电絮凝技术对尿液废水中氮磷的回收效果研究

肖淑颖， 王祎涵

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)

随着经济、社会的发展，污水厂每日处理负荷增多，而在废水中存在大量氮、磷等营养物质，其中绝大多数来自尿液。对尿液进行单独处理，将尿液废水中所含氮、磷尝试用“回收”代替“去除”，有助于实现水资源最大化利用，在降低污水厂处理负荷的同时提高出水水质，从而实现尿液废水处理的无害化和资源化。

尿液属于高氮磷废水，回收尿液中的氮磷并将其作为肥料来使用是低成本的绿色环保新手段。目前，处理尿液废水常采用物理吸附技术[1]、MAP 沉淀法[2]、电化学法[3]、生物法及多技术组合处理工艺[4]。

电絮凝(electrocoagulation，EC)是以铝、铁等金属为主电极，利用外加脉冲高电压的作用把电能转化为化学能，阳极产生金属阳离子絮凝剂，进而通过絮凝、气浮等作用将污染物从水体中分离，使水质得到净化的技术[5]。电絮凝法除磷在包含物理、化学法优点的同时具有独特的优势：混凝剂直接在原位电产生，避免了干扰性阴离子的存在；气浮工艺将污染物颗粒附着在系统中产生的氧气和氢气的微气泡上，提高了有机物分离效率，还具有较低的成本。

阳极电极反应式为[6]：

M(s)→Mn+(aq)+ne-

2H2O(l)→4H+(aq)+O2(g)+4e-

阴极电极反应式为[6]：

Mn+(aq) +ne-→M(s)

2H2O(l)+2e-→OH-(aq)+H2(g)

笔者进行了相关试验，侧重于利用电絮凝技术最大限度回收尿液废水中可作为肥料的氮、磷营养元素，从而减轻水体的氮、磷负荷，避免水体富营养化现象的产生。同时总结电絮凝技术在最佳运行参数下对总磷和氨氮的去除率，为尿液废水处理的无害化和资源化提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验水样配制

试验处理对象为尿液，参考正在推行的厕所革命中原水冲厕形式[7]，按厕所1∶10冲水的原则，模拟实际尿液废水，水质如表1所示。

表1 试验水样水质Tab.1 Quality of water samples

1.2 电絮凝工艺装置

电絮凝试验装置主要由直流稳压电源、电极板、电絮凝反应器和曝气装置组成。电絮凝反应器由有机玻璃制成，尺寸为265 mm×300 mm×500 mm。电解槽内部设有8个凹槽，用来放置阳、阴极板。阳极采用铁极板，阴极为钛极板，极板面积均为150 mm×180 mm×3 mm。在反应器底部安装了曝气装置，为电絮凝工艺供氧。试验装置组成如图1所示。

图1 试验装置组成Fig.1 Composition of test device

1.3 试验条件

为探究电絮凝装置各参数对氨氮和总磷回收效果的影响，在装置中加入模拟尿液废水，在连续流的条件下，考察电解时间、极板间距、初始pH、电流密度对电絮凝技术脱氮除磷效率的影响，确定装置的最佳反应参数，进一步分析电絮凝工艺的作用机理。试验条件见表2，每个影响因素重复进行3次试验，结果取平均值。

表2 电絮凝试验条件Tab.2 Test condition of electric flocculation

1.4 分析方法

采用纳氏分光光度法检测氨氮，采用标准钼锑抗分光光度法测定总磷。按照《水和废水监测分析方法》(第四版)测定温度、pH和溶解氧等水质指标。

2 结果与讨论

2.1 电解时间对去除效果的影响

调节尿液水样pH值至8，在极板间距40 mm、电流密度60 A/m2下进行试验，将电解时间作为唯一变量进行6组试验，观察并记录不同时间产生絮凝体的形态，总磷和氨氮去除结果见图2。

图2 电解时间对磷和氨氮去除效果的影响Fig.2 Effect of electrolysis time on the removal of ammonia nitrogen and TP

从图2可以看出，随着通电时间的延长，总磷回收率稳步升高。当时间由20 min延长至120 min时，回收率由38.75%升高至96.47%；通电时间在80 min内，回收效果增长显著，此后回收率的增幅波动不大。电解过程中，水样颜色变化明显，最初澄清的水样在80 min后变为浑浊的黄色液体。通过电解可在阳极产生Fe2+、阴极产生OH-，两者结合后生成 Fe(OH)n络合物，此络合物能吸附磷。反应时间越长，Fe2+浓度越大，磷的回收效果越好，但耗电量即成本也相应增加，且极板容易产生钝化现象，降低反应效率。

随着通电时间的延长，氨氮的去除率虽存在小幅度波动，整体依旧呈缓慢上升趋势，但去除效果并不理想。研究中氨氮的主要来源为尿素，电解尿素可使氨氮转化为氮气，反应发生在阳极，反应式如下：

(1)

研究表明，大部分电絮凝工艺通过外加Cl-除氨氮，主要是依靠电解氯化作用产生的ClO-，ClO-有氧化性，氨氮与其反应可转化为氮气逸出[8]。但在本试验中由于没有额外投加Cl-，因此脱氮效果不理想，去除率低。

