摘要 采用光伏系統(tǒng)與電化學(xué)技術(shù)結(jié)合的方式不僅可以提高處理效率、減少能耗和降低運(yùn)營成本，還有助于推動清潔能源在環(huán)境保護(hù)和水資源管理方面的應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、高效的污水處理具有較好的應(yīng)用前景。 本文闡述了太陽能光電轉(zhuǎn)化在污水治理中的應(yīng)用情況，綜述了光電轉(zhuǎn)化在電氧化系統(tǒng)、反滲透工藝、電混凝工藝、曝氣設(shè)備、電絮凝技術(shù)及Fenton技術(shù)中的研究進(jìn)展情況，并對今后太陽能應(yīng)用污水治理的工作研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 太陽能；光電轉(zhuǎn)化；污水處理；電化學(xué)

中圖分類號：O646 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0518（2024）09-1227-11

水污染是當(dāng)前全球面對的緊迫環(huán)境挑戰(zhàn)之一。 工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)活動和城市生活廢水等導(dǎo)致水體中出現(xiàn)各種有害物質(zhì)，如有機(jī)物、重金屬離子及懸浮顆粒等，這些新興污染物對人類健康、生態(tài)系統(tǒng)和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅［1］。 傳統(tǒng)的水污染治理方法包括物理處理法、化學(xué)處理法和生物處理法，不僅可能會造成水的二次污染，還會消耗大量能源。 近些年，電化學(xué)處理污水因其高效和環(huán)保等優(yōu)勢受到了人們的重視，但其仍需依賴工業(yè)用電，需要消耗大量電力和化石燃料，造成運(yùn)營成本的上升使其成為推廣的一大障礙。

隨著對可再生能源的需求增加，太陽能清潔能源被認(rèn)為是降低治理成本和減小環(huán)境影響的有效方式。 太陽能是一種廣泛可獲得的能源，在管理未來能源需求方面有望取代傳統(tǒng)的化石燃料資源，有效地收集和轉(zhuǎn)換太陽輻射對太陽能技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要［2］。 目前，太陽能已被轉(zhuǎn)化為電能、熱能和化學(xué)能，用于光伏發(fā)電［3］、太陽能熱技術(shù)［4］和光催化［5］等各種應(yīng)用。 隨著太陽能技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽能光伏系統(tǒng)的成本逐漸下降，效率不斷提高，使得太陽能在水污染治理中的應(yīng)用變得更為經(jīng)濟(jì)可行。

本文介紹太陽能污水治理的技術(shù)原理、優(yōu)勢和意義，綜述太陽能與電氧化系統(tǒng)、反滲透工藝、電混凝工藝、曝氣設(shè)備、電絮凝技術(shù)及Fenton技術(shù)相結(jié)合在污水處理中的應(yīng)用，并對今后太陽能應(yīng)用污水治理領(lǐng)域的工作方向進(jìn)行了展望，探討了太陽能污水治理的優(yōu)勢，它不僅可提高污水處理效率，降低污水處理運(yùn)營成本，減少環(huán)境污染，而且可為太陽能豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)和電力匱乏地區(qū)帶來便利，同時也為其未來的研究發(fā)展方向提供思路和幫助。

1 太陽能污水治理

1. 1 太陽能污水治理的技術(shù)原理

太陽能在污水治理中的運(yùn)用主要通過太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電驅(qū)動污水處理，光伏系統(tǒng)的基本組成部分為吸收陽光將太陽能轉(zhuǎn)化為電能（直流電）的光伏模塊、儲存能量作為備用電力的蓄電池、防止電池過度充電或過度放電的調(diào)節(jié)器以及將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器［6］。 圖1為太陽能污水治理工藝示意圖。

