浅谈化工安全生产中电化学水处理技术的应用

张 俊

（中电环保股份有限公司，江苏 南京 211100）

引言

绿色可持续发展作为现代化社会的核心发展理念，更是指导我国经济活动开展的关键方向。化工行业作为我国的支柱型行业，不仅给社会经济带来了重大贡献，同时也引发了诸多环境污染问题。所以，为了实现可持续发展目标，提高企业的核心竞争力，化工企业就需要加强对电化学处理技术的研究和应用，以有效地优化生产流程，减少污染。

1 电化学水处理技术的原理分析

电化学水处理技术的原理是基于电解过程中的氧化还原反应和电极上的电化学反应。通过在适当的电极材料上施加电压或电流，可以引发反应，并使污染物发生化学变化，从而达到净化水质的目的。其中，直接与间接电解是两种常见的方法。前者是指将废水中的污染物直接在电极上进行化学反应或被还原，以实现废水的净化。在阳极，污染物会被氧化为较小毒性的物质，或是转化为更易生物降解的物质。而在阴极，基于还原脱卤等方法，污染物会在阴极上被还原去除。间接电解则是利用电化学生产的氧化还原物作为催化剂参与反应，从而将污染物转化为毒性较低的物质[1]。间接电解具体包括可逆和不可逆过程。在可逆过程中，氧化还原物质可以通过电化学再生和循环利用。而在不可逆过程则基于不可逆的电化学反应生成（次）氯酸盐等中间体来去除污染物。

2 电化学水处理技术类型

2.1 电氧化法

该方法通过在电化学过程中施加高电位，使阳极产生的活性氧化物能与溶液中的有机和无机物质发生氧化反应，将其降解为无害物质，从而达到净化水体的目的。这种方法不仅可以处理废水中的有害化合物，还可以达到杀菌和脱硫的效果，对于工业废水处理具有重要意义，特别适用于处理电镀工厂废水中有害物质。针对湖水内的细菌，可采取直接氧化方式，施加高达10 V的电压，由电化学反应产生的活性物质能迅速氧化并灭活水中的微生物，从而实现对水质的快速净化。这种方法反应效率高，能够在短时间内显著改善水质，比较适用于需要紧急处理的水体污染。此外，间接氧化是一种利用银离子、碳酸根离子和亚铁离子等物质作为氧化介质，在阳极对苯、苯酚与油等难降解的化学活性物质进行降解的方法。实验表明，这种方法具有较高的反应效率，能够有效地降解复杂的有机污染物，为处理工业废水和污染水体提供了一种有效的技术手段。通过选择合适的氧化介质和优化反应条件，使间接氧化在水体净化和环境保护方面具有广阔的应用前景。

2.2 电还原法

化工废水中存在高浓度的重金属元素，是一种对环境具有潜在危害的废弃物。为了实现资源循环利用和环境保护的目标，化工企业应采取有效方法回收废水中的重金属。电还原法常应用于氯化烃的还原脱氯以及重金属的回收中。该方法利用电化学反应原理，将氯化烃作为还原剂，通过与废水中的重金属离子发生反应，将其还原成相应的金属元素。同时，氯化烃也能被氧化为氯化氢，在此过程中起到脱氯的作用。在电还原过程中，废水被置于电解槽中，通过施加合适的电流和电压，使废水中的重金属离子在电极上还原成金属，并于电极发生沉积。同时，氯化烃也被还原为氯化氢并释放出来[2]。

电还原法的优点如下：首先，是一种成本相对较低的方法，相比于其他技术所需的设备和能源消耗较少，从而降低了回收过程的经济负担。其次，电还原法的回收效率较高，能够从废水中提取高纯度重金属，使回收后的金属可以直接应用于工业领域，实现资源的有效利用。此外，电还原法还具有操作简便、工艺稳定等特点，使其在实际应用中具有广泛的可行性。

2.3 电凝聚法

电凝聚法是一种使用电解技术进行水处理的方法，该方法可以从铁屑与铁板中生成（亚）铁离子，从铝板中生成铝离子，并在此环节有效去除污染物。通过亚铁离子氧化成铁离子的机理溶解水中的铁，并基于其与新生态氧和溶解氧的不溶性阳极反应完成水处理。在化工安全生产的供水系统中，电凝聚法可以有效地溶解铁，并将其转化为氢氧化铁的胶体。同时，这种方法能够通过砂滤除去氢氧化铁胶体，净化水质。此外，氢氧根的存在还会提高溶液的酸碱值，进一步促进水质的净化。电凝聚法具有非常明显的优点，其中一个最大的优点就是不需要添加任何化学药剂，因此对环境的影响非常小，且可以减少水处理过程中的污染物排放。另外，由于该方法仅适用于小规模的供水系统，因此可以减少能源和材料的浪费，对环境的影响更小。此外，电凝聚法还具有较高的COD、SS与色度去除率，有效地提高水质[3]。

