淺談化工安全生產(chǎn)中電化學(xué)水處理技術(shù)的應(yīng)用

張 俊

（中電環(huán)保股份有限公司，江蘇 南京 211100）

引言

綠色可持續(xù)發(fā)展作為現(xiàn)代化社會的核心發(fā)展理念，更是指導(dǎo)我國經(jīng)濟活動開展的關(guān)鍵方向。化工行業(yè)作為我國的支柱型行業(yè)，不僅給社會經(jīng)濟帶來了重大貢獻，同時也引發(fā)了諸多環(huán)境污染問題。所以，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，提高企業(yè)的核心競爭力，化工企業(yè)就需要加強對電化學(xué)處理技術(shù)的研究和應(yīng)用，以有效地優(yōu)化生產(chǎn)流程，減少污染。

1 電化學(xué)水處理技術(shù)的原理分析

電化學(xué)水處理技術(shù)的原理是基于電解過程中的氧化還原反應(yīng)和電極上的電化學(xué)反應(yīng)。通過在適當(dāng)?shù)碾姌O材料上施加電壓或電流，可以引發(fā)反應(yīng)，并使污染物發(fā)生化學(xué)變化，從而達到凈化水質(zhì)的目的。其中，直接與間接電解是兩種常見的方法。前者是指將廢水中的污染物直接在電極上進行化學(xué)反應(yīng)或被還原，以實現(xiàn)廢水的凈化。在陽極，污染物會被氧化為較小毒性的物質(zhì)，或是轉(zhuǎn)化為更易生物降解的物質(zhì)。而在陰極，基于還原脫鹵等方法，污染物會在陰極上被還原去除。間接電解則是利用電化學(xué)生產(chǎn)的氧化還原物作為催化劑參與反應(yīng)，從而將污染物轉(zhuǎn)化為毒性較低的物質(zhì)[1]。間接電解具體包括可逆和不可逆過程。在可逆過程中，氧化還原物質(zhì)可以通過電化學(xué)再生和循環(huán)利用。而在不可逆過程則基于不可逆的電化學(xué)反應(yīng)生成（次）氯酸鹽等中間體來去除污染物。

2 電化學(xué)水處理技術(shù)類型

2.1 電氧化法

該方法通過在電化學(xué)過程中施加高電位，使陽極產(chǎn)生的活性氧化物能與溶液中的有機和無機物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，將其降解為無害物質(zhì)，從而達到凈化水體的目的。這種方法不僅可以處理廢水中的有害化合物，還可以達到殺菌和脫硫的效果，對于工業(yè)廢水處理具有重要意義，特別適用于處理電鍍工廠廢水中有害物質(zhì)。針對湖水內(nèi)的細菌，可采取直接氧化方式，施加高達10 V的電壓，由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的活性物質(zhì)能迅速氧化并滅活水中的微生物，從而實現(xiàn)對水質(zhì)的快速凈化。這種方法反應(yīng)效率高，能夠在短時間內(nèi)顯著改善水質(zhì)，比較適用于需要緊急處理的水體污染。此外，間接氧化是一種利用銀離子、碳酸根離子和亞鐵離子等物質(zhì)作為氧化介質(zhì)，在陽極對苯、苯酚與油等難降解的化學(xué)活性物質(zhì)進行降解的方法。實驗表明，這種方法具有較高的反應(yīng)效率，能夠有效地降解復(fù)雜的有機污染物，為處理工業(yè)廢水和污染水體提供了一種有效的技術(shù)手段。通過選擇合適的氧化介質(zhì)和優(yōu)化反應(yīng)條件，使間接氧化在水體凈化和環(huán)境保護方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 電還原法

化工廢水中存在高濃度的重金屬元素，是一種對環(huán)境具有潛在危害的廢棄物。為了實現(xiàn)資源循環(huán)利用和環(huán)境保護的目標(biāo)，化工企業(yè)應(yīng)采取有效方法回收廢水中的重金屬。電還原法常應(yīng)用于氯化烴的還原脫氯以及重金屬的回收中。該方法利用電化學(xué)反應(yīng)原理，將氯化烴作為還原劑，通過與廢水中的重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，將其還原成相應(yīng)的金屬元素。同時，氯化烴也能被氧化為氯化氫，在此過程中起到脫氯的作用。在電還原過程中，廢水被置于電解槽中，通過施加合適的電流和電壓，使廢水中的重金屬離子在電極上還原成金屬，并于電極發(fā)生沉積。同時，氯化烴也被還原為氯化氫并釋放出來[2]。

