4.1.2 光伏電源

實際使用中，傳統(tǒng)電絮凝的電源需要通過變壓器、整流器和過濾器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。而在電力短缺、位置偏遠的地區(qū)，環(huán)境壓力和經(jīng)濟投入等問題會導(dǎo)致傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)難以應(yīng)用。

雖然以目前的技術(shù)來說，光伏電源能源利用率相對較低，但其具有投資和運行成本低且更為環(huán)保的優(yōu)勢。因此，在特殊地區(qū)基于光伏電源的強化電絮凝技術(shù)表現(xiàn)出良好的可持續(xù)發(fā)展性。

D. VALERO等在2008年首次進行了通過光伏陣列供電驅(qū)動的電絮凝研究，論證了直接由光伏陣列供電的電絮凝系統(tǒng)的可行性。

李俊聰?shù)纫阅苤苯虞敵龅蛪褐绷麟姷墓夥姵刈鳛殡娫?，使用電絮凝工藝進行了新農(nóng)村微污染水體中磷的治理研究，驗證了光伏電源驅(qū)動的電絮凝工藝在農(nóng)村區(qū)域具有良好的實際應(yīng)用價值及可持續(xù)發(fā)展前景。

2017年，Shunxi ZHANG等通過光伏驅(qū)動電絮凝技術(shù)去除廢水中鎳，在光照強度為（750±30）W/m2，處理時間為40 min時，鎳去除率接近100%。

王航宇等進行了太陽能電池板和電絮凝設(shè)備的耦合設(shè)計及工藝優(yōu)化，極板數(shù)量和光照時間是影響油田污水處理效率的主要因素，并且太陽能可提供足夠反應(yīng)裝置穩(wěn)定運行的電能，具備替代傳統(tǒng)電絮凝電源的能力。

4.1.3 空氣陰極

傳統(tǒng)電絮凝通常是使用鐵、鋁和不銹鋼等作為陰極，主要起到構(gòu)成系統(tǒng)回路的作用。而空氣陰極具有疏水氣體擴散層，電極一側(cè)直接暴露在空氣中，從而實現(xiàn)無源氧擴散，并進一步進行二電子反應(yīng)達到催化降解污染物的效果。

田雨時通過使用輥壓活性炭空氣陰極，構(gòu)建了遷移電場輔助空氣陰極電絮凝系統(tǒng)，以自主富氧方式突破了傳統(tǒng)電絮凝電耗大和曝氣束縛等問題，在處理污水處理廠初沉池生活污水的過程中，氨氮和磷酸鹽去除率超過99%，COD去除率為73.5%，電能消耗為1.8 kW·h/m3。

Yanxiao SI等使用空氣陰極產(chǎn)生（3.7±0.1） mg/（L·h）的H2O2，在與Fe（Ⅱ）的相互作用下間接促進了As（Ⅲ）的氧化。當(dāng)電流密度為4 A/m2時，空氣陰極電絮凝的平均槽電壓為1.0 V，遠低于傳統(tǒng)電絮凝的1.9 V。盡管空氣陰極的價格要比不銹鋼陰極高出18%，但整個系統(tǒng)的能耗降低了74%，更低的能耗有效促進了基于空氣陰極的強化電絮凝技術(shù)的實際應(yīng)用價值。

4.1.4 無線技術(shù)

傳統(tǒng)電絮凝通常是通過歐姆接觸（即導(dǎo)線）使電極和外電路之間建立連接，而電極在與導(dǎo)線相互接觸時，接觸界面受到的腐蝕應(yīng)力較大，使得犧牲電極在接頭區(qū)域更容易受到腐蝕。

針對這種問題，Zhenlian QI等提出了無線電絮凝技術(shù)。這項技術(shù)以鐵板或者鋁板作為犧牲陽極和陰極，同時使用2個石墨板作為驅(qū)動電極，電場引起的電位差使陽極溶解產(chǎn)生電絮凝作用。

