起到氣浮作用，從而實現去除污染物的目的。

通電后，陽極就可作為電絮凝電池中的絮凝劑，陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應，主要反應式如下[6]。

2 電絮凝的優缺點

2.1 電絮凝的優點

1）反應中不需要額外加藥，不存在二次污染的可能性，電絮凝劑是由電解氧化金屬陽極生成的金屬離子通過水解、聚合反應與氫氧根反應原位生成的氫氧化物。

2）經過EC 處理后的廢水相對其他工藝而言，色度濁度均較低且無味。

3）EC 法要求pH 值在3～10 的范圍內，處理效果好，pH 值可操作范圍寬。

4）EC 過程電力控制，設備與維護管理簡單，易于操作，有望實現自動化。

5）EC 法污泥產量低且沉降性能較好，便于固液分離。

2.2 電絮凝的缺點

1）犧牲陽極在電解體系中不斷被損耗，因此需要定期更換極板以確保反應正常進行[7]。

2）電解過程中陽極易形成包裹極板表面的氧化膜，使極板與溶液接觸面積減少，阻止陽極溶解，造成極板鈍化。陰極鈍化也會導致電絮凝處理效率降低。

3）EC 對處理水的導電性有一定要求。

3 電絮凝法在廢水處理中的應用

3.1 重金屬廢水

重金屬廢水是電鍍廢水中污染最大的一種，含有各種有毒有害重金屬物質，如銅、鉻、鎘、錳、鋅等。EC 由于操作簡單、出水水質較好、易于固液分離、污泥產量低等優點被作為一種有效的處理重金屬廢水的方法。張欣[8]等探討了電絮凝法對鋼鐵廠鍍鎘廢水中Cd2+的處理效果，主要考察了起始pH、極板電壓、極板間距和電流密度這4 種因素對電絮凝法去除Cd2+能力的影響。當起始pH=4.0、極板電壓為5 V、極板間距為20 mm、電流密度為30 mA·cm-2時，三級去除率超過99.9%，表明采用電絮凝法處理鍍鎘廢水的實驗效果佳，且處理廢水中Cd2+的含量可以達到國家現行電鍍污染物排放限值要求。譚超雄[9]等通過實驗研究電絮凝法處理含銅鉻電鍍廢水的處理效果，實驗中電絮凝裝置采用穩壓直流電源，有機玻璃制成的電解槽，Al 作為陽極，Fe 為陰極。結果表明，Cu 在pH 大于4 后具有較高去除率，而Cr 在pH 小于8 時去除效果較好，也就是說控制pH 值為4～8 時，Cu 和Cr 的去除率分別達到90%和80%以上。楊國超[10]等采用電絮凝法處理某企業堿性含鉈重金屬廢水，實驗裝置主要包括直流電源、反應器、增氧泵、水泵。結果表明，當起始pH=10.0、通電時間10 min、極板間距1 cm、電流密度6.25 mA·cm-2的最優條件下，廢水中錳質量濃度經處理后達到1.0 mg·L-1以下，鉈質量濃度經處理后達到5.0 μg·L-1以下，符合《無機化學工業污染物排放標準》( GB31573—2015)排放要求。這表明電絮凝法同時深度去除重金屬廢水中錳和鉈是可行的。