1. 2 太陽能光伏發(fā)電污水治理的技術(shù)優(yōu)勢

光伏發(fā)電可為污水處理領(lǐng)域帶來了諸多收益。 與傳統(tǒng)能源相比，光伏發(fā)電不會釋放有害的溫室氣體，對大氣和環(huán)境沒有負(fù)面影響，可為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供了可靠的電力來源［7］。 此外，由于光伏系統(tǒng)的靈活性，其可以適應(yīng)不同規(guī)模和需求的污水處理設(shè)施，確保了處理過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，也為監(jiān)測和維護(hù)設(shè)備提供了可靠的電力支持，從而確保了高效的污水處理操作。

1. 3 太陽能污水治理的重要性及意義

太陽能污水治理是一種利用太陽能作為能源的先進(jìn)技術(shù)，它通過利用太陽能的熱能和光能來驅(qū)動污水處理，從而實(shí)現(xiàn)污水中有害物質(zhì)的去除和水質(zhì)凈化的目的。 相比需要大量電力的傳統(tǒng)污水處理工藝，太陽能污水處理不依賴傳統(tǒng)的化石燃料而利用太陽能作為能源，具有節(jié)約能源、減少碳排放、循環(huán)利用水資源、降低污染物排放和降低運(yùn)營成本等優(yōu)勢，尤其是在長期運(yùn)營中，這對環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［8］。 隨著太陽能技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，太陽能污水處理系統(tǒng)將在未來得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。

2 太陽能污水治理的應(yīng)用

考慮到電氧化系統(tǒng)、反滲透工藝、電混凝工藝、曝氣設(shè)備、電絮凝技術(shù)和Fenton技術(shù)在污水處理中展現(xiàn)出的高效性、可控性和低成本的優(yōu)勢，研究人員將太陽能與這6種技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在污水治理領(lǐng)域。 下面分別介紹其相關(guān)研究進(jìn)展。

2. 1 光電轉(zhuǎn)化在電氧化（EO）系統(tǒng)中的應(yīng)用

EO是一種利用電流促使污水中有機(jī)物氧化降解的技術(shù)。 總有機(jī)碳（TOC）作為一種衡量水中有機(jī)物總量的指標(biāo)，通過EO將其氧化成CO2 等無機(jī)物，從而有效地降低水體中的含量，對于那些難以通過傳統(tǒng)生物處理方法降解的有機(jī)物EO也具有很好的適用性，包括一些毒性較大、生物降解難度較高的有機(jī)污染物，如染料和農(nóng)藥等［9］。 太陽能電化學(xué)氧化（PSEO）是一種利用太陽能驅(qū)動的電化學(xué)過程，通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用電能促使氧化反應(yīng)進(jìn)行［10］。 這種技術(shù)通常應(yīng)用于水分解或有機(jī)廢物降解等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)清潔能源的生成或環(huán)境污染物處理的目的，圖2為太陽能結(jié)合電氧化系統(tǒng)的原理圖。

2010年，Valero等［11］采用工業(yè)電化學(xué)壓濾反應(yīng)器和40模塊光伏（PV）陣列研究了PV陣列對含染料溶液雷馬唑RB（Remazol RB 133）降解的影響，并提出了一種實(shí)用而有效的方法來調(diào)整EO-PV系統(tǒng)的運(yùn)行條件以適應(yīng)廢水處理。 證明了光伏發(fā)電和EO處理廢水綠色技術(shù)耦合的可行性，并采用由不同排列的光伏組件供電的電氧化法在陽極pHan=2. 8下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，處理含有Remazol RB 133染料的合成廢水得到了95%的較高脫色率。

2010年，Dominguez-Ramos等［12］設(shè)計了一個單室電化學(xué)反應(yīng)器，其中硼摻雜金剛石陽極和陰極平行放置，去除堿基磺酸廢水中存在的有機(jī)物，光伏組件通過保險絲盒直接連接到電化學(xué)反應(yīng)器上，發(fā)現(xiàn)PV電氧化在240 min內(nèi)可去除90%的TOC，也證明了PSEO工藝降解廢水中的有機(jī)物的技術(shù)適用性。