這項實驗證明產(chǎn)生的總鐵濃度只與雙極的幾何構(gòu)型有關(guān)，和電化學(xué)參數(shù)無直接關(guān)系，且平行電場放置的雙極較垂直放置的雙極的總鐵濃度高出84.6%，“H”型雙極構(gòu)型能夠節(jié)省超過40%的電極材料成本。這項技術(shù)的優(yōu)點在于可以解決電極連接問題，并且可以設(shè)置任意數(shù)量“H”型雙極裝置進行工作，目前需要進一步研究更大水量下系統(tǒng)的可行性。

4.2 電極技術(shù)

4.2.1 電極材料

電極反應(yīng)是電化學(xué)技術(shù)的核心，不同電極材料具備不同的電化學(xué)特性，因此選擇合適的電極能夠有效提升電絮凝技術(shù)處理污染物的效率。

傳統(tǒng)電絮凝最常使用的陽極材料為鋁和鐵，從眾多科學(xué)研究結(jié)果看，鋁電極的絮凝效果更佳，而鐵電極的經(jīng)濟適用性更強。因此，鋁陽極多用于飲用水處理，鐵陽極多用來處理各類工業(yè)廢水和生活污水。

在電絮凝領(lǐng)域，研究者的目光主要集中在鐵和鋁上，其他材料的研究極少。自2010年后，部分學(xué)者逐步進行了其他可溶解性金屬陽極的研究，如鎂、鋅、銅和鈦等。

D. OUMAR等研究了鎂作為陽極電混凝耦合生物過濾技術(shù)處理垃圾滲濾液的過程，在電流密度為10 mA/cm2，處理30 min后COD去除率和脫色率分別達到了53%和85%。

在美國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，限制鋁離子的質(zhì)量濃度為0.2 mg/L，鎂離子的質(zhì)量濃度高達30 mg/L，而中國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)甚至對鎂離子沒有限定。這項研究為目前難以解決的鐵鋁殘留問題提出了另一條解決方式，可以通過共同使用多類型犧牲陽極保證水質(zhì)污染物去除率達標(biāo)，同時金屬離子殘余量符合標(biāo)準(zhǔn)。

M. S. SAFWAT等使用銅電極作為陽極處理了實際印刷廢水，并與鋁陽極進行了比較研究，結(jié)果表明銅電極對污染物的去除效果優(yōu)于鋁電極；當(dāng)電流密度為21 mA/cm2時，銅電極比鋁電極的COD去除率高出約10%；當(dāng)反應(yīng)進行90 min時，銅電極對于總?cè)芙庑怨腆w的去除率為24%，而鋁電極僅能達到7%。

H. K. SHON等首次使用了鈦板作為電絮凝犧牲陽極，在電流密度為8.3 mA/cm2，攪拌速率為700 r/min，pH為4的條件下，DOC的去除率達到60%~70%，同時電解鈦板生成的絮凝劑具有去除尺寸更小有機物的特點，而且絮凝后的污泥在低溫煅燒后可作為二氧化鈦催化劑應(yīng)用于光催化降解技術(shù)中。這項研究擴展了陽極材料的領(lǐng)域，同時對于絮凝污泥的后處理提供了新的途徑。

基于電極材料的強化電絮凝技術(shù)表現(xiàn)出了更大范圍且更高效的污染物處理能力，并具備了傳統(tǒng)電絮凝不具備的一些新型后處理手段。

除使用純金屬陽極外，也可將金屬合金作為電絮凝陽極。金屬合金相對于單金屬來說，電化學(xué)性能顯著改善。合金化能有效促進電極表面鈍化膜的活化溶解，增加電極使用壽命并減少系統(tǒng)的能耗。

D. ADELAIDE等研究發(fā)現(xiàn)Al-Mg合金和Al-Zn-In合金較純Al陽極表現(xiàn)出更優(yōu)秀的廢水處理效果。Al-Mg合金處理實際硝酸鹽廢水15 min即可達到完全去除。同時，純Al陽極表面會被動形成穩(wěn)定的氧化膜，而合金對這種被動鈍化行為的敏感性更弱，且更易于溶解。

