電絮凝法去除微污染水中氨氮的研究*

彭博宇 沈 崢,2# 顧敏燕,2 賀群丹 繆 佳 張亞雷,2(.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092;2.同濟大學國家設施農業工程技術研究中心，上海 200092;.浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州 004)

近年來，一些工業生產中未經完善處理的廢水排入周邊水體，造成持續性污染，使飲用水成為微污染水。這些微污染水中含有多種有機污染物，對人類健康和生態環境都造成了一定危害，其中氨氮是最具標志性的污染物之一。目前國內對微污染水的傳統處理技術主要有化學法[1]、物理法[2]和生物法[3]等。化學法對氨氮的去除率較低，且藥劑投加量大、成本高，還會增加水中氯化物、硫酸鹽等物質的含量，影響水體水質；物理法對于氨氮的去除效果較理想，但成本較高且持續性較差；生物法運行成本較低，但是占地面積大、水力停留時間長，且不易進行操作管理。電絮凝法具有去除效果好、結構簡單、操作簡便靈活、運行成本低等特點，逐漸成為一種頗有發展前景的技術，并且已在某些廢水處理中得到了應用[4]。本研究選用鋁作為電極材料，通以直流電，通過電絮凝法去除微污染水中的氨氮，研究電流密度、電解時間、初始pH、靜沉時間以及陰離子等因素對氨氮去除效果的影響，并探討了不同陰離子對氨氮去除的影響機制，為電絮凝法去除微污染水中的氨氮等污染物提供參考。

1 裝置與方法

1.1 實驗裝置

本研究所用的電絮凝裝置如圖1所示。電源為WYJ-5A60V DC型直流穩壓穩流電源，電解槽為自制的有機玻璃容器(100 mm×125 mm×140 mm)，置于H01-1B型雙顯磁力攪拌器上，槽中安置3對鋁極板(鋁的純度為99%)作為電解的陰陽極，電極連接方式為單極式，極板間距為10 mm。每塊極板高90 mm，寬125 mm，厚1.2 mm，極板底部距槽底10 mm。

圖1 電絮凝裝置示意圖Fig.1 Sketch map of electrocoagulation device

1.2 實驗方法

用NH4Cl配制1 mg/L的氨氮，再取適量氨氮倒入電解槽內，把電極板插入電解槽后蓋上槽蓋。將電解槽移至磁力攪拌器上，開啟磁力攪拌器，打開電源開關的同時開始計算電解時間，于預定時間在4 cm處取水樣。將所取水樣靜沉一段時間后，取上清液5 mL，用納氏試劑分光光度法測定水樣的吸光度以表征氨氮濃度。采用Nova NanoSEM 450型能量散射X射線(EDX)/掃描電子顯微鏡(SEM)對電解前后的陽極進行微觀結構分析。

2 結果與討論

2.1 電解時間和電流密度的影響

電解時間影響Al3+產生的速率和氨氮與羥基鋁化物的接觸時間[5]；電流密度影響電解過程中羥基鋁化物的產生量、氣泡的產生速率、羥基鋁化物與氨氮的混合及電極之間的傳質作用[6]。在初始pH為8.0、氨氮初始質量濃度為1 mg/L(考慮到蘇州河和黃浦江的實測氨氮質量濃度均約為1 mg/L)、靜沉時間為20 min的條件下，考察電解時間和電流密度對氨氮去除率的影響，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，在電流密度一定時，隨著電解時間延長，氨氮去除率不斷提高，但是在電解時間達到30 min后，氨氮的去除速率相對減慢。一方面是由于新生態氧與陽極表面生成的氧化膜不斷增多，阻礙了電解反應進行；另一方面隨著電解時間的延長，氨氮濃度減少，水溫上升，同時副反應增多，抑制了電解反應的進行，從而使氨氮的去除速率減緩。研究表明，電絮凝去除氨氮的機制是通過電化學反應將水中的Cl-氧化成ClO-，再由ClO-將氨氮氧化而去除[7]185，因此ClO-生成量決定了氨氮的去除效果。在電解時間一定時，隨著電流密度增大，氨氮去除率不斷提高。這可能是因為電流密度增大加強了帶電粒子運動的推動力，使陽極上導電離子的運行活性明顯提高，Cl-更容易被氧化成為ClO-，從而提高了氨氮去除率和去除速率。綜合考慮氨氮去除率和能耗問題，選擇電流密度為3.42 mA/cm2，電解時間為30 min。

