绿色环保型技术──电解法处理生活污水和工业废水.docx

绿色化学过程与工艺题目 绿色环保型技术 电解法处理生活污水和工业废水摘 要：阐述了水污染的危害,介绍了电解法处理废水的优点、分类及原理。介绍了电解法在处理垃圾填埋场渗滤液，含油废水的处理，医院废水，餐饮废水，电极生物滤池法处理城市污水，工厂矿山含氰废水的处理，以及废水的脱氮处理。关键词：原理 ；废水处理；电解；应用Abstract: The hazard of water pollution was expatiated.The advantages,classification and principle of electrolytic treatment of wastewater were introduced. The application of electrolysis to the treatment of leachate from garbage landfill、night soil wastewater, hospital and restaurants，municipal waste ，the factory mine bearing cyanide wastewater and the nitrogen wastewatert.Keywords: principle; electrolysis; wastewater treatment; application目录1.前言42.电解法处理废水的原理43.电解法在废水处理中应用63.1 电催化氧化法处理垃圾渗滤液63.2 工厂矿山含氰废水的处理73.2.1 电镀工厂含氰废水的处理73.2.2 电解法处理含氰镀铜废水73.2.3 用电解法从富集氰化废液中回收铜73.3 废水的脱氮处理83.3.1 废水的反硝化脱氮处理83.3.2 对核废水中的NO3 进行电解脱氮83.4 含油废水的处理83.4.1 油田废水电解杀菌93.5 医院污水处理93.6 餐饮废水的处理93.7 电极生物滤池法处理城市污水103.8 电化学法处理回用水104.电解法技术处理废水的前景展望11参考文献：121.前言当代社会化学的不断发展在促进人类社会进步的同时，在客观上已经造成了严重的环境污染，这些问题在一定程度上也阻碍社会的可持续发展。目前解决这些环境问题的必由之路是大力发展绿色化学化工。在这些众多问题之中，废水的绿色化处理处理是当前的一个热门话题。在20 世纪六七十年代，随着电力工业迅速发展，涂层钛阳极研究成功，电化学理论研究的不断深入，证实了许多有机化合物的氧化还原反应、加成反应或分解反应都可以在电极上进行，这为通过电催化氧化法降解有机污染物提供了理论依据，从而推动了电解法技术在水处理中的应用。电解法作为一种较成熟的水处理技术具有很多优点，尤其突出的是电解法设备化程度高，处理的废水无二次污染，是环保产业应予以重视的的一个发展领域，是一种绿色环保型技术。本文叙述水的污染，电解法1处理废水的原理，以及电解法在废水2方面的应用。2.电解法处理废水的原理催化电解法中COD、NH3N 的去除，通常都是通过阳极的直接氧化作用和溶液中的间接氧化作用实现的(如图1 所示)。图1 电化学氧化中污染物的去除机理Figure 1 Mechanism of pollutant removal by electrochemicaloxidation阳极直接氧化是由于水分子在阳极表面上放电，产生被吸附的OH，OH 对被吸附在阳极上的有机物亲电进攻，发生如式(1)(4)所示的氧化反应阳极：2H2O 2HO + 2H+ + 2e (1)2NH3 + 6HO N2 + 6H2O (2)有机物 + HO CO2 + H2O (3)2HO H2O + 12O2 (4)间接氧化是在电解过程中，通过电化学反应产生强氧化剂(如ClO、高价金属离子等)，有机物在溶液中被这些氧化剂所氧化，如式(5)(9)所示。