祝俊 劉宏遠(yuǎn)

浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 浙江 杭州 310012

1 概述

隨著世界人口增加，水資源短缺現(xiàn)象日益加劇。這就使得人們尋找一種可靠的，成本小，環(huán)境友好的水處理技術(shù)。常規(guī)的水處理技術(shù)混凝，沉淀，過濾，消毒工藝，投加混凝劑可能會影響到生態(tài)環(huán)境；活性炭吸附技術(shù)與膜工藝成本較大，經(jīng)濟性限制其實際應(yīng)用。電絮凝技術(shù)作為“綠色的水處理技術(shù)”，逐漸被人們所熟知。近年來國內(nèi)外研究人員將其逐漸應(yīng)用在飲用水工程中。

2 電絮凝的原理及構(gòu)造

2.1 電絮凝原理

電絮凝技術(shù)是在外加電源的條件下，可溶性電極會產(chǎn)生可溶性的陽離子（Al3+/Fe2+），這些陽離子在水中水解形成氫氧化物絮體，這些絮體會與水中污染物結(jié)合，以達(dá)到去除水中污染物質(zhì)。通常，電絮凝技術(shù)主要是絮凝、氣浮和氧化還原作用來去除水中的污染物質(zhì)

當(dāng)以金屬M為陽極時，施加電流后，陽極溶解產(chǎn)生Mn+離子，Mn+在水中發(fā)生水解，或與陰極產(chǎn)生的OH-相結(jié)合，形成M(OH)n跟水中的懸浮顆粒發(fā)生作用，使其脫穩(wěn)并聚集形成大顆粒。這些顆粒一部分沉淀，一部分與陰極產(chǎn)生的H2結(jié)合，上浮至水面上，實現(xiàn)與污染物的分離。主要的反應(yīng)如下：

2.1.1 絮凝作用

通常電絮凝技術(shù)中選用鐵和鋁板作為電極。在電場的作用下，陽極會產(chǎn)生Al3+、Fe2+，會在水中形成氫氧化物絮體，陰極產(chǎn)生OH-。這些氫氧化物絮體通過吸附架橋，網(wǎng)捕卷掃等將水中的污染物去除。

2.1.2 氣浮作用

電絮凝過程中，陰極可以產(chǎn)生氫氣。這些氣泡大多是在幾十μm左右，它們與水中的帶負(fù)電膠體接觸并上浮，實現(xiàn)固液分離。

2.1.3 氧化還原作用

電絮凝的氧化主要在陽極，分為直接氧化和間接氧化作用。直接氧化是指在陽極附近離子不斷地發(fā)生交換，從而降解污染物質(zhì)；間接氧化是指通過氧化產(chǎn)生一系列活性物質(zhì)，如活性氯等，這些活性物質(zhì)本身具有強氧化性可以降解污染物質(zhì)。還原作用發(fā)生在陰極附近，可以將金屬離子等污染物通過還原去除。

2.2 電絮凝構(gòu)造

電絮凝裝置由一個直流電源加電解槽組成。目前研究中采用的電源一般為脈沖直流電源，可以起到節(jié)約電耗和緩解鈍化的作用。常用的電解槽是電極板浸沒在溶液中，通過導(dǎo)線將每塊電極板連接后再與直流電源的正負(fù)極相連接。極板的連接方式有一下三種：雙極串聯(lián)、單極并聯(lián)、單極串聯(lián)電極。通常采用單極并聯(lián)電極，電流可以平均分配到每塊極板上，同時它的經(jīng)濟性也是最好的。

2.3 電絮凝技術(shù)特點

2.3.1 電絮凝技術(shù)優(yōu)點：

（1）電絮凝產(chǎn)生的污泥比常規(guī)的混凝劑產(chǎn)生的少。這是由于電絮凝形成的污泥主要由金屬氧化物/氫氧化物組成，因此容易形成沉淀物更加易于脫水。（2）電絮凝形成的絮體較小但是絮凝物較大，主要是內(nèi)部的結(jié)合水較少，所以更加穩(wěn)定因此在過濾過程中很容易將它們分離。（3）電絮凝處理水pH的范圍較大，pH一般在4-9。而常規(guī)的加藥混凝pH在6-7。（4）設(shè)備簡單而易于操作，因此可以實現(xiàn)流程的完全的自動化。（5）在電絮凝過程中避免使用化學(xué)藥品。因此，它不需要中和過量的化學(xué)物質(zhì)，并且可以避免由添加的化學(xué)物質(zhì)引起的二次污染。

2.3.2 電絮凝技術(shù)缺點

（1）電絮凝極板鈍化

電絮凝運行過程中隨著運行時間的增加鈍化作用將成為影響電絮凝處理效果的最主要因素之一。目前鈍化現(xiàn)象的產(chǎn)生的原因是在極板附近發(fā)生了“濃差極化”現(xiàn)象?！皾獠顦O化”現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為電絮凝產(chǎn)生陽離子的速度大于陽離子在溶液中擴散的速度，在極板附近生成不溶性的氧化膜，增加了電絮凝反應(yīng)器中的電阻，提高了電耗，處理效果變差?，F(xiàn)有的兩種理論來解釋“濃差極化”現(xiàn)象的產(chǎn)生，分別是成相膜理論與吸附理論。目前，國內(nèi)外關(guān)于延緩和去除電絮凝極板鈍化的方法主要包括增加反應(yīng)器種的流量以增強極板之間的水力沖刷、向反應(yīng)器中添加去食鹽、機械打磨電極、超聲波處理和改變脈沖電源波形等。

