电化学氧化法处理高氨氮废水的试验研究

电化学氧化法处理高氨氮废水的试验研究鲁　剑１，张　勇１，吴盟盟２，张　鑫２，王　皓２（１．北京市怀柔区环保局，北京１０１４００；２．北京神州瑞霖环保科技有限公司，北京１０００８３）摘　要：针对传统高氨氮废水处理工艺存在二次污染、出水氨氮值偏高等问题，采用电化学氧化法对高氨氮配水进行试验研究，分别考察了电流强度、氯离子浓度和面体比对氨氮去除效果的影响，结果表明：在电流强度为９Ａ、投加氯化钠摩尔比（ＮＨ３Ｎ／Ｃｌ－）为１∶４、极板间距为１ｃｍ、面体比为４０ｍ２／ｍ３时，电解９０ｍｉｎ后，氨氮浓度可以从２０００ｍｇ／Ｌ降至２４７．５１ｍｇ／Ｌ；该方法运用于高氨氮废水的脱氮处理具有较好的应用前景。关键词：电化学氧化；高氨氮废水；脱氮处理中图分类号：Ｘ７０３．１　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７１１５５６（２０１０）０２００５１０３犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犛狋狌犱狔狅狀狋犺犲犈犾犲犮狋狉狅犮犺犲犿犻犮犪犾犗狓犻犱犪狋犻狅狀狅犳狋犺犲犠犪狊狋犲狑犪狋犲狉狑犻狋犺犎犻犵犺犃犿犿狅狀犻犪犖犻狋狉狅犵犲狀ＬＵＪｉａｎ１，ＺＨＡＮＧＹｏｎｇ１，ＷＵＭｅｎｇｍｅｎｇ２，ＺＨＡＮＧＸｉｎ２，ＷＡＮＧＨａｏ２（１．犅犲犻犼犻狀犵犎狌犪犻狉狅狌犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犘狉狅狋犲犮狋犻狅狀犅狌狉犲犪狌，犅犲犻犼犻狀犵１０１４００，犆犺犻狀犪；２．犅犲犻犼犻狀犵犛犻狀狅狉犻犮犺犲狀犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犘狉狅狋犲犮狋犻狅狀犆狅．，犔狋犱．，犅犲犻犼犻狀犵１０００８３，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｌｅａｄｓｔｏｓｅｃｏｎｄａｒｙｐｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈｅｆｆｌｕｅｎｔａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔｔｈｅｔｅｓｔｏｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｗａｔｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｃｈｌｏｒｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄａｒｅａ／ｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｎｏｎａｍｍｏｎｉａｒｅｍｏｖａｌｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅａｍｍｏｎｉａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｄｅｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ２０００ｍｇ／Ｌｔｏ２４７．５１ｍｇ／Ｌｏｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈａｔｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｗａｓ９Ａ，ｍｏｌａｒｒａｔｉｏｏｆｓｏｄｉｕｍｃｈｌｏｒｉｄｅｄｏｓｉｎｇ（ＮＨ３Ｎ／Ｃｌ－）１∶４，ｐｌａｔｅｄｉｓｔａｎｃｅ１ｃｍ，ａｒｅａ／ｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｎ４０ｍ２／ｍ３ａｎｄｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ９０ｍｉｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｔｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｏｎａｍｍｏｎｉａｒｅｍｏｖａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎ；ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ；ａｍｍｏｎｉａｒｅｍｏｖａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔ０　引　言氮在溶液中以分子态氮、有机态氮、氨态氮、硝态氮、亚硝态氮及硫氰化物和氰化物等多种形式存在，而氨氮是最主要的存在形式之一。