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电化学在低浓度氨氮废水处理

 

        随着我国经济的发展和生活水平的提高,氨氮排放量呈逐年上升趋势,因此,去除废水中的氨氮对水体?;な种匾?。目前,高浓度氨氮废水处理技术方法相对成熟,但低浓度氨氮废水处理技术的研究较少,主要有生物脱氮法、折点氯法、离子交换法、土壤灌溉法等,这些方法均会引起二次污染。

        电化学因其处理效率高、操作简便和与环境兼容等优点,在处理氨氮废水的应用上逐渐受到重视。目前,常用的电化学方法有电絮凝法、电化学氧化法、电沉积法、电气浮法等,用于低浓度氨氮废水的处理方法主要有电化学氧化法、电渗析法、电化学—生物复合法和电化学吸附复合法。

1、电氧化法

        曾次元等运用电化学氧化法去除城市污水中的氨氮,取氨氮初始浓度30mg/L、电流密度14.5 mA/cm2、氯离子浓度300mg/L及初始pH值7.0为基本量,电解4h后,初沉池出水处理后氨氮浓度从,26.8mg/L降为6.1mg/L,达到国家城镇污水排放一级B标准;二沉池出水处理后氨氮浓度从19.9mg/L降为0.1mg/L,优于I类地表水环境质量标准。徐丽丽等研究了含氨氮废水在循环流动式电解槽中的电化学氧化,氨氮初始浓度为40mg/L,在进水流量600ml/min,电流密度20mA·cm-2,电解时间90min时,氨氮去除率为99.37%。褚衍洋等以钛基氧化物涂层材料(IrO2,RuO2,TiO2/Ti)为阳极,石墨为阴极,考察了氨氮的直接电化学氧化与其在两种液相电解质体系下(存在氯离子与否)的氧化效果,研究表明,氨氮的电化学氧化机理与介质条件、阳极电位密切相关。

        同时,国外也有相关的研究,AgnieszkaKapal ka等对Ni/Ni(OH)2电极的选择作了研究,实验数据显示,在室温25℃,12个小时内,pH﹥7时,总氨浓度从600mg/L降到250mg/L,去除效率为55%。实验还认为,氨氮的去除效率与pH值有关,当pH﹥7时,氨氮去除效果更佳。RGSamanWijesekara等研究了电化学氧化法从含有不同海藻物种的水产养殖水中去除低浓度氨氮,在最佳条件时,氨氮的去除率达到100%。

        电化学氧化法是20世纪80年代发展起来的高级氧化技术,利用电化学氧化法去除氨氮,废水进入电解系统后,在不同条件下,阳极上发生直接或间接反应:

        (1)氨直接被氧化成氮气脱除 NH3+3OH-→1/2N2+3H2O+2e-

        (2)氨间接电氧化

        即通过电极反应生成氧化性物质,该物质再与氨反应,从而使氨降解、脱除。通常往废水中加入一定量的食盐,使溶液的导电性增加,Cl-在阳极放电,产生氯氧化剂,强化阳极的氧化作用,从而提高污染物的去处效果。其反应过程如下:

2CL-→CL2+2e-
CL2+H2O→HOCL+H++CL-
2NH4++3HOCL→N2+3H2O+5H++3CL
        近十年来,国内外对电化学氧化法进行了大量研究工作,这些研究成果表明,电化学氧化法具有去除效果好、流程简短、操作方便等优点,但是同时也存在着能耗大、费用高等问题,仍需进一步改进。

2、电渗析法

        刘嵩等对电渗析工艺去除废水中的氨氮进行了试验性研究,试验结果表明,电渗析处理低浓度氨氮(<10mg/L)废水具有较高的去除效率,平均去除率高达90%以上。在试验范围之内,电渗析处理法几乎不受进水氨氮浓度(2.5mg/L~10mg/L)的影响。另外,pH值对电渗析工艺去除废水中氨氮有影响,偏酸性时氨氮去除率下降剧烈,偏碱性时,氨氮去除率下降不明显。余光亚等用电渗析法处理陕西某氮肥厂氨氮废水,氨氮浓度为534.59mg/L,当电压为55V,进水流量为24L/h,进水电导率为2920μs/cm时,系统淡水出水氨氮含量为13mg/L,去除效果显著,出水水质不仅可以达到排放标准,而且可以满足回用要求。

        电渗析技术也可用于处理氨氮超标的冷凝废水,对氨、硝酸铵和排放废水进行回收利用。川化股份有限公司利用电渗析装置处理硝酸铵冷凝废水,氨氮排放总量从每年的71.208t减少到10.162t,减少量为61.046t,合格淡水排放水中氨氮质量分数含量≤40mg/L。陕西兴化化学股份公司30万t/a硝酸铵装置成功应用了电渗析技术处理硝酸铵冷凝废水,实现了废水资源化回用,硝酸铵回收率超过99%,公司外排水氨氮含量小于30mg/L,每天减排废水720t。

