綠色環(huán)保型技術(shù)──電解法處理生活污水和工業(yè)廢水.docx

綠色化學(xué)過程與工藝題目 綠色環(huán)保型技術(shù) 電解法處理生活污水和工業(yè)廢水摘 要：闡述了水污染的危害,介紹了電解法處理廢水的優(yōu)點(diǎn)、分類及原理。介紹了電解法在處理垃圾填埋場(chǎng)滲濾液，含油廢水的處理，醫(yī)院廢水，餐飲廢水，電極生物濾池法處理城市污水，工廠礦山含氰廢水的處理，以及廢水的脫氮處理。關(guān)鍵詞：原理 ；廢水處理；電解；應(yīng)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目錄1.前言42.電解法處理廢水的原理43.電解法在廢水處理中應(yīng)用63.1 電催化氧化法處理垃圾滲濾液63.2 工廠礦山含氰廢水的處理73.2.1 電鍍工廠含氰廢水的處理73.2.2 電解法處理含氰鍍銅廢水73.2.3 用電解法從富集氰化廢液中回收銅73.3 廢水的脫氮處理83.3.1 廢水的反硝化脫氮處理83.3.2 對(duì)核廢水中的NO3 進(jìn)行電解脫氮83.4 含油廢水的處理83.4.1 油田廢水電解殺菌93.5 醫(yī)院污水處理93.6 餐飲廢水的處理93.7 電極生物濾池法處理城市污水103.8 電化學(xué)法處理回用水104.電解法技術(shù)處理廢水的前景展望11參考文獻(xiàn)：121.前言當(dāng)代社會(huì)化學(xué)的不斷發(fā)展在促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，在客觀上已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，這些問題在一定程度上也阻礙社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。目前解決這些環(huán)境問題的必由之路是大力發(fā)展綠色化學(xué)化工。在這些眾多問題之中，廢水的綠色化處理處理是當(dāng)前的一個(gè)熱門話題。在20 世紀(jì)六七十年代，隨著電力工業(yè)迅速發(fā)展，涂層鈦陽(yáng)極研究成功，電化學(xué)理論研究的不斷深入，證實(shí)了許多有機(jī)化合物的氧化還原反應(yīng)、加成反應(yīng)或分解反應(yīng)都可以在電極上進(jìn)行，這為通過電催化氧化法降解有機(jī)污染物提供了理論依據(jù)，從而推動(dòng)了電解法技術(shù)在水處理中的應(yīng)用。電解法作為一種較成熟的水處理技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其突出的是電解法設(shè)備化程度高，處理的廢水無二次污染，是環(huán)保產(chǎn)業(yè)應(yīng)予以重視的的一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域，是一種綠色環(huán)保型技術(shù)。本文敘述水的污染，電解法1處理廢水的原理，以及電解法在廢水2方面的應(yīng)用。2.電解法處理廢水的原理催化電解法中COD、NH3N 的去除，通常都是通過陽(yáng)極的直接氧化作用和溶液中的間接氧化作用實(shí)現(xiàn)的(如圖1 所示)。圖1 電化學(xué)氧化中污染物的去除機(jī)理Figure 1 Mechanism of pollutant removal by electrochemicaloxidation陽(yáng)極直接氧化是由于水分子在陽(yáng)極表面上放電，產(chǎn)生被吸附的OH，OH 對(duì)被吸附在陽(yáng)極上的有機(jī)物親電進(jìn)攻，發(fā)生如式(1)(4)所示的氧化反應(yīng)陽(yáng)極：2H2O 2HO + 2H+ + 2e (1)2NH3 + 6HO N2 + 6H2O (2)有機(jī)物 + HO CO2 + H2O (3)2HO H2O + 12O2 (4)間接氧化是在電解過程中，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑(如ClO、高價(jià)金屬離子等)，有機(jī)物在溶液中被這些氧化劑所氧化，如式(5)(9)所示。