综上可知，电解时间为80 min时总磷回收的综合效益最好，且在此时溶液保持高氨氮水平，有利于后续氮的回收。

2.2 极板间距对去除效果的影响

通电时间控制在80 min，极板间距对氮磷去除效果的影响见图3。在电功率不变的情况下，总磷回收率随间距的增大逐步下降，极板间距设为20 mm时达到94.9%。在40 mm的间距下，氨氮去除率最好，约为10.8%。

图3 极板间距对磷和氨氮去除效果的影响Fig.3 Effect of plate spacing on the removal of ammonia nitrogen and TP

电解过程中极板间距影响传质效果，小间距产生大电流，进而促使阳极离子析出速度增大，絮凝效果好。但间距也不宜过小，否则会造成高电流密度现象导致短路。大间距产生大电阻的同时电流传递效率降低，电解速度会随之减慢。因此在后续的电絮凝试验中选用40 mm的间距。

2.3 电流密度对去除效果的影响

电流密度代表着电解反应速度，提高电流密度能使电解反应加快，但同时会加重极板钝化。通电时间设为80 min、电极板间距定为40 mm下总磷回收效果最佳，在此基础上控制电流密度为10，20，40，60和80 A/m2，观察并记录在不同的电流密度下絮凝体的生成形态，总磷与氨氮去除结果与絮体生成情况分别见图4、图5。

图4 电流密度对磷和氨氮去除效果的影响Fig.4 Effect of current density on the removal of ammonia nitrogen and TP

图5 不同电流密度下絮凝体的生成情况Fig.5 State of flocs at different current densities

由图4可以看出，在10 A/m2电流密度下，总磷回收率仅为37.38%。随着电流密度的提升回收率提高迅速，电流密度为80 A/m2时达到93.61%。同时，提升电流密度也可以促进对氨氮的去除，但去除率的增长不稳定。

观察装置中絮体的生成情况可以明显看出，伴随着电流密度的提升，装置内水样由澄清逐渐变得浑浊，呈现灰绿色的絮凝体数量逐渐增多。该现象主要是由于提高电流密度时，电生Fe2+增多，后续Fe(OH)n络合物生成量随之增多，产生气泡的数量增多、速率加快，促进气浮阶段絮凝体同磷酸盐的结合，有利于磷的回收，但过大的电流密度会损害极板，增加成本。综上结论，宜将电流密度控制在60 A/m2。

2.4 初始pH对回收效果的影响

水体pH值决定电生Fe2+水解反应产物的类型，以及各产物之间的转换反应，还在酸性条件下对电极板的钝化现象有抑制作用。图6所示为不同的初始pH值对电絮凝工艺处理效果的影响。

图6 初始pH对磷和氨氮去除效果的影响Fig.6 Effect of initial pH on the removal of ammonia nitrogen and TP

在初始pH值为8时，工艺对总磷的回收率达到最高95.62%，之后随pH的升高而下降。磷在酸性环境中难以同Fe(OH)n结合形成絮凝体，而在Fe3+强碱性环境中水合物浓度会下降，也不易产生絮凝体。在中性环境中，更容易产生Fe(OH)n，更有利于对磷进行絮凝回收。氨氮去除率随着pH值的增加稳步升高，该现象是由于OH-浓度影响氨气逸出速度，水体碱性越强，氨气逸出越多。

2.5 正交试验

为探究各因素对电絮凝工艺影响程度，采用正交试验寻找最佳反应条件。单因素试验演研究表明，极板间距、电流密度及初始pH是影响总磷回收率的3个重要因素。因此在通电时间80 min下，利用L9(34)正交表进行9组试验，深入探究这三种因素对总磷回收效果的影响，同时采用极差分析法对正交所得数据(表3)进行分析处理。

表3 正交试验结果Tab.3 Results of orthogonal test

根据正交试验结果分析可知，最佳工艺条件为第6组试验，即极板间距20 mm、初始pH为7、电流密度60 A/m2。计算所得试验结果可得，极板间距的极差值为0.144，初始pH的极差值为0.051，电流密度的极差值为0.048。极差值也就表示该因素的变化对回收率的影响，即极板间距对总磷回收效果影响最大，电流密度对其影响最小。

3 结论

① 电絮凝工艺处理尿液废水时，阳极采用铁极板，阴极选用钛极板，总磷回收率随着通电时间的延长稳步增加，电解120 min时达到96.47%；氨氮去除率整体呈缓慢上升趋势。总磷回收率随电极间距的增加逐步缩减，在极板间距为20 mm时达到最高94.9%；在40 mm间距下，氨氮去除率最高为10.8%。电流密度影响电絮凝工艺絮体产生的质与量，总磷回收率和氨氮去除率均随电流密度的加大而提高。电絮凝工艺对总磷的回收率在初始pH值为8时高达95.62%，此后随pH值的升高而下降，氨氮去除率随着pH值的增长稳步升高。

② 通过单因素试验得出电絮凝工艺中最佳参数为：通电时间80 min、极板间距40 mm、电流密度60 A/m2、初始pH=8。在此条件下，氨氮去除率可达15.40%，总磷回收率高达95.62%。采用电絮凝工艺处理高磷废水时，出水仍可满足标准，但对氨氮的脱除效果并不理想。

③ 通过正交试验得出，采用电絮凝工艺回收磷的影响程度为极板间距>初始pH>电流密度。最佳工艺条件为极板间距20 mm、初始pH=7、电流密度60 A/m2，总磷回收率最高达到95.85%。