阳极：Cl Cl2 + 2e (5)溶液中：Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl (6)HOCl + NH4+ NH2Cl + H2O + H+ (7)NHCl2 + H2O NOH + 2H2 + 2Cl (8)NHCl2 + NOH N2 + HOCl + H+ + Cl (9)有机物电化学降解过程主要通过以下步骤进行：首先，H2O 或OH通过在阳极上放电，产生物理吸附态的羟基自由基(OH)：MOx + H2O MOx(OH)+ H+ + e (10)吸附态的羟基自由基(OH)与有机物发生电化学燃烧反应：R + MOx(OH) CO2 + H+ + e + MOx (11) 同时，如果吸附态羟基自由基能与氧化物阳极发生快速氧化反应，氧从羟基自由基上迅速转移到氧化物阳极的晶格上而形成高价氧化物MOx + 1，而阳极表面的羟基自由基保持在很低的水平，那么高价金属氧化物与有机物会发生选择性氧化反应，如式(12)和式(13)所示。MOx(OH) MOx + 1 + H+ + e (12)R + MOx + 1 RO + MOx (13)后者即所谓的电化学转化过程。3.电解法在废水处理中应用3.1 电催化氧化法处理垃圾渗滤液卫生填埋是我国城市垃圾的主要处理方式之一，由此而产生的垃圾渗滤液是一种难处理的高浓度有机废水，其水质、水量变化很大，成分复杂且随“场龄”变化。一般垃圾渗滤液经生物处理后，其残留的COD仍较高，有的高达600 800 mg/L且很难再处理。渗滤液的无害化处理一直是一个世界性的难题。由于垃圾渗滤液是一种难处理的高浓度有机废水3，毒性强、成分复杂，COD、氨氮含量高，微生物营养元素比例严重失调，可生化性差，水质状况随“场龄”发生很大的变化，因此渗滤液的处理方法是填埋场设计和运行管理的关键问题之一。合理地选择渗滤液处理工艺，对于城市垃圾的卫生填埋处理十分必要。电化学水处理技术由于有极强的选择性，可以将难降解有机物或对生物有毒、有抑制的污染物转化为可生化物质，从而提高废水的生物降解性4-6。电解可间接氧化垃圾填埋物渗出液。以下是某实验组用电化学法处理渗滤液的一组研究数据：渗出液的COD 4 100 5 000 mg/L，BOD/COD 约0.2，氨2 100 3 000 mg/L，氯化钠2 500 mg/L，是一种难生物降解的废水。使用SnPdRu 三元氧化物钛阳极，电流密度0.15 A/dm2 进行电解，渗出液COD 去除率达92%，BOD/COD 提高到0.5，氨被完全除去，废水可生化性良好。3.2 工厂矿山含氰废水的处理 CN的电化学氧化研究由来已久，无论CN废水的浓度如何，电化学氧化同样可行。电化学氧化是利用不溶性阳极的直接电解氧化作用，或阳极反应产物(如Cl2、ClO、O2 等)的间接氧化作用，降解消除水中氰、酚以及COD、S2等污染物。3.2.1 电镀工厂含氰废水的处理电镀废水3是一种有毒的工业废水，也是一种来源广泛的环境污染源。由于电镀废水成分复杂，有害物质含量高，处理技术难度大，所以仍有相当多的电镀废水未加处理而直接排放，造成环境污染。氰化物电镀仍是常用的电镀方法，电镀4工厂含氰废水的处理可使用次氯酸钠氧化分解法。国内许多环保设备厂生产装有涂钛阳极的次氯酸钠发生装置，其产生的次氯酸钠浓度高、能耗低、盐耗低。3.2.2 电解法处理含氰镀铜废水 用电化学法对氰化镀铜漂洗废水中毫克级的氰根离子和亚铜离子进行处理。同样以下是某实验组用电解法处理含氰镀铜废水的一组数据：以氰化镀铜漂洗废水作电解液，其中含游离氰根离子300 450 mg/L，一价铜离子400 550 mg/L。