1 電催化氧化作用原理

　　電催化氧化(Electrochemical Catalytic Oxidation， ECO)是利用具有催化性能的金屬氧化物電極，產生具有強氧化能力的羥基自由基或其它自由基和基團攻擊溶液中的有機污染物，使其完全分解為無害的 H2O 和 CO2 的綠色化學技術。這種降解途徑使有機物分解更加徹底，不易產生毒害中間產物。 在反應中， 電子是主要反應試劑 ，不必添加額外化學試劑，是指在外加電場或電壓的作用下，通過化學及物理作用達到凈化水中污染物的處理技術。電催化氧化技術產生大量活性極強的羥基自由基(·OH)，與有機化合物發生加合、代替、電子轉移、斷鍵等電子轉移反應，使廢水中難降解的大分子有機物氧化降解成為小分子物質，并直接礦化為 CO2 和 H2O。根據有機物氧化過程中電子轉移的方式，電催化氧化可分為直接氧化和間接氧化。

　　1.1 直接氧化

　　是指污染物直接在陽極失去電子而發生氧化，有機物的直接電催化氧化分兩類進行。

　　(1)電化學轉換，即把有毒物質轉變為無毒物質或把難生化的有機物轉化為易生化的物質(如芳香物開環氧化為脂肪酸)，改善 B/C 比，提高廢水的可生化性，以便進一步實施生化處理。

　　(2)電化學燃燒，即直接將有機物深度氧化為 CO2。這兩類電化學反在試驗中或工程應用中都是同時進行的。但電極材料不同，或準確來說表面涂層材料不同可能決定著兩類反應的主次之分。

　　1.1 間接氧化

　　間接電化學反應可利用電化學反應產生的氧化還原劑使污染物轉化為無害物，這時產生的氧化還原劑是污染物與電極交換電子的中介體。這種中介體可以是催化劑，也可以是電化學產生的短壽命中間體。此外，也可以利用O2 在陰極還原為H2O2，而后生成(·OH)，進而氧化有機物，該技術可用于難生化降解的處理苯酚、苯胺、醛類及氰化物等污染物。

　　有機物進行氧化分解的同時，電解析氫析氧副反應也在進行，使電流效率降低，但通過電極材料的選擇和電位控制可加以防止。

　　1.2 基于以上原理，電催化氧化技術與其它水處理技術相比，其具有以下優勢：

　　(1)在電場的作用下，新研發的電極表面呈多孔態，有效減少了內應力，電極壽命長，對污染物降解效率高，同時電極無鈍化。

　　(2)適用水質廣。可同時高效去除污水中氨氮、總磷，脫色脫毒效果明顯。

　　(3)與環境相容性高。電化學法對污染物去除主要依靠電子，不需要另外增加藥劑，避免由于藥劑帶來的二次污染;另外電化學對有機物氧化幾乎無選擇性，可以最大程度的減少二次污染。

　　(4)設備簡單，占地面積少，設備維護簡單。

　　(5)不受地理和氣候條件影響。反應條件溫和，常溫常壓條件下進行，不受氣候影響，適合任何地域使用。

　　(6)時空效率高。優化的反應器結構設計，傳質效果好，污染物降解反應速率大，停留時間僅為幾分鐘至數十分鐘，因此設備的占地面積很小，具有很高的時空效率，特別適用于人口擁擠和土地緊張地方使用。

　　1 裝置運行情況

　　本裝置作為污水處理場工藝流程中的重要一環，與前端預處理系統互相配套設置 8 套反應器，分水器均勻的將來水分成8 組，運行系統可通過調節運行電流來適應不同的水質及水量。自 2017 年 6 月開始投入運行，自運行起，一直處于 24 小時運行狀態。目前反應器運行效率出現有下降趨勢，近期針對反應器效率下降的情況進行了問題排查分析，并提出整改方案。

　　2 影響效率因素排查

　　2.1 運行狀況分析

　　通過現場排查，當前現場進水水量為 170m3/h、電導8.53ms/cm，電催化氧化裝置 5 組運行、1 組清洗、2 組停機，運行電流在 3000-3500A，運行電壓 7.5-9V。五組運行電氧化設備運行瞬時流量分別為 43m3/h、56m3/h、41m3/h、 31m3/h、32m3/h。