4.2.2 電極形狀

電極的幾何形狀會影響反應(yīng)器的構(gòu)型，除污染物去除性能上的差異外，還會影響反應(yīng)器的放大、運行及經(jīng)濟性。傳統(tǒng)電絮凝研究中最常使用的為平板電極，而近十年來學(xué)者們還進行了棒狀電極、圓柱電極、旋轉(zhuǎn)電極和穿孔電極等方面的研究見圖4。

M. MALAKOOTIAN等使用鐵棒電極作為陽極進行了電絮凝法去除飲用水硬度的實驗室研究，如圖4（a）所示，電極尺寸直徑2 mm。由于棒狀電極與平板電極適用的反應(yīng)器構(gòu)型相近，因此處理污染物的效果也較為相近。

這類電極需要完全浸沒到水體內(nèi)部，并通過攪拌的方式使其均勻傳質(zhì)。由于金屬板本身的不均勻腐蝕特性，通常會有難以拆卸的問題。

U. T. UN等設(shè)計了一種圓柱形陽極搭配旋轉(zhuǎn)葉輪陰極的電極構(gòu)型處理水中氟化物。由于反應(yīng)器和陽極均為圓柱形，因此能夠?qū)㈥帢O放置在陽極的內(nèi)部。除了能使用如圖4（b）所示的旋轉(zhuǎn)葉輪陰極，也可以使用金屬棒作為陰極。這種電極構(gòu)型利于控制電極間距，并且在更換電極方面也表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。

A. S. NAJE等設(shè)計了一種特殊的能夠同時處理紡織廢水和制氫的電絮凝反應(yīng)器——旋轉(zhuǎn)陽極反應(yīng)器，電極結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，內(nèi)部為搭配葉輪的柱狀陽極，外側(cè)套入多組圓環(huán)作為陰極，這種構(gòu)型下電極總活性面積可達到500 m2；同時，通過調(diào)整陽極的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)總電耗僅為0.56 kW·h/m3，比傳統(tǒng)電絮凝構(gòu)型更為經(jīng)濟。

D. O. AVANCINI等考察了電絮凝過程中穿孔電極處理廢金屬加工乳液的效果，穿孔電極如圖4（d）所示，這些孔的存在會導(dǎo)致水體pH變化率增加，會更快速達到最終穩(wěn)定狀態(tài)；同時，孔的數(shù)量會影響污染物去除效率，孔數(shù)的增加明顯增強了電絮凝系統(tǒng)對污染物的去除能力。

研究還發(fā)現(xiàn)在孔附近不存在金屬腐蝕現(xiàn)象，而孔的存在會影響電極整體腐蝕坑的平均尺寸和分布。基于電極形狀的強化電絮凝技術(shù)是其實際應(yīng)用的基本保障，合理的電極結(jié)構(gòu)與反應(yīng)器構(gòu)型的搭配，在保證提升污染物的去除效率以外，能促使其實際運行的長期穩(wěn)定。

4.3集成技術(shù)

4.3.1 電絮凝-活性炭吸附技術(shù)

活性炭材料通常具有較大的比表面積，最高可超3 000 m2/g，同時其表面也具有豐富的官能團，如羥基、羧基和內(nèi)酯基等，因此對各類污染物都具有極強的吸附能力。

活性炭材料的前驅(qū)體種類眾多（如稻殼、秸稈、樹葉和木屑等），制備價格低廉且水處理效果出眾。因此，考慮到電絮凝技術(shù)本身存在能耗較高的問題，基于活性炭吸附的強化電絮凝技術(shù)有利于降低系統(tǒng)成本。

N. V. NARAYANAN等使用間歇式攪拌電絮凝反應(yīng)器，研究了鐵鋁電極結(jié)合顆?；钚蕴课饺コ铣蓮U水中六價鉻的可行性，研究發(fā)現(xiàn)在較低的電流密度下，添加顆?；钚蕴浚℅AC）作為吸附劑能明顯提高六價鉻的去除率。

