三維電解技術處理氨氮廢水

吳志宇，曠玉丹，羅 雙，黎建平

(深圳市世清環?？萍加邢薰?，廣東 深圳 518105)

目前處理氨氮廢水的方法有以下幾種：氨吹托法、反滲透、化學沉淀法、折點加氯法、生物反硝化法等[2]。氨吹托法：在堿性條件下，利用氨氮的氣相濃度和液相濃度之間的氣液平衡關系進行分離，以空氣(或水蒸氣)作為載氣，將氣體通到液體中，在氣液兩相充分接觸后，溶解于液體中的氣體與易揮發性溶質由液相進入氣相，從而體廢水得到處理。鄭巧巧等[3]通過吹脫法聯合離子交換法處理頁巖提釩氨氮廢水，出水氨氮濃度低至0.15 mg/L，氨氮去除率高達99%。反滲透法：利用反滲透膜兩側的壓差截留廢水中的污染物離子物質，從而離子物質和液體分離。段作山等[4]利用反滲透法處理飲用水中的氨氮，處理之后氨氮的去除效果可達88%。

本文采用三維電解技術處理廣東某廠氨氮廢水，分析了對氨氮的去除效率產生影響的實驗條件，優化實驗參數，為三維電解技術在實際工程上的應用提供技術上的支持。

1 試 驗

1.1 試驗廢水

試驗廢水取自廣東某公司產生的氨氮廢水，具體水質如表1所示。

表1 實驗廢水水質Table 1 Water quality of test water

1.2 試驗原理

三維電解技術，首先在二維電解的陰、陽兩級之間加入粒子物質，在外部施加電壓的條件下，填入的粒子物質帶電，形成陰陽兩極外的第三極(粒子電極)。本實驗采用孔隙發達的負載氧化性填料，因此污染物容易被吸附。施加電壓后，氧化性填料表面形成高電位，產生活性位點、在其的作用下附著的污染因子發生氧化反應，變成氮氣和水等物質，氧化性填料具有雙重作用-吸附作用與電解作用[9-10]，通過陽極和氧化性填料以及溶液中的次氯酸鈉，氨氮直接氧化或間接氧化[11-14]，使氨氮廢水中的氨氮污染物得到降解從而達到處理水的目的。

(1)氮被直接氧化成氮氣去除：

4NH3+3O2→2N2+6H2O

(1)

(2)氨氮的間接氧化：

在陽極表面，溶液中的Cl-被氧化成 Cl2，Cl2與水反應進而生成次氯酸，從而將水中的氨氮氧化使之得以去除。其反應過程式(2)～式(5)：

2Cl-—2e→Cl2

(2)

Cl2+H2O→HClO+H+Cl-

(3)

(4)

NH3+1.5HCIO →0.5N2+1.5H2O+1.5H++1.5Cl

(5)

1.3 試驗藥劑和儀器

試驗儀器：電子天平，DDSJ-308F型電導率儀，pHSJ-4F型pH計，HJ-6A型磁力攪拌器，TU-1900型紫外可見分光光度計，電解槽規格為 16 cm×8 cm×32 cm，石墨板，負載氧化性的填料，移動兩路輸出電源，高壓旋渦氣泵(HG-120B)。

試驗藥劑：碘化鉀，氫氧化鉀，氫氧化鈉，碘化汞，酒石酸鉀鈉，次氯酸鈉，所用藥品均采用分析純。試驗室用水均為無氨水。

1.4 試驗方法

實驗所用三維電解槽規格為 16 cm×8 cm×32 cm，陰極、陽極均為1∶1石墨板，內部填充負載氧化性的填料作為粒子電極，電解槽底部連接高壓旋渦氣泵進行曝氣。往電解槽中加入負載氧化性的填料，加入1.5 L按照1∶25混合后已經調好pH的水樣，再加入2 g/L次氯酸鈉。文中調節pH所用酸均為50%硫酸，所用堿均為400 g/L氫氧化鈉溶液。在電解槽陰陽兩極連接移動兩路輸出電源施加恒定電壓，電解開始，計時。每電解1 h后從槽中取出適量水樣，過濾，濾液采用紫外分光光度計(普析 TU-1900)測定吸光度，計算氨氮的含量，并計算氨氮的去除率。pH值用雷磁pH計測定，電導率值用雷磁電導率儀測定。

1.5 分析方法

氨氮采用納氏試劑分光光度法測定[15]，以氨氮的去除率為考量指標，考察不同條件下的去除效果。

式中：A0為反應前氨氮的濃度；A為反應后的氨氮濃度。

2 結果與分析

2.1 不同比例混合后氨氮廢水對氨氮處理結果的影響

電解槽填充負載氧化性的填料，電解槽底部連接曝氣處理裝置，以不同比例混合后低濃度氨氮廢水和高濃度氨氮廢水為變量，設置不同的比例(1∶10、1∶25、1∶35、1∶50)的混合，取混合后的水樣1.5 L，不調節水樣pH，加入2 g/L次氯酸鈉，對氨氮廢水進行三維電解，電解1 h后，測定氨氮廢水中氨氮的含量，計算氨氮的去除率，考察不同比例混合后的氨氮廢水對該三維電解體系的影響，實驗結果如圖1所示。

圖1 不同比例氨氮廢水混合后對氨氮去除率的影響Fig.1 Effects of different proportions of ammonia nitrogen wastewater on ammonia nitrogen removal rate

