纳米催化电解技术与污水处理论文

1纳米催化电解技术原理

在工作阳极钛（钛基）表面涂上纳米级的贵金属［Pt（铂）、Pd（钯）、Os（锇）、Ir（铟）、Ru（钌）、Rh（铑）等］氧化物，在通电情况下于溶液中产生化学活性很强的自由基。如：在有Cl-存在时，阳极则生成新生态的氯（Cl•）；在水中则会产生新生态的氧（O•）。这些新生态的自由基能迅速地与溶液中的有机物（如COD）、有色物质、氨氮等起化学反应从而达到降低其浓度的目的，对病毒、细菌和藻类的孢子也具有强大的杀伤力。除了产生自由基外还能产生显著的协同效应，如酸碱效应、沉淀效应、气浮效应、诱导效应和吸附效应等，因此能大大提高水处理效果。

2纳米催化电解技术主要影响因素

2.1电极

20世纪70年展起来的化学修饰电极，通过对电极表面进行修饰，将具有特定功能的分子、聚合物、纳米材料等固定在电极表面，改变电极表面特性，使电极具有良好的电催化性能，并降低工作电位，促使有机物在发生电极析氧反应前氧化降解，并获得良好的电极反应速率和更高效的电流输出，减少副反应发生和降低运行能耗。在此基础上发展起来的纳米级催化剂涂层技术，是现阶段比较有效的电极材料工艺。其拥有更低的工作电位和更高效的电流输出，可减少副反应发生和降低运行能耗。

2.2电解质

电解质浓度增大，溶液导电能力增强，槽电压降低，电压效率提高；但浓度高到一定程度后，电压效率的提高趋于平缓，增加药剂成本，并会增大后续深度处理的难度。此外，部分电解质如Na2SO4等惰性电解质，电解过程中不参与反应，只起导电作用，电解效率的高低仅与其浓度有关；而类似NaCl等电解质，在电解过程中不仅起导电作用，更参与电极反应，氯离子在阳极氧化，进而转变成次氯酸。次氯酸是强氧化剂，不但可直接氧化有机物，而且还能阻止有机物（或中间产物）在电极表面吸附，从而避免降低电极活性。

2.3反应器结构

现在多采用三维电极结构来代替二维电极结构，以增加单元电解槽体积的电极面积，且由于每对阳极和阴极距离很小，传质非常容易，因此大大提高了电解效率和处理量。三维电极所用的填充材料主要有金属粒子、镀上金属的玻璃球或塑料球、金属氧化物、石墨和活性炭等。此外，溶液pH值、电解时间、电流密度、溶液的传质因素、待去除的有机污染物特性等其它条件也对电解效率有较大影响。因此，深入研究有机污染物在电极上的反应历程，开发高效电极材料，确定最佳降解条件，对提高电解效率和降低处理费用是非常必要的。

3纳米催化电解技术在厦门市政污水处理中的应用

根据NCE的特点，其应用主要有如下几方面：

1）将尾水处理达到或接近饮用水标准，直接回用到日常生活中，即实现水资源循环利用。该方式适用于水资源极度缺乏的地区，但投资高，工艺复杂。

2）将尾水处理到非饮用水标准，不与人体直接接触，如便器冲洗、地面和汽车清洗、绿化浇洒和消防用水等。该方式适用性好，易推广。

3）将达到外排标准的工业污水进行再处理后循环利用，一般需增加膜处理装置等使其达到软化水水平。

4）应用于污水处理厂剩余污泥的前处理，从源头减少污泥产量。目前，NCE在厦门市政污水处理中应用的典型案例有污水处理厂中水回用、尾水消毒和污泥减量处理等。

3.1中水回用作为道路冲洗水

1）现场场地较为狭小；

2）设施要求安全性高，运行维护简单，可自动化运行；

3）确保尾水经处理后含有一定余氯；

4）污染物浓度、色度进一步降低。对常见的尾水消毒工艺（紫外、加氯、二氧化氯、臭氧和电解消毒等）进行比选，结合尾水水质和处理后出水水质要求，确定采用纳米催化电解+砂、碳过滤的处理工艺，设计并建设处理水量为300t/d的中水回用工程。其中，纳米催化电解机外形尺寸H1485mm×W820mm×D530mm，采用三相交流380V供电，额定输出直流电压0~50V，额定输出电流0~1000A，实际有效占地约10m2。电解机每个电解槽的电解容积约7.2L，电解停留时间一般控制在4s左右（根据实际进水量可进行调整），极板间距根据来水杂质颗粒大小一般选择间距为4mm，极板交叉分布。