电解法处理含氰废水6的过程中，废水中的CN先被氧化为氰酸根，再进一步被氧化为CO2 和N2。陶基二氧化铅阳极与不锈钢阴极的面积比为12，极距3 cm，温度55 C，pH 10.0 11.0，每立方米处理液中控制NaCl 含量为0.5 g。当阴极电流密度为0.4 A/dm2 时，经2 h 电解，废液中CN质量浓度从385 mg/L 降到58 mg/L，而Cu+质量浓度从450 mg/L降到48 mg/L。3.2.3 用电解法从富集氰化废液中回收铜 在提金贫液中，铜、锌主要是以34 Cu(CN) 和24Zn(CN) 两种配阴离子的形式存在7-8。选用石墨作为阳极，钛板作阴极，以碱性铜锌水溶液作为电解液，当通过直流电时，在阴极板上产生金属铜和锌，同时伴随着氢气的产生，在阳极上则有氧气产生。电积富集铜液的适合条件是：金属配氰离子浓度在40 g/L 左右，槽电压1.9 2.1 V，电流密度60 mA/cm2左右，反萃液游离氰初始质量浓度10 20 g/L，电解时间20 h，极间距20 30 mm，温度为常温。从氰化富铜液中电积回收铜，铜的纯度可达99%，同时可以回收氰化物。铜、锌的总回收率均达到95%以上。3.3 废水的脱氮处理3.3.1 废水的反硝化脱氮处理目前，废水处理中的除氮技术，通常是把水中的氨氮污染物降解为NO3 和(或) NO2。如果要把这些降解产物进一步消除，需进行反硝化处理9。对于回用水、供水，对NO3和NO2是有规定标准的。因此，反硝化脱氮是废水回用处理和供水处理的重要措施。电解法和生化法的联合处理，对供水和回用水的反硝化脱氮有良好的效果。它是采用固定化技术将微生物固定在电极表面，形成一层生物膜，然后在电极间通上电流，使污染物在生物和电化学双重作用下得到降解。即以不同的金属材料分别作为阴极和阳极，在两极之间施加一定电压，使废水中的NH4+ 首先在亚硝化菌作用下转化为NO3，再在阴极上还原为N2，使NH3N、NO3 和NO2 的去除率分别达到95%和85%以上。3.3.2 对核废水中的NO3 进行电解脱氮电解法具有去除NH3 和NO3N 的作用，这在废水的深度处理中尤为重要。由于核废水中常含有Ru、Hg 等放射性及重金属元素，因此对其中的NO3进行电解脱氮处理较困难。使用由铅阴极、Nafion417 阳离子交换膜和形稳析氧阳极组成的电解槽10，在高温(80 C)下以高电流密度(30 60 A/dm2)对NO3和NO2 进行电化学还原反应，硝酸盐和亚硝酸盐几乎全部转化为N2、NH3 或N2O。3.4 含油废水的处理含油废水的来源很多，石油工业的采油、炼油、贮油运输及石油化学工业都产生含油废水、油轮压舱水、洗舱水、机械工业的冷却润滑液、轧钢水，以及食品工业等的废水都含有大量的油；铁路系统各机车车辆厂、车轮厂洗罐所、机务段和车辆段等单位和生产性废水主要是含油废水。排入水环境中的油，能阻止空气的氧溶于水中，使水中浮游生物等因缺氧而死亡，并导致鱼、贝等变质而不宜食用，且在水体表面的聚结油还有可能燃烧而产生安全问题。3.4.1 油田废水电解杀菌当今，腐蚀二次采油油井的主要因素是由硫酸盐还原菌(SRB)引起的11。油田污水水质适合SRB生长，导致其大量繁殖，造成污水管线、油套管的腐蚀穿孔。SRB 的代谢产物FeS 沉淀会造成地层堵塞，注水量下降，直接影响原油的产量。因此，对油田回注水进行杀菌处理是二次采油技术中重要的一步。目前防治硫酸盐还原菌的主要方法还是注入1227 杀菌剂，但如长时间使用，会使油井的硫酸盐还原菌产生抗药性。某油田废水中SRB 初始含量为6 103 个/mL，以钛镀钌板电解3 min 后，废水中硫酸盐还原菌含量仅为6 个/mL，杀菌率高达99.9%。随着电流增大，电极板距离增加，极板间电压升高，更有利于杀灭硫酸盐还原菌。3.5 医院污水处理医院污水含菌量高，如直接排放会污染生活水源，过去多采用氯气或漂白粉进行处理。