Kargi［13］研究了將光伏電池（PVC）產(chǎn)生的電力供應(yīng)給稀釋的工業(yè)廢水，在機(jī)械混合和密封的不銹鋼反應(yīng)器中利用石墨、不銹鋼和鋁棒電極生產(chǎn)氫氣的同時去除了廢水中的TOC，研究表明， 通過比較石墨、不銹鋼和鋁棒電極在去除效率和電極能量轉(zhuǎn)換效率方面的表現(xiàn)，得出鋁棒的TOC去除率為30%，電極能量轉(zhuǎn)化效率為74%，均高于石墨和不銹鋼電極，為最佳的電極材料； 在使用太陽能電化學(xué)過程處理廢水時，選擇合適的電極材料對于提高效率和能量轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。 這種PSEO的過程具有潛在的環(huán)保優(yōu)勢，在太陽能轉(zhuǎn)化和儲能領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用前景。

除了直觀看到PSEO工藝在污水處理中的影響外，Salmerón等［14］比較了電解與太陽能相結(jié)合處理的每體積滲濾液中溶解性有機(jī)碳（DOC）和總氮（TN）的電耗和單獨(dú)電解處理的電耗，通過提高相同能耗的降解率和降低相關(guān)運(yùn)營成本的方式，也再次證明了太陽能在污水治理的高效應(yīng)用。 隨后，Salmerón等［15］又將太陽能應(yīng)用到處理城市污水處理廠二級出水中有機(jī)微污染物（五氯酚、特布林、氯苯醚和雙氯芬酸）的電化學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)在納濾膜預(yù)處理的情況下，采用太陽能輔助的陽極氧化太陽能光電芬頓（SPEF）效果較好。 在微污染物初始濃度為200 μg/L時SPEF可消除96%的污染物，且能耗相對較低為5. 9 kW·h/m3，以及累計太陽紫外線能量（QUV）為8. 8 kJ/L。 當(dāng)將微污染物初始濃度增加至500 μg/L后，SPEF可在30 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)70%的去除能力， 處理180 min后可達(dá)到85%的微污染物去除率，此時電耗為5. 9 kW·h/m3，QUV為10. 5 kJ/L。

光電轉(zhuǎn)化與電氧化系統(tǒng)相結(jié)合不僅能夠提高污染物的去除率，使得電氧化過程更為高效，還通過減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏。 但其效果受電極材料、電極面積及光伏組件面積等多重因素影響。 因此，研究時需綜合考慮物理、化學(xué)性質(zhì)及實(shí)際應(yīng)用需求來選擇電極材料，合理確定電極面積，并匹配光伏組件面積與電氧化系統(tǒng)的需求。 通過全面優(yōu)化設(shè)計與運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保的污染處理效果。

2. 2 光電轉(zhuǎn)化在反滲透（RO）工藝中的應(yīng)用

RO是一種通過半透膜分離技術(shù)去除水中雜質(zhì)和溶質(zhì)的過程。 在污水處理中，反滲透技術(shù)具有重要的作用，反滲透主要用于處理工業(yè)廢水和生活污水，減少水中有害物質(zhì)的濃度，使得廢水更容易處理和排放。 太陽能反滲透工藝是通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，提供了一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且高效的方式來治理污水并提供清潔的水資源［16］，圖3為太陽能結(jié)合反滲透工藝的原理圖。

Jbari等［17］選擇RO 與光伏相結(jié)合的方法進(jìn)行廢水處理，采用物理模型和統(tǒng)計模型2種互補(bǔ)的方法。 在一系列條件下，氯酚的去除率達(dá)到了91%，能耗為0. 804 kW·h/m3，與之前Sundaramoorthy等［18］在相似的單級螺旋纏繞反滲透工藝下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相比，氯酚去除率提高了10%。 在同樣能耗的條件下實(shí)現(xiàn)了82%的總水回收率，相比Sundaramoorthy等［18］研究的2. 044 kW·h/m3，能耗方面取得了顯著的改善，以較小的能量消耗實(shí)現(xiàn)了對氯酚的最大去除效果。