2.4 电气浮法

电气浮法是通过电解产生的氧气和氢气在阳极和阴极上生成微小气泡，这些微气泡能够有效地粘附在废水中的胶体或絮体上，使其浮到水面，实现废水的处理和净化。电气浮法具有出色的废水处理效果。据相关研究得知，此方法可达到94%的脱色率，同时还能够实现98%的SS去除率，75%的COD去除率。此外，该方法还能够高效地去除浮油，去除率可高达95%；对乳化油的去除率可达92%；对LAS（线性烷基磺酸钠）的去除率达到91.2%。

2.5 电化学脱氮技术

该技术主要是利用电极或外加电场进行物理化学反应，去除废水中的氨氮等污染物，从而降低水体污染程度。与传统化学处理技术相比，电化学脱氮技术具有许多优点。首先，该技术无需使用任何药物试剂，完全依赖于电极和电场的作用，因此对环境没有任何污染。其次，电化学脱氮技术操作简单、易于控制，能在短时间内高效地处理污水，节约了大量时间和成本。在电解脱氮过程中，溶液中生成的羟基自由基是实现脱氮的关键。羟基自由基具有较高的氧化性，能够高效地除掉污水中的杂物，同时也能将氨氮等氮源物氧化为无机氮。此外，溶液中产生的氯离子会发生氧化反应，转化为氯气与氯酸根离子，这两者都有较强的氧化性，能够直接氧化并去除污水内的氨氮物质。在联合应用电解法与生物法时，电解形成的氢气和污水中的氨气参与反硝化，将NH3-N作为电子供体，NO3-N作为电子受体，产物为氮气。该方法不仅能高效去除污水中的氮源物，还可以通过微生物的作用，降解污水中的有机物质，实现废水的全面净化。

2.6 微生物电解池(MEC)

微生物燃料电池产氢(MEC)是在微生物燃料电池(MFC)的基础上发展而来的一种新的有潜力的产氢技术，是利用外部电源，使微生物能够在特定反应条件下产生特定的化学产物。相对于MFC而言，MEC在调整微生物生存环境和反应所需的电化学参数方面更加高效，因此能够利用反应器的动力学和热力学性能。在MEC体系中，电化学活性微生物能够将底物氧化，释放出电子到阳极，这些电子再通过外部电压电路传输到阴极，并与电子受体联合，引发阴极上的还原反应。此过程实现了电子流动的闭环，促使发生特定的化学反应。通过调节反应条件和微生物种类，MEC可以处理各种常见的有/无机物与难降解的污染物，并取得了理想的处理效果。与传统废水处理方法相比，MEC具有多种优势。首先，MEC能够有效地控制微生物的生存环境，包括pH值、温度等，提供了更为适宜的条件供微生物活动。其次，通过引入外部电源，MEC可以精确地调节反应器的电化学参数，如电流密度和电极电位，优化了反应过程，提高了处理效率。此外，MEC还能够有效地减少能耗。传统废水处理方法会消耗大量能源，而MEC是利用微生物的代谢活动产生电流，降低了对外部能源的依赖，有助于减少能源消耗和运营成本，符合可持续发展的理念。随着对反应器规模、工艺和反应机理的深度研究和改进，未来将会使更高效、更稳定的MEC系统应用于废水处理厂和其他环境领域，创造出更清洁、更可持续的生活环境[4]。

2.7 电渗析法

电渗析法是一种利用离子交换膜和直流电压的水处理技术，旨在实现水中离子的选择性透过和迁移，以达到杂质分离和过滤的目的。这种方法相较于传统水处理方法具有许多优点：（1）由于离子交换膜具有优异的离子选择性，可以根据离子大小、电荷和溶液的浓度等特性控制离子的通过程度，所以可以高效地分离水中的杂质离子与有用的离子。（2）电渗析法是通过施加直流电压来实现离子的迁移，因而能耗相对较低。（3）由于离子交换膜的选择性和直流电场的作用，电渗析法能够实现高效的离子迁移和分离，因而可以在相对较短的时间内处理大量的水，达到高度纯净的水质要求。因此，电渗析法在工业废水处理、海水淡化和饮用水净化等领域得到了广泛应用。