電還原法的優(yōu)點如下：首先，是一種成本相對較低的方法，相比于其他技術(shù)所需的設(shè)備和能源消耗較少，從而降低了回收過程的經(jīng)濟負擔(dān)。其次，電還原法的回收效率較高，能夠從廢水中提取高純度重金屬，使回收后的金屬可以直接應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)資源的有效利用。此外，電還原法還具有操作簡便、工藝穩(wěn)定等特點，使其在實際應(yīng)用中具有廣泛的可行性。

2.3 電凝聚法

電凝聚法是一種使用電解技術(shù)進行水處理的方法，該方法可以從鐵屑與鐵板中生成（亞）鐵離子，從鋁板中生成鋁離子，并在此環(huán)節(jié)有效去除污染物。通過亞鐵離子氧化成鐵離子的機理溶解水中的鐵，并基于其與新生態(tài)氧和溶解氧的不溶性陽極反應(yīng)完成水處理。在化工安全生產(chǎn)的供水系統(tǒng)中，電凝聚法可以有效地溶解鐵，并將其轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵的膠體。同時，這種方法能夠通過砂濾除去氫氧化鐵膠體，凈化水質(zhì)。此外，氫氧根的存在還會提高溶液的酸堿值，進一步促進水質(zhì)的凈化。電凝聚法具有非常明顯的優(yōu)點，其中一個最大的優(yōu)點就是不需要添加任何化學(xué)藥劑，因此對環(huán)境的影響非常小，且可以減少水處理過程中的污染物排放。另外，由于該方法僅適用于小規(guī)模的供水系統(tǒng)，因此可以減少能源和材料的浪費，對環(huán)境的影響更小。此外，電凝聚法還具有較高的COD、SS與色度去除率，有效地提高水質(zhì)[3]。

2.4 電氣浮法

電氣浮法是通過電解產(chǎn)生的氧氣和氫氣在陽極和陰極上生成微小氣泡，這些微氣泡能夠有效地粘附在廢水中的膠體或絮體上，使其浮到水面，實現(xiàn)廢水的處理和凈化。電氣浮法具有出色的廢水處理效果。據(jù)相關(guān)研究得知，此方法可達到94%的脫色率，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)98%的SS去除率，75%的COD去除率。此外，該方法還能夠高效地去除浮油，去除率可高達95%；對乳化油的去除率可達92%；對LAS（線性烷基磺酸鈉）的去除率達到91.2%。

2.5 電化學(xué)脫氮技術(shù)

該技術(shù)主要是利用電極或外加電場進行物理化學(xué)反應(yīng)，去除廢水中的氨氮等污染物，從而降低水體污染程度。與傳統(tǒng)化學(xué)處理技術(shù)相比，電化學(xué)脫氮技術(shù)具有許多優(yōu)點。首先，該技術(shù)無需使用任何藥物試劑，完全依賴于電極和電場的作用，因此對環(huán)境沒有任何污染。其次，電化學(xué)脫氮技術(shù)操作簡單、易于控制，能在短時間內(nèi)高效地處理污水，節(jié)約了大量時間和成本。在電解脫氮過程中，溶液中生成的羥基自由基是實現(xiàn)脫氮的關(guān)鍵。羥基自由基具有較高的氧化性，能夠高效地除掉污水中的雜物，同時也能將氨氮等氮源物氧化為無機氮。此外，溶液中產(chǎn)生的氯離子會發(fā)生氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氯氣與氯酸根離子，這兩者都有較強的氧化性，能夠直接氧化并去除污水內(nèi)的氨氮物質(zhì)。在聯(lián)合應(yīng)用電解法與生物法時，電解形成的氫氣和污水中的氨氣參與反硝化，將NH3-N作為電子供體，NO3-N作為電子受體，產(chǎn)物為氮氣。該方法不僅能高效去除污水中的氮源物，還可以通過微生物的作用，降解污水中的有機物質(zhì)，實現(xiàn)廢水的全面凈化。

2.6 微生物電解池(MEC)