光電轉(zhuǎn)化與反滲透工藝相結(jié)合，在提高氯酚去除率的同時，有效降低了能耗，展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。但光伏系統(tǒng)的占地面積較大，尤其是在大型反滲透工藝中，需要安裝足夠數(shù)量的光伏組件以滿足電力需求。 可能會限制反滲透工藝在某些場地的應(yīng)用，造成實(shí)際應(yīng)用案例較少。 因此，利用光電轉(zhuǎn)化進(jìn)行反滲透工藝的研究需要優(yōu)化布局設(shè)計，提高土地利用率，更需要政策支持和科技創(chuàng)新來解決光伏組件占地面積的問題。

2. 3 光電轉(zhuǎn)化在電混凝工藝中的應(yīng)用

電混凝廢水處理技術(shù)的原理是通過電解過程促使水中的溶解性離子聚集和形成凝聚物，從而實(shí)現(xiàn)廢水中固體顆粒的去除［19］。 廢水中的重金屬元素，如銅、鉻和鎳等，通常以離子的形式存在［20］。 電混凝可以通過電解使這些金屬離子形成固體沉淀化合物，從而有效去除廢水中的重金屬污染［21］。 對于某些工業(yè)廢水，特別是含有有機(jī)染料或其他色素的廢水，電混凝也能有效地去除顏色和濁度，提高水體的透明度［22］。 太陽能電混凝是一種結(jié)合太陽能和電混凝技術(shù)的水處理方法，該技術(shù)利用可再生的太陽能作為能源，降低了對傳統(tǒng)電力的依賴，同時結(jié)合了電混凝技術(shù)的高效凈水效果，圖4為太陽能結(jié)合電混凝工藝的原理圖。

2021年，De Jesus等［23］通過光伏發(fā)電太陽能板結(jié)合鋁電極電混凝反應(yīng)器對去除合成工業(yè)廢水的濁度進(jìn)行了評估。 在使用最小的能源消耗，達(dá)到最大的效率處理時間（20 min）內(nèi)，使用傳統(tǒng)能源濁度去除率為63%，而使用光伏太陽能則實(shí)現(xiàn)了更高的濁度去除率，達(dá)到了72%。 證明在最大程度上降低電能消耗成本的同時，可實(shí)現(xiàn)最佳的污染物去除效果，使用太陽能作為代替能源是可行的。

Zhang等［24］通過采用可再生光伏能源供電的電混凝工藝，成功地實(shí)現(xiàn)了廢水中鎳的去除。 在太陽輻照強(qiáng)度為（750±30） W/m2，Ni2+初始濃度為200 mg/L的條件下，鋁電極的除鎳效率（NRE）在40 min內(nèi)接近100%。 在相同時間、Ni2+初始濃度為300 mg/L的情況下，NRE的去除率也可達(dá)到78. 8%。 此外，在光伏組件輸出功率從30 W增加到120 W的情況下，NRE也呈現(xiàn)不同程度的增長。 這項(xiàng)研究表明，采用可再生能源驅(qū)動的電混凝工藝可以有效地去除廢水中的鎳，為環(huán)境友好型水處理提供了潛在的解決方案。

光電轉(zhuǎn)化與電混凝工藝相結(jié)合，顯著提升了除濁效率和離子去除率，同時降低了電能消耗。 但二者在技術(shù)和工藝上存在的差異以及光伏材料性能等因素影響其處理效率。 因此，需要對其技術(shù)特點(diǎn)、運(yùn)行條件進(jìn)行全面評估，合理設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架，確保二者在化學(xué)環(huán)境等方面具有兼容性，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的協(xié)同工作，同時針對不同應(yīng)用場景選擇合適的高效光伏材料，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2. 4 光電轉(zhuǎn)化在曝氣設(shè)備中的應(yīng)用