M. S. SECULA等考察了4種不同商用活性炭與電絮凝聯(lián)用技術(shù)與傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)對水溶液中靛胭脂脫色能力和運行成本上的差異，得出了與N. V. NARAYANAN相近的研究結(jié)果，在較低的電流密度和工作時間下，加入吸附劑對污染物的去除效果更佳；

這種去除效率的提升根本在于活性炭材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，L27活性炭具有較大的比表面積以及豐富的酸性表面官能團，因此在耦合過程中表現(xiàn)出了最優(yōu)異的性能；

同時，在反應(yīng)進行90 min時，傳統(tǒng)電絮凝去除單位污染物的能耗為3.41 kW·h/kg，而EC/GAC強化技術(shù)的能耗僅為1.35 kW·h/kg。因此，這種強化電絮凝技術(shù)適合替代傳統(tǒng)電絮凝。

4.3.2 電絮凝-超聲技術(shù)

超聲技術(shù)能夠有效提高電絮凝處理污染物過程的整體性能。超聲過程可以破壞沉積在電極表面的固體層及降低電極表面雙電層的厚度，減緩陽極的鈍化現(xiàn)象；同時，能夠使電極表面生成缺陷，進一步活化電極和電極反應(yīng)區(qū)的離子。但超聲也可能破壞膠體顆粒的結(jié)構(gòu)及表面的吸附層，因此需要合理控制超聲功率和頻率。目前的研究發(fā)現(xiàn)超聲能夠輔助自由基的形成，機制如下：

超聲過程有·OH、·H和HO2·等自由基生成，自由基的存在能夠促進有機物的降解。但實際上使用超聲降解有機物的研究極少。

Jiangping LI等針對精細化工除磷過程中存在的問題，提出了電絮凝與超聲共同處理的方法，在電絮凝最佳反應(yīng)條件下超聲10 min后，合成廢水中的總磷由86 mg/L降低到0.4 mg/L，去除率達到99.6%，此時超聲功率為4 W/cm2，頻率為20 kHz；

對比而言，單一電絮凝處理下污染物的去除率僅為81.3%，單獨超聲對污染物幾乎無去除能力。超聲促進了絮凝劑在溶液中的擴散，加快了電極表面鈍化層的破壞，同時，超聲強化了電場傳遞過程，降低了電絮凝體系的電位，減弱了反應(yīng)體系中的濃差極化。因此，兩者的協(xié)同作用有效加強了高磷廢水的凈化，較單一電絮凝的處理時間縮短了2倍。

超聲除了促進電絮凝絮體聚集和空化作用對電極表面鈍化層進行清洗外，電絮凝過程中產(chǎn)生的大量微氣泡具有增強超聲空化效應(yīng)的能力。

余晟等使用超聲-鐵電陽極工藝處理300 m3/d的酯化淀粉調(diào)節(jié)池廢水，整套工藝流程為“調(diào)節(jié)池+超聲-電絮凝裝置+濾池+活性炭濾池”，其中鐵陽極電壓為10 V，超聲工作頻率為30 kHz，此工藝運行180 d出水穩(wěn)定，完全符合《淀粉工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 25461—2010）間接排放標(biāo)準(zhǔn)；經(jīng)企業(yè)實際效益核算，運行成本減少（0.84±0.25）元/m3。

4.3.3 電絮凝-臭氧技術(shù)

臭氧是一種強氧化劑，由于臭氧分子中的氧原子具有強親電子性和親質(zhì)子性，因此能直接氧化有機物或者無機物達到污染物快速去除的目的。而除了直接氧化污染物外，臭氧也會形成·OH等強氧化基團，進行有效和非選擇性的污染物去除。

