电絮凝在废水处理中的研究及应用

刘海燕

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

“十四五规划”对改善水环境质量，开展污水处理差别化精准提标提出全新的要求。开发可靠和环境友好的废水处理技术逐渐成为研究热点，传统的化学法需要向水中添加一些化学物质，易产生二次污染，这使得近些年电化学技术不断兴起和完善。电化学法处理废水时，根据原理与方法的不同主要分为电化学氧化法、电絮凝和电渗析法等[1]。电絮凝法[2]由于其污泥产量少、不需要化学添加剂、环保、占地面积小、成本低、易操控等特点被广泛应用到废水以及饮用水处理行业，尤其是废水处理中的重金属废水[3]、含油废水[4]、含磷废水[5]。

电絮凝法的实质是在外加电源的条件下，使作为阳极的常用可溶性金属电极通过电解产生金属阳离子并溶解在溶液里，最常用的电极为铁或者铝，在碱性环境下通过水解、聚合反应与氢氧根反应形成络合物，这些络合物具有良好的吸附和凝聚作用，从而将污染物去除。电絮凝技术处理废水中污染物的作用机理大体可分为3 种，主要体现在絮凝沉淀作用、氧化还原作用和气浮作用。其中絮凝沉淀作用主要体现在产生絮凝剂这一过程。阴极极板上产生微小的氢气泡也会吸附在络合物表面，使络合物上升至电解液表层，起到气浮作用，从而实现去除污染物的目的。

通电后，阳极就可作为电絮凝电池中的絮凝剂，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，主要反应式如下[6]。

2.1 电絮凝的优点

1）反应中不需要额外加药，不存在二次污染的可能性，电絮凝剂是由电解氧化金属阳极生成的金属离子通过水解、聚合反应与氢氧根反应原位生成的氢氧化物。

2）经过EC 处理后的废水相对其他工艺而言，色度浊度均较低且无味。

3）EC 法要求pH 值在3～10 的范围内，处理效果好，pH 值可操作范围宽。

4）EC 过程电力控制，设备与维护管理简单，易于操作，有望实现自动化。

5）EC 法污泥产量低且沉降性能较好，便于固液分离。

2.2 电絮凝的缺点

1）牺牲阳极在电解体系中不断被损耗，因此需要定期更换极板以确保反应正常进行[7]。

2）电解过程中阳极易形成包裹极板表面的氧化膜，使极板与溶液接触面积减少，阻止阳极溶解，造成极板钝化。阴极钝化也会导致电絮凝处理效率降低。

3）EC 对处理水的导电性有一定要求。

3.1 重金属废水

重金属废水是电镀废水中污染最大的一种，含有各种有毒有害重金属物质，如铜、铬、镉、锰、锌等。EC 由于操作简单、出水水质较好、易于固液分离、污泥产量低等优点被作为一种有效的处理重金属废水的方法。张欣[8]等探讨了电絮凝法对钢铁厂镀镉废水中Cd2+的处理效果，主要考察了起始pH、极板电压、极板间距和电流密度这4 种因素对电絮凝法去除Cd2+能力的影响。当起始pH=4.0、极板电压为5 V、极板间距为20 mm、电流密度为30 mA·cm-2时，三级去除率超过99.9%，表明采用电絮凝法处理镀镉废水的实验效果佳，且处理废水中Cd2+的含量可以达到国家现行电镀污染物排放限值要求。谭超雄[9]等通过实验研究电絮凝法处理含铜铬电镀废水的处理效果，实验中电絮凝装置采用稳压直流电源，有机玻璃制成的电解槽，Al 作为阳极，Fe 为阴极。结果表明，Cu 在pH 大于4 后具有较高去除率，而Cr 在pH 小于8 时去除效果较好，也就是说控制pH 值为4～8 时，Cu 和Cr 的去除率分别达到90%和80%以上。杨国超[10]等采用电絮凝法处理某企业碱性含铊重金属废水，实验装置主要包括直流电源、反应器、增氧泵、水泵。结果表明，当起始pH=10.0、通电时间10 min、极板间距1 cm、电流密度6.25 mA·cm-2的最优条件下，废水中锰质量浓度经处理后达到1.0 mg·L-1以下，铊质量浓度经处理后达到5.0 μg·L-1以下，符合《无机化学工业污染物排放标准》( GB31573—2015)排放要求。这表明电絮凝法同时深度去除重金属废水中锰和铊是可行的。

