电絮凝技术在给水处理中的应用与发展

祝俊 刘宏远

浙江工业大学土木工程学院 浙江 杭州 310012

1 概述

随着世界人口增加，水资源短缺现象日益加剧。这就使得人们寻找一种可靠的，成本小，环境友好的水处理技术。常规的水处理技术混凝，沉淀，过滤，消毒工艺，投加混凝剂可能会影响到生态环境；活性炭吸附技术与膜工艺成本较大，经济性限制其实际应用。电絮凝技术作为“绿色的水处理技术”，逐渐被人们所熟知。近年来国内外研究人员将其逐渐应用在饮用水工程中。

2 电絮凝的原理及构造

2.1 电絮凝原理

电絮凝技术是在外加电源的条件下，可溶性电极会产生可溶性的阳离子（Al3+/Fe2+），这些阳离子在水中水解形成氢氧化物絮体，这些絮体会与水中污染物结合，以达到去除水中污染物质。通常，电絮凝技术主要是絮凝、气浮和氧化还原作用来去除水中的污染物质

当以金属M为阳极时，施加电流后，阳极溶解产生Mn+离子，Mn+在水中发生水解，或与阴极产生的OH-相结合，形成M(OH)n跟水中的悬浮颗粒发生作用，使其脱稳并聚集形成大颗粒。这些颗粒一部分沉淀，一部分与阴极产生的H2结合，上浮至水面上，实现与污染物的分离。主要的反应如下：

2.1.1 絮凝作用

通常电絮凝技术中选用铁和铝板作为电极。在电场的作用下，阳极会产生Al3+、Fe2+，会在水中形成氢氧化物絮体，阴极产生OH-。这些氢氧化物絮体通过吸附架桥，网捕卷扫等将水中的污染物去除。

2.1.2 气浮作用

电絮凝过程中，阴极可以产生氢气。这些气泡大多是在几十μm左右，它们与水中的带负电胶体接触并上浮，实现固液分离。

2.1.3 氧化还原作用

电絮凝的氧化主要在阳极，分为直接氧化和间接氧化作用。直接氧化是指在阳极附近离子不断地发生交换，从而降解污染物质；间接氧化是指通过氧化产生一系列活性物质，如活性氯等，这些活性物质本身具有强氧化性可以降解污染物质。还原作用发生在阴极附近，可以将金属离子等污染物通过还原去除。

2.2 电絮凝构造

电絮凝装置由一个直流电源加电解槽组成。目前研究中采用的电源一般为脉冲直流电源，可以起到节约电耗和缓解钝化的作用。常用的电解槽是电极板浸没在溶液中，通过导线将每块电极板连接后再与直流电源的正负极相连接。极板的连接方式有一下三种：双极串联、单极并联、单极串联电极。通常采用单极并联电极，电流可以平均分配到每块极板上，同时它的经济性也是最好的。

2.3 电絮凝技术特点

2.3.1 电絮凝技术优点：

（1）电絮凝产生的污泥比常规的混凝剂产生的少。这是由于电絮凝形成的污泥主要由金属氧化物/氢氧化物组成，因此容易形成沉淀物更加易于脱水。（2）电絮凝形成的絮体较小但是絮凝物较大，主要是内部的结合水较少，所以更加稳定因此在过滤过程中很容易将它们分离。（3）电絮凝处理水pH的范围较大，pH一般在4-9。而常规的加药混凝pH在6-7。（4）设备简单而易于操作，因此可以实现流程的完全的自动化。（5）在电絮凝过程中避免使用化学药品。因此，它不需要中和过量的化学物质，并且可以避免由添加的化学物质引起的二次污染。

2.3.2 电絮凝技术缺点

（1）电絮凝极板钝化

电絮凝运行过程中随着运行时间的增加钝化作用将成为影响电絮凝处理效果的最主要因素之一。目前钝化现象的产生的原因是在极板附近发生了“浓差极化”现象。“浓差极化”现象的产生是因为电絮凝产生阳离子的速度大于阳离子在溶液中扩散的速度，在极板附近生成不溶性的氧化膜，增加了电絮凝反应器中的电阻，提高了电耗，处理效果变差。现有的两种理论来解释“浓差极化”现象的产生，分别是成相膜理论与吸附理论。目前，国内外关于延缓和去除电絮凝极板钝化的方法主要包括增加反应器种的流量以增强极板之间的水力冲刷、向反应器中添加去食盐、机械打磨电极、超声波处理和改变脉冲电源波形等。

