难降解废水生物电化学系统强化处理探讨

文_刘新锋 山东新和成氨基酸有限公司

电化学氧化法是处理难降解废水的一种常用方式，效果显著，为此，文章结合微生物电化学系统的内涵，就难降解废水生物电化学系统强化处理问题进行分析。

1 微生物电化学系统

微生物电化学系统是指应用EAB作为基本催化剂来催化电极表面电化学反应的体系。这类体系中细菌组织可以通过特定的细胞蛋白、细胞组织结构、可溶性的氧化还原介质来实现电子在固定电极和细胞之间的传递、转换。和传统意义上的生物催化剂相比，微生物电化学系统具有比较强烈的复制性、多样性、自我性的特点，因而在难降解废水处理工作中得到了人们的广泛关注。

按照EAB中电能是输入还是输出系统，微生物电化学系统可以细化为微生物燃料电池和微生物电解池两个类型。在微生物燃料电池中，阴极表面的氧化还原反应电势会超过阳极表面氧化反应电势，电池反应中的电势差也会超过0，在自由能低于0的时候反应器会自动向外地输出电能。在微生物电解池中，阴极表面还原反应电势会低于阳极表面氧化反应的电势，电池反应电势差低于0。

按照电子在EAB和电极间的移动方向也可以将EAB中的电极划分为生物阳极和阴极两个类型。在阳极中，EAB会将电极作为承载体，在这个承载体的作用下对一些有机物或者无机物的电子传递介质氧化处理。

2 影响电化学氧化过程的因素分析

2.1 阳极材料

铁质阳极腐蚀之后不仅会出现催化氧化反应，而且还会作为絮凝体降低COD的含量。在整个反应发生的时候会实现电絮凝和氧化介质的反应耦合。

阳极电极具备良好的催化活性，在使用的时候能够降低有机物的含量，但是其矿化小分子中间体不会发生完全的反应RuO2和IrO2介质会整合形成一个高阶氧化物，在氧化物的作用下能够增强电极活性。

和其他电极相比，导电金刚石电极还具备良好的稳定性，在使用的时候能够产生大量的.OH介质含量，和其他介质相比对微生物的处理效率比较高，且反应过程比较稳定。在FDOI-LC型的电化学反应器中BDD膜电极对甲酚的去除率比较高。在两极滴滤塔中，拉西环式的填料膜电极能够完全矿化石油废水，并降低出水生物的毒性。将BDD晶体颗粒移动到Ti基质上，非导体硅包覆盖在颗粒之间的空位上不仅能克服氢脆、碳化杂质随意产生的缺陷，而且还能够控制颗粒之间低密度。

2.2 反应条件

Fe3+和Fe2+离子催化。间接氧化时阳极生成的H2O2和Fe2所打造出的试剂氧化体系是羟基自由基的重要来源，从实际操作上来看，Fe2+阴极再生和电极材料的选择存在密切的关联，扩散阴极产生的介质会被Fe还原。在BDD-碳毡电极对中，受阳极直接氧化能力较强的影响，Fe2+会被加速氧化，.OH介质会减少，总体氧化作用会减少。由此可以发现，伴随Fe2+浓度的提升，介质的后期矿化现象会抑制，介质的浓度不会受到最开始价态的影响。

2.3 溶液中的阴离子

Cl通过阳极氧化反应会形成Cl2这类介质，并在反应一段时间之后会形成次氯酸，在形成次氯酸之后会和后续的有机物发生深刻的反应。为了能够提升电解质的效果，提高降解效率，可以适当的提升Cl的含量。

2.4 溶液酸碱值

电极表面发生氧化反应的时候，有机物、无机盐、水这三类成分会互相反应和竞争，在彼此的竞争下会使得电极周围的OH-和H+的浓度发生深刻的变化，最终也会影响溶液的酸碱值。在碱性条件下矿化生成的二氧化碳会形成碳酸盐。与此同时，溶液酸碱数值还会对Fenton产生比较明显的氧化反应，并在发生氧化反应的同时降低矿化的效率。在酸性条件下，水分和氧气还会出现电子竞争，而在碱性条件下，阴极反应会还原出氢气，OH-和Fe3+发生Fe（OH）3沉淀，由此体系中的Fe2+也会受到抑制，最终会对.OH产生不利的影响。

