解宇峰

（1.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京100871；2.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇南京210042）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)及工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)排放的廢水呈現(xiàn)出成分復(fù)雜、種類(lèi)多、毒害大等特點(diǎn)，若未能得到有效治理，將會(huì)對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康帶來(lái)很大的威脅。處理廢水使其達(dá)標(biāo)排放的技術(shù)方法很多［1－2］，目前按照廢水處理的作用原理可分為3大類(lèi)。第一是物理法：利用物理作用使懸浮狀態(tài)的污染物質(zhì)與廢水分離，在處理過(guò)程中污染物質(zhì)的性質(zhì)不發(fā)生變化；第二是化學(xué)法（包括物理化學(xué)法）：利用某種化學(xué)反應(yīng)使廢水中污染物質(zhì)的性質(zhì)或形態(tài)發(fā)生改變，而將其從水中除去；第三是生化法（或生物法）：利用微生物的作用去除廢水中膠體和溶解性有機(jī)物的方法。此外，還有這些方法的綜合應(yīng)用。但是，這些處理方法存在二次污染和占地面積大等不足。

電化學(xué)法是近年發(fā)展起來(lái)的頗具競(jìng)爭(zhēng)力的廢水處理方法，它利用電化學(xué)原理處理廢水，具有如下優(yōu)點(diǎn)［3］：①無(wú)需添加任何氧化劑、絮凝劑等化學(xué)藥品；②既可單獨(dú)處理又可與其他技術(shù)相結(jié)合，如作為前處理提高廢水的可生化性，或依靠電催化功能選擇性降解氧化有機(jī)物；③不會(huì)或很少產(chǎn)生二次污染；④設(shè)備體積小，占地少，一般在常溫常壓下操作，簡(jiǎn)便靈活。因此該法被稱(chēng)為環(huán)境友好的處理方法，備受各國(guó)學(xué)者關(guān)注，近年來(lái)相關(guān)研究十分廣泛，涉及各類(lèi)污水處理領(lǐng)域，例如染料廢水［4－5］、印染廢水［6－7］、含油廢水、食品廢水等高濃度有機(jī)廢水［8－9］以及金屬冶煉廢水［3，10］等。

1 電化學(xué)水處理技術(shù)

電化學(xué)水處理技術(shù)是指在外加電場(chǎng)的作用下，在特定的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)一定的化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)過(guò)程或物理過(guò)程，產(chǎn)生大量的自由基，利用自由基的強(qiáng)氧化性對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行降解的過(guò)程［11］。特別是利用不同電極的陽(yáng)極氧化［12－15］或者過(guò)氧化氫的陰極發(fā)生器［16－18］而對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行氧化處理。電化學(xué)技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是直接或間接地利用電解作用，把水中污染物去除或把有毒物質(zhì)變?yōu)闊o(wú)毒、低毒物質(zhì)。廢水處理的電化學(xué)法主要有內(nèi)電解法、電凝聚法、電氣浮法、電化學(xué)氧化法、電還原法和電滲析法等［11，19］。

電化學(xué)方法處理廢水起源于20世紀(jì)40年代，由于當(dāng)時(shí)電力缺乏，其發(fā)展十分緩慢。到了20世紀(jì)60年代，伴隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，開(kāi)始逐步受到研究者的注意。作為一種清潔處理方法，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。但是它作為一種新興的廢水處理方法，在實(shí)際應(yīng)用中存在著能耗大、成本高、效率不高以及有析氧和析氫副反應(yīng)等弱點(diǎn)［19］。

2 太陽(yáng)光伏電化學(xué)水處理研究

太陽(yáng)是能量的天然來(lái)源，太陽(yáng)能每天都能無(wú)限供應(yīng)，而且數(shù)量龐大。能夠?qū)⑻?yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能的光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)，具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、設(shè)備可分散化放置、壽命長(zhǎng)以及維護(hù)成本較低等優(yōu)點(diǎn)［20］。將PV發(fā)電系統(tǒng)與電化學(xué)系統(tǒng)耦合使用，可以有效克服電化學(xué)技術(shù)在應(yīng)用中能耗大、成本高的弱點(diǎn)。