（2）电絮凝极板消耗

电絮凝运行过程中电极板的消耗限制了该技术在实际生活中的使用。当阳极为可溶性极板时，电絮凝装置通上直流电流，阳极会产生金属阳离子（Al3+/Fe2+）。这些金属在阳极的产生遵循法拉第定律：

W：阳离子（Al3+/Fe2+）损耗的量g；I：电流A；t：电解时间s；M：极板材质原子的相对摩尔质量；z：阳离子（Al3+/Fe2+）的电荷数；F：法拉第常数96485 C/mol

阳离子溶出过多，会导致极板消耗过快，增加电絮凝技术的运行成本；另外溶出离子过多，可能会导致出水中阳离子过高。

3 电絮凝技术水处理中的应用

电絮凝工艺开始主要应用在污水处理中，后来研究人员对电絮凝工艺改造后也逐渐在饮用水领域得到使用。主要是污水相对于饮用水处理来说，污水中电导率较大，便于电絮凝工艺的使用。随着研究人员对电絮凝技术的深入研究发现，电絮凝技术在给水处理中同样也可以取得好的效果，该工艺对地下水的除砷、氟、硝酸盐氮，去除效果可达到八至九成，在地表水主要是对水中天然有机物的去除，去除效果可达到六成以上。电絮凝对上述的污染物有很好的去除效果，因为在电絮凝过程中有氧化还原作用，同时还有常规的混凝作用，这时污染物被吸附在絮体上，从而在水中去除。

4 最新研究进展

4.1 电絮凝-压力溶气气浮组合技术

压力溶气气浮的操作方便，便于与电絮凝技术组合。二者组合可避免常规处理中混凝剂的投加，有望代替常规的混凝沉淀。在压力溶气气浮与电絮凝组合工艺中，一种是将溶气气浮的溶气释放器置于电絮凝装置中电极板的底部，微气泡与水中的污染物结合上浮到上部去除；另一种是电絮凝装置与溶气气浮装置分开，电絮凝装置起到产生混凝剂的作用，溶气气浮装置起到固液分离的作用。二者的区别在于电絮凝电解时间的不同，前者需要的电解时间较多，此时电絮凝装置起到降解污染物的作用；然而后者需要的电解时间较少，电絮凝主要起到产生混凝剂的作用。

4.2 电絮凝-膜组合技术

电絮凝与膜的组合技术近年来在水处理领域逐渐成为研究的热点。单纯的膜技术在地表水处理中，水中的污染物质会导致膜孔的堵塞，增加膜的反洗周期。电絮凝凭借着对水中的有机物有良好的去除效果的作用，可以作为膜的预处理技术，延缓膜结垢的风险，减少反洗周期。此外，电絮凝的反应过程中，产生絮凝剂可以吸附水中的一些病毒，形成的絮体被膜截留住，提高了出水的安全。

4.3 电絮凝-紫外（UV）组合技术

紫外（UV）消毒是水处理中众所周知且广泛应用的技术。消毒过程是基于细胞壁在紫外线辐射穿透，影响细菌和原生动物生物的遗传物质（DNA和RNA），从而阻碍了它们的繁殖。在电絮凝过程中实施紫外线照射的方法，可以提高水中细菌病毒等的去除率。紫外可以促进电絮凝中羟基自由基和氯自由基的产生，增强了对细菌病毒等的去除效果。然而，二者的结合会导致能耗的升高，因此必须优化二者的运行参数，提高电絮凝-紫外组合技术的适应性。

4.4 电絮凝-超声组合技术

电絮凝-超声组合技术是将电絮凝与超声技术连用，超声能够搅拌水中颗粒物质，促进电絮凝反应中溶液中颗粒物的混合与分散。然而，过大的超声功率与频率将对电絮凝过程中产生絮状物的形成具有抑制作用。因此选择合适的功率与频率将尤为重要。因为超声能够促进自由基的产生，通过自由基的氧化降解有机物；超声减小了扩散电层的厚度，促进了电流效率；最佳的功率与频率可以促进电絮凝反应中颗粒物的混合，提高处理效率；超声可以缓解极板钝化现象。

结论

电絮凝技术在给水处理的领域的应用广泛，主要是在去除水中的有机物，氟，砷等。电絮凝技术自身占地面积小，操作简单，经济性好等优点，易于其他技术组合。电絮凝技术及其组合技术在不同类型水质处理中均能取得较好的结果。然而，目前对于电絮凝的研究主要集中在对污染物去除效果，电絮凝反应器结构方面研究以及解决电极钝化的研究较少。因此，在电絮凝反应器结构上的优化和如何彻底的解决钝化，将是以后研究的方向。