太陽能曝氣機(jī)是一種利用光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能直接驅(qū)動曝氣設(shè)備，通過在水體中曝氣增氧達(dá)到污染治理的水體循環(huán)設(shè)備［25-29］。 該設(shè)備具有流量大、抗堵塞、增氧效果好和運(yùn)行管理費(fèi)用低等特點(diǎn)，非常適用于供氧條件不足的河道、湖泊、氧化塘以及人工湖庫等水體［30］。 高氧水體不僅有助于維持污水中微生物的生態(tài)平衡，促進(jìn)生物降解廢水中的有機(jī)物，還有利于硝化和反硝化微生物活動，從而促進(jìn)氮的去除。 此外，通過適當(dāng)?shù)钠貧庠O(shè)計，也可以幫助實(shí)現(xiàn)磷的生物吸附和沉淀，圖5為太陽能結(jié)合曝氣設(shè)備的原理圖。

樓佳?。?1］采用了由厭氧/好氧生物膜反應(yīng)器和人工濕地組成的組合工藝進(jìn)行研究，利用太陽能發(fā)電設(shè)備驅(qū)動鼓風(fēng)曝氣機(jī)實(shí)現(xiàn)間歇供氧。 這種系統(tǒng)可高效處理污水，具有低運(yùn)行成本和環(huán)保的特點(diǎn)。 鼓風(fēng)曝氣機(jī)通過太陽光照射太陽能發(fā)電設(shè)備供電運(yùn)行。 系統(tǒng)運(yùn)行時，溶解氧濃度上升，導(dǎo)致出水口化學(xué)需氧量（COD）濃度從410 mg/L降至330 mg/L，最終穩(wěn)定在250 mg/L。 好氧生物膜工藝對氨氮（NH3-N）去除率逐漸增大，出水口NH3-N質(zhì)量濃度從153. 53 mg/L降至99. 88 mg/L，最終穩(wěn)定在80 mg/L左右。 總體而言，在光照強(qiáng)度增大的情況下，該系統(tǒng)對COD和氨氮具有一定的去除效果，同時對總磷（TP）也有一定的去除效果，原水濃度為15. 33 mg/L的TP，最終穩(wěn)定在11 mg/L。 這表明以太陽能為驅(qū)動源的這個系統(tǒng)具有一定的污水處理效能，同時呈現(xiàn)出環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。

吳薇等［32］采用了太陽能曝氣強(qiáng)化人工濕地工藝處理養(yǎng)豬廢水。 得到對NH3-N的去除率最高達(dá)到85. 5%，最低達(dá)到62. 9%的去除效果，出水濃度維持在78 mg/L； 對TP的去除率穩(wěn)定在86. 4%～96. 9%，出水TP濃度為2. 2～8. 0 mg/L； 此外，對化學(xué)需氧量（CODcr）的去除效率超過77. 8%，最高達(dá)到94. 3%，出水CODcr質(zhì)量濃度為99～391 mg/L。 證實(shí)了太陽能曝氣強(qiáng)化人工濕地技術(shù)對養(yǎng)豬廢水中氨氮、總磷和化學(xué)需氧量的有效去除，展現(xiàn)了對廢水處理的高效性，同時利用太陽能也具備了節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。

光電轉(zhuǎn)化與曝氣設(shè)備相結(jié)合，光照強(qiáng)度的提高可以有效降低能耗，提升溶解氧濃度，增強(qiáng)脫氮和COD去除效果，但光照強(qiáng)度受時間和天氣影響。 因此，研究需要注重高效光伏材料和電池技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化光伏組件布局以最大化太陽能接收。 同時，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)靥柲苜Y源和季節(jié)變化，靈活調(diào)整曝氣設(shè)備運(yùn)行時間與強(qiáng)度，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和高效處理效果。