何志橋等使用臭氧強化電絮凝處理直接耐曬大紅4BS模擬染料廢水。在電流密度為15 mA/cm2和O3流量為0.6 L/h條件下處理100 mg/L 4BS，50 min后脫色率達到94%以上，所需時間比單獨電絮凝工藝/臭氧工藝達到相近脫色率縮短了70 min。

P. ASAITHAMBI等使用臭氧輔助電絮凝處理酒廠廢水，主要考察了鐵鋁不同組合下聯(lián)合工藝的協(xié)同效應(yīng)，對色度和COD的去除率較單一電絮凝和單一臭氧技術(shù)有明顯提升；當(dāng)電流密度為3 A/dm2，初始COD為2 500 mg/L，臭氧流量為15 L/min時，COD去除率達到83%，能耗為5.1 kW·h/m3，處理2 h后能夠完全去除色度；在臭氧協(xié)同電絮凝處理污染物過程中，F(xiàn)e2+與O3催化反應(yīng)生成中間產(chǎn)物FeO2+，F(xiàn)e2+還會催化O3分解生成·OH。具體反應(yīng)機制如下：

4.3.4 電絮凝-光/電催化氧化技術(shù)

除臭氧氧化技術(shù)外，根據(jù)產(chǎn)生自由基的方式和反應(yīng)條件的不同，高級氧化技術(shù)還包括電化學(xué)氧化、Fenton氧化和光催化氧化等。

這些技術(shù)對有機污染物具有更顯著的去除能力，在與傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)組合使用后，能夠相互彌補缺點，擴大可處理污染物范圍，是目前具有很大發(fā)展?jié)摿Φ膹娀娦跄に囍弧?/p>

Sheng LIANG等發(fā)現(xiàn)鐵陽極原位生成的Fe2+和混合金屬氧化物（MMO）陽極原位生成的O2反應(yīng)得到的·O2-能夠有效將亞磷酸鹽氧化為磷酸鹽。

以Fe和MMO作為雙陽極，電流為100 mA，反應(yīng)60 min后，亞磷酸鹽的去除率達到74.25%，而在無MMO電極參與下污染物去除率低于23.41%，在化學(xué)混凝中去除率低于5.03%。并通過電子自旋共振實驗證明了·O2-是整個EC-EO體系中污染物更高效去除的關(guān)鍵。

J. HEFFRON等進行了連續(xù)電絮凝和電氧化抑制飲用水中病毒的研究，發(fā)現(xiàn)天然有機物和濁度會抑制MS2和ΦX174兩種噬菌體在電氧化階段的處理效果，因此聯(lián)用電絮凝技術(shù)作為前處理工藝有效提升了對模擬地表水中的病毒的抑制效果。J. HEFFRON推測絮凝/過濾、亞鐵消毒和電氧化消毒的協(xié)同附加效應(yīng)實現(xiàn)了更有效的病毒減少。

M. BOROSKI等使用電絮凝和非均相TiO2光催化聯(lián)合處理制藥和化妝品行業(yè)廢水。電絮凝過程去除了大部分的膠體有機物和懸浮物，難降解有機物仍然存在于出水中。在隨后聯(lián)用多相光催化技術(shù)，難降解有機物被降解至礦化。單一電絮凝僅將初始COD為1 753 mg/L的廢水處理至160 mg/L，在聯(lián)用UV/TiO2/H2O2后可將COD降低至50 mg/L以下。這種基于光催化的強化電絮凝技術(shù)在工業(yè)規(guī)模中表現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價值。

4.3.5 電絮凝-膜生物反應(yīng)器技術(shù)

膜生物反應(yīng)器（MBR）是將膜分離技術(shù)與生物化學(xué)技術(shù)相結(jié)合的一種生物水處理技術(shù)，是當(dāng)前處理高濃度有機廢水以及中水回用最有前途的污水處理技術(shù)之一。其特點是占地面積小、管理簡單，盡管膜價格逐年有所降低，但MBR技術(shù)的成本依然是制約其發(fā)展的主要因素之一。

