對污水處理廠尾水的電化學脫氮技術研究

文_陳逸致 北海市紅坎污水處理有限責任公司

1 試驗材料與方法

1.1 試驗用水與試驗裝置

試驗選擇了某地應用Unitank工藝的污水處理廠排放口出水，該污水處理廠出水水質執行國家二級標準、處理規模為4×104m3·d-1，表1為該污水處理廠尾水水質。試驗采用了由PE材質制作的510mm×810mm×910mm尺寸裝置，該裝置采用電位在1.6～1.8V的自制多元金屬氧化物涂層鈦基質平板電極作為內部電極，陰陽極板間距為5cm，極板間裝填由活性炭和含有銀、銅、鐵、錳等等金屬固體顆粒組成的催化填料。

表 1 污水處理廠尾水水質

1.2 試驗方法

試驗過程處理水量為5～10m3·d-1，開展連續運行以滿足試驗需要，為保證試驗結果受到吸附作用影響，試驗裝置在未通電前需先用原水浸泡催化顆粒填料（極板間），試驗正式開始后需接通試驗裝置電源并通過調節使輸出電壓（穩壓直流電源）達到預定值，在通過水泵和流量計后，試驗用尾水將注入催化電氧化反應器，由此定時取樣并開展TN去除效果分析，即可驗證電化學脫氮技術應用效果。

1.3 水質指標分析及方法

試驗采用2009年中國環境科學出版社出版的《水和廢水監測分析方法》中記載的污水水質指標及測定分析方法，采用納氏試劑光度法進行氨氮的測定、HACH COD快速測定儀（HACH DR-200型）用于COD測定、酚二磺酸光度法用于NO3--N測定、過硫酸鉀分光光度法用于TN測定，YSI、HANA、WTW傳感器負責DO、ORP、pH的在線連續監測，YSI-Pro2030DO型號的便攜式多參數水質分析儀用于電導率檢測，酸堿指示劑滴定法負責堿度測定、氣相色譜－質譜聯用儀負責有機污染物測定。

2 試驗結果與探討

2.1 電流密度影響

結合試驗結果，筆者首先就電化學脫氮技術應用中電流密度帶來的影響展開分析，分析以TN去除效果為依據，試驗過程中pH值為6.0左右、尾水進水流量為6m3·d-1，尾水的TN含量則處于23.5～27.1mg·L-1區間，每12h取樣一次、連續運行5d，圖1為電流密度影響示意圖。結合圖1開展分析不難發現，在反應器極板電流密度為10.67mA·cm-2、16.00mA·cm-2、32.67mA·cm-2、63.33mA·cm-2時，TN去除效果存在明顯差異，其中16.00mA·cm-2時TN去除率為33.0%，63.33mA·cm-2時去除率則為53.2%，TN去除效果總體上呈現出隨陽極電流密度增加而增加的趨勢，這是由于催化氧化還原性能（電極板和固體催化填料）隨著電流密度的提高而提升，考慮到電力浪費，為提升電流的有效利用率，本文將32.67mA·cm-2定為最佳電流密度。

圖1 電流密度影響示意圖

2.2 進水pH值變化影響

在尾水進水流量為6m3·/d-1、進水TN平均值為26.40mg·L-1、電流密度為32.67mA·cm-2時開展試驗，可得出圖2所示的進水pH值影響示意圖，結合該圖可直觀發現進水pH值與電化學脫氮技術TN去除效果存在的一定聯系，但該值對電化學脫氮技術TN去除效果的影響較小。深入分析不難發現，經電化學脫氮技術處理后的污水處理廠尾水出水pH值均處于6.18～7.10之間，而當尾水進水的pH值小于5時，電化學脫氮技術處理后尾水的TN去除率出現小幅度提高，而當尾水進水的pH值大于5時，電化學脫氮技術處理后尾水的TN去除率則出現了一定程度下降，但進水pH值變化帶來的TN去除率上升與下降并不明顯，且催化電氧化反應器具備調節出水pH值的能力，這正是試驗得到的出水pH值均處于6.18～7.10之間的原因，而考慮到電化學脫氮技術尾水處理成本，試驗過程不對該pH值進行調節。

圖2 進水pH值影響示意圖

2.3 水力停留時間影響

在進水pH值處于6.25～7.02區間、進水TN平均值為26.40mg·L-1、電流密度為32.67mA·cm-2時開展試驗，試驗主要圍繞15、30、60、90min的水力停留時間展開，隨著水力停留時間的增大，電化學脫氮技術TN去除效果提升明顯，這種情況的出現是由于電化學脫氮技術去除尾水中TN并非是一個瞬間過程，TN的去除需要一定時間，而隨著水力停留時間的延長，固體催化顆粒填料與尾水中污染物質的接觸更為充分，電場中的停留時間也因此大幅延長，這些便使得水力停留時間的延長最終提升了電化學脫氮技術TN去除率，TN的氧化分解可能性增強是這種情況出現的最本質原因。但值得注意的是，雖然延長水力停留時間可保證電化學脫氮技術更好發揮自身TN去除效果，但如果水力停留時間超過一定限值，副反應加劇情況很容易因此出現，電化學脫氮技術的電流效率也會因此降低，水力停留時間超過1h后TN去除率的變化放緩便與副反應加劇存在直接聯系，因此試驗最終確定了30min為最佳水力停留時間。

2.4 相關探討

結合上述試驗不難發現，在應用電化學脫氮技術的某地污水處理廠尾水處理中，26.40mg·L-1的進水TN平均值、6.25～7.02區間的進水pH值、32.67mA·cm-2的反應器極板電流密度、30min的水力停留時間可保證電化學脫氮技術最大化自身效用發揮，其NH3-N去除率可達54.9%，而NO3--N的去除率則能夠達到72.8%，由此可見電化學脫氮技術在污水處理廠尾水總氮去除方面具備的優異表現，而結合上述參數開展試驗，可發現電化學脫氮技術的應用成本主要為電能消耗，每1m3污水處理廠尾水的電化學脫氮技術處理耗電為0.3kW·h，且這一過程可脫去0.018kg的尾水中TN，因此污水處理廠尾水TN的處理耗電為16.7kW·h/kg，相較于離子交換脫氮、生物脫氮等技術，電化學脫氮技術的污水處理廠尾水TN處理具備運行費用低、效率高、方法簡單、運行溫度特點，電化學脫氮技術應用價值得到了更為直觀證明。此外，電化學脫氮技術開展的尾水處理還具備出水水質偏中性、無須調節反應器進水pH值、可實現低C/N條件下的高效脫氮等特點，這些均能夠較好證明電化學脫氮技術具備的較強尾水處理能力。

3 結論

綜上所述，電化學脫氮技術可較好服務于污水處理廠尾水處理，在此基礎上，本文涉及的試驗用水與試驗裝置、試驗方法、水質指標分析及方法、電流密度影響、進水pH值變化影響、水力停留時間影響等內容，則提供了可行性較高的電化學脫氮技術應用路徑，而為了更好發揮該技術效用，圍繞生物電化學技術、BES脫氮反應器開展的相關研究必須得到重視。