微生物燃料電池產(chǎn)氫(MEC)是在微生物燃料電池(MFC)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的有潛力的產(chǎn)氫技術(shù)，是利用外部電源，使微生物能夠在特定反應(yīng)條件下產(chǎn)生特定的化學(xué)產(chǎn)物。相對于MFC而言，MEC在調(diào)整微生物生存環(huán)境和反應(yīng)所需的電化學(xué)參數(shù)方面更加高效，因此能夠利用反應(yīng)器的動力學(xué)和熱力學(xué)性能。在MEC體系中，電化學(xué)活性微生物能夠?qū)⒌孜镅趸尫懦鲭娮拥疥枠O，這些電子再通過外部電壓電路傳輸?shù)疥帢O，并與電子受體聯(lián)合，引發(fā)陰極上的還原反應(yīng)。此過程實現(xiàn)了電子流動的閉環(huán)，促使發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件和微生物種類，MEC可以處理各種常見的有/無機物與難降解的污染物，并取得了理想的處理效果。與傳統(tǒng)廢水處理方法相比，MEC具有多種優(yōu)勢。首先，MEC能夠有效地控制微生物的生存環(huán)境，包括pH值、溫度等，提供了更為適宜的條件供微生物活動。其次，通過引入外部電源，MEC可以精確地調(diào)節(jié)反應(yīng)器的電化學(xué)參數(shù)，如電流密度和電極電位，優(yōu)化了反應(yīng)過程，提高了處理效率。此外，MEC還能夠有效地減少能耗。傳統(tǒng)廢水處理方法會消耗大量能源，而MEC是利用微生物的代謝活動產(chǎn)生電流，降低了對外部能源的依賴，有助于減少能源消耗和運營成本，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。隨著對反應(yīng)器規(guī)模、工藝和反應(yīng)機理的深度研究和改進，未來將會使更高效、更穩(wěn)定的MEC系統(tǒng)應(yīng)用于廢水處理廠和其他環(huán)境領(lǐng)域，創(chuàng)造出更清潔、更可持續(xù)的生活環(huán)境[4]。

2.7 電滲析法

電滲析法是一種利用離子交換膜和直流電壓的水處理技術(shù)，旨在實現(xiàn)水中離子的選擇性透過和遷移，以達到雜質(zhì)分離和過濾的目的。這種方法相較于傳統(tǒng)水處理方法具有許多優(yōu)點：（1）由于離子交換膜具有優(yōu)異的離子選擇性，可以根據(jù)離子大小、電荷和溶液的濃度等特性控制離子的通過程度，所以可以高效地分離水中的雜質(zhì)離子與有用的離子。（2）電滲析法是通過施加直流電壓來實現(xiàn)離子的遷移，因而能耗相對較低。（3）由于離子交換膜的選擇性和直流電場的作用，電滲析法能夠?qū)崿F(xiàn)高效的離子遷移和分離，因而可以在相對較短的時間內(nèi)處理大量的水，達到高度純凈的水質(zhì)要求。因此，電滲析法在工業(yè)廢水處理、海水淡化和飲用水凈化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3 電化學(xué)水處理技術(shù)在化工生產(chǎn)領(lǐng)域的具體應(yīng)用

3.1 有效控制系統(tǒng)過濾器

在實際操作過程中，工作人員應(yīng)根據(jù)水質(zhì)狀況和處理要求合理增加過濾器的數(shù)量和規(guī)格，確保達到預(yù)期的過濾效果。許多電廠采用單流式過濾器作為主要過濾設(shè)備，所以要定期進行行反洗操作。在反洗時，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)那逑捶绞胶头聪唇橘|(zhì)，如水反洗、氣擦洗等，并注意反洗時間、流量與壓力等參數(shù)的掌控。此外，還需要建立反洗記錄和管理機制，及時發(fā)現(xiàn)和解決反洗過程中出現(xiàn)的問題，確保過濾器的正常運行。在過濾器自動控制方面，要針對不同的過濾器類型和運行情況選擇合適的控制方法。例如，在單流式過濾器中，可以利用在線濁度儀發(fā)出指令傳輸?shù)椒聪催壿嬛校瑢崿F(xiàn)對過濾器的自動反洗控制。在操作過程中，需要定期校準(zhǔn)濁度儀并設(shè)置反洗閾值，保證自動控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。在過濾器控制系統(tǒng)中還應(yīng)加入備用機位狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)警裝置等設(shè)備，確保過濾器在故障情況下能夠及時切換到備用狀態(tài)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 分析持久性有機污染物的污水處理技術(shù)