陽(yáng)極：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)有機(jī)物電化學(xué)降解過程主要通過以下步驟進(jìn)行：首先，H2O 或OH通過在陽(yáng)極上放電，產(chǎn)生物理吸附態(tài)的羥基自由基(OH)：MOx + H2O MOx(OH)+ H+ + e (10)吸附態(tài)的羥基自由基(OH)與有機(jī)物發(fā)生電化學(xué)燃燒反應(yīng)：R + MOx(OH) CO2 + H+ + e + MOx (11) 同時(shí)，如果吸附態(tài)羥基自由基能與氧化物陽(yáng)極發(fā)生快速氧化反應(yīng)，氧從羥基自由基上迅速轉(zhuǎn)移到氧化物陽(yáng)極的晶格上而形成高價(jià)氧化物MOx + 1，而陽(yáng)極表面的羥基自由基保持在很低的水平，那么高價(jià)金屬氧化物與有機(jī)物會(huì)發(fā)生選擇性氧化反應(yīng)，如式(12)和式(13)所示。MOx(OH) MOx + 1 + H+ + e (12)R + MOx + 1 RO + MOx (13)后者即所謂的電化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。3.電解法在廢水處理中應(yīng)用3.1 電催化氧化法處理垃圾滲濾液衛(wèi)生填埋是我國(guó)城市垃圾的主要處理方式之一，由此而產(chǎn)生的垃圾滲濾液是一種難處理的高濃度有機(jī)廢水，其水質(zhì)、水量變化很大，成分復(fù)雜且隨“場(chǎng)齡”變化。一般垃圾滲濾液經(jīng)生物處理后，其殘留的COD仍較高，有的高達(dá)600 800 mg/L且很難再處理。滲濾液的無害化處理一直是一個(gè)世界性的難題。由于垃圾滲濾液是一種難處理的高濃度有機(jī)廢水3，毒性強(qiáng)、成分復(fù)雜，COD、氨氮含量高，微生物營(yíng)養(yǎng)元素比例嚴(yán)重失調(diào)，可生化性差，水質(zhì)狀況隨“場(chǎng)齡”發(fā)生很大的變化，因此滲濾液的處理方法是填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的關(guān)鍵問題之一。合理地選擇滲濾液處理工藝，對(duì)于城市垃圾的衛(wèi)生填埋處理十分必要。電化學(xué)水處理技術(shù)由于有極強(qiáng)的選擇性，可以將難降解有機(jī)物或?qū)ι镉卸尽⒂幸种频奈廴疚镛D(zhuǎn)化為可生化物質(zhì)，從而提高廢水的生物降解性4-6。電解可間接氧化垃圾填埋物滲出液。以下是某實(shí)驗(yàn)組用電化學(xué)法處理滲濾液的一組研究數(shù)據(jù)：滲出液的COD 4 100 5 000 mg/L，BOD/COD 約0.2，氨2 100 3 000 mg/L，氯化鈉2 500 mg/L，是一種難生物降解的廢水。使用SnPdRu 三元氧化物鈦陽(yáng)極，電流密度0.15 A/dm2 進(jìn)行電解，滲出液COD 去除率達(dá)92%，BOD/COD 提高到0.5，氨被完全除去，廢水可生化性良好。3.2 工廠礦山含氰廢水的處理 CN的電化學(xué)氧化研究由來已久，無論CN廢水的濃度如何，電化學(xué)氧化同樣可行。電化學(xué)氧化是利用不溶性陽(yáng)極的直接電解氧化作用，或陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物(如Cl2、ClO、O2 等)的間接氧化作用，降解消除水中氰、酚以及COD、S2等污染物。