3.2 含油废水

含油废水的来源十分广泛，不仅包括油田开采工业产生的大量含油废水，还包括纺织工业、轻工业产生的少量含油废水。油类以浮油、乳化油、溶解油等3 类形式在废水中存在[11]，若不加处理就排放到自然界，对农作物生长、水体复氧有着严重的抑制作用。EC 处理含油废水，处理效果良好，产生的浮渣量相对较少，阴极生成的H2对通过浮选去除污染物起到促进作用[12]。刘杨[13]等采用电絮凝法处理自行配置的含油废水，首先探讨溶液pH、极板间距等影响因素对除油率的影响，然后考察电流密度对电絮凝装置中竖直方向A、B、C 3 层溶液除油率随着反应时间的变化趋势。结果表明，在pH=7、极板间距1 cm、电流密度150 A·m-2、NaCl 投加量2 g·L-1的条件下位于溶液中上部的A 层溶液的除油效果最好，除油率为96.05%。杨婷婷[14]采用自制的电絮凝装置分别处理间歇式及流动式油田压裂废水，探究电絮凝装置降解COD 的影响因素，在pH=7、极板间距0.07 cm、电流密度70 mA·cm-2、容积比为1∶1.2 的条件下反应70 min 后，对间歇式压裂废水COD 去除率为84.75%，经正交实验优化后去除率达到 90.55%。其他条件相同，流速20 mL·min-1，反应5 min 后，对流动式压裂废水COD去除率为62.77%。经过对比，流动式处理方法优于间歇式且两种方式处理压裂废水均符合一级反应动力学方程。武捷[15]等采用以Al 为电极的直流电絮凝-气浮法处理乳化油废水并优化工艺条件，结果表明，在 pH=3、极板间距 1.5 cm、电流密度12.47 mA·cm-2、反应50 min 后，除油率为96.01%，COD 去除率为95.28%。IBANEZ[16]等以Fe 为阳极的电絮凝装置处理油水乳化液，并对电絮凝的原理进行了探究，在装置运行30 min 后，油滴从水相中分离出来，出水清澈且黏度得到了有效降低。

3.3 含磷废水

磷是自然界动植物生长发育必备的元素[17]，越来越多的含磷产品走进人们的生活。含磷产品生产和使用过程中所产生的含磷废水导致水体富营养化、降低土壤性能、污染地下水。种种危害表明除磷刻不容缓，EC 产生的多核羟基化合物具有吸附性，因此可以较好去除水体中的磷。王锐[18]分别采用电絮凝法、石灰沉淀法、电絮凝-石灰组合工艺处理含磷酸盐废水，在pH=3、极板间距1 cm、电流密度10 mA·cm-2、电絮凝30 min 的条件下，TP 的去除率约为72.8%。用石灰沉淀法处理电絮凝出水，投加量为2 g·L-1，停留时间20 min，TP 的去除率大于99.99%。张吉库[19]等采用Fe 作阳极、Ti 作阴极的电絮凝装置结合活性焦曝气技术处理含磷废水，在极板间距为4 cm、电流密度20 mA·cm-2、活性焦质量浓度0.45 g·L-1、装置运行40 min 后，磷的去除率为89.19%。

4.1 改进供电方式

把直流电源更换为脉冲电源可以解决电絮凝过程中极板钝化的问题。徐国仁[20]等采用高压脉冲电凝技术处理镀镍废水，处理效果显著。许丹阳[21]采用脉冲电絮凝处理农村饮用水中的重金属离子，对Cu、Zn、Pb 的去除率均大于90%。

4.2 改进电极形状

把二维电极用三维电极材料代替可以提高传质效率，增大接触面积。石梁[22]等用电絮凝-三维电极组合工艺对高浓度对氰基苯酚废水进行预处理，预处理出水中氨氮、TP 的去除率分别达到66.63%和56.71%，有利于废水的后续深化处理。

4.3 改进电极材料

采用不溶性阳极，不仅导电性能良好、耐腐蚀、寿命较长，而且这类电极在反应中可以发挥电絮凝、电催化两种效应。亓振莲[23]采用双铁电极的新型电絮凝系统处理有机污染物，提高了总磷的去除率并降低了反应能耗。

本文采用电絮凝方法处理了常见的3 种废水，是一种紧跟时代发展趋势的环保型水处理工艺，近几年被更加广泛的应用，具有无二次污染、污泥量少、易于操作等优点，在废水处理中展现了优越性[24]。为进一步发挥电絮凝的综合作用，应从电极的材料、电源、装置3 方面不断强化电絮凝技术，以提高对实际废水的处理效率。