随着水质富营养化问题的日益严重以及人们对氮危害水环境质量认识的深入，废水处理中对氮的处理标准也日益严格。为此，如何经济、有效地去除废水中的高氨氮成为处理高浓度氨氮废水亟待解决的问题之一。国内外氨氮废水处理方法主要有吹脱法［１］、沸石脱氨法［２］、电渗析法［３］、膜分离法［４］、折点氯化法［５］、ＭＡＰ沉淀法［６］、生物脱氨法［７］等，但这些工艺方法在技术和经济上仍存在不少问题，如有二次污染、出水氨氮值偏高等。鉴于此，笔者针对电化学技术具有运行成本低、效率高、不产生二次污染、设备简单，以及兼具氧化、气浮、絮凝、杀菌等作用，且已成为目前国内外研究较为活跃的领域［８］的这些特点，采用电化学氧化法通过试验对高氨氮废水进行了脱氮处理。第１７卷　第２期２０１０年　　３月　　　　　　　安全与环境工程ＳａｆｅｔｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　　　　　Ｖｏｌ．１７　Ｎｏ．２Ｍａｒ．　２０１０收稿日期：２００９１０２２　　修回日期：２００９１１２８作者简介：鲁　剑（１９７１—），男，工程师，主要从事环境监测与环境保护方面的研究与管理工作。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]１　试验装置、用水与测试方法１．１　试验原理电化学氧化法是利用具有催化活性的电极氧化去除水中污染物的方法，包括污染物在电极上发生直接电化学反应和利用电极表面产生强氧化性活性物种使污染物发生氧化还原转变的间接电化学反应［９］。１．２　试验装置本试验装置如图１所示。电解槽采用１Ｌ的玻璃烧杯，电极板阳极采用Ｔｉ／ＲｕＯ２ＩｒＯ２，阴极采用不锈钢板，面积均为１０ｃｍ×５ｃｍ，极板间距控制在１ｃｍ，电源使用ＭＰＳ７０２直流电源（最大电压３６Ｖ，最大电流３０．７Ａ）。图１　试验装置示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅ１．３　试验用水采用（ＮＨ４）２ＳＯ４、ＮａＣｌ和去离子水配制成初始氨氮浓度为２０００ｍｇ／Ｌ、初始氯离子浓度可调的电解质溶液作为试验用水。１．４　测试方法试验中氨氮的测定采用纳式试剂分光光度法，仪器为７５２Ｎ紫外可见分光光度计。２　试验结果与讨论２．１　不同电流强度对氨氮去除效果的影响用蒸馏水配水１Ｌ，使氨氮含量达到２０００ｍｇ／Ｌ，投加ＮａＣｌ，使ＮＨ＋４Ｎ与ＮａＣｌ的摩尔比为１∶５，在恒定电流的条件下，用一对１０ｃｍ×５ｃｍ的电极板，电解９０ｍｉｎ，每１５ｍｉｎ取样测定，分别考察电流强度为６Ａ、８Ａ、９Ａ、１０Ａ时的氨氮去除效果，其结果见图２，并找出达到理想处理效果的最佳电流。从图２可以看出：当电流强度为６Ａ时，电解９０ｍｉｎ后，氨氮含量从２０００ｍｇ／Ｌ降至１０２７．７ｍｇ／Ｌ，去除率为４８．６％；电流强度为８Ａ时，电解９０ｍｉｎ后，氨氮含量从２０００ｍｇ／Ｌ降至５８７．４ｍｇ／Ｌ，去除率为７１．１％；电流强度为９Ａ时，电解９０ｍｉｎ后，氨氮200015001000500001530456075906A8A9A10A/(mgL)1-/(min)图２　不同电流强度下氨氮的去除效果Ｆｉｇ．２　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓｏｎａｍｍｏｎｉａｒｅｍｏｖａｌ含量从２０００ｍｇ／Ｌ降至２５０．４ｍｇ／Ｌ，去除率为８７．５％；电流强度为１０Ａ时，电解９０ｍｉｎ后，氨氮含量从２０００ｍｇ／Ｌ降为６．９ｍｇ／Ｌ，去除率达到９９．７％。由此可以得出，随着电流强度的增大，氨氮的去除率也随之提高。这是因为电流强度越大，电子在电极和废水中氨氮之间的转移速率越快，溶液中氧化性极强的Ｈ２Ｏ２和ＨＯ·自由基反应速率也越大，从而在水力停留时间内所产生的具有氧化作用的活性中间产物越多，氨氮的去除效果也越好；但随着电流强度的继续增大，吨水电耗随之增高，且通过改变后续试验条件，氨氮去除效果会有进一步提高。因此，综合考虑处理效果和能耗，选择电流强度为９Ａ继续试验。２．２　不同氯离子浓度对氨氮去除效果的影响用蒸馏水配水１Ｌ，氨氮含量２０００ｍｇ／Ｌ，电流强度控制在９Ａ，改变投盐量，其他试验条件不变，研究投盐量变化对氨氮去除效果的影响，试验结果如图３所示。