3.2.1 電鍍工廠含氰廢水的處理電鍍廢水3是一種有毒的工業(yè)廢水，也是一種來源廣泛的環(huán)境污染源。由于電鍍廢水成分復(fù)雜，有害物質(zhì)含量高，處理技術(shù)難度大，所以仍有相當(dāng)多的電鍍廢水未加處理而直接排放，造成環(huán)境污染。氰化物電鍍?nèi)允浅Ｓ玫碾婂兎椒?，電?工廠含氰廢水的處理可使用次氯酸鈉氧化分解法。國(guó)內(nèi)許多環(huán)保設(shè)備廠生產(chǎn)裝有涂鈦陽(yáng)極的次氯酸鈉發(fā)生裝置，其產(chǎn)生的次氯酸鈉濃度高、能耗低、鹽耗低。3.2.2 電解法處理含氰鍍銅廢水 用電化學(xué)法對(duì)氰化鍍銅漂洗廢水中毫克級(jí)的氰根離子和亞銅離子進(jìn)行處理。同樣以下是某實(shí)驗(yàn)組用電解法處理含氰鍍銅廢水的一組數(shù)據(jù)：以氰化鍍銅漂洗廢水作電解液，其中含游離氰根離子300 450 mg/L，一價(jià)銅離子400 550 mg/L。電解法處理含氰廢水6的過程中，廢水中的CN先被氧化為氰酸根，再進(jìn)一步被氧化為CO2 和N2。陶基二氧化鉛陽(yáng)極與不銹鋼陰極的面積比為12，極距3 cm，溫度55 C，pH 10.0 11.0，每立方米處理液中控制NaCl 含量為0.5 g。當(dāng)陰極電流密度為0.4 A/dm2 時(shí)，經(jīng)2 h 電解，廢液中CN質(zhì)量濃度從385 mg/L 降到58 mg/L，而Cu+質(zhì)量濃度從450 mg/L降到48 mg/L。3.2.3 用電解法從富集氰化廢液中回收銅 在提金貧液中，銅、鋅主要是以34 Cu(CN) 和24Zn(CN) 兩種配陰離子的形式存在7-8。選用石墨作為陽(yáng)極，鈦板作陰極，以堿性銅鋅水溶液作為電解液，當(dāng)通過直流電時(shí)，在陰極板上產(chǎn)生金屬銅和鋅，同時(shí)伴隨著氫氣的產(chǎn)生，在陽(yáng)極上則有氧氣產(chǎn)生。電積富集銅液的適合條件是：金屬配氰離子濃度在40 g/L 左右，槽電壓1.9 2.1 V，電流密度60 mA/cm2左右，反萃液游離氰初始質(zhì)量濃度10 20 g/L，電解時(shí)間20 h，極間距20 30 mm，溫度為常溫。從氰化富銅液中電積回收銅，銅的純度可達(dá)99%，同時(shí)可以回收氰化物。銅、鋅的總回收率均達(dá)到95%以上。3.3 廢水的脫氮處理3.3.1 廢水的反硝化脫氮處理目前，廢水處理中的除氮技術(shù)，通常是把水中的氨氮污染物降解為NO3 和(或) NO2。如果要把這些降解產(chǎn)物進(jìn)一步消除，需進(jìn)行反硝化處理9。對(duì)于回用水、供水，對(duì)NO3和NO2是有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的。因此，反硝化脫氮是廢水回用處理和供水處理的重要措施。電解法和生化法的聯(lián)合處理，對(duì)供水和回用水的反硝化脫氮有良好的效果。它是采用固定化技術(shù)將微生物固定在電極表面，形成一層生物膜，然后在電極間通上電流，使污染物在生物和電化學(xué)雙重作用下得到降解。即以不同的金屬材料分別作為陰極和陽(yáng)極，在兩極之間施加一定電壓，使廢水中的NH4+ 首先在亞硝化菌作用下轉(zhuǎn)化為NO3，再在陰極上還原為N2，使NH3N、NO3 和NO2 的去除率分別達(dá)到95%和85%以上。3.3.2 對(duì)核廢水中的NO3 進(jìn)行電解脫氮電解法具有去除NH3 和NO3N 的作用，這在廢水的深度處理中尤為重要。由于核廢水中常含有Ru、Hg 等放射性及重金屬元素，因此對(duì)其中的NO3進(jìn)行電解脫氮處理較困難。