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1納米催化電解技術原理

在工作陽極鈦（鈦基）表面涂上納米級的貴金屬［Pt（鉑）、Pd（鈀）、Os（鋨）、Ir（銦）、Ru（釕）、Rh（銠）等］氧化物，在通電情況下于溶液中產生化學活性很強的自由基。如：在有Cl-存在時，陽極則生成新生態的氯（Cl•）；在水中則會產生新生態的氧（O•）。這些新生態的自由基能迅速地與溶液中的有機物（如COD）、有色物質、氨氮等起化學反應從而達到降低其濃度的目的，對病毒、細菌和藻類的孢子也具有強大的殺傷力。除了產生自由基外還能產生顯著的協同效應，如酸堿效應、沉淀效應、氣浮效應、誘導效應和吸附效應等，因此能大大提高水處理效果。

2納米催化電解技術主要影響因素

2.1電極

20世紀70年展起來的化學修飾電極，通過對電極表面進行修飾，將具有特定功能的分子、聚合物、納米材料等固定在電極表面，改變電極表面特性，使電極具有良好的電催化性能，并降低工作電位，促使有機物在發生電極析氧反應前氧化降解，并獲得良好的電極反應速率和更高效的電流輸出，減少副反應發生和降低運行能耗。在此基礎上發展起來的納米級催化劑涂層技術，是現階段比較有效的電極材料工藝。其擁有更低的工作電位和更高效的電流輸出，可減少副反應發生和降低運行能耗。

2.2電解質

電解質濃度增大，溶液導電能力增強，槽電壓降低，電壓效率提高；但濃度高到一定程度后，電壓效率的提高趨于平緩，增加藥劑成本，并會增大后續深度處理的難度。此外，部分電解質如Na2SO4等惰性電解質，電解過程中不參與反應，只起導電作用，電解效率的高低僅與其濃度有關；而類似NaCl等電解質，在電解過程中不僅起導電作用，更參與電極反應，氯離子在陽極氧化，進而轉變成次氯酸。次氯酸是強氧化劑，不但可直接氧化有機物，而且還能阻止有機物（或中間產物）在電極表面吸附，從而避免降低電極活性。

2.3反應器結構

現在多采用三維電極結構來代替二維電極結構，以增加單元電解槽體積的電極面積，且由于每對陽極和陰極距離很小，傳質非常容易，因此大大提高了電解效率和處理量。三維電極所用的填充材料主要有金屬粒子、鍍上金屬的玻璃球或塑料球、金屬氧化物、石墨和活性炭等。此外，溶液pH值、電解時間、電流密度、溶液的傳質因素、待去除的有機污染物特性等其它條件也對電解效率有較大影響。因此，深入研究有機污染物在電極上的反應歷程，開發高效電極材料，確定最佳降解條件，對提高電解效率和降低處理費用是非常必要的。

3納米催化電解技術在廈門市政污水處理中的應用

根據NCE的特點，其應用主要有如下幾方面：

1）將尾水處理達到或接近飲用水標準，直接回用到日常生活中，即實現水資源循環利用。該方式適用于水資源極度缺乏的地區，但投資高，工藝復雜。

2）將尾水處理到非飲用水標準，不與人體直接接觸，如便器沖洗、地面和汽車清洗、綠化澆灑和消防用水等。該方式適用性好，易推廣。

3）將達到外排標準的工業污水進行再處理后循環利用，一般需增加膜處理裝置等使其達到軟化水水平。

4）應用于污水處理廠剩余污泥的前處理，從源頭減少污泥產量。目前，NCE在廈門市政污水處理中應用的典型案例有污水處理廠中水回用、尾水消毒和污泥減量處理等。

3.1中水回用作為道路沖洗水

1）現場場地較為狹小；

2）設施要求安全性高，運行維護簡單，可自動化運行；

3）確保尾水經處理后含有一定余氯；

4）污染物濃度、色度進一步降低。對常見的尾水消毒工藝（紫外、加氯、二氧化氯、臭氧和電解消毒等）進行比選，結合尾水水質和處理后出水水質要求，確定采用納米催化電解+砂、碳過濾的處理工藝，設計并建設處理水量為300t/d的中水回用工程。其中，納米催化電解機外形尺寸H1485mm×W820mm×D530mm，采用三相交流380V供電，額定輸出直流電壓0~50V，額定輸出電流0~1000A，實際有效占地約10m2。電解機每個電解槽的電解容積約7.2L，電解停留時間一般控制在4s左右（根據實際進水量可進行調整），極板間距根據來水雜質顆粒大小一般選擇間距為4mm，極板交叉分布。