        电渗析技术处理低浓度氨氮废水,其原理为:氨氮废水在直流电场作用下,利用阳离子交换膜的选择透过性,在电位差的动力下,NH4+往阴极移动,透过阳离子交换膜,在阴极室中富集,阴离子OH-(Cl-、SO42-等)通过阴膜即可产生定位迁移,从而实现NH4+与废水的分离,使废水得到净化。

        采用电渗析方法不仅可以高效地分离废水中的氨氮,使处理后废水实现达标排放,而且能量消耗低、药剂耗量少、环境污染小、操作简便、预处理简单。它所回收的氨氮可以重复利用,无二次污染,应用前景广阔。但是在运行过程中易发生浓差极化而结垢的现象,因此还需要进一步的改进。

3、电化学—生物法

        姚小丽等采用电氧化法和生物法相结合对城市生活垃圾渗滤液进行处理。垃圾渗滤液经过电解池和后续生物接触氧化池联合处理后,出水中氨氮含量为78.4mg/L,在固定电流为3A,电流密度为6.25mA/cm2的条件下,电解2小时后,氨氮去除率为100%。鲍立宁等用生物膜电极工艺去除微污染源水中的氨氮,在流量为3L/d、无外界供氧、电流强度为19.5mA、C/N比为1的条件下,总氮的去除率达95.6%(氨氮进水水质为6~14mg/L)。张乐华等为了探明电化学反应对废水生物处理效果的影响,研制了电极—生物滤池以及相对应的普通生物滤池各一套。实验结果表明,电极—生物滤池与对照反应器相比较,总氮的去除率提高了14.9%。

        近年发展起来的电化学法与生物法相结合的脱氮新工艺,以惰性金属材料作为阳极,通过电解产生氧气,为好氧微生物的生长提供氧气并使氨氮转化为硝酸盐氮或亚硝酸盐氮;以碳棒作为阴极产生氢气(电子供体),从而达到去除氨氮的目的。这种电化学—生物法处理低浓度氨氮废水,具有费用低、去除率高、易控制等优点。

4、电解—紫外光照射法

        Shu-huXiao,Jiu-huiQu等利用电解过程结合紫外光照射(UPE)协同降解含氯氨氮溶液,实验取两套对比系统:以RuO2/Ti为电极的电解装置和UPE装置和以IrO2/Ti为电极的电解装置和UPE装置。实验结果表明,以RuO2/Ti为电极和以IrO2/Ti为电极的UPE方法,其氨氮去除效率比单独电解分别高1.5倍和1.7倍。氨氮初始浓度为650mg/L,去除率高达98%。

        电解—紫外光照射法是在电解的基础上,利用紫外杀毒和氯转换来去除氨氮,研究表明,次氯酸在200~400nm紫外光照射下,可以游离羟自由基和氯自由基,从而更好地去除水体中的氨氮,其反应式如下:

HOCL+hv→·OH+·CL

        据我们所知,目前还没有关于该方法对氨氮处理的报道,该法最大的优点是紫外线可以加强氯化作用,同时氯自由基可以增加水的紫外吸收,从而减少紫外线的能耗。

5、电化学—沸石法

        MiaoLi,Chuan-pingFeng等利用电化学同时使沸石再生和氨氮去除。实验中以Ti/IrO2-Pt为阳极,铁裂片为阴极,氨氮初始浓度为100mg/L,处理后出水浓度为13.6mg/L。实验表明,氨氮由沸石吸附的转化率超过97%,氨氮转化为硝酸盐的转化率小于3%,处理效果显著。

        电化学—沸石法是在电化学的基础上,使氨氮直接或间接被氧化,同时,利用电使沸石再生,确保其对氨氮的吸附,从而达到去除水体中氨氮的目的。

        该方法利用电使沸石再生和去除氨氮同时进行,使沸石可以反复使用,加强处理效果的同时又节约了水资源和化学试剂,并且避免了二次污染。

6、结论与展望

        氨氮废水对环境的影响已引起环保领域和全球范围的重视,电化学技术作为一种新型的绿色无污染的技术受到了环保者们的青睐,具有很好的应用前景。但是,目前仍存在处理水量小、受电极材料催化活性影响等问题,电极和反应器的合理设计方面也比较缺乏。因此,应加强电化学与其他学科领域的结合,使得电化学法能更加广泛地应用于低浓度氨氮废水的处理。

 


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