20001500100050000153045607590NH-N/Cl=123NH-N/Cl=133NH-N/Cl=143NH-N/Cl=153/(mgL)1-/(min)图３　不同氯离子浓度下氨氮的去除效果Ｆｉｇ．３　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈｌｏｒｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｎａｍｍｏｎｉａｒｅｍｏｖａｌ从图３可以看出：当投加氯化钠的摩尔比（ＮＨ３Ｎ／Ｃｌ－）分别为１∶２、１∶３、１∶４、１∶５时，电解９０ｍｉｎ后，氨氮的出水浓度分别为７６４．２７ｍｇ／Ｌ、４２５．２３ｍｇ／Ｌ、１４６．０８ｍｇ／Ｌ、２５０．４３ｍｇ／Ｌ，２５　　　　　　　　　　　　　　　　　安全与环境工程　　　　　　　　　　　　　　第１７卷由此可以确定，溶液中的氯离子在电化学氧化去除氨氮的过程中起着一定的作用；随着氯离子浓度的增加，氨氮的去除率提高很明显，但是在投加氯化钠的摩尔比（ＮＨ３Ｎ／Ｃｌ－）为１∶５时，氨氮的去除效果反而比摩尔比为１∶４时略差。这是因为：溶液中的Ｃ１－在极板阳极被氧化后会引发一系列的反应，生成大量活性中间产物，如氯气、次氯酸或者次氯酸根等，这些物质均对氨氮有氧化作用；但是随着氯离子浓度的进一步增大，产生的活性氯物质没有完全用于氧化氨氮，而可能产生其他的副反应，从而氨氮的去除率不能继续提高。因此，确定氯化钠的最佳投加摩尔比（ＮＨ３Ｎ／Ｃｌ－）为１∶４。２．３　不同面体比对氨氮去除效果的影响用蒸馏水配水１Ｌ，氨氮含量２０００ｍｇ／Ｌ，电流强度控制在９Ａ，投加氯化钠的摩尔比（ＮＨ３Ｎ／Ｃｌ－）为１∶４，分别采用一对和两对电极板，极板面积均为１０ｃｍ×５ｃｍ，分别控制面体比为２０ｍ２／ｍ３、４０ｍ２／ｍ３，极板间距为１ｃｍ，电解９０ｍｉｎ，每１５ｍｉｎ取样测定，试验结果如图４和图５所示。2000150010005000015304560759020m/m230m/m234/(mgL)-1/min图４　不同面体比条件下氨氮的去除效果Ｆｉｇ．４　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｒｅａ／ｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｎｓｏｎａｍｍｏｎｉａｒｅｍｏｖａｌ8.007.006.005.004.003.00015304560759020m/m230m/m234/min/(V)图５　不同面体比、相同电流强度下电解槽电压的变化Ｆｉｇ．５　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｂｕｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｒｅａ／ｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｎｓ从图４可以看出：在相同的电流强度下，面体比为２０ｍ２／ｍ３和４０ｍ２／ｍ３时，氨氮的去除效果基本相同，电解９０ｍｉｎ后出水氨氮的浓度分别为１４６．０８ｍｇ／Ｌ和２４７．５１ｍｇ／Ｌ。而图５显示：面体比为４０ｍ２／ｍ３时电解槽电压基本维持在６．５Ｖ左右，而面体比为４０ｍ２／ｍ３时电解槽电压则基本维持在４．５Ｖ左右。这是因为：相同的电流强度，在面体比较大的情况下，电流密度较小，由于极板并联连接，所以电解槽电压较小。因此，综合考虑处理效果和能耗，选择面体比为４０ｍ２／ｍ３较为合适。３　结论（１）电化学氧化法可用于高氨氮废水的脱氮处理，在电流强度为９Ａ、投加氯化钠摩尔比（ＮＨ３Ｎ／Ｃｌ－）为１∶４、极板间距为１ｃｍ、面体比为４０ｍ２／ｍ３时，电解９０ｍｉｎ后，氨氮浓度可以从２０００ｍｇ／Ｌ降至２４７．５１ｍｇ／Ｌ。（２）电流强度、氯离子浓度、面体比对电化学氧化法处理氨氮废水的处理效果具有重要影响。随着电流强度的增大，氨氮的去除率随之提高，但是当电流强度增至一定程度后，氨氮去除率的增长趋势逐渐缓慢，吨水电耗也随之增高，需综合考虑处理效果和能耗选择合适的电流强度；随着氯离子浓度的增加，氨氮的去除率提高很明显，但是在氯化钠的量达到一定程度后继续投加，氨氮的去除效果基本保持不变；在相同的电流强度下，适当改变面体比，氨氮去除率变化不明显，但是电解槽电压变化却比较显著。参考文献：［１］陈雅红，陈艳玲，徐秡，等．特高浓度氨氮废水吹脱复合氧化处理技术研究［Ｊ］．宝鸡文理学院学报（自然科学版），２００７，２７（４）：２