电化学法去除硝态氮的研究

2022-06-06杨娇娇

中国资源综合利用 2022年5期

张莉，杨娇娇

（泉州南京大学环保产业研究院，福建泉州 362000）

近年来，诸多水体的氮元素含量不断上升。硝态氮（NO-N）可以长期存在于水体中，不仅威胁人体健康，而且会引起水体富营养化、赤潮、生物栖息地恶化等环境问题。为保护生态环境，保障公众健康，国家针对污水处理厂出水的硝态氮制订严格的排放标准。目前，我国很多污水处理厂面临提标改造问题。国内外常用的硝态氮去除技术主要有生物反硝化法、离子交换法和催化还原法。其中，离子交换法工艺简单，快速高效，可再生性好，是去除水体中硝态氮的首选方法。但是，树脂脱附液处置会导致二次污染，后续处理难度大。如何有效地处理树脂脱附液成为离子交换法广泛应用的制约因素。电化学法可以有效地去除硝态氮，促进树脂的循环利用。本文耦合电化学法和离子交换法，通过优化电化学法的工艺参数，提高硝态氮去除效果，实现硝态氮的持续去除和树脂的再生利用。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置和试剂

试验在1 L 烧杯中进行，试验装置主要由磁力搅拌器、直流稳压电源和电极组成。试验过程中，电极板的间距为4 cm。主要试剂有硝酸钾、氯化钠、氢氧化钠、盐酸和过硫酸钾，均为分析纯，强碱性阴离子交换树脂购买于南京环保产业创新中心有限公司。主要仪器包括紫外可见分光光度计、pH 计、多头磁力加热搅拌器、多路直流稳压电源和蠕动泵。

1.2 试验水样

试验需要配制高浓度硝态氮废水，其间可采用模拟饱和树脂脱附后的高浓度硝态氮废水。在树脂脱附的过程中，树脂和氯化钠溶液（浓度12%）的体积比为1∶10，树脂脱附液的硝态氮浓度为1 000 mg/L左右。

1.3 电极材料

电极材料对硝态氮的去除有较大影响，试验选择具有代表性的电极材料。能有效地去除硝态氮的电极材料主要有三类。一是非金属材料，如石墨、碳化硅等；二是单金属材料，如铜、铁、镍和铅等；三是合金材料，如铜锌合金、铜镍合金等。根据材料的易得性，试验选择石墨作为阳极材料，并选择石墨、铜、铁作为阴极材料。

1.4 去除率计算

电解试验期间需要测定树脂脱附液的硝态氮浓度，测定方法选用《水质无机阴离子（F、Cl、N O、Br、NO、P O、SO、SO）的测定离子色谱法》（HJ 84—2016）。硝态氮去除率的计算公式为：

式中：为硝态氮去除率，%；和C分别为硝态氮初始浓度和电解后的浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 不同阴极材料对硝态氮去除率的影响

试验结果表明，石墨作为阴极材料时，树脂脱附液的硝态氮去除率为12.66%；铁作为阴极材料时，硝态氮去除率为38.19%；铜作为阴极材料时，硝态氮去除率为54.84%。相较于石墨和铁，铜作为阴极材料时，硝态氮去除率最高。这时，硝态氮的电化学还原过程可根据不同的电势区间分为3 步，分别对应亚硝酸盐、氮气与氨。因为亚硝酸盐在电解过程中不稳定，易被阳极再次氧化或被阴极进一步还原，所以电解过程的主要副产物为氨，反应期间会散发氨气味。本试验以铜为阴极材料，反应过程中未闻到氨气味，故推测硝态氮基本上转化为氮气，副反应较少发生或基本无发生。研究表明，Fe、Cu、Co、Pb 和Zn金属材料在阴极电场的作用下对硝酸盐具有较高的催化还原活性。对比发现，硝态氮去除效果的影响因素较多，但优先选择铜或者铁作为阴极材料更有助于硝态氮的去除。

2.2 不同pH 对硝态氮去除率的影响

不同pH 条件下硝态氮的去除率试验结果如表1 所示。树脂脱附液的pH 为2 ～3 时，硝态氮去除率为61.14%；pH 为7 ～8 时，硝态氮去除率为68.15%；pH 为11 ～12 时，硝态氮去除率为46.44%。对比不同的去除率可知，维持溶液中性偏酸最利于硝态氮的去除。根据硝态氮间接还原机理可知，氢离子是硝态氮降解过程中必不可少的物质。溶液pH 偏低更有利于硝态氮的降解，但pH 过低，溶液的氢离子浓度过高时，带正电的氢离子会与硝酸根离子竞争，吸附在阴极表面，从而阻碍硝酸根离子在阴极表面的进一步还原。同时，氢离子浓度过高会促进N-H 键的结合，催生副产物氨氮。因此，相比碱性条件，酸性条件更利于硝态氮的降解，但酸度过低会降低其降解效率，维持溶液中性偏酸能最大限度地去除溶液中的硝态氮。

表1 不同pH 条件下硝态氮的去除率

2.3 电流密度对硝态氮去除率的影响

由表2 可知，随着电流密度的增大，硝态氮的去除率呈现先上升后下降的趋势。电流密度的不同使阴极电位发生变化，从而影响硝态氮的去除。由硝态氮间接还原机理可知，氢离子的产生有利于硝酸根离子的降解。原因是电流密度增加，产氢量增大，过多的氢离子会促进N-H 键的结合，使氨氮浓度增加。研究发现，低电流密度的硝态氮降解率比高电流密度大，这是由于较低的电流密度能有效促进N-N键的结合，从而提高N生成率，促进硝态氮的去除；高浓度硝酸盐废水电催化还原过程中，电流是影响硝态氮去除率和N生成率的主要因素。由此可见，电化学法处理高浓度硝态氮废水时，电流密度并非越高越好，应该综合硝态氮去除率和副产物氨氮的生成量进行考虑。