电化学氧化法处理氨氮废水的实验研究

2023-10-19桑建伟黄家榜朱守诚

环境科学导刊 2023年5期

桑建伟，黄家榜，刘畅，周锐，朱守诚

（合肥市东方美捷分子材料技术有限公司污水净化与生态修复材料安徽省重点实验室，安徽合肥 230088）

0 引言

污水处理工艺末端废水常因可生化性差、高盐低氨氮而无法进行生物脱氮处理，因此面临着出水氨氮超标问题，急需寻找良好方法来进行深度处理[1-3]。目前，国内外废水中氨氮深度处理方式主要有化学沉淀法，但处理药剂需求量大，易产生二次污染[4-5]；反渗透膜分离、超滤膜等过滤处理，效果虽好但成本高昂难以广泛应用[6-8]；折点加氯法，会增加药剂成本及出水盐分[9-11]；植物修复法，占地面积较大、处理时间长、受温度季节变化影响较大[12]。

电化学氧化法因其具有可控性强、易操作、占地面积小，兼有气浮、凝聚、杀菌等优点，是能被工业化应用可能性最高的高级氧化技术之一[1]。目前该方法已应用到多种废水处理中，如垃圾渗滤液、印染废水、苯酚废水和其他废水等[13-18]。本文采用的Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极相比较其他电极（如Ti/Pt-Ir、Ti/RhOx-TiO2、Ti/PdO-CO3O4等）具有更高析氧过电位，电化学活性较强，能使Cl2、ClO-等活性物质产生更多，更有利于氨氮降解。本研究以模拟高盐低氨氮废水为研究对象，研究电化学氧化工艺中电流大小、初始pH值、初始Cl-浓度对氨氮去除效果的影响，优化电化学氧化法的实验条件，以期为利用电化学氧化工艺高效降解高盐低氨氮废水深度处理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置及材料

实验装置选取析氯极板（Ti/RuO2-IrO2-SnO2）为阳极、316不锈钢为阴极，采用柱状极板进行试验，主要由电解区、循环区、电动微型隔膜泵、直流稳压电源等组成，如图1所示。电解区有效容积为3 L，阴阳极面积比为1∶1，尺寸为150 mm×90 mm×2 mm，电动微型隔膜泵开口流量为5 L/min，直流稳压电源可提供0～30 A电流和0～20 V电压。

图1 电化学氧化实验装置图

1.2 试验废水及分析方法

本试验所需高盐低氨氮废水均由NH4Cl（工业级）、NaCl（工业级）、自来水配置而成，其氨氮初始浓度为143.65 mg/L，使用H2SO4或NaOH调节pH，每次试验用水量为5 L。采取批次试验进行考察电流大小、初始pH值、初始Cl-浓度对NH3-N去除效率的影响。氨氮采用纳氏试剂分光光度法[19]测定；氯离子浓度采用硝酸银滴定法[20]测定；pH值采用pHS-3Cb型pH计测定；电能采用计算得出，式中：U—电压，V；I—电流，A；t—电解时间，h；m—氨氮去除量，mg。

2 结果与分析

2.1 初始pH值对氨氮去除效果的影响

固定电解电流为6 A，模拟废水中添加3‰NaCl，其初始氯离子浓度为2113.8 mg/L；改变废水初始pH值分别为5、6、7、8、9，每隔0.5 h取样测定氨氮值，考察不同初始pH值对氨氮去除效果的影响，电解反应对氨氮值、氨氮去除率的影响结果如图2、图3所示。试验结果表明，在初始pH值为5～9，随着电解时间不断延长，NH3-N值逐渐下降，去除率则不断升高；电解反应进行2 h后，模拟废水中氨氮去除率接近100%；在初始pH值为5～9内初始pH值对电解氨氮的去除效果影响较弱。由此推测，在弱酸弱碱条件，电解反应过程中无须考虑初始pH值对氨氮去除效果的影响。

图2 pH对NH3-N值的影响

图3 pH对NH3-N去除率的影响

2.2 电流大小对氨氮去除效果的影响

固定模拟废水初始pH值为7.41，模拟废水中添加3‰NaCl，其初始氯离子浓度为2113.8 mg/L；改变电解电流大小，每隔0.5 h取样测定氨氮值，考察不同电流大小对氨氮去除效果的影响，结果如图4、图5所示。当电流4 A电解反应1 h后，模拟废水中氨氮值剩余83.57 mg/L，其氨氮去除率仅有41.8%；当电流达到12 A时电解反应1 h后，废水中氨氮值由143.65 mg/L降低至3.43 mg/L，其氨氮去除率达到97.7%，反应1.5 h后废水中氨氮值降低至0.3 mg/L，其氨氮去除率达到99.8%。试验结果表明，随着电解反应中电流的增大，氨氮去除率随之增加，将氨氮完全降解所需时间也越短。结合图6可以看出，当电流越大，处理1 g氨氮所需能耗则越高。当电流为12 A时，电解1 h后则可将模拟废水中的氨氮完全降除，能耗为3.23 W·.h/g；当电流为4 A时，电解2.5 h后氨氮并未完全去除，能耗为1.83 W·h/g。分析认为，电解电流越大，阴阳极板间得失电子越多，更多氯离子被转化成次氯酸根，氨氮的降解速率则会提高，但电流也不能无限制增大，过大电流将会导致电子浪费，增大能耗，同时也会降低电极的使用寿命[21-22]。本试验中当电流＞8 A时，氨氮去除率的增加幅度随着电流增大而变缓，但能耗却随之大幅度增加。因此，选取电流8 A作为最佳电解试验条件。

图4 电流大小对NH3-N值的影响

图5 电流大小对NH3-N去除率的影响

图6 电流大小与能耗的关系

2.3 初始氯离子浓度对氨氮去除效果的影响

固定模拟废水电解反应的初始pH值为7.41，电解电流为8 A；改变废水中的氯离子浓度，考察不同初始氯离子浓度对氨氮去除效果的影响。模拟废水中分别添加1‰、2‰、3‰、4‰、5‰NaCl，其初始氯离子浓度分别为899.1、1506.5、2113.8、2721.4、3328.9 mg/L，每隔0.5 h取样测定氨氮值，初始氯化钠浓度对模拟废水中氨氮值、氨氮去除率的影响结果如图7、图8所示。试验结果表明，相同电解时间内，在模拟废水中的初始氯化钠浓度低于3‰时，随着电解反应的初始氯离子浓度增加，氨氮去除效率也随之增加；当模拟废水中的初始氯化钠浓度（氯离子浓度2113.8 mg/L）达到3‰之后，氯离子浓度增加对氨氮的去除效率影响不大。分析认为，氯离子在阳极被氧化成氯气，氯气溶于水后形成具有强氧化性的次氯酸根，将氨氮氧化为氮气释放，在废水中氯气浓度达到饱和浓度前，氯离子浓度越大，氨氮去除效果越显著，当模拟废水中的氯气浓度达到饱和浓度之后，氯离子浓度对反应效率的影响达到最大值。因此，NaCl初始浓度应选取3‰作为最佳电解反应条件。