以電絮凝作為預(yù)處理工藝則能有效增加MBR技術(shù)的膜使用壽命。因此，基于膜生物反應(yīng)器的強化電絮凝技術(shù)成為了目前的研究熱點之一。

王祎涵等對比了EC-MBR一體式反應(yīng)器與單獨MBR反應(yīng)器處理生活污水的水質(zhì)情況，電絮凝的加入使COD、氨氮和總磷的去除率比僅運行MBR時有了明顯的提升，電絮凝原位產(chǎn)生的Fe2+能有效增強污泥的活性，并進一步改善污泥沉降性能。

K. BANI?MELHEM等進行了電絮凝-膜生物反應(yīng)器集成工藝處理中水的研究，比較了連續(xù)運行24 d下，有無電絮凝參與的膜生物反應(yīng)器在恒定跨膜壓力下對污染物的去除效果。

結(jié)果表明，將電絮凝工藝與膜生物反應(yīng)器相結(jié)合，不僅是一種有效的中水處理方法，也是提高膜過濾過程整體性能的有效方法。組合工藝與單獨膜生物反應(yīng)器運行相比，膜污染降低了13%，對COD、濁度和色度等去除性能有較小的提高，而在磷酸鹽去除率上有接近30%的提升。

05 總結(jié)和未來展望

強化電絮凝技術(shù)是一種符合如今時代特征的環(huán)保型水處理工藝，具有廣闊的發(fā)展前景。除具有傳統(tǒng)電絮凝的原位無二次污染、有效成分含量高、污泥量少、裝置簡單和易于實現(xiàn)自控等優(yōu)點外，還表現(xiàn)出更廣的可處理污染物范圍、更高的污染物去除效率和更低的能源消耗等特點。

強化電絮凝技術(shù)是在傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)的三個方面上進行升級：

一是對機理進行了更深入的探討，并提出了新的觀點，為新型水處理技術(shù)的發(fā)展提供了理論依據(jù)；

二是在電極材料/結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器構(gòu)型的研究上進入了全新的發(fā)展階段；

三是逐步加速了各類水處理工藝與傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)的緊密結(jié)合，為各類型廢水的實際處理提供了更多選擇性。

因此，綜合強化電絮凝技術(shù)當(dāng)前的研究進展和發(fā)展趨勢，該領(lǐng)域未來發(fā)展可在以下三個方面進行研究探索。

（1）深入研究強化電絮凝的機理。盡管目前對強化電絮凝的機理研究已經(jīng)起步，但還有許多方面需要更深入的研究。需要對電化學(xué)過程中的電絮凝過程、電氣浮過程和電解氧化還原過程之間的關(guān)系以及相互作用進行研究，對這幾個過程進行優(yōu)化集成，更充分地發(fā)揮電絮凝的綜合作用。

（2）構(gòu)建強化電絮凝的新型電極和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。強化電絮凝技術(shù)的核心為新型電極的設(shè)計研發(fā)，包括陽極的外在構(gòu)型、電化學(xué)特性和陰極的材料組成、表面優(yōu)化，從而強化系統(tǒng)內(nèi)電子傳遞過程，以起到對污染物的更高效去除的目的。同時，需要進行與電極和集成工藝相匹配的新型反應(yīng)器構(gòu)型研究，達到三者的相互統(tǒng)一，發(fā)揮出電極、反應(yīng)器和集成工藝的多重優(yōu)勢。將模型模擬應(yīng)用到電極和反應(yīng)器的設(shè)計當(dāng)中，更加完善電絮凝體系的電場、流場和傳質(zhì)研究。

（3）完善強化電絮凝的系統(tǒng)性。目前強化電絮凝研究普遍還處于實驗室階段，規(guī)模小，且用水大多為合成廢水，距離工程應(yīng)用還有很長路要走。在未來的一段時間內(nèi)，研究者們需要更多著眼于反應(yīng)器規(guī)模的放大，并考慮對實際廢水的處理效率，更要兼顧經(jīng)濟問題，保證電絮凝技術(shù)的早日更大范圍應(yīng)用。