　　由于目前有三組電催化氧化裝置處于停機狀態，分水器相應組的出水閥門關閉，導致該組通過溢流堰的出水分流到相鄰的兩組，相鄰的兩組對應出水水量就偏大。關停電催化氧化設備組數越多，分水器分水就越不均勻。

　　分別取氣浮進水、分水器出水、電氧化出水(總電流 3510A、電壓 8.1V、6.5 m3/h)、出水池水，測定 COD 值，確定各工藝段去除效果。

　　檢測結果如下：

　　結論：

　　(1)從實驗數據可以看出，污水經過氣浮后可以降10mg/l 左右的 COD，氣浮有效果。

　　(2)經過電催化氧化后去除 COD 也在 10mg/l 左右，去除效果相對較差。

　　(3)出水池比單臺電催化氧化出水值要高，證明有部分反應器效率更低。由此可以證明，目前電催化氧化系統的布水分布對電催化氧化裝置的處理效果影響相對較大

　　3.2 電氧化極板問題排查

　　3.2.1 現場小試

　　模擬現場 3500A 電流(電流密度 10.6mA/cm2)、極板間距 2cm 條件進行試驗，驗證電氧化對現場污水的去除效果。

　　結論：電催化氧化技術可以有效去除廢水中的COD。

　　3.2.1 現場工程機靜態試驗

　　采用現場工程機做靜態試驗，觀察電氧化不同停留時間對污水COD 的去除效果。反應時間分別取 2min、4min、6min、8min、10min、15min。運行電流：3510A;運行電壓：7.9V。

　　試驗結論：

　　(1)當電氧化進水 COD 為 75.4mg/l 時，經工程機反應2min 后，COD 已達到 55mg/l 以下，4min 后可穩定達到50mg/l 以下。

　　(2)現場電氧化工程機陽極板沒有問題，可以穩定去除污水中的COD。

　　(3) 本臺設備為剛完成清渣設備，所以效率比平均效率要高一點。

　　3.2.1 現場工程機動態試驗

　　試驗條件：采用現場工程機做動態試驗，觀察電氧化不同進水流量對污水COD 的去除效果。進水流量分別取 4m3/h、 3m3/h、2m3/h。

　　運行電流：3510A;運行電壓：8.1V。

　　試驗結論：

　　根據試驗數據可知通過降低流量可以提高反應器處理效果，并結合靜態試驗結果，證明極板處理 COD 的能力沒有下降，通過調整反應器結構，增加污水與極板的有效接觸面積，可提高反應器處理效率。

　　3.2.1 結垢對電氧化反應器效率的影響

　　現場選取兩臺運行工況相近的設備(電流 3000A，Q=6m3/h)。

　　設備A：剛完成垢的清理(運行電壓 6.9V)，運行過程中有大量氣泡。

　　設備B：已運行一段時間(運行電壓 8.2V),運行過程中氣泡量很少(第二天準備清垢)。

　　分別取A、B 出水進行檢測。

　　試驗結論：

　　根據試驗數據可知，結垢對反應器處理效率影響不高，但增加了反應器的電阻，導致運行電壓升高，故考慮優化節能運行需及時清理極板垢。

　　4 結 論

　　4.1 布水均勻度調節

　　分水器布水均勻度調節，恢復 8 組電催化氧化設備全開，通過調節電流大小來適應不同的處理水量。實際運行過程中，難以實現 8 組全開，會導致分水器布水不均勻，部分設備過水流量過大。8 組設備不能全開，一方面是設備除垢的問題，一方面是出于節能的考慮。在運行過程中，盡量所有設備全部開啟的狀態下運行。

　　清洗的過程盡量縮短，清洗極板垢層的時候，要盡量不損壞極板。同時提高清洗的效率，縮短清洗時間。提高 8臺設備同時運行的概率。

　　4.1 陰極板結垢問題

　　目前由于清洗完極板后，設備會有一段時間停運，極板裸露在空氣中，導致陰極板表面垢板結，難以清洗下來。排查出此問題后，再次清洗時將陰極板拆下來進行較徹底的清洗除垢。

　　4.2 反應器優化

　　由于設備除垢原因，之前對反應器底板進行擴孔處理，導致底部短流現象，現需要通過改變反應器內部的布水及集水方式，增加污水與極板的有效接觸時間，以提高電氧化反應器效率。

　　4.3 出水優化

　　改變進水方式后，出水需增加溢流堰集水系統，通過溢流堰使反應器出水均勻度增加。