圖2 電解時間和電流密度對氨氮去除率的影響Fig.2 Effect of electrolytic time and current density on ammonia nitrogen removal efficiency

2.2 初始pH的影響

pH一方面影響水中羥基鋁化物的形態，決定了氨氮的去除方式，另一方面影響陽極表面膠體的形成[8]。為了考察初始pH對氨氮去除率的影響，在電解時間為30 min、電流密度為3.42 mA/cm2、氨氮初始質量濃度為1 mg/L、靜沉時間為20 min的條件下，將溶液初始pH分別調至2.0、4.0、6.0、7.0、8.0、10.0，考察初始pH對氨氮去除率的影響，結果如圖3所示。

圖3 初始pH對氨氮去除率的影響Fig.3 Effect of initial pH on ammonia nitrogen removal efficiency

2.3 靜沉時間的影響

在電解時間為30 min、電流密度為3.42 mA/cm2、氨氮初始質量濃度為1 mg/L、初始pH為8.0的條件下，考察靜沉時間對氨氮去除率的影響，結果如圖4所示。

圖4 靜沉時間對氨氮去除率的影響Fig.4 Effect of sediment time on ammonia nitrogen removal efficiency

從圖4可以看出，靜沉時間對氨氮去除率的影響不明顯，與電解時間、電流密度和初始pH相比，靜沉時間對氨氮去除率的影響最小。考慮到靜沉時間過長會增加水力停留時間，降低整個工藝的處理效率，選取靜沉時間為20 min。

2.4 陰離子的影響

在電解時間為60 min、電流密度為3.42 mA/cm2、氨氮初始質量濃度為1 mg/L、初始pH為8.0、靜沉時間為20 min的條件下，考察不同陰離子對氨氮去除率的影響，其中氨氮分別采用NH4Cl、(NH4)2CO3、(NH4)2SO4配制，結果如圖5所示。由圖5可以看出，采用NH4Cl配制氨氮時，氨氮去除率明顯高于采用(NH4)2CO3或(NH4)2SO4配制氨氮。

圖5 陰離子對氨氮去除率的影響Fig.5 Effect of anion on ammonia nitrogen removal

電絮凝法中，當采用鋁極板作為電極時，會發生如下反應[10]：

陽極表面：

Al→Al3++3e-

(1)

Al3++3H2O→[Al(H2O)3]3+

(2)

2H2O→O2+4H++4e-

(3)

陰極表面：

2H2O+2e-→2OH-+H2

(4)

為了探究不同陰離子對氨氮去除的影響機制，采用SEM對電解后的陽極表面進行分析，了解陽極的腐蝕過程，結果如圖6所示。再采用EDX確定陽極表面元素的變化情況，結果如圖7和表1所示。

表1 陽極表面元素組成分析1)Table 1 Element composition analysis of the anode surface %

注：1)以質量分數計。

注：方框為EDX分析所取的范圍。NH4Cl陽極、(NH4)2CO3陽極和(NH4)2SO4陽極分別為采用NH4Cl、(NH4)2CO3、(NH4)2SO4配制氨氮，并進行電解反應后的陽極，圖7和表1同。

圖6陽極表面SEM分析

Fig.6 SEM analysis of anode surface

圖7 陽極表面EDX分析Fig.7 EDX analysis of anode surface

3 結 論

(1) 電絮凝法對于微污染水中的氨氮有較好的去除效果，且去除率隨著電流密度和電解時間的增加而提高；初始pH過高或者過低都不利于氨氮的去除，在弱堿性時去除效果最佳；靜沉時間對去除率的影響甚微。去除微污染水中氨氮的最佳工藝條件為電流密度3.42 mA/cm2，電解時間30 min，初始pH 7.0～9.0，靜沉時間20 min。

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