使用由鉛陰極、Nafion417 陽(yáng)離子交換膜和形穩(wěn)析氧陽(yáng)極組成的電解槽10，在高溫(80 C)下以高電流密度(30 60 A/dm2)對(duì)NO3和NO2 進(jìn)行電化學(xué)還原反應(yīng)，硝酸鹽和亞硝酸鹽幾乎全部轉(zhuǎn)化為N2、NH3 或N2O。3.4 含油廢水的處理含油廢水的來源很多，石油工業(yè)的采油、煉油、貯油運(yùn)輸及石油化學(xué)工業(yè)都產(chǎn)生含油廢水、油輪壓艙水、洗艙水、機(jī)械工業(yè)的冷卻潤(rùn)滑液、軋鋼水，以及食品工業(yè)等的廢水都含有大量的油；鐵路系統(tǒng)各機(jī)車車輛廠、車輪廠洗罐所、機(jī)務(wù)段和車輛段等單位和生產(chǎn)性廢水主要是含油廢水。排入水環(huán)境中的油，能阻止空氣的氧溶于水中，使水中浮游生物等因缺氧而死亡，并導(dǎo)致魚、貝等變質(zhì)而不宜食用，且在水體表面的聚結(jié)油還有可能燃燒而產(chǎn)生安全問題。3.4.1 油田廢水電解殺菌當(dāng)今，腐蝕二次采油油井的主要因素是由硫酸鹽還原菌(SRB)引起的11。油田污水水質(zhì)適合SRB生長(zhǎng)，導(dǎo)致其大量繁殖，造成污水管線、油套管的腐蝕穿孔。SRB 的代謝產(chǎn)物FeS 沉淀會(huì)造成地層堵塞，注水量下降，直接影響原油的產(chǎn)量。因此，對(duì)油田回注水進(jìn)行殺菌處理是二次采油技術(shù)中重要的一步。目前防治硫酸鹽還原菌的主要方法還是注入1227 殺菌劑，但如長(zhǎng)時(shí)間使用，會(huì)使油井的硫酸鹽還原菌產(chǎn)生抗藥性。某油田廢水中SRB 初始含量為6 103 個(gè)/mL，以鈦鍍釕板電解3 min 后，廢水中硫酸鹽還原菌含量?jī)H為6 個(gè)/mL，殺菌率高達(dá)99.9%。隨著電流增大，電極板距離增加，極板間電壓升高，更有利于殺滅硫酸鹽還原菌。3.5 醫(yī)院污水處理醫(yī)院污水含菌量高，如直接排放會(huì)污染生活水源，過去多采用氯氣或漂白粉進(jìn)行處理。次氯酸鈉是一種強(qiáng)氧化劑，能進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)破壞其蛋白酶，有很強(qiáng)的殺菌作用。20 世紀(jì)70 年代開始，國(guó)內(nèi)許多廠家都在生產(chǎn)電解鹽水制取次氯酸鈉的裝置，使用IrRuSnMnTi五元素涂層鈦陽(yáng)極。某醫(yī)院排放的污水中大腸桿菌量為4 106 個(gè)/mL，細(xì)菌總數(shù)為5 106 個(gè)/mL。添加次氯酸鈉進(jìn)行消毒，10 min 后取出水樣分析，大腸桿菌量為3 103 個(gè)/mL，而每毫升細(xì)菌總量?jī)H剩310 個(gè)，殺菌率達(dá)到99.9%以上，符合污水排放標(biāo)準(zhǔn)。3.6 餐飲廢水的處理餐飲廢水產(chǎn)生量日益增多，這些含有動(dòng)植物殘?jiān)?、油污和洗滌劑等有機(jī)物的廢水若直接排入水體，會(huì)造成嚴(yán)重污染。國(guó)內(nèi)目前用電解過濾法處理餐飲廢水。但由于餐飲廢水含油量較高、有機(jī)物含量大，電解過程中，電極板間易形成污垢，降低了極板導(dǎo)電性，使槽電壓升高，電耗增大，處理效果降低，極板使用壽命縮短。在電解前加入微電解預(yù)處理過程，用微電解電解技術(shù)可處理餐飲廢水。微電解法是依靠自身物質(zhì)(一般是金屬?gòu)U料)形成微電池進(jìn)行凈化廢水的反應(yīng)，電流密度為26 A/m2，后續(xù)處理采用砂濾。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)餐飲廢水的水質(zhì)分析，進(jìn)水的CODCr 值為200 1 000 mg/L，處理后去除率在70%以上，達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。