综述：Electrocoagulation-coupled Systems：废水处理的高效新方案

时间：2025年2月25日

来源：iScience

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为解决废水处理难题，VinUniversity 的研究人员开展电凝聚耦合系统处理废水的研究，发现其能有效去除污染物，对废水处理意义重大。

水，作为生命之源，对人类的生存和地球生态系统的平衡起着至关重要的作用。然而，随着人类活动的日益频繁，水污染问题愈发严重。农业、畜牧业、工业生产以及日常生活等活动产生的大量废水，如同 “污水炸弹”，不断冲击着有限的水资源。这些废水中含有各种各样的污染物，如重金属离子、有机化合物、病原体等，不仅让水资源变得稀缺，还对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。传统的废水处理方法，如物理、化学和生物处理方法，虽然在一定程度上能够去除部分污染物，但都存在各自的局限性。例如，化学混凝（CC）虽然操作简单、成本效益高，能有效去除各种废水，但处理后的污泥难以进行环保处理；生物处理方法虽然环保，但处理效果受废水水质和环境条件的影响较大。因此，开发高效、经济且环保的废水处理技术迫在眉睫。

在这样的背景下，VinUniversity 的研究人员 Thi Kim Cuong Phu、Phi Long Nguyen 和 Thi Viet Bac Phung 针对废水处理难题，开展了关于高效电凝聚耦合系统（Electrocoagulation-coupled systems）处理废水的研究。该研究成果发表在iScience期刊上。

为了深入探究电凝聚耦合系统在废水处理中的性能和应用潜力，研究人员采用了多种关键技术方法。他们通过文献综述，广泛收集和分析了相关领域的研究成果，梳理了电凝聚技术的发展脉络和研究现状。同时，运用实验研究方法，对电凝聚过程中的多个参数进行了系统研究，包括电极材料、电流密度、pH 值、电极间距、电解时间、支持电解质等，评估这些参数对污染物去除效率和能量消耗的影响。此外，还利用数学模型和统计方法，如响应面法（RSM）和人工智能（AI）技术，对电凝聚系统进行优化和建模，分析输入变量与输出结果之间的复杂关系。

研究结果如下：

电凝聚系统的关键参数影响：研究发现，电极材料对电凝聚效果影响显著。铝（Al）和铁（Fe）因成本低、毒性小等优势成为常用的牺牲电极材料，但它们在处理不同污染物时表现各异。例如，在处理某些废水时，铁电极对化学需氧量（COD）和有机化合物的去除效果较好，而铝电极在去除硝酸盐（）和浊度方面更具优势。此外，电流密度、pH 值、电极间距和电解时间等参数也会影响污染物的去除效率和能量消耗。在一定范围内，增加电流密度可提高污染物去除效率，但过高的电流密度会导致能源消耗增加和电极钝化。合适的 pH 值能促进污染物的去除，不同的电极材料和污染物对应着不同的最佳 pH 值。优化电极间距可以在提高污染物去除效率的同时降低能量消耗，而反应时间过长或过短都会影响处理效果，通常最佳反应时间在 20 - 30 分钟左右。
电凝聚系统的应用效果：电凝聚过程在处理各种废水方面展现出了卓越的性能，可有效去除工业、农业和生活废水中的多种污染物。在处理含铬废水时，电凝聚能将六价铬（）还原为三价铬（）并沉淀去除；对于含有机化合物的废水，如铜 - 乙二胺四乙酸（EDTA）络合物污染的废水，电凝聚也能实现高效去除。此外，电凝聚还可用于处理垃圾填埋渗滤液、地下水等，能有效降低污染物浓度，使其达到安全标准。但同时，电凝聚过程也存在一些问题，如处理后水中可能残留一定浓度的混凝剂金属，需要进一步研究以确保其符合饮用水标准。
电凝聚耦合系统的优势：单独依靠电凝聚处理废水往往存在不足，将电凝聚与其他方法（如吸附、臭氧氧化、膜过滤等）耦合，可以显著提高污染物的去除率，改善处理稳定性，减少反应时间，并实现更全面的水质管理。在处理高 COD 浓度的废水时，将电凝聚与生物处理方法结合，能有效解决单一处理方法的局限性。先通过生物处理降低废水中的有机负荷，再用电凝聚去除残留的污染物，可实现近完全去除污染物的效果。此外，电凝聚与物理方法（如浮选、吸附、膜过滤等）、化学方法（如臭氧辅助电凝聚、Fenton 反应等）以及电化学方法（如电氧化、电 Fenton 等）的耦合，都能在不同程度上提高废水处理效率，展现出良好的应用前景。
电凝聚系统的评估与优化：由于实验条件和污染物来源的差异，需要使用标准化的性能指标来比较不同研究的结果。研究人员通过定义去除效率、协同效应、能量消耗、运行成本等指标，并运用相应的数学公式进行计算，对电凝聚系统进行了全面评估。同时，采用统计和数学方法（如 RSM）以及人工智能技术（如人工神经网络 ANNs、自适应神经模糊推理系统 ANFIS 等）对电凝聚系统进行优化和建模，以揭示输入变量与输出结果之间的复杂关系，寻找最佳的操作条件。虽然这些方法在优化电凝聚系统方面取得了一定的成果，但在实际应用中仍面临一些挑战，如数据质量、模型可解释性、计算需求等问题。

研究结论表明，电凝聚技术在废水处理领域具有巨大的潜力，但也存在一些需要解决的问题。为了进一步提高电凝聚耦合系统的处理性能，未来的研究可以从以下几个方向展开：一是加强对电凝聚处理后污泥的可持续处理研究，探索合适的方法将污泥转化为有用的资源，同时确保其对环境和人类健康无害；二是积极开发可再生能源驱动的电凝聚系统，以减少对传统高碳电力的依赖，降低碳排放，实现可持续发展；三是深入研究人工智能在电凝聚系统中的应用，通过建立更完善的实验数据库，提高人工智能模型的预测准确性和可靠性，实现电凝聚系统的自动化控制和优化运行。

总的来说，该研究系统地阐述了电凝聚耦合系统在废水处理中的应用，为解决水污染问题提供了新的思路和方法，对推动废水处理技术的发展具有重要的理论和实践意义。它为未来的研究指明了方向，有望促进更高效、更环保的废水处理技术的开发和应用，为保护水资源和生态环境做出贡献。