3 电化学氧化法处理生物难降解有机化工废水的对策

在一般情况下，应用电化学氧化还原方式降解化工废水中的有机物可以具体划分为阳极表面和周围的直接氧化两个类型，在具体处理的过程中所有试验操作都会受到阳极材料的影响。在生产加工方面常用的阳极材料分为活性材料和非活性材料两种。活性材料电极在电化学反应的时候表面上的物质会和氧气直接发生关联，材料的组合成分由此也会受到影响。非活性材料电极在电解的过程中仅仅是作为电子的重要接收体，在具体加工的时候组成成分会发生变化。

3.1 直接电氧化的处理方式

直接电氧化一般是指有机污染物在电极表面电子的直接传递和电极表面上出现了比较强烈的氧化剂反应，在反应的作用下被氧化成毒性较低或者容易被生物降解的物质，进而微生物将有机物直接氧化变成无机物。

污染物在阳极电氧化操作的时候可以通过在阳极上生成的物理吸附活性氧完成操作，也可以通过化学吸附活性氧来完成一系列的操作。吸附态的OH会和有机物出现电化学的燃烧反应，这一系列的反应包含脱氢、亲电加成，在这些反应的作用下能够将有机物降解处理，最终实现有机物的矿化发展。如果吸附态OH能够和氧化物的阳极出现速度比较快的氧化反应，氧气会从OH时候能够快速转移到氧化物的阳极晶格上，最终发展形成高价的氧化物。

3.2 间接电氧化

间接电氧化是指借助电化学反应产的强氧化剂来将一系列的物质传递到本体溶液中，这些溶液会和污染物出现反应来实现对介质的降解。间接氧化能够在很大程度上发挥出阳极直接氧化的作用，同时在这个过程中还会产生氧化剂，因而能够提升污水的处理效率。常用的间接电氧化包含以下几个形式。

3.2.1 中介电氧化

在发生中介电氧化的时候稳定的金属离子会在阳极上被氧化形成具备反应活性的不稳定高价态离子，这些离子能够直接氧化被降解的污染物，或者还能够在溶液中通过反应来生成烃基，由此破坏有机污染物，通过一系列的反应操作来达到降解有机物的作用。中介电氧化发生反应之后能够有效降解二氧化碳、一氧化碳，且对这些污染物的降解率达到了98%的比例。但是需要注意的是，中介电氧化氧化能力和介质对应的电极电位存在关联，需要在酸性环境下完成操作，但是在反应的过程中容易受到二次污染。

3.2.2 生成次氯酸酸根

如果溶液中含有Cl，会通过电化学氧化氯化物生成次ClO-降解有机物的方式来去除其中的杂质。电解产生的ClO-间接氧化在电化学氧化过程中起着十分重要的作用，且重新生成的ClO-会被人们应用到废水和垃圾渗滤液的处理中。

3.2.3 生成H2O2

污染物能够被电化学反应，还能够被反应之后新生成的H2O2氧化降解，在发生反应的过程中应用多孔碳-聚四氟乙烯氧扩散电极来作为阴极。氧气在阴极的电化学还原反应作用下会生成新的H2O2。

从实际应用角度来看，H2O2是一种强度比较高的氧化剂，在使用的时候能够氧化有机污染物，在废水中加入Fe2+这类介质会在芬顿反应的作用下产生比较强烈的氧化剂——烃基自由基，在OH的作用下能够提升H2O2的总体氧化能力。

4 结语

电化学氧化反应是在近几年发展起来的一种有效的废水处理方式，经过一段时间的发展，人们将注意力集中在改进电极和反应器的响应下， 但是在具体实施操作的时候很少对微生物电化学催化剂研发和制作予以指导，很少对生物电极结构、反应器的设计操作问题进行研究，对生物电化学氧化处理有机污染物效果的认识停留在宏观意义上COD、BOD和污染物浓度变化的获得上，很少从生物电化学层面上对降解机理进行研究和报道。在经过一系列的分析研究发现通过打造满足微生物电化学处理有机物过程的数学模型，从而为实际意义上的生物电化学系统处理有机污染物提供支持，具有十分重要的指导意义。