化工廢水中的有機污染物，尤其是持久性有機污染物，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重威脅。其中，重金屬是一類特別引人關(guān)注的污染物，因為其具有高毒性和潛在的長期積累效應(yīng)。直接排放含重金屬的廢水會使水體受污染，而生物體吸收這些重金屬后，可能引發(fā)中毒甚至致命。電化學(xué)方法利用電解反應(yīng)原理，通過施加電流引發(fā)氧化還原反應(yīng)，實現(xiàn)有機污染物的降解和重金屬的去除。在電化學(xué)處理技術(shù)中，催化劑具有關(guān)鍵作用，能夠促進氧化反應(yīng)，產(chǎn)生具有強氧化能力的羥基自由基，迅速分解廢水中有機污染物，包括持久性有機污染物。而且，催化劑還能改變有機物污染物的性質(zhì)，使其更容易降解和去除[5]。

3.3 處理硝基苯類化合物廢水的電化學(xué)處理技術(shù)

在處理硝基苯類化合物廢水時，傳統(tǒng)的水處理技術(shù)效率較低，而且往往需要耗費大量時間和資金，而電化學(xué)水處理技術(shù)具有高效率、快速降解等優(yōu)勢，能夠高效地降解廢水中的有害化學(xué)物質(zhì)。在電化學(xué)水處理技術(shù)中，DSA陽極是一種重要的催化劑。DSA陽極的表面具有多孔結(jié)構(gòu)和特殊的表面化學(xué)性質(zhì)，能夠增強電化學(xué)反應(yīng)的效果。此外，其還具有高效的氧化還原能力，可以實現(xiàn)對硝基苯類化合物的迅速降解。

3.4 酚類污染廢水的電化學(xué)處理技術(shù)

酚類污染廢水的處理在當(dāng)前國內(nèi)外水處理領(lǐng)域備受關(guān)注。這種廢水污染源廣泛，對水體環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅，而且處理工藝較為復(fù)雜，處理效率不太理想，因此亟需尋找高效的處理方法。在此背景下，電化學(xué)處理技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力。基于精確調(diào)控處理過程中的電壓和酸堿值，該技術(shù)可以實現(xiàn)對含酚廢水的高效處理，使其中的酚類物質(zhì)充分發(fā)揮作用，從而有效凈化廢水。通過持續(xù)的研究和實踐，相信該技術(shù)將在水處理領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為改善水體環(huán)境質(zhì)量作出積極貢獻[6]。

3.5 電極系統(tǒng)與膜生物反應(yīng)器直接連接

在電極系統(tǒng)中裝配使用低成本大孔膜基材制作的動態(tài)膜生物反應(yīng)裝置，既可以有效地減少膜組件的費用，同時還可以大幅提升膜通量并減緩膜污染的發(fā)生，從而為動態(tài)膜生物反應(yīng)器的穩(wěn)定運行和長期性能提供了可靠的基礎(chǔ)。研究人員通過在動態(tài)膜生物反應(yīng)器中引入電極系統(tǒng)，并施加適度的低電場，使負電荷污泥與EPS直接從膜表面移除，從而有效地減緩了膜污染速度，并延長了動態(tài)膜的使用壽命，優(yōu)化了膜通量。實驗結(jié)果表明，在施加低電場的電化學(xué)膜生物反應(yīng)器中，膜清洗頻率顯著降低，從而驗證了低電場能夠緩解膜污染的事實。這一發(fā)現(xiàn)為該技術(shù)的實際應(yīng)用提供了有力支持。國內(nèi)研究人員還發(fā)現(xiàn)，在陰極負載動態(tài)膜生物反應(yīng)器中，通過陰極形成的微小氣泡能夠顯著緩解膜污染的發(fā)生，并使其穩(wěn)定運行周期達到普通DMBR的2.5倍[7]。

4 結(jié)語

綜上所述，目前由于電化學(xué)水處理技術(shù)耗能較低，反應(yīng)條件溫和，處理成效突出，已經(jīng)成為有關(guān)領(lǐng)域的重點研究課題。相較于傳統(tǒng)化學(xué)污水處理技術(shù)中的能源消耗量大、功能單一、工作效率低等缺陷，電化學(xué)水處理技術(shù)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。