电絮凝法去除微污染水中氨氮的研究*

彭博宇 沈 峥,2# 顾敏燕,2 贺群丹 缪 佳 张亚雷,2(.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092;2.同济大学国家设施农业工程技术研究中心，上海 200092;.浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 004)

近年来，一些工业生产中未经完善处理的废水排入周边水体，造成持续性污染，使饮用水成为微污染水。这些微污染水中含有多种有机污染物，对人类健康和生态环境都造成了一定危害，其中氨氮是最具标志性的污染物之一。目前国内对微污染水的传统处理技术主要有化学法[1]、物理法[2]和生物法[3]等。化学法对氨氮的去除率较低，且药剂投加量大、成本高，还会增加水中氯化物、硫酸盐等物质的含量，影响水体水质；物理法对于氨氮的去除效果较理想，但成本较高且持续性较差；生物法运行成本较低，但是占地面积大、水力停留时间长，且不易进行操作管理。电絮凝法具有去除效果好、结构简单、操作简便灵活、运行成本低等特点，逐渐成为一种颇有发展前景的技术，并且已在某些废水处理中得到了应用[4]。本研究选用铝作为电极材料，通以直流电，通过电絮凝法去除微污染水中的氨氮，研究电流密度、电解时间、初始pH、静沉时间以及阴离子等因素对氨氮去除效果的影响，并探讨了不同阴离子对氨氮去除的影响机制，为电絮凝法去除微污染水中的氨氮等污染物提供参考。

1 装置与方法

1.1 实验装置

本研究所用的电絮凝装置如图1所示。电源为WYJ-5A60V DC型直流稳压稳流电源，电解槽为自制的有机玻璃容器(100 mm×125 mm×140 mm)，置于H01-1B型双显磁力搅拌器上，槽中安置3对铝极板(铝的纯度为99%)作为电解的阴阳极，电极连接方式为单极式，极板间距为10 mm。每块极板高90 mm，宽125 mm，厚1.2 mm，极板底部距槽底10 mm。

图1 电絮凝装置示意图Fig.1 Sketch map of electrocoagulation device

1.2 实验方法

用NH4Cl配制1 mg/L的氨氮，再取适量氨氮倒入电解槽内，把电极板插入电解槽后盖上槽盖。将电解槽移至磁力搅拌器上，开启磁力搅拌器，打开电源开关的同时开始计算电解时间，于预定时间在4 cm处取水样。将所取水样静沉一段时间后，取上清液5 mL，用纳氏试剂分光光度法测定水样的吸光度以表征氨氮浓度。采用Nova NanoSEM 450型能量散射X射线(EDX)/扫描电子显微镜(SEM)对电解前后的阳极进行微观结构分析。

2 结果与讨论

2.1 电解时间和电流密度的影响

电解时间影响Al3+产生的速率和氨氮与羟基铝化物的接触时间[5]；电流密度影响电解过程中羟基铝化物的产生量、气泡的产生速率、羟基铝化物与氨氮的混合及电极之间的传质作用[6]。在初始pH为8.0、氨氮初始质量浓度为1 mg/L(考虑到苏州河和黄浦江的实测氨氮质量浓度均约为1 mg/L)、静沉时间为20 min的条件下，考察电解时间和电流密度对氨氮去除率的影响，结果如图2所示。

从图2可以看出，在电流密度一定时，随着电解时间延长，氨氮去除率不断提高，但是在电解时间达到30 min后，氨氮的去除速率相对减慢。一方面是由于新生态氧与阳极表面生成的氧化膜不断增多，阻碍了电解反应进行；另一方面随着电解时间的延长，氨氮浓度减少，水温上升，同时副反应增多，抑制了电解反应的进行，从而使氨氮的去除速率减缓。研究表明，电絮凝去除氨氮的机制是通过电化学反应将水中的Cl-氧化成ClO-，再由ClO-将氨氮氧化而去除[7]185，因此ClO-生成量决定了氨氮的去除效果。在电解时间一定时，随着电流密度增大，氨氮去除率不断提高。这可能是因为电流密度增大加强了带电粒子运动的推动力，使阳极上导电离子的运行活性明显提高，Cl-更容易被氧化成为ClO-，从而提高了氨氮去除率和去除速率。综合考虑氨氮去除率和能耗问题，选择电流密度为3.42 mA/cm2，电解时间为30 min。

