美國麻省理工新電化學(xué)法有望處理河北化工滲坑

     中國在享受幾十年經(jīng)濟高速增長紅利的同時，也承受著嚴(yán)重的環(huán)境污染、生態(tài)破壞之痛。以水為例，近幾年各地集中爆發(fā)多起水污染事件，表明全國水環(huán)境的形勢非常嚴(yán)峻。

     今年4月，媒體披露了河北、天津等地發(fā)現(xiàn)多處超大規(guī)模的工業(yè)污水滲坑，對環(huán)境的破壞程度令人觸目驚心。

     滲坑中的污水成分復(fù)雜，處理難度很大，對周邊土壤以及地下水的侵害更是無法估量。產(chǎn)生有機廢水的源頭很多，如印染、化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品加工、有機化工等行業(yè)都是有機廢水的輸出大戶。有機物易造成水質(zhì)富營養(yǎng)化，有的甚至含對生物體有毒的物質(zhì)，如果直接排放，會造成嚴(yán)重污染。

     如何快速恢復(fù)被污染地區(qū)的環(huán)境、降低滲坑對地下水的侵入，想必是當(dāng)?shù)卣约碍h(huán)境治理工作者面臨的最大挑戰(zhàn)。武漢市目前有多家企業(yè)選擇了污水處理第三方運營管理，幫助企業(yè)安全排污，進行污水處理外包，污水處理運營等相關(guān)合作性支持。武漢格林環(huán)保設(shè)施運營有限責(zé)任公司，也將繼續(xù)為您關(guān)注工業(yè)污水、 生活污水處理外包、污水處理運營的行業(yè)動態(tài)。

有機廢水的特點

     有機物濃度高，COD一般在2000mg/L以上，有的甚至高達幾萬乃至幾十萬mg/L;色度高，有異味，有些廢水散發(fā)出刺鼻惡臭，給周圍環(huán)境造成不良影響;具有強酸強堿性，工業(yè)產(chǎn)生的有機廢水中，酸、堿類眾多，往往具有強酸或強堿性。

     不易生物降解有機廢水中所含的有機污染物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以降解。含有毒性物質(zhì)廢水中有機物以芳香族化合物和雜環(huán)化合物居多，含有硫化物、氮化物、重金屬和有毒有機物，廢水生化性差，且對微生物有毒性，難以用一般的生化方法處理。

生物法

     生物處理是當(dāng)前廢水凈化的主要工藝，是利用微生物的代謝作用來分解、轉(zhuǎn)化水體中的有毒有害物質(zhì)的生物技術(shù)，降解作用的場所主要是含微生物的活性污泥、生物膜及其相應(yīng)的反應(yīng)器。

     生物法處理的污染物閾值低、殘留少、無二次污染，但該工藝需要調(diào)節(jié)廢水濃度、含氧量、酸堿度等，使其適應(yīng)微生物的生長和繁殖。

     且處理周期較長、工藝流程復(fù)雜、占地面積大。

化學(xué)法

     如焚燒法、催化氧化法、電化學(xué)氧化法等。焚燒法適用于處理高濃度有機廢水，需要使用燃料油、煤等助燃劑，將有機廢水單獨或者和其他廢物混合燃燒，可以一步將有害廢水中有機物徹底轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。

     但設(shè)備投資大，處理成本高，除某些特殊廢水(如醫(yī)院廢水)以外難以采用。

     催化氧化法需要大量投加氧化劑和催化劑，對廢水的酸堿度、污染物種類等都有一定要求。電化學(xué)氧化法針對某些有機污染物處理效果很好，但這種工藝耗電量驚人，且廢水中的有機物在高壓下有可能發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)生多種有害或難處理物質(zhì)。

物理法

     如萃取、吸附、膜過濾、濃縮等，可以作為有機污水的預(yù)處理手段，如回收廢水中的有用成分，或?qū)σ恍╇y生物降解物進行處理，提高可生化性。

     物理法一般不單獨作為污水處理工藝，需要與其他方法配合使用，且萃取劑、吸附劑以及過濾膜等都需要周期性再生，投入較大。

電化學(xué)污水處理的重大突破!