次氯酸钠是一种强氧化剂，能进入细菌内破坏其蛋白酶，有很强的杀菌作用。20 世纪70 年代开始，国内许多厂家都在生产电解盐水制取次氯酸钠的装置，使用IrRuSnMnTi五元素涂层钛阳极。某医院排放的污水中大肠杆菌量为4 106 个/mL，细菌总数为5 106 个/mL。添加次氯酸钠进行消毒，10 min 后取出水样分析，大肠杆菌量为3 103 个/mL，而每毫升细菌总量仅剩310 个，杀菌率达到99.9%以上，符合污水排放标准。3.6 餐饮废水的处理餐饮废水产生量日益增多，这些含有动植物残渣、油污和洗涤剂等有机物的废水若直接排入水体，会造成严重污染。国内目前用电解过滤法处理餐饮废水。但由于餐饮废水含油量较高、有机物含量大，电解过程中，电极板间易形成污垢，降低了极板导电性，使槽电压升高，电耗增大，处理效果降低，极板使用寿命缩短。在电解前加入微电解预处理过程，用微电解电解技术可处理餐饮废水。微电解法是依靠自身物质(一般是金属废料)形成微电池进行净化废水的反应，电流密度为26 A/m2，后续处理采用砂滤。对现场餐饮废水的水质分析，进水的CODCr 值为200 1 000 mg/L，处理后去除率在70%以上，达到国家二级排放标准。3.7 电极生物滤池法处理城市污水将电极反应过程引入城市污水的生物处理系统，以活性炭生物滤池为主体，引入电极系统后形成电极生物滤池。阳极(石墨棒)和阴极(普通铁板)的不同电化学反应，使反应器内产生微区域或局部区域的氧化性(好氧)与还原性(厌氧)的交替环境。该反应器在作为普通生物反应器去除有机物的同时，达到作为电极生物反应器具有高效反硝化效果的目的12。电极生物滤池与生物滤池相比，CODCr、氨氮和总氮的去除率分别提高了2.5%、1.2%和14.9%。两种滤池的CODCr 和氨氮去除率基本相同。3.8 电化学法处理回用水要开展中水回用工作，首先要确保处理水质。以生活污水处理为例，如中水回用为生活杂用水(如洗车、绿化等用水)，对总大肠菌数的要求为3 个/L。因此，消毒是污水回用过程中必不可少的环节，尤其当回用水要与人直接接触或用于食用农作物灌溉时就更显得重要了。采用电化学法(阳极使用铂族金属氧化物涂层钛电极)生成的三氯甲烷的量比加氯消毒生成的量要低，即使含三卤甲烷(THMs)的前体物质较多的水，经过电化学处理后水中的三卤甲烷含量仍低于国家标准中所规定的数值。以某市污水处理厂为例，二沉池出水的氯离子含量约为126.8 mg/L，含菌量为104 个/mL。在电流密度2 mA/cm2、反应器中水力停留时间为16 s 的运行条件下，水中大肠杆菌存活率均0.01%，杀菌率可达99.99%以上，出水完全可以满足回用水的细菌指标。此时处理每吨水的耗电量为0.035 kWh。4.电解法技术处理废水的前景展望当今电解法处理废水技术是一个研究的热点领域。它具有以下几方面的优势首先它具有廉价高效的电极，许多稀贵金属电极在难处理废水的是研究中有很好的效果，在进一步研究其应用价值的同时应寻找可用于是实际生产的廉价替代品；其次在新型电解槽的设计上，一方面从提高电解槽的效率入手，对极板与电源的连接方式，废水在槽中流动方式等各方面进行改进，从而设计结构更加合理，效果更好的反应槽，另一方面着重于电机槽的通用性；再次电解槽机理从本质上左右电解法的效果深入研究各类电解过程的机理，将对提高处理效率、降低能耗有深远的影响。新的电解法处理水技术的研究与应用，今后其发展的方向是价廉、高效、易操作。参考文献：1 周军，金奇庭.电解法处理废水的研究进展.西安建筑科技大学环境与市政府工程学院，2000,26（3）2 TERAMOTO M, TOHNO N, OHNISHI N, et al. 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