3.2小型污水處理站尾水消毒

因廈門市本島機場北側工業區部分企業排放污水問題，擬在機場北側車輛拆檢定損中心北側建設臨時污水處理站，主要處理附近約1km2范圍內產生的約30t/d污水。污水處理主體工藝采用一體式氧化溝，將傳統污水處理技術中的格柵、厭氧池、好氧池和沉淀池集成一體，大幅度減少用地面積；同時采用高效射流曝氣機，實現曝氣和推流；由于系統無內、外回流，無復雜自動化控制系統，對運行人員要求低。在消毒工藝的選擇上，考慮到污水處理站無人值守或僅設置設備看守人員的現狀，確定采用運行管理簡單的納米催化電解消毒工藝，在提供消毒功能的同時，可適當降低出水色度和濁度，也方便銜接后續中水回用工程。該處理站設計規模為100t/d，占地約120m2，總投資約60萬元。污水處理工藝為一體式氧化溝+轉盤過濾+納米催化電解+超濾膜過濾，污水經沉砂、隔油后提升進入籃式格柵，除去大于15mm固體垃圾后，進入一體式氧化溝，經歷生物降解、過濾、電解消毒等處理過程，出水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B排放標準，再根據去向選擇外排或超濾后作為中水回用。該項目中利用NCE去除污水色度、產生微氣泡去除濁度和產生強氧化性自由基實現消毒功能，相比常規加氯和紫外消毒工藝，無需補充化學藥劑，設備簡單易操作，運行穩定。2012年11月項目運行以來，出水水質指標中的糞大腸菌群值穩定低于10000個/L。該項目運行能耗約1.10kWh/t，其中電解機能耗約0.09kWh/t，因本項目處理水量較小，電解機采用單電解槽，且在電壓、電流控制上進一步優化，能耗較低。電解機實際輸出直流電壓約3V，輸出電流約150A。

3.3污水處理廠污泥處理減量

廈門前埔污水處理廠采用自主研發深度脫水工藝處理污泥，產生泥餅含水率<60%，泥質滿足《城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》（GB/T23485-2009）標準，萬噸污水產泥量從傳統方法9.5t降至5.4t。為進一步降低污泥產量，擬利用納米催化電解技術處理剩余污泥，減少進入后續工藝的污泥絕干量，從源頭減少污泥產量。主要工藝流程與深度脫水工藝流程相似，區別在于剩余污泥先經納米催化電解處理，利用電解產生的自由基和其他氧化性物質破壞污泥細胞結構，使污泥細胞內物質和結合水溶出并釋放到溶液中，經提升進入重力濃縮池，隨上清液溢流進入生化池補充碳源，從而減少進入化學調質池的絕干污泥量。經測算，污泥電解后，絕干污泥量減少16%；濃縮池上清液性質發生顯著變化，但對污水處理工藝基本不產生影響，出水水質保持穩定。該項目電解質投加量相當于0.107kg/萬t污水，約64元/萬t污水，該指標可進一步降低，并通過余氯濃度指示。

4結語

納米催化電解產生的氯、氧等自由基可使尾水脫色，有效殺滅水中病原菌，電絮凝效應可凈化出水水質，產生的氣泡可帶走部分固體懸浮物，對后續可能增加的深度處理過濾組件也可起到有效保護作用。在廈門污水處理廠中水回用、尾水消毒和污泥減量處理中的應用結果表明，該技術具有經濟實用、快速便捷、運行穩定和處理高效的優點，適合于城市發展對污水處理和節水技術的需求。雖然該技術的運行能耗較高，但相信隨著化學修飾電極技術的進步和對反應器結構的不斷優化，相應能耗會進一步降低，從而可以降低污水處理廠運行成本，為水資源可持續開發利用提供良好的技術支撐。

作者:黃珍藝單位:廈門水務中環污水處理有限公司