图2 电解时间和电流密度对氨氮去除率的影响Fig.2 Effect of electrolytic time and current density on ammonia nitrogen removal efficiency

2.2 初始pH的影响

pH一方面影响水中羟基铝化物的形态，决定了氨氮的去除方式，另一方面影响阳极表面胶体的形成[8]。为了考察初始pH对氨氮去除率的影响，在电解时间为30 min、电流密度为3.42 mA/cm2、氨氮初始质量浓度为1 mg/L、静沉时间为20 min的条件下，将溶液初始pH分别调至2.0、4.0、6.0、7.0、8.0、10.0，考察初始pH对氨氮去除率的影响，结果如图3所示。

图3 初始pH对氨氮去除率的影响Fig.3 Effect of initial pH on ammonia nitrogen removal efficiency

2.3 静沉时间的影响

在电解时间为30 min、电流密度为3.42 mA/cm2、氨氮初始质量浓度为1 mg/L、初始pH为8.0的条件下，考察静沉时间对氨氮去除率的影响，结果如图4所示。

图4 静沉时间对氨氮去除率的影响Fig.4 Effect of sediment time on ammonia nitrogen removal efficiency

从图4可以看出，静沉时间对氨氮去除率的影响不明显，与电解时间、电流密度和初始pH相比，静沉时间对氨氮去除率的影响最小。考虑到静沉时间过长会增加水力停留时间，降低整个工艺的处理效率，选取静沉时间为20 min。

2.4 阴离子的影响

在电解时间为60 min、电流密度为3.42 mA/cm2、氨氮初始质量浓度为1 mg/L、初始pH为8.0、静沉时间为20 min的条件下，考察不同阴离子对氨氮去除率的影响，其中氨氮分别采用NH4Cl、(NH4)2CO3、(NH4)2SO4配制，结果如图5所示。由图5可以看出，采用NH4Cl配制氨氮时，氨氮去除率明显高于采用(NH4)2CO3或(NH4)2SO4配制氨氮。

图5 阴离子对氨氮去除率的影响Fig.5 Effect of anion on ammonia nitrogen removal

电絮凝法中，当采用铝极板作为电极时，会发生如下反应[10]：

阳极表面：

Al→Al3++3e-

(1)

Al3++3H2O→[Al(H2O)3]3+

(2)

2H2O→O2+4H++4e-

(3)

阴极表面：

2H2O+2e-→2OH-+H2

(4)

为了探究不同阴离子对氨氮去除的影响机制，采用SEM对电解后的阳极表面进行分析，了解阳极的腐蚀过程，结果如图6所示。再采用EDX确定阳极表面元素的变化情况，结果如图7和表1所示。

表1 阳极表面元素组成分析1)Table 1 Element composition analysis of the anode surface %

注：1)以质量分数计。

注：方框为EDX分析所取的范围。NH4Cl阳极、(NH4)2CO3阳极和(NH4)2SO4阳极分别为采用NH4Cl、(NH4)2CO3、(NH4)2SO4配制氨氮，并进行电解反应后的阳极，图7和表1同。

图6阳极表面SEM分析

Fig.6 SEM analysis of anode surface

图7 阳极表面EDX分析Fig.7 EDX analysis of anode surface

3 结 论

(1) 电絮凝法对于微污染水中的氨氮有较好的去除效果，且去除率随着电流密度和电解时间的增加而提高；初始pH过高或者过低都不利于氨氮的去除，在弱碱性时去除效果最佳；静沉时间对去除率的影响甚微。去除微污染水中氨氮的最佳工艺条件为电流密度3.42 mA/cm2，电解时间30 min，初始pH 7.0～9.0，静沉时间20 min。

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