2. 5 光電轉(zhuǎn)化在電絮凝（EC）技術(shù)中的應(yīng)用

EC技術(shù)是一種利用電場促使水中微小懸浮顆粒形成較大的絮凝物，從而便于沉淀或過濾的水處理方法。 該技術(shù)通過陽極在直流電作用下釋放金屬離子，經(jīng)水解后生成吸附性較強(qiáng)的產(chǎn)物，有效吸附并去除水中懸浮顆粒［33］，減少水體的濁度，提高水體的透明度； 電絮凝對有機(jī)物的去除也具有同樣的良好效果［34］，在電絮凝過程中，陰極可能產(chǎn)生少量的氧氣，同時陽極金屬離子（如Fe2+）可能被氧化為Fe3+等高價態(tài)離子。 這些高價態(tài)離子和氧氣具有強(qiáng)氧化性，能夠氧化分解廢水中的部分有機(jī)物，這些有機(jī)物在電場的作用下可能發(fā)生絮凝，使其更容易從水中分離出來； 還可以應(yīng)用于重金屬的去除，通過調(diào)整電場參數(shù)，廢水中的重金屬離子（如Cu2+、Pb2+、Zn2+等）能夠與電絮凝過程中產(chǎn)生的氫氧化物（如Al（OH）3、Fe（OH）3）發(fā)生反應(yīng)，形成難溶性的重金屬氫氧化物沉淀，進(jìn)而去除水體中的重金屬污染［35］。 太陽能電絮凝是一種利用太陽能驅(qū)動的電化學(xué)絮凝技術(shù)，結(jié)合了電化學(xué)和絮凝過程，通過太陽能供電來促進(jìn)顆粒物的凝聚和沉降，減少對傳統(tǒng)電力的依賴［36］，圖6為太陽能結(jié)合電絮凝技術(shù)的原理圖。

2007年，Valero等［37］將光伏組件與EC系統(tǒng)直接連接實(shí)現(xiàn)染料中的雷馬素（Red）RB133的去除，成功驗(yàn)證了通過光伏陣列為EC系統(tǒng)直接供電的可行性。 同時，他們建造了一個光伏電凝反應(yīng)器用來去除合成紡織廢水中的染料，結(jié)果顯示： 在電流密度為17 mA/cm2，流速為2 L/h的條件下，最高的脫色效率為98. 1%。

Muniasamy等［38］將太陽能電絮凝（SPEC）技術(shù)應(yīng)用在處理生活污水的研究中。 該實(shí)驗(yàn)探究了電流密度（8～40 A/m2）和滯留時間（5～30 min）對COD、溶解性總固體（TDS）和濁度的影響，研究表明，在電流密度為40 A/m2、滯留時間20 min的最佳條件下，COD去除率為85%，TDS去除率為70. 18%，濁度去除率為87. 4%，均達(dá)到最大去除效果。

Hussin等［39］研究了在太陽能光伏供電的條件下，利用穿孔鋅作為新型陽極，采用EC技術(shù)去除水溶液中鉛離子。 在1. 13 mA/cm2電流密度下，Pb（Ⅱ）去除率最高達(dá)到99. 9%。 與傳統(tǒng)電源供電的電凝系統(tǒng)相比，在最佳條件下運(yùn)行太陽能光伏電凝所需的能耗估計為0. 219 kW·h/m3，低于常規(guī)供電（0. 425 kW·h/m3），傳統(tǒng)電源產(chǎn)生的能量是太陽能光伏系統(tǒng)的2倍。

Mohamada等［40］將該技術(shù)應(yīng)用于紡織工業(yè)廢水的研究。 在電流密度、電解時間和沉淀時間分別為75 A/m2、45 min和45 min的最適合運(yùn)行條件下，對濁度、COD和總懸浮物（SS）去除率分別為55%、52%和82%。

Karmankar等［41］利用光伏（PV）電池驅(qū)動EC工藝處理稻谷蒸餾生物沼液。并從pH值、電流密度、電解時間和電極組合等影響因素進(jìn)行了研究。 研究表明： 電解時間越長，COD去除率越高，60 min時，達(dá)90%以上； 隨著pH值的增加，COD的去除率不斷提高，當(dāng)pH值為7時COD的去除率最高； 電流密度的增加提高了COD的去除率，當(dāng)達(dá)到24. 9 A/m2后，隨著電流密度的增加COD去除率開始降低； Fe-Fe、Al-Al、Fe-Al和Al-Fe這4種電極組合中，F(xiàn)e-Fe電極排列效果較好，此時COD去除率為94. 9%，脫色率為81. 3%。 同時，通過對傳統(tǒng)電源和太陽能光伏電源為EC系統(tǒng)供電的對比研究，發(fā)現(xiàn)光伏供電的效果更好、能耗更低。

