电絮凝在水处理中的应用

絮凝是水处理过程最重要的物理化学操作过程之一,这一过程通常是脱稳和使小颗粒物凝聚成大颗粒。目前,化学絮凝的可接受程度正逐渐变小,这主要是因为与化学试剂处理有关费用昂贵(如:产生污泥的体积大,产生有毒废物,昂贵化学药剂等),而絮凝过程可通过化学和电学途径即电絮凝技术而获得。

1 电絮凝的理论基础

        电絮凝一个复杂的过程,在电场的作用下金属电极产生阳离子在进入水体时包括许多物理化学现象,从离子的产生到形成絮体包括三个连续的阶段:

        (1)在电场的作用下,阳极产生电子形成“微絮凝剂”——铁或铝的氢氧化物;

        (2)水中悬浮的颗粒、胶体污染物在絮凝剂的作用下失去稳定性;

        (3)脱稳后的污染物颗粒和微絮凝剂之间相互碰撞,结合成肉眼可见的大絮体。

        由于电絮凝过程中电解反应的产物只是离子,不需要投加任何氧化剂或还原剂,对环境不产生或很少产生污染,被称为是一种环境友好水处理技术。电絮凝法具有很多的优点,如:

        (1)设备简单,占地面积少,设备维护简单;

        (2)电絮凝过程中不需要添加任何化学药剂,产生的污泥量少,且污泥的含水率低,易于处理;

        (3)操作简单,只需要改变电场的外加电压就能控制运行条件的改变,很容易实现自动化控制;

        电絮凝法中常用的电极材料为铝和铁,在阳极和阴极之间通以直流电,发生的电极反应如下:

        铝阳极   Al-3e→Al3+  (1)

        在碱性条件下   Al3++3OH-→Al(OH)3  (2)

        在酸性条件下   Al3+ +3H2O→Al(OH)3+3H+  (3)

                                    Fe-2e→Fe2+    (4)

        在碱性条件下Fe2++2OH-→Fe(OH)2   (5)

        在酸性条件下4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH-   (6)

        另外,水的电解还有氧气放出2H2O-4e→O2+4H+    (7)

        在阴极发生如下反应2H2O+2e→H2+2OH-   (8)

        电絮凝法在处理过程中具有多功能性,除了电絮凝作用之外还有电化学氧化和还原、电气浮等作用。电絮凝法去除水中污染物过程见图1。
 

2 电絮凝反应器中电极组合方式

        在电絮凝器中，按照电极板两侧的电极极性分，电絮凝器可分为单极式、双极式和组合式三类，见图2。对于单极式电絮凝器，电势高低交错，电流总是从某一阳极流向相邻的阴极，而不可能绕过几块极板流向其他阴极，每块极板表现出一种电性且相邻的电极表现为不同的电性:,这类电絮凝器不存在电流的泄漏问题;双极式与组合式的情况则有所不同，部分电流可以绕过几块极板，从靠近电源正极的一此极板直接流向靠近电源负极的一此极板，除了与电源两极相连的极板外，每块极板表现出不同的电性:,双极式和组合式都存在着电流泄漏的现象。
 

3 在水处理中的应用
  
　　 电絮凝技术在目前很多废水处理领域都可应用，在高浓度、难生化降解、要求高氨氮去除率的废水的处理更具优势;在目前工艺不能满足的废水处理，电絮凝技术可在很低的投资条件卜，实现原有废水处理工艺的出水达标，可将原工艺主要的耗费段放弃不用，见图3。
 

 
　　1889年，英国人曾利用铁电极电絮凝法来处理城市污水。20世代纪60年代初期，随着电力工业的迅速发展，电化学法开始引起人们的注意。近年来，电絮凝技术已)’泛地应用于各类水处理当中。目前，电絮凝技术已成功地应用于金属的回收、处理有机染料、悬浮颗粒、从各种工业废水和生活废水中去除油脂以及其它各种废水的处理。
   
　　Chen等以铝作为电极材料，利用电絮凝技术处理高浓度油脂的餐饮废水，处理时间小于4.5min,油脂,COD和SS的去除率分别为99%,88%和98%，每去除1 kgCOD产生干泥0.20- 0.37kg,能消耗为0.5kWh/(m，废水)，处理后的出水满足排放要求，可有效减轻对城市公共水处理设施的负荷。
   
　　纺织印染业排放的废水中含有大量不容易生物降解的染料分子和很高的COD,若不经处理排放到水体中会严重污染环境。利用电絮凝法可有效地去除废水中的色度以及降COD。Bayramoglu等分别利用铁和铝作为电极进行了电絮凝处理纺织废水的研究，在溶液旱酸性时，利用铝电极去除COD和浊度的处理效果要优于铁电极，但是溶液为中性或弱碱性时，利用铁电极则处理效果要比铝电极好。在电絮凝过程中，溶液的电导率较高则运行的费用较低，在达到相同的去除COD和浊度的去除效率，利用铁电极比铝电极需要更低的电流密度。Alinsafi等利用电絮凝技术处理话性染料印染废水，研究了pH、电流密度和反应时间等因索对去除色度和COD的影响，最佳反应10.5min，电流密12mA/cm2，色度的去除率达到90-95%, COD的去除率在30-36%之间。
   
