多级电过滤技术在再生水管道中的应用

研究背景

随着水资源短缺和环境污染问题的日益严重，再生水的利用已成为水处理技术发展的主要动力，同时供水系统的水质安全越来越受到人们的关注。再生水经生物处理后仍残留大量有机物，且长期运行会腐蚀管道，使水质恶化。消毒是再生废水处理过程中必不可少的一部分，因为其可以防止病原体和条件病原体的扩散。氯消毒是一种常用的消毒技术，但再生水中氯离子的存在有利于次氯酸盐的生成，并且消毒剂、溶解性有机物和微生物的反应会产生消毒副产物，威胁人体健康，因此，再生水在回用前需要进行深度处理。通常使用UV/Cl、Fenton、臭氧和膜过滤等高级氧化工艺降解有机物，然而，考虑到大部分管道都处于地下，因此，应选择一种效率高、维护和能耗低的技术。

电化学氧化因其反应条件温和、操作简单、不添加化学药剂、无二次污染等优势，已成为水处理领域的研究热点。然而，在电化学直接氧化过程中，阳极表面可能会形成聚合物，导致阳极失活。在实际应用中，阳极表面的聚合物会被强电流间歇氧化。在此基础上，提出了一个新型高效多级电过滤模式(EFTM)用于氧化管道中再生水的新思路。在配水系统中，采用多级EFTM作为管道的一部分用于氧化再生水(图1)，涡轮发电机将势能转化为电能，为多级EFTM提供动力，且无额外能耗产生。阳极和阴极在管道中交替平行放置(图1b)，当再生水流过管道时，在电压的作用下，阳极表面会生成的HOŸ氧化废水中的有机物和细菌。

文章亮点

1. 开发一种新型、高效、低耗的多级电过滤模式(EFTM)，并提出将其作为管道中的一部分处理再生水的新想法。

2. 研究了不同操作条件对三级EFTM处理再生水性能和能耗的影响。

3. 通过小试实验和能耗计算，从效率和能耗两方面探讨了多级EFTM处理实际管道中再生水的可行性和稳定性。

研究内容

图2a,b为电过滤反应器的横截面以及正极和阴极的位置。阳极和阴极平行放置，并与电源相连，再生水依次流经阳极和阴极。如图2c所示，过滤式的电压高于序批式，且其随着电极数的增加而降低，这是由于电极并联且电解质在电极表面和内部的吸附和渗透，可以及时排出电解产生的气泡，降低电极的电阻。由图2d可知，一对电极的平均压降随着流速的增加而提高，二者呈正相关关系。

由图3a所示，原再生水的可生化性较差(BDI值为0.021)，在三级EFTM中，BDI值随着电解时间的增加而增加。这是因为再生水中难生物降解的大分子有机物与电极表面的高价态金属氧化物结合或受到HOŸ的攻击，产生易生物降解的小分子物质，从而提高再生水的可生化性。与其他已报道的电极相比，多孔Ti-ENTA/SnO2-Sb电极的EE/O值最低，而准一级速率常数最高(图3b)。

由图4a所示，在无施加电压下，COD去除率几乎为0%。因此，再生水中有机物的降解主要是由于HOŸ的氧化，而不是电极吸附。电解30 min后，电压由4.5 V增加到6.0 V时，速率常数由0.0442 min-1增加到0.0914 min-1。这可能是由于高电压有利于产生大量的空穴和光生电子，从而再生水电解生成大量的HOŸ。从图4b中得出，随着电压的增加，EE/O (p = 0.006)显著增加，而ICE (p = 0.002)显著降低。这可能是因为在高电压下，析氧反应的发生使电化学氧化能力降低，因此，需要相当大的能量来提高再生水中COD的去除率。图4c和d结果表明，随着流速的增加，反应速率常数减小，EE/O增大，主要是因为流速过高时，有机物与电极表面接触不足，导致电能利用率降低，而Flux显著增强，这由于三级EFTM内的液体流动倾向于堵塞流动。线性回归分析显示，当流速增加时，EE/O (p = 0.002)和Flux (p = 0)有显著改善。因此，在综合考虑COD去除率和EE/O的基础上，选择电压为5.0 V、流速为0.20 cm·s-1进行下一步研究。

图5a为电压对三级EFTM对再生水消毒过程中细菌灭活的影响。对照实验表明，在不施加电压的条件下，未观察到游离氯的生成，且无细菌失活。这主要排除了电化学消毒过程中除电压以外使细菌失活的其他因素，如电极吸附、机械应力等。当电压增加时，细菌的灭活率显著提高，其原因是在高电压下产生游离氯，消耗溶解氧，从而增强析氯反应，减弱析氧反应。由图5b可知，随着流速的增加，细菌的灭活率和游离氯浓度显著降低，而溶解氧增加。溶解氧是生成H2O2和HOŸ的必要条件，因此，它对细菌具有灭活作用，但比余氯要弱。因此，细菌的灭活与游离氯的浓度保持正相关。在无菌条件下，探讨三级EFTM处理再生水过程中游离氯和溶解氧的变化(插图5c)。游离氯的浓度随氯离子初始浓度的增加而增加，但溶解氧浓度降低，这说明再生水中的氯离子浓度必须足以形成游离氯。如图5c所示，在再生水中加入细菌后，通过增加NaCl浓度促进细菌灭活，且电解3min内细菌几乎完全灭活。图5d说明利用三级EFTM处理再生水会对细菌细胞造成不可逆的破坏。

由图6a和b可知，COD去除率和细菌灭活率均随电极数量的增加而增加，但随流速的增加，其没有明显变化。这表明电极数对COD去除率和细菌灭活的影响大于流速，这可能是因为电极数的增加可以显著扩大电极的表面积，产生大量的活性位点。如图6c所示，利用多级EFTM处理实际再生水时，无需添加化学药剂和额外电源，管道中的涡轮发电机直接将流动再生水所产生的动能转化为电能。当多级EFTM处理流速为0.5―0.8 m·s-1的再生水时，使其COD去除率和细菌灭活率分别达到90%和8-logs以上,且EE/O低于0.62 KWh·m-3，需要236－377对电极。结果表明，在无额外能源的条件下，利用多级EFTM处理实际再生水具有较高的稳定性和可靠性。因此，对于处理管道中的再生水，多级EFTM是一种具有发展前景的技术。