ST-Onge等［42］通過采用光伏組件串聯(lián)的無電池SPEC設(shè)備處理地表水。 在電流密度為4. 55 mA/cm2和處理時間為60 min 的情況下，對濁度、UV254 和DOC 去除率分別達(dá)到97. 0%、93. 0% 和95. 2%。Nawarkar 等［43］用SPEC 系統(tǒng)處理城市污水，在最佳條件下，對COD、濁度和TDS 的去除率分別達(dá)到92. 01%、93. 97%和49. 78%，具有較好的成本效益。 Mohamad等［44］研究開發(fā)了一種集成的光伏EC系統(tǒng)來處理油棕廠廢水（POME）。 處理前COD和生物需氧量（BOD）分別為25952和15612 mg/L，經(jīng)過480 min的電絮凝處理后，COD濃度降至2114 mg/L，BOD濃度降至459 mg/L。 該系統(tǒng)在8 h內(nèi)完成了90%以上的去除率。

光電轉(zhuǎn)化與電絮凝技術(shù)結(jié)合，有效提升污水處理效率，減少對傳統(tǒng)電力的依賴。 但該技術(shù)受氣象條件、光伏組件、電極排列及電解時間等多重因素影響。 因此，需要結(jié)合天氣預(yù)報與智能控制系統(tǒng)應(yīng)對天氣變化； 選用高效穩(wěn)定的光伏材料保持最佳工作狀態(tài)； 同時優(yōu)化電極排列與選材以增強(qiáng)電絮凝效果； 還應(yīng)根據(jù)水質(zhì)實(shí)時調(diào)整電解時間和電流強(qiáng)度，確保高效處理。

2. 6 光電轉(zhuǎn)化在芬頓技術(shù)中的應(yīng)用

芬頓（Fenton）技術(shù)利用過氧化氫與亞鐵離子反應(yīng)產(chǎn)生具有強(qiáng)化能力的羥基自由基（·OH），用于氧化水中難分解的有機(jī)物。 電芬頓技術(shù)作為一種先進(jìn)的水處理技術(shù)，結(jié)合了電化學(xué)和Fenton氧化技術(shù)的優(yōu)勢，在不同水質(zhì)條件下均表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，可以處理工業(yè)廢水、城市污水以及一些特殊水質(zhì)的有機(jī)物污染。 它通常包括電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫（H2O2）［45］，然后利用Fenton氧化反應(yīng)生成高度氧化性的羥基自由基（·OH）從而高效地氧化降解廢水中的有機(jī)物［46］。 SPEF是將太陽能與Fenton反應(yīng)相結(jié)合，不僅提高了這一過程的效率，還整合了可再生能源，降低了對傳統(tǒng)電力的依賴［47］，圖7為太陽能結(jié)合Fenton技術(shù)的原理圖。

Dos Santos等［48］通過SPEF技術(shù)處理含十二烷基苯磺酸（LAS）的灰水（GW），在最佳條件下，［Fe2+］=5 mg/L，電流密度為77. 5 mA/cm2，經(jīng)過240 min LAS的去除率達(dá)到70%，GW礦化率達(dá)55%。 與最佳條件下電化學(xué)氧化技術(shù)（AO-H2O2）和光電芬頓技術(shù)產(chǎn)生的廢水，進(jìn)行鹽蒿毒性實(shí)驗(yàn)對比，結(jié)果表明，SPEF技術(shù)是降低GW毒性最有效、最有前途的工藝。

Khaleel等［49］利用SPEF技術(shù)降低煉油廠廢水的COD。 探討了電流密度（10～50 mA/cm2）、Fe2+濃度（0. 2～0. 8 mmol/L）、NaCl添加質(zhì)量濃度（0～1 g/L）、反應(yīng)時間（30～90 min）等操作參數(shù)對COD去除率的影響。 結(jié)果表明： 在pH=3，電流密度為10 mA/cm2， Fe2+濃度為0. 8 mmol/L， NaCl質(zhì)量濃度為0. 747 g/L，反應(yīng)時間為87 min的最佳條件下，經(jīng)SPEF處理后，濁度從288 NTU降至11 NTU， COD從380 mg/L降至30 mg/L，COD的去除率高于常規(guī)EF的73. 41%，為93. 2%。