（2）電絮凝極板消耗

電絮凝運行過程中電極板的消耗限制了該技術(shù)在實際生活中的使用。當(dāng)陽極為可溶性極板時，電絮凝裝置通上直流電流，陽極會產(chǎn)生金屬陽離子（Al3+/Fe2+）。這些金屬在陽極的產(chǎn)生遵循法拉第定律：

W：陽離子（Al3+/Fe2+）損耗的量g；I：電流A；t：電解時間s；M：極板材質(zhì)原子的相對摩爾質(zhì)量；z：陽離子（Al3+/Fe2+）的電荷數(shù)；F：法拉第常數(shù)96485 C/mol

陽離子溶出過多，會導(dǎo)致極板消耗過快，增加電絮凝技術(shù)的運行成本；另外溶出離子過多，可能會導(dǎo)致出水中陽離子過高。

3 電絮凝技術(shù)水處理中的應(yīng)用

電絮凝工藝開始主要應(yīng)用在污水處理中，后來研究人員對電絮凝工藝改造后也逐漸在飲用水領(lǐng)域得到使用。主要是污水相對于飲用水處理來說，污水中電導(dǎo)率較大，便于電絮凝工藝的使用。隨著研究人員對電絮凝技術(shù)的深入研究發(fā)現(xiàn)，電絮凝技術(shù)在給水處理中同樣也可以取得好的效果，該工藝對地下水的除砷、氟、硝酸鹽氮，去除效果可達(dá)到八至九成，在地表水主要是對水中天然有機物的去除，去除效果可達(dá)到六成以上。電絮凝對上述的污染物有很好的去除效果，因為在電絮凝過程中有氧化還原作用，同時還有常規(guī)的混凝作用，這時污染物被吸附在絮體上，從而在水中去除。

4 最新研究進(jìn)展

4.1 電絮凝-壓力溶氣氣浮組合技術(shù)

壓力溶氣氣浮的操作方便，便于與電絮凝技術(shù)組合。二者組合可避免常規(guī)處理中混凝劑的投加，有望代替常規(guī)的混凝沉淀。在壓力溶氣氣浮與電絮凝組合工藝中，一種是將溶氣氣浮的溶氣釋放器置于電絮凝裝置中電極板的底部，微氣泡與水中的污染物結(jié)合上浮到上部去除；另一種是電絮凝裝置與溶氣氣浮裝置分開，電絮凝裝置起到產(chǎn)生混凝劑的作用，溶氣氣浮裝置起到固液分離的作用。二者的區(qū)別在于電絮凝電解時間的不同，前者需要的電解時間較多，此時電絮凝裝置起到降解污染物的作用；然而后者需要的電解時間較少，電絮凝主要起到產(chǎn)生混凝劑的作用。

4.2 電絮凝-膜組合技術(shù)

電絮凝與膜的組合技術(shù)近年來在水處理領(lǐng)域逐漸成為研究的熱點。單純的膜技術(shù)在地表水處理中，水中的污染物質(zhì)會導(dǎo)致膜孔的堵塞，增加膜的反洗周期。電絮凝憑借著對水中的有機物有良好的去除效果的作用，可以作為膜的預(yù)處理技術(shù)，延緩膜結(jié)垢的風(fēng)險，減少反洗周期。此外，電絮凝的反應(yīng)過程中，產(chǎn)生絮凝劑可以吸附水中的一些病毒，形成的絮體被膜截留住，提高了出水的安全。

4.3 電絮凝-紫外（UV）組合技術(shù)

紫外（UV）消毒是水處理中眾所周知且廣泛應(yīng)用的技術(shù)。消毒過程是基于細(xì)胞壁在紫外線輻射穿透，影響細(xì)菌和原生動物生物的遺傳物質(zhì)（DNA和RNA），從而阻礙了它們的繁殖。在電絮凝過程中實施紫外線照射的方法，可以提高水中細(xì)菌病毒等的去除率。紫外可以促進(jìn)電絮凝中羥基自由基和氯自由基的產(chǎn)生，增強了對細(xì)菌病毒等的去除效果。然而，二者的結(jié)合會導(dǎo)致能耗的升高，因此必須優(yōu)化二者的運行參數(shù)，提高電絮凝-紫外組合技術(shù)的適應(yīng)性。

4.4 電絮凝-超聲組合技術(shù)

電絮凝-超聲組合技術(shù)是將電絮凝與超聲技術(shù)連用，超聲能夠攪拌水中顆粒物質(zhì)，促進(jìn)電絮凝反應(yīng)中溶液中顆粒物的混合與分散。然而，過大的超聲功率與頻率將對電絮凝過程中產(chǎn)生絮狀物的形成具有抑制作用。因此選擇合適的功率與頻率將尤為重要。因為超聲能夠促進(jìn)自由基的產(chǎn)生，通過自由基的氧化降解有機物；超聲減小了擴散電層的厚度，促進(jìn)了電流效率；最佳的功率與頻率可以促進(jìn)電絮凝反應(yīng)中顆粒物的混合，提高處理效率；超聲可以緩解極板鈍化現(xiàn)象。

結(jié)論

電絮凝技術(shù)在給水處理的領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，主要是在去除水中的有機物，氟，砷等。電絮凝技術(shù)自身占地面積小，操作簡單，經(jīng)濟性好等優(yōu)點，易于其他技術(shù)組合。電絮凝技術(shù)及其組合技術(shù)在不同類型水質(zhì)處理中均能取得較好的結(jié)果。然而，目前對于電絮凝的研究主要集中在對污染物去除效果，電絮凝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)方面研究以及解決電極鈍化的研究較少。因此，在電絮凝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和如何徹底的解決鈍化，將是以后研究的方向。