為了避免能量波動(dòng)，并且在夜間繼續(xù)工作，用于廢水處理的PV系統(tǒng)，一般是由連接到蓄電池系統(tǒng)（一般鉛酸類(lèi)型）的PV模塊組成。Weiner等［21］在一個(gè)海水淡化工廠進(jìn)行研究，用PV發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與能自動(dòng)供電2d的蓄電池連接，利用反滲透技術(shù)淡化當(dāng)?shù)睾}水，研究期間每天能夠生產(chǎn)3m3淡水，將來(lái)還能增大至9m3，非常適用于淡水資源稀缺而海水資源豐富的偏遠(yuǎn)小區(qū)。Suleimani和Nair［22］在阿曼的一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究利用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的反滲透裝置來(lái)淡化地下咸水。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中包括PV發(fā)電器、蓄電池以及其他儀器。實(shí)驗(yàn)達(dá)到了每天5m3水設(shè)計(jì)出水量的目標(biāo)，平均生產(chǎn)成本估計(jì)為6.52美元／m3（設(shè)備壽命以20年計(jì)）。

然而，這些蓄電池在使用中存在幾個(gè)問(wèn)題：（1）充放電效率僅達(dá)到70%～80%［23］；（2）電池壽命大大短于PV發(fā)電系統(tǒng)的壽命；（3）需要嚴(yán)格控制每1塊電池的電荷狀態(tài)；（4）必須考慮電池處置的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本。

所以有學(xué)者開(kāi)始研究不用蓄電池而直接將PV發(fā)電系統(tǒng)作為電源為電化學(xué)系統(tǒng)供電。Richards等［24］研究了在無(wú)電池情況下，采用PV電池供電的混合超濾－納濾／反滲透（UF－NF／RO）膜脫鹽系統(tǒng)處理澳大利亞內(nèi)陸含鹽地下水。經(jīng)過(guò)對(duì)4種膜材料的處理效果分析，得出結(jié)論認(rèn)為，無(wú)電池情況下直接由PV電池供電膜系統(tǒng)處理含鹽水，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，不僅晴天可穩(wěn)定運(yùn)行，甚至中等云層條件也適用。Sch?fer等［25］也對(duì)類(lèi)似問(wèn)題進(jìn)行了研究，并通過(guò)調(diào)整操作參數(shù)找出最佳操作條件，最多生產(chǎn)250 L優(yōu)質(zhì)飲用水的同時(shí)僅消耗1.2kWh／m3的太陽(yáng)能。Ortiz等［26］在西班牙南部開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)直接使用PV能源為電滲析脫鹽系統(tǒng)供電的可行性進(jìn)行了研究并獲得成功，研究認(rèn)為PV供電的電滲析脫鹽系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、成本低。該作者另外還研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)與電滲析系統(tǒng)的相互作用機(jī)理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并計(jì)算了該系統(tǒng)的運(yùn)行成本［27－28］。Valero等［29］采用無(wú)電池的光電能源供電對(duì)合成紡織廢水進(jìn)行電凝聚處理研究，證明了PV陣列的配置是影響光電電力的重要因素。還有學(xué)者對(duì)以太陽(yáng)能為動(dòng)力開(kāi)展以水制氫耦合電化學(xué)氧化有機(jī)物過(guò)程進(jìn)行了研究［30－32］。Valero等［33］還開(kāi)展了直接由PV系統(tǒng)供電的電化學(xué)氧化處理染料廢水的研究，證明了PV發(fā)電器和電化學(xué)反應(yīng)器的配置對(duì)實(shí)驗(yàn)的最佳效果有巨大影響，并提出最適宜PV發(fā)電器配置受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溶液電導(dǎo)率和污染物濃度3方面因素的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

各種研究和實(shí)例表明，電化學(xué)廢水處理技術(shù)與PV發(fā)電技術(shù)二者可以有效耦合使用，耦合系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于為缺乏淡水資源（有海水或苦咸地下水）而電網(wǎng)又難以覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)供應(yīng)飲用水。考慮到未來(lái)化石能源越趨緊缺，該系統(tǒng)也可在電力緊張地區(qū)使用。將來(lái)，研究者可以考慮對(duì)PV發(fā)電系統(tǒng)直接與其他電化學(xué)處理技術(shù)（如電化學(xué)合成、電化學(xué)去除重金屬、電氣浮等）耦合過(guò)程進(jìn)行研究，尤其應(yīng)關(guān)注耦合系統(tǒng)的能源利用效率以及系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本問(wèn)題。

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