如圖1所示，氨氮廢水混合比例在1∶10～1∶25之間時，氨氮的去除效率隨著混合比例的增加而增加，在混合比例為1∶25時，氨氮的去除效率達到98.91%?；旌媳壤?∶25之后，隨著混合比例的增加，氨氮的去除效果呈下降趨勢。這是由于稀釋倍數的增加，廢水中氨氮的濃度減少，不利于廢水中氨氮的氧化分解，因此，綜合考慮，低濃度氨氮廢水與高濃度氨氮廢水的混合比例為1∶25。

2.2 電壓對氨氮處理結果的影響

取1.5 L按照1∶25混合后的氨氮廢水，不調節水樣pH，加入2 g/L次氯酸鈉，電解槽填充負載氧化性的填料，電解槽底部連接曝氣處理裝置，以電壓為變量，設置不同的電壓(10.0、15.0、20.0、25.0、30.0、35.0、40.0 V)對氨氮廢水進行三維電解處理1 h后，測定氨氮廢水中氨氮的含量，計算氨氮的去除率，考察電壓對該三維電解體系的影響，實驗結果如圖2所示。

圖2 電壓對氨氮去除率的影響Fig.2 Effect of voltage on removal rate of ammonia nitrogen

如圖2所示，電壓在10～30 V之間時，氨氮的去除率隨著電壓的增加而增加，在電壓30 V時去除率最高，此時氨氮的去除率達到97.11%。30 V之后，隨著電壓的增加，氨氮的去除率不增反減，呈現下降的趨勢。電壓是三維電解的主要因素之一，電壓升高會使電解槽內的電場強度增加，增加填料的復極化，填料反應的越強烈，所以電壓在10～30 V時，氨氮的去除率隨著電壓的增加而增加。但是，電解槽內電壓過高，會產生過多的氧氣和氫氣，抑制氮氣的產生，因此影響氨氮的去除。所以30 V之后，隨著電壓的增大，氨氮的去除呈現下降的趨勢。為了氨氮的去除效果和能耗的這兩方面考慮來選擇合適的電壓為30 V。

2.3 電解時間對氨氮處理結果的影響

取1.5 L按照1∶25混合后的氨氮廢水，用酸或堿調節水樣pH為10，加入2 g/L次氯酸鈉，電解槽填充負載氧化性的填料，電解槽底部連接曝氣處理裝置，設置三維電解的電壓為30 V，以電解時間為變量，設置不同的電解時間(1、2、3、4、5、6、7 h)測定氨氮廢水中氨氮的含量，計算氨氮的去除率，考察電解時間對該三維電解體系的影響，實驗結果如圖3所示。

圖3 電解時間對氨氮去除率的影響Fig.3 Effect of electrolysis time on removal rate of ammonia nitrogen

如圖3所示，氨氮的去除率隨著電解時間的延長而下降，電解1 h時，氨氮去除率達到 96.1%，繼續電解，去除率不上升反而下降。這是因為隨著電解時間的增加會產生過多的氧氣和氫氣，抑制氮氣的產生，影響氨氮的去除。另一方面，由于在剛開始電解，電解槽內氨氮含量比較多，可以較迅速地分散到電極和填料的表面，被氧化、降解，所以前1 h內氨氮去除率幅度比較大。隨著電解時間的增加，氨氮含量降低，分散到電極和填料表面的氨氮就減少，所以去除率降低。綜合能耗以及氨氮去除效果考慮，電解的時間不應該過長，本試驗最佳電解時間參數選擇1 h。

2.4 初始pH對氨氮處理結果的影響

取1.5 L按照1∶25混合后的氨氮廢水，電解槽填充負載氧化性的填料，電解槽底部連接曝氣處理裝置，設置三維電解的電壓為30 V，電解時間為1 h，加入2 g/L次氯酸鈉，以溶液初始pH為變量，設置不同初始pH(6、7、8、9、10、11)測定氨氮廢水中氨氮的含量，計算氨氮的去除率，考察初始pH對該三維電解體系的影響，實驗結果如圖4所示。

圖4 初始pH對氨氮去除率的影響Fig.4 The effect of initial pH on the removal rate of ammonia nitrogen

由圖4可知，pH值對氨氮的去除有明顯的影響，pH為6～8時，氨氮的去除率隨著升高而增大，當pH為8時氨氮的去除率達到99.17%，繼續增大pH，氨氮的去除率呈現下降趨勢。隨著初始 pH值的增加陽極產生的氯氣在溶液中的溶解度增加，產生的活性氯濃度也升高，加快了氨氮的氧化。但是，由于羥基自由基的氧化電位隨著pH的升高而呈下降的趨勢，不利于氧化廢水中的氨氮污染物，所以繼續增大pH，氨氮的去除率反而下降。因此，綜合考慮，初始pH最佳參數選擇為8。

3 結 論

(1)三維電解處理工藝條件：設置初始電壓為30 V、電解時間1 h、初始pH為8，此時處理效果最佳，氨氮的去除率為99.17%；

(2)三維電解技術可以用于高濃度氨氮廢水的處理，有效降低廢水中氨氮的濃度。廢水中氨氮濃度為375.55 mg/L時最佳去除率為99.17%；

(3)氨氮廢水的處理方法多種多樣，各有其優缺點，為了高效去除氨氮廢水中氨氮的濃度，可以將多種方法聯用以此提高氨氮的去除效果，但是面對不同規模、不同種類、不同濃度的氨氮廢水，要從實際出發制定處理方法；

(4)三維電解技術，占地面積小，自動化程度高，操作方便，不產生污泥，不會產生二次污染，是一種環境友好型技術。