3.2 含油廢水

含油廢水的來源十分廣泛，不僅包括油田開采工業產生的大量含油廢水，還包括紡織工業、輕工業產生的少量含油廢水。油類以浮油、乳化油、溶解油等3 類形式在廢水中存在[11]，若不加處理就排放到自然界，對農作物生長、水體復氧有著嚴重的抑制作用。EC 處理含油廢水，處理效果良好，產生的浮渣量相對較少，陰極生成的H2對通過浮選去除污染物起到促進作用[12]。劉楊[13]等采用電絮凝法處理自行配置的含油廢水，首先探討溶液pH、極板間距等影響因素對除油率的影響，然后考察電流密度對電絮凝裝置中豎直方向A、B、C 3 層溶液除油率隨著反應時間的變化趨勢。結果表明，在pH=7、極板間距1 cm、電流密度150 A·m-2、NaCl 投加量2 g·L-1的條件下位于溶液中上部的A 層溶液的除油效果最好，除油率為96.05%。楊婷婷[14]采用自制的電絮凝裝置分別處理間歇式及流動式油田壓裂廢水，探究電絮凝裝置降解COD 的影響因素，在pH=7、極板間距0.07 cm、電流密度70 mA·cm-2、容積比為1∶1.2 的條件下反應70 min 后，對間歇式壓裂廢水COD 去除率為84.75%，經正交實驗優化后去除率達到 90.55%。其他條件相同，流速20 mL·min-1，反應5 min 后，對流動式壓裂廢水COD去除率為62.77%。經過對比，流動式處理方法優于間歇式且兩種方式處理壓裂廢水均符合一級反應動力學方程。武捷[15]等采用以Al 為電極的直流電絮凝-氣浮法處理乳化油廢水并優化工藝條件，結果表明，在 pH=3、極板間距 1.5 cm、電流密度12.47 mA·cm-2、反應50 min 后，除油率為96.01%，COD 去除率為95.28%。IBANEZ[16]等以Fe 為陽極的電絮凝裝置處理油水乳化液，并對電絮凝的原理進行了探究，在裝置運行30 min 后，油滴從水相中分離出來，出水清澈且黏度得到了有效降低。

3.3 含磷廢水

磷是自然界動植物生長發育必備的元素[17]，越來越多的含磷產品走進人們的生活。含磷產品生產和使用過程中所產生的含磷廢水導致水體富營養化、降低土壤性能、污染地下水。種種危害表明除磷刻不容緩，EC 產生的多核羥基化合物具有吸附性，因此可以較好去除水體中的磷。王銳[18]分別采用電絮凝法、石灰沉淀法、電絮凝-石灰組合工藝處理含磷酸鹽廢水，在pH=3、極板間距1 cm、電流密度10 mA·cm-2、電絮凝30 min 的條件下，TP 的去除率約為72.8%。用石灰沉淀法處理電絮凝出水，投加量為2 g·L-1，停留時間20 min，TP 的去除率大于99.99%。張吉庫[19]等采用Fe 作陽極、Ti 作陰極的電絮凝裝置結合活性焦曝氣技術處理含磷廢水，在極板間距為4 cm、電流密度20 mA·cm-2、活性焦質量濃度0.45 g·L-1、裝置運行40 min 后，磷的去除率為89.19%。

4 電絮凝技術的改進

4.1 改進供電方式

把直流電源更換為脈沖電源可以解決電絮凝過程中極板鈍化的問題。徐國仁[20]等采用高壓脈沖電凝技術處理鍍鎳廢水，處理效果顯著。許丹陽[21]采用脈沖電絮凝處理農村飲用水中的重金屬離子，對Cu、Zn、Pb 的去除率均大于90%。

4.2 改進電極形狀

把二維電極用三維電極材料代替可以提高傳質效率，增大接觸面積。石梁[22]等用電絮凝-三維電極組合工藝對高濃度對氰基苯酚廢水進行預處理，預處理出水中氨氮、TP 的去除率分別達到66.63%和56.71%，有利于廢水的后續深化處理。

4.3 改進電極材料

采用不溶性陽極，不僅導電性能良好、耐腐蝕、壽命較長，而且這類電極在反應中可以發揮電絮凝、電催化兩種效應。亓振蓮[23]采用雙鐵電極的新型電絮凝系統處理有機污染物，提高了總磷的去除率并降低了反應能耗。

5 結束語

本文采用電絮凝方法處理了常見的3 種廢水，是一種緊跟時代發展趨勢的環保型水處理工藝，近幾年被更加廣泛的應用，具有無二次污染、污泥量少、易于操作等優點，在廢水處理中展現了優越性[24]。為進一步發揮電絮凝的綜合作用，應從電極的材料、電源、裝置3 方面不斷強化電絮凝技術，以提高對實際廢水的處理效率。