3.2小型污水处理站尾水消毒

因厦门市本岛机场北侧工业区部分企业排放污水问题，拟在机场北侧车辆拆检定损中心北侧建设临时污水处理站，主要处理附近约1km2范围内产生的约30t/d污水。污水处理主体工艺采用一体式氧化沟，将传统污水处理技术中的格栅、厌氧池、好氧池和沉淀池集成一体，大幅度减少用地面积；同时采用高效射流曝气机，实现曝气和推流；由于系统无内、外回流，无复杂自动化控制系统，对运行人员要求低。在消毒工艺的选择上，考虑到污水处理站无人值守或仅设置设备看守人员的现状，确定采用运行管理简单的纳米催化电解消毒工艺，在提供消毒功能的同时，可适当降低出水色度和浊度，也方便衔接后续中水回用工程。该处理站设计规模为100t/d，占地约120m2，总投资约60万元。污水处理工艺为一体式氧化沟+转盘过滤+纳米催化电解+超滤膜过滤，污水经沉砂、隔油后提升进入篮式格栅，除去大于15mm固体垃圾后，进入一体式氧化沟，经历生物降解、过滤、电解消毒等处理过程，出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B排放标准，再根据去向选择外排或超滤后作为中水回用。该项目中利用NCE去除污水色度、产生微气泡去除浊度和产生强氧化性自由基实现消毒功能，相比常规加氯和紫外消毒工艺，无需补充化学药剂，设备简单易操作，运行稳定。2012年11月项目运行以来，出水水质指标中的粪大肠菌群值稳定低于10000个/L。该项目运行能耗约1.10kWh/t，其中电解机能耗约0.09kWh/t，因本项目处理水量较小，电解机采用单电解槽，且在电压、电流控制上进一步优化，能耗较低。电解机实际输出直流电压约3V，输出电流约150A。

3.3污水处理厂污泥处理减量

厦门前埔污水处理厂采用自主研发深度脱水工艺处理污泥，产生泥饼含水率<60%，泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》（GB/T23485-2009）标准，万吨污水产泥量从传统方法9.5t降至5.4t。为进一步降低污泥产量，拟利用纳米催化电解技术处理剩余污泥，减少进入后续工艺的污泥绝干量，从源头减少污泥产量。主要工艺流程与深度脱水工艺流程相似，区别在于剩余污泥先经纳米催化电解处理，利用电解产生的自由基和其他氧化性物质破坏污泥细胞结构，使污泥细胞内物质和结合水溶出并释放到溶液中，经提升进入重力浓缩池，随上清液溢流进入生化池补充碳源，从而减少进入化学调质池的绝干污泥量。经测算，污泥电解后，绝干污泥量减少16%；浓缩池上清液性质发生显著变化，但对污水处理工艺基本不产生影响，出水水质保持稳定。该项目电解质投加量相当于0.107kg/万t污水，约64元/万t污水，该指标可进一步降低，并通过余氯浓度指示。

4结语

纳米催化电解产生的氯、氧等自由基可使尾水脱色，有效杀灭水中病原菌，电絮凝效应可净化出水水质，产生的气泡可带走部分固体悬浮物，对后续可能增加的深度处理过滤组件也可起到有效保护作用。在厦门污水处理厂中水回用、尾水消毒和污泥减量处理中的应用结果表明，该技术具有经济实用、快速便捷、运行稳定和处理高效的优点，适合于城市发展对污水处理和节水技术的需求。虽然该技术的运行能耗较高，但相信随着化学修饰电极技术的进步和对反应器结构的不断优化，相应能耗会进一步降低，从而可以降低污水处理厂运行成本，为水资源可持续开发利用提供良好的技术支撑。

作者:黄珍艺单位:厦门水务中环污水处理有限公司