3 电化学水处理技术在化工生产领域的具体应用

3.1 有效控制系统过滤器

在实际操作过程中，工作人员应根据水质状况和处理要求合理增加过滤器的数量和规格，确保达到预期的过滤效果。许多电厂采用单流式过滤器作为主要过滤设备，所以要定期进行行反洗操作。在反洗时，应根据具体情况选择适当的清洗方式和反洗介质，如水反洗、气擦洗等，并注意反洗时间、流量与压力等参数的掌控。此外，还需要建立反洗记录和管理机制，及时发现和解决反洗过程中出现的问题，确保过滤器的正常运行。在过滤器自动控制方面，要针对不同的过滤器类型和运行情况选择合适的控制方法。例如，在单流式过滤器中，可以利用在线浊度仪发出指令传输到反洗逻辑中，实现对过滤器的自动反洗控制。在操作过程中，需要定期校准浊度仪并设置反洗阈值，保证自动控制系统的准确性和可靠性。在过滤器控制系统中还应加入备用机位状态监测和预警装置等设备，确保过滤器在故障情况下能够及时切换到备用状态，提高系统的稳定性和可靠性。

3.2 分析持久性有机污染物的污水处理技术

化工废水中的有机污染物，尤其是持久性有机污染物，对环境和生态系统造成了严重威胁。其中，重金属是一类特别引人关注的污染物，因为其具有高毒性和潜在的长期积累效应。直接排放含重金属的废水会使水体受污染，而生物体吸收这些重金属后，可能引发中毒甚至致命。电化学方法利用电解反应原理，通过施加电流引发氧化还原反应，实现有机污染物的降解和重金属的去除。在电化学处理技术中，催化剂具有关键作用，能够促进氧化反应，产生具有强氧化能力的羟基自由基，迅速分解废水中有机污染物，包括持久性有机污染物。而且，催化剂还能改变有机物污染物的性质，使其更容易降解和去除[5]。

3.3 处理硝基苯类化合物废水的电化学处理技术

在处理硝基苯类化合物废水时，传统的水处理技术效率较低，而且往往需要耗费大量时间和资金，而电化学水处理技术具有高效率、快速降解等优势，能够高效地降解废水中的有害化学物质。在电化学水处理技术中，DSA阳极是一种重要的催化剂。DSA阳极的表面具有多孔结构和特殊的表面化学性质，能够增强电化学反应的效果。此外，其还具有高效的氧化还原能力，可以实现对硝基苯类化合物的迅速降解。

3.4 酚类污染废水的电化学处理技术

酚类污染废水的处理在当前国内外水处理领域备受关注。这种废水污染源广泛，对水体环境造成了严重威胁，而且处理工艺较为复杂，处理效率不太理想，因此亟需寻找高效的处理方法。在此背景下，电化学处理技术展现出巨大的潜力。基于精确调控处理过程中的电压和酸碱值，该技术可以实现对含酚废水的高效处理，使其中的酚类物质充分发挥作用，从而有效净化废水。通过持续的研究和实践，相信该技术将在水处理领域发挥越来越重要的作用，为改善水体环境质量作出积极贡献[6]。

3.5 电极系统与膜生物反应器直接连接

在电极系统中装配使用低成本大孔膜基材制作的动态膜生物反应装置，既可以有效地减少膜组件的费用，同时还可以大幅提升膜通量并减缓膜污染的发生，从而为动态膜生物反应器的稳定运行和长期性能提供了可靠的基础。研究人员通过在动态膜生物反应器中引入电极系统，并施加适度的低电场，使负电荷污泥与EPS直接从膜表面移除，从而有效地减缓了膜污染速度，并延长了动态膜的使用寿命，优化了膜通量。实验结果表明，在施加低电场的电化学膜生物反应器中，膜清洗频率显著降低，从而验证了低电场能够缓解膜污染的事实。这一发现为该技术的实际应用提供了有力支持。国内研究人员还发现，在阴极负载动态膜生物反应器中，通过阴极形成的微小气泡能够显著缓解膜污染的发生，并使其稳定运行周期达到普通DMBR的2.5倍[7]。

4 结语

综上所述，目前由于电化学水处理技术耗能较低，反应条件温和，处理成效突出，已经成为有关领域的重点研究课题。相较于传统化学污水处理技术中的能源消耗量大、功能单一、工作效率低等缺陷，电化学水处理技术具有明显的应用优势。