　　电絮凝可用于处理某邺工业生产过程中排放的含硼溶液，硼的去除效率主要取决于电流密度、初始溶液中硼的浓度以及处理时间，在电流密度为20 mA/cm2，处理20- 30min后，硼的去除率约为90%初始浓度为2.5g/L) ,能耗为2.5- 4.5kWh/m3废水。在溶液中添加CaC12,可提高电导率，降低能量的消耗。
   
　　在石油、天然气采钻探过程中，聚磺泥浆体系产生的钻井废水中含有大量的多种无机物和有机物，其COD大、色度高、矿化度高、悬浮物高、含油量高，若不经处理直接排放，将对环境造成污染。该类废水采用常规絮凝工艺处理难以做到废水达标排放，其处理在国内还没有得到妥善解决。马文臣等采用电絮凝技术对聚磺泥浆体系钻井废水进行处理，废水经75min处理后，COD可由1511mg/L  下降到86.3mg/L，色度可从1500倍降到27倍，其主要水质指标可满足GB8978- 1996一级排放标准要求。
   
　　利用电絮凝处理造纸废水，研究结果表明，在电压为12 V,电流为77.13mA，不论使用铁或铝电极，在2min内都能有效去除NO3以外的所有造纸废水中的污染物，继续增加电絮凝处理的时间，对COD和BOD的去除率的影响不大。
   
　　电镀、冶金等工业生产通常排放含Cr6+溶液，由于其对环境的严重危害，各国铬的排放都有严格的要求，如我国要求总铬的排放标准为0.5mg/L GB8978- 1996)，传统除铬的方法有沉淀、吸附、生物降解等，Gao等对利用电絮凝法除废水中的铬，Cr6+与阳极电解出的Fe2+反应，被还原为Cr3+后与阴极产生的OH-生成沉淀而去除，总铬浓度为3.0 g/L的溶液经过电絮凝处理后浓度小于0.5 mg/L,最佳运行条件为:电量2.5 F/m-废水，pH5- 8，电能消耗小于1kWh/m3废水。废水中铬的去除率超过99%。
   
　　橄榄油厂排放的深红色废水中含有大量的酚，排放到水体中或用于农业灌溉之前必须进行处理。 Adhoum等利用电絮凝法处理橄榄油厂废水，电絮凝处理25min后，出水的COD、多元酚以及色度的去除率分别达到76% , 91%和95% ,铝电极的消耗量为2.11 kg/m，废水。利用电絮凝和生物法结合处理橄榄油废水会取得更好的处理效果。
    
　　高浊度水处理被认为是水质净化处理的两大难题之一。采用两级电絮凝、两级斜答沉淀、三层滤料过滤，并配合二级沉淀物回流的新工艺，可将浊度为10000度的原水在42min内一次净化为浊度小于3度的饮用水。通过对颗粒物沉淀和气浮的研究发现，在电絮凝过程中:低电流时颗粒物通过沉淀而去除，高电流时颗粒物通过气浮而去除。
     
　　电凝聚可同时除去水中有机物、细菌、有毒重金属和其他毒物，降低浊度，是一种很有前途的给水净化方法。
   
　　饮用水中的砷主要以A$(III)和A$(V)两种形态存在，由于其高毒性严重影响着人类的健康。 Kumar等研究表明，利用电絮凝法去除水A睡III)和As(V)的效率相近，在电絮凝过程中A$III)首先被氧化成A$(V)，然后通过吸附以及与金属氢氧化物形成配位化合物而去除。利用该法除毒性更高的As(III>的效率要优于传统的使用FeCI3絮凝剂。
   
　　我国饮用水卫生标准规定，水中铁含量不超过0.3 mg/L。在使用电机的压力式电絮凝55滤料过滤除铁的装置中，原水中的Fe2+经过Al(OH)3:吸附，再经过SS滤料过滤后即可去除。
 
　　当原水中的铁含量小于30mg/L时，处理后的水均能达到国家饮用水卫生标准。 用铁作电极处理污染的河水时，细菌与浊度的去除效果都十分显著。增大电流密度可提高COD和细菌的去除率与速率，但达到相同去除率的能耗将增大。

4 结语
   
        电絮凝是一种水处理和净化技术。深入研究电解过程中的作用机理，针对不同的废水选择恰当的处理工艺，通过改进电源技术、研究新型电极材料及电解槽结构，以进一步提高电凝聚气浮技术的处理效率和降低能耗是当前该技术的发展方向。随着电力工业的发展以及对电化学的研究越来越深入，电絮凝在水处理中有着广泛的应用前景。