Louhichi等［50］利用太陽能光伏組件直接為EC法和電Fenton法工藝供電處理工業(yè)紡織污水。 在加或不加噴射空氣（SA）條件下進(jìn)行［51］，出水脫色率均達(dá)到了100%。 電絮凝法和電Fenton法在不加SA的情況下，COD降解率分別達(dá)到80%和85%，礦化率為85%； 在加SA處理的情況下分別降低約97%和92%，礦化率達(dá)到92%。 TOC的去除率保持在80%～97%之間。

光電轉(zhuǎn)化與Fenton技術(shù)結(jié)合，不僅整合可再生能源，降低能耗，還提升了污水處理效率。 但效果受溶液物質(zhì)和光照條件影響。 因此，需深入研究溶液物質(zhì)對反應(yīng)的影響，優(yōu)化條件，并采用高效光電材料，設(shè)計合理反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，達(dá)到最大化光能利用。

3 結(jié)論與展望

介紹了太陽能污水治理的原理、優(yōu)勢及意義，綜述了現(xiàn)有的太陽能與不同電化學(xué)技術(shù)的相互結(jié)合的實(shí)例，并簡要概述了各種技術(shù)的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，可知太陽能與電化學(xué)技術(shù)結(jié)合的研究已取得一定的成果，太陽能在污水治理領(lǐng)域具有較大的發(fā)展前景。 但仍然面臨著如下問題： 1）來自能源短缺和環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)時，通過利用豐富的太陽能替代傳統(tǒng)電力展示出了廣泛的應(yīng)用前景。 這一技術(shù)的成功結(jié)合為污水處理行業(yè)帶來了新的活力，減少了對有限資源的依賴，并且減少了對環(huán)境的負(fù)面影響。 這一前景展望著未來在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更清潔、更有效的污水處理，促進(jìn)了環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，為全球水資源管理和環(huán)境保護(hù)提供了可持續(xù)的解決方案，為污水處理開辟了新的方向，為今后在環(huán)保與可持續(xù)性之間尋找一條更加可行的道路。 2）從目前來看，太陽能結(jié)合電化學(xué)技術(shù)處理污水仍需解決以下難題： 提高能量存儲效率，降低生產(chǎn)成本； 保障能源產(chǎn)出穩(wěn)定性，提高光伏轉(zhuǎn)換效率； 光伏組件的性能很大程度上決定了污水處理的效果，為提高污水處理效率，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來探索光伏組件排列順序的影響； 電極的腐蝕或損壞增加了電化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用成本，目前還沒有較好的解決方案； 以及開發(fā)適用于各種廢水類型的通用太陽能電化學(xué)處理系統(tǒng)也是一個挑戰(zhàn)。 3）結(jié)合上述的研究進(jìn)展，太陽能污水治理的未來工作可考慮從以下研究方向展開： 在脫氮方向，可將太陽能與電化學(xué)脫氮技術(shù)相結(jié)合，太陽產(chǎn)生的光熱為其催化的同時通過光伏轉(zhuǎn)換為其提供電能，進(jìn)一步提高脫氮效率； 在改善膜污染方向，可采用光伏系統(tǒng)為電化學(xué)膜生物反應(yīng)器提供電能，從而降低運(yùn)行過程中的能耗以及提供內(nèi)附加弱電場來有效控制膜污染； 在資源化磷回收方向，可采用電化學(xué)電解沉淀法，通過構(gòu)建太陽能鳥糞石電解反應(yīng)器，以太陽能提供電能，開展含磷廢水的實(shí)驗(yàn)研究，降低能源消耗的同時提高資源化磷回收效率，達(dá)到資源化高效治理廢水的目的。

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