     近日，來自麻省理工學(xué)院和德國達姆施塔特工業(yè)大學(xué)的研究人員，在其發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy and Environmental Science)的論文中向公眾介紹了他們的最新成果，一項有關(guān)廢水處理的突破性技術(shù)，對于有機廢水治理領(lǐng)域，其意義有可能等同計算機從“電子管時代”邁入“晶體管時代”。

     該技術(shù)采用一種新穎的電化學(xué)方法，可以有效處理不同濃度范圍(低至ppm級)的污水，而且該工藝耗能低，偏遠(yuǎn)地區(qū)甚至可以利用太陽能來驅(qū)動，解決窘迫的飲用水困境。甚至能選擇性地去除有機污染物，如農(nóng)藥、化學(xué)廢物和藥物等有害物質(zhì)，將其降至ppm范圍。

     膜過濾法成本較高，且處理低濃度廢水的能力有限，而電滲析和電容法由于使用了高壓電，容易發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)生其他物質(zhì)。這些方法還有一個共同缺點就是伴生更難對付的高鹽廢水。低濃度廢水的現(xiàn)有處理技術(shù)有膜過濾法、電滲析法和電容去離子法等，基本上都屬于能源和資源密集型，處理過程需消耗大量的能源，添加大量的化學(xué)處理劑。

     在該電化學(xué)系統(tǒng)中，正、負(fù)電極經(jīng)特殊的化學(xué)處理(或稱為“功能化”)，表面被涂覆一層感應(yīng)電流材料，水在正極和負(fù)極表面之間流動。電極表面在反應(yīng)過程帶上正電或負(fù)電荷。

     這些帶電活性基團可以與特定的污染物分子強烈結(jié)合。研究人員用布洛芬和各種農(nóng)藥進行了試驗，發(fā)現(xiàn)即使在ppm濃度下，此系統(tǒng)也能有效地去除這些分子。

處理優(yōu)勢

     常規(guī)電化學(xué)分離方法有一個關(guān)鍵的制約因素，那就是表面競爭反應(yīng)導(dǎo)致的酸度波動和性能下降。此前的研究通常集中在導(dǎo)電電極或僅對一個電極板進行功能化，但是在高電壓下通常會產(chǎn)生其他污染化合物。

     通過非對稱形式使用功能化正負(fù)電極，副反應(yīng)幾乎被完全消除。此外，不對稱性允許同時選擇性地除去正和負(fù)的有毒離子，正如該團隊在實驗中用除草劑百草枯和奎寧氯化物所證明的那樣。

     研究成員Hatton介紹說，與膜系統(tǒng)的高壓以及其他高電壓電化學(xué)系統(tǒng)不同，新系統(tǒng)在較低的電壓和壓力下工作。他還指出，傳統(tǒng)的離子交換系統(tǒng)釋放捕獲的化合物、吸附劑的再生都需要添加化學(xué)物質(zhì)，而新系統(tǒng)只需輕按開關(guān)，切換電極的極性，就能實現(xiàn)相同的處理效果。

應(yīng)用前景

     該系統(tǒng)可用于環(huán)境修復(fù)，  該系統(tǒng)盡管具有很高的選擇性，但在實踐中，可能會設(shè)計成多段處理，順序處理各種化合物，這要取決于具體的應(yīng)用。有毒有機化學(xué)清除或化工廠、制藥廠等回收高附加值產(chǎn)品，它們都是依據(jù)相同的原理：從復(fù)雜的多離子系統(tǒng)中抽提少數(shù)離子。

     因在水處理可持續(xù)發(fā)展技術(shù)上的貢獻，該研究團隊已斬獲多項榮譽，包括J-WAFS Solutions獎金和馬薩諸塞州清潔能源催化劑競賽獎金，并且他們還是去年麻省理工學(xué)院最佳水利創(chuàng)新獎的獲得者。

     研究人員已對該技術(shù)申請了新工藝的專利。此刻，他們正努力在實驗室放大其原型設(shè)備，并進一步提高化學(xué)穩(wěn)定性。“與許多新興的水凈化技術(shù)一樣，它仍然須在現(xiàn)實條件下進行長期測試，以檢查其耐久性。然而，鑒于系統(tǒng)原型已經(jīng)完成了超500次的循環(huán)，該技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用指日可待。”

     以色列技術(shù)研究所機械工程助理教授Matthew Suss評價說，這項技術(shù)意義非常，它將電化學(xué)系統(tǒng)的功能從非選擇性擴展到了高度選擇性，并利用這一特點去除關(guān)鍵污染物。   

     另一名研究成員Su說：“對于欠發(fā)達地區(qū)，面臨著農(nóng)藥、染料以及其他化學(xué)品生產(chǎn)造成的飲水問題，這種高效、使用電的凈化系統(tǒng)可以在偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村用太陽能來驅(qū)動。”

     伊利諾伊大學(xué)機械科學(xué)和工程教授Kyle Smith也非常認(rèn)同他們的研究方法，但表示該技術(shù)仍然面臨的一個重大挑戰(zhàn)，就是如何工業(yè)化放大。