3.7 電極生物濾池法處理城市污水將電極反應(yīng)過程引入城市污水的生物處理系統(tǒng)，以活性炭生物濾池為主體，引入電極系統(tǒng)后形成電極生物濾池。陽(yáng)極(石墨棒)和陰極(普通鐵板)的不同電化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生微區(qū)域或局部區(qū)域的氧化性(好氧)與還原性(厭氧)的交替環(huán)境。該反應(yīng)器在作為普通生物反應(yīng)器去除有機(jī)物的同時(shí)，達(dá)到作為電極生物反應(yīng)器具有高效反硝化效果的目的12。電極生物濾池與生物濾池相比，CODCr、氨氮和總氮的去除率分別提高了2.5%、1.2%和14.9%。兩種濾池的CODCr 和氨氮去除率基本相同。3.8 電化學(xué)法處理回用水要開展中水回用工作，首先要確保處理水質(zhì)。以生活污水處理為例，如中水回用為生活雜用水(如洗車、綠化等用水)，對(duì)總大腸菌數(shù)的要求為3 個(gè)/L。因此，消毒是污水回用過程中必不可少的環(huán)節(jié)，尤其當(dāng)回用水要與人直接接觸或用于食用農(nóng)作物灌溉時(shí)就更顯得重要了。采用電化學(xué)法(陽(yáng)極使用鉑族金屬氧化物涂層鈦電極)生成的三氯甲烷的量比加氯消毒生成的量要低，即使含三鹵甲烷(THMs)的前體物質(zhì)較多的水，經(jīng)過電化學(xué)處理后水中的三鹵甲烷含量仍低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的數(shù)值。以某市污水處理廠為例，二沉池出水的氯離子含量約為126.8 mg/L，含菌量為104 個(gè)/mL。在電流密度2 mA/cm2、反應(yīng)器中水力停留時(shí)間為16 s 的運(yùn)行條件下，水中大腸桿菌存活率均0.01%，殺菌率可達(dá)99.99%以上，出水完全可以滿足回用水的細(xì)菌指標(biāo)。此時(shí)處理每噸水的耗電量為0.035 kWh。4.電解法技術(shù)處理廢水的前景展望當(dāng)今電解法處理廢水技術(shù)是一個(gè)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。它具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)首先它具有廉價(jià)高效的電極，許多稀貴金屬電極在難處理廢水的是研究中有很好的效果，在進(jìn)一步研究其應(yīng)用價(jià)值的同時(shí)應(yīng)尋找可用于是實(shí)際生產(chǎn)的廉價(jià)替代品；其次在新型電解槽的設(shè)計(jì)上，一方面從提高電解槽的效率入手，對(duì)極板與電源的連接方式，廢水在槽中流動(dòng)方式等各方面進(jìn)行改進(jìn)，從而設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加合理，效果更好的反應(yīng)槽，另一方面著重于電機(jī)槽的通用性；再次電解槽機(jī)理從本質(zhì)上左右電解法的效果深入研究各類電解過程的機(jī)理，將對(duì)提高處理效率、降低能耗有深遠(yuǎn)的影響。新的電解法處理水技術(shù)的研究與應(yīng)用，今后其發(fā)展的方向是價(jià)廉、高效、易操作。參考文獻(xiàn)：1 周軍，金奇庭.電解法處理廢水的研究進(jìn)展.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政府工程學(xué)院，2000,26（3）2 TERAMOTO M, TOHNO N, OHNISHI N, et al. 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