汽车电泳漆废水电絮凝与化学混凝的生命周期评估：电极材料与电力来源的作用

《Journal of Water Process Engineering》：Life cycle assessment of electrocoagulation versus chemical coagulation for automotive cataphoresis wastewater: the role of electrode material and electricity source

　　

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  在所有18个ReCiPe 2016类别中，化学混凝均优于所有EC构型。
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  仅铝电极生产一项（254 mPt）便已超过整个PAC系统（141 mPt）。
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  风力发电使EC的全球变暖潜值降低了17–26%，但EC仍比PAC高出4.4倍。
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  EC的瓶颈在于牺牲性金属及其氢氧化物污泥，而非电网碳强度。
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  在所有10,000次配对蒙特卡洛模拟中，化学混凝的影响均较低。

引言

汽车制造业产生的废水含有高有机质和磷负荷，来源包括金属预处理、磷化和电泳涂装工艺。电泳液池排放的废水中尤其含有漆料固体、表面活性剂、磷酸盐和残余重金属，涂装和喷涂作业据报占整车生产相关环境风险的大部分[1], [2]。汽车总装厂锌磷化线的冲洗水曾分别采用铝电极和铁电极进行电化学处理，磷酸盐和锌的去除率均超过97%[3]。若不进行专门处理，化学需氧量（COD）和总磷（TP）的排放限值常常被超过，混凝-絮凝仍是工业界主流的应对方案[1], [4]。

传统化学混凝依赖金属盐的水解，最常见的是铝基或铁基混凝剂。聚合氯化铝（PAC）因其以较低投加量即可达到与简单盐类相当的污染物去除效果、适用pH范围更宽且产生的污泥更少，已逐步取代简单盐类[1], [4]。电絮凝（EC）提供了一种替代方案，其中混凝剂通过牺牲性电极的阳极溶解原位生成，无需外购、储存和投加化学品。这种运行简便性引发了大量研究兴趣，EC已在市政污水、灰水、富含磷废水和含金属废水中得到验证[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]，其机理、反应器构型及影响性能的运行参数也已被广泛综述[13], [14], [15]。

然而，将EC频繁描述为"无化学药剂"或绿色技术的做法，在很大程度上基于工艺层面的观察而非全生命周期证据。两种负担被转移到了生命周期的其他环节，而非真正消除。首先，牺牲性电极被消耗并须更换，这将混凝剂需求从化学品制造转移至原金属生产；此外，实测电极消耗量往往超过法拉第理论预测值[16], [17], [18]，因此转移的负担大于理论清单所暗示的程度。其次，EC以电能为驱动，该电力的环境成本取决于为工厂供电的发电结构[6], [19]；已报道的EC处理水和废水的单位能耗跨度达四个数量级，从0.002至58 kWh m^?3，典型值为0.4–4 kWh m^?3，具体取决于电导率、电流密度和反应器设计[20], [21], [22]。这两种负担在反应器边界处均不可见，只有通过全生命周期视角才能被捕捉。

废水处理的全生命周期评价（LCA）是一个成熟领域[23], [24], [25]，但针对工业废水将电化学处理与传统工艺进行对比的全生命周期研究仍然有限[19], [26]，且已有研究通常仅评估单一电极材料[7], [8]。相比之下，铝与铁在工艺层面的直接对比研究众多且一致表明，在等摩尔投加量基础上铝对磷去除更为有利[18], [27], [28]，同时也有混合金属及废阳极排列方案被提出以利用两种金属的互补特性[29], [30]。当电极材料变化时，比较通常仅基于去除效率进行，而未将金属生产负担的差异传递至全生命周期分析中；少数在LCA框架下研究阳极材料的研究使用的是合成废水而非工业废水[31]。其中最具可比性的研究评估了铝、铁和镁阳极在磷酸盐去除中的表现，同样认为铝更优，但该研究针对的是单一污染物的模拟溶液、单一电力结构且未考虑混合金属电极排列，因此该结论向真实多污染物工业废水的可迁移性仍有待验证。相反，传统混凝的全生命周期研究侧重于混凝剂制造以及替代性或回收混凝剂，而非与电化学投加方式的对比[32]。此外，大多数已发表的EC清单数据源自实验室批次实验，其单位体积能耗不能代表全规模运行[6], [33]。

本研究通过比较三种EC电极构型（Al–Al、Fe–Fe以及Fe–Al混合构型）与PAC混凝处理同一工业废水的性能，来弥补上述研究空白，其中化学混凝采用商业车辆制造工厂的运行数据，而EC数据来自实验室规模实验。具体目标为：(i) 在共同的功能单元基础上量化并比较四种处理构型的环境影响；(ii) 识别决定这些影响的工艺阶段；(iii) 检验以可再生能源替代是否改变排序；以及(iv) 考察结果对牺牲性电极消耗量的敏感性。本研究旨在确立EC的运营优势是否在环境方面同样成立，若不然，则需要改变哪一参数才能使这一情况发生。

此前的EC全生命周期评价研究已涉及乳品废水[19]、含金属废水[8]和富含磷废水[31]，这些研究通常要么将EC与其他处理路线对比，要么在不设全规模化学混凝基准的情况下考察电极材料。据我们所知，本研究是首个（i）在同一工业电泳废水上比较三种电极构型（包括混合Fe–Al电极对）的LCA；（ii）以工厂实际运行的化学混凝线作为基准，使用全规模运行记录而非文献假设值进行对比；以及（iii）量化铝与铁偏好发生逆转时的盈亏平衡电极消耗量。因此，本研究为面临EC与传统混凝选择困境的汽车涂装车间运营者提供了决策相关的证据，此前尚未有研究评估过这一场景。

章节摘要

案例研究与废水特征

所研究的废水来自位于土耳其布尔萨市一个规划工业园区内的商业车辆制造工厂的阴极电泳涂装线。现有场处理设施为物化处理站，额定处理能力为30 m³ h^?1，日运行16 h d^?1，对应约120,000 m³ a^?1。

本研究使用了两个独立的实验数据集。电絮凝处理性能数据来自同一废水的实验室规模研究[34]，

中点特征化

基准情景的特征化中点结果汇总于表S2，并在图1中跨所有十八个类别进行了对比。在评估的十八个类别中，化学混凝在每个类别中均产生了最低的环境影响。以各品类中表现最优的EC构型为比率，化学混凝结果在细颗粒物生成方面为0.08，在淡水生态毒性方面为0.53，中位数约为0.19。因此，这一差距

结论

对汽车阴极电泳废水处理开展的生命周期评价比较了三种电絮凝电极构型与聚合氯化铝混凝的处理效果，其中化学混凝采用工厂运行记录数据，而同一废水的电絮凝则结合实验室规模实验数据。主要发现如下。

在所有十八个类别中，化学混凝的环境影响均低于每一种电絮凝构型

CRediT作者贡献声明

Berrak Erol Nalbur：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，监督，方法学，调查，形式化分析，概念化。Murat Kasaplar：撰写——审阅与编辑，调查，数据整理。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在撰写本文过程中，作者使用了大语言模型辅助语言编辑以及表格和图表的准备。使用该工具后，作者按需对内容进行了审阅和编辑，并对本出版物的全部内容承担全部责任。

资助

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争财务利益或个人关系。

Berrak Erol Nalbur|Murat Kasaplar