双室两步电解法分离回收工业废水中重金属与磷酸盐的关键技术研究

本研究针对金属工业废水中重金属与磷酸盐混合污染难题，创新性开发了基于碳-聚合物复合阴极的两步双室电解系统。通过优化pH调控策略（pH 9分离重金属，pH 10沉淀磷酸盐）和反向渗透（RO）浓缩液利用，实现了重金属氢氧化物与钙/镁磷酸盐的选择性分离回收，能耗低至0.19 kWh/m3 ，为工业废水资源化提供了化学试剂零添加的绿色解决方案。

　　

金属加工行业产生的废水中同时含有重金属和磷酸盐污染物，传统化学沉淀法会导致两者共同沉淀形成难以资源化利用的混合污泥，不仅造成磷资源浪费（磷被列为欧盟关键原材料），还增加了危废处置成本。现有电化学技术如电絮凝（EC）和ePhos?工艺虽能同步去除污染物，但无法实现产物的选择性分离。更棘手的是，废水处理过程中大量化学试剂的添加会提高水体盐度，阻碍后续膜法水回用。

针对这一技术瓶颈，德国研究人员在《Water Resources and Industry》发表研究，设计了两步双室电解系统：第一步在pH 9下优先沉淀重金属氢氧化物，第二步通过添加RO浓缩液（含Ca²⁺
/Mg²⁺
）在pH 10选择性回收磷酸盐。关键技术包括：1）采用非粘附性碳-聚合物复合阴极（PPG86）和Nafion N438阳离子交换膜构建双室电解槽；2）利用工业现场RO浓缩液替代传统化学沉淀剂；3）建立连续流中试系统（处理量162 L/h）验证工艺稳定性。

研究结果显示：

1. 实验室批次实验证实pH 9可实现Mn/Ni/Zn去除率>90%，而磷酸盐损失<30%。当Ca:P摩尔比达2:1时，磷酸盐残留可降至1 mg/L，RO浓缩液的钙组分比镁盐更具沉淀优势。
2. 连续运行数据显示，采用14 L/h RO浓缩液初始投加+12.5 L/h维持的阶梯式投料策略，可使不同批次废水（PO₄
   -P 13.8-338.4 mg/L）的磷回收率稳定在90%以上。
3. 中和实验表明，将处理后的废水作为阳极液回用，虽延长反应时间3.6倍，但避免了钠离子外排，符合"零化学输入"理念。

该研究创新点在于：1）通过pH梯度控制实现产物精准分离；2）利用工业副产物RO浓缩液作为钙源，使磷酸盐回收成本降低64.7%；3）模块化设计可直接耦合现有膜处理系统。这种"废水-资源-回用水"三位一体模式，为金属加工行业提供了符合循环经济（Circular Economy）理念的废水处理新范式，其分离产物金属氢氧化物和钙磷酸盐均可作为工业原料回用，而低盐出水（电导率<1922 μS/cm）适合进一步反渗透处理。研究团队特别指出，沉淀物需即时分离以避免再溶解，这对工程化放大具有重要指导意义。