電化學氧化法處理氨氮廢水的實驗研究

桑建偉，黃家榜，劉 暢，周 銳，朱守誠

（合肥市東方美捷分子材料技術有限公司 污水凈化與生態修復材料安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088）

0 引言

污水處理工藝末端廢水常因可生化性差、高鹽低氨氮而無法進行生物脫氮處理，因此面臨著出水氨氮超標問題，急需尋找良好方法來進行深度處理[1-3]。目前，國內外廢水中氨氮深度處理方式主要有化學沉淀法，但處理藥劑需求量大，易產生二次污染[4-5]；反滲透膜分離、超濾膜等過濾處理，效果雖好但成本高昂難以廣泛應用[6-8]；折點加氯法，會增加藥劑成本及出水鹽分[9-11]；植物修復法，占地面積較大、處理時間長、受溫度季節變化影響較大[12]。

電化學氧化法因其具有可控性強、易操作、占地面積小，兼有氣浮、凝聚、殺菌等優點，是能被工業化應用可能性最高的高級氧化技術之一[1]。目前該方法已應用到多種廢水處理中，如垃圾滲濾液、印染廢水、苯酚廢水和其他廢水等[13-18]。本文采用的Ti/RuO2-IrO2-SnO2電極相比較其他電極（如Ti/Pt-Ir、Ti/RhOx-TiO2、Ti/PdO-CO3O4等）具有更高析氧過電位，電化學活性較強，能使Cl2、ClO-等活性物質產生更多，更有利于氨氮降解。本研究以模擬高鹽低氨氮廢水為研究對象，研究電化學氧化工藝中電流大小、初始pH值、初始Cl-濃度對氨氮去除效果的影響，優化電化學氧化法的實驗條件，以期為利用電化學氧化工藝高效降解高鹽低氨氮廢水深度處理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及材料

實驗裝置選取析氯極板（Ti/RuO2-IrO2-SnO2）為陽極、316不銹鋼為陰極，采用柱狀極板進行試驗，主要由電解區、循環區、電動微型隔膜泵、直流穩壓電源等組成，如圖1所示。電解區有效容積為3 L，陰陽極面積比為1∶1，尺寸為150 mm×90 mm×2 mm，電動微型隔膜泵開口流量為5 L/min，直流穩壓電源可提供0～30 A電流和0～20 V電壓。

圖1 電化學氧化實驗裝置圖

1.2 試驗廢水及分析方法

本試驗所需高鹽低氨氮廢水均由NH4Cl（工業級）、NaCl（工業級）、自來水配置而成，其氨氮初始濃度為143.65 mg/L，使用H2SO4或NaOH調節pH，每次試驗用水量為5 L。采取批次試驗進行考察電流大小、初始pH值、初始Cl-濃度對NH3-N去除效率的影響。氨氮采用納氏試劑分光光度法[19]測定；氯離子濃度采用硝酸銀滴定法[20]測定；pH值采用pHS-3Cb型pH計測定；電能采用計算得出，式中：U—電壓，V；I—電流，A；t—電解時間，h；m—氨氮去除量，mg。

2 結果與分析

2.1 初始pH值對氨氮去除效果的影響

固定電解電流為6 A，模擬廢水中添加3‰NaCl，其初始氯離子濃度為2113.8 mg/L；改變廢水初始pH值分別為5、6、7、8、9，每隔0.5 h取樣測定氨氮值，考察不同初始pH值對氨氮去除效果的影響，電解反應對氨氮值、氨氮去除率的影響結果如圖2、圖3所示。試驗結果表明，在初始pH值為5～9，隨著電解時間不斷延長，NH3-N值逐漸下降，去除率則不斷升高；電解反應進行2 h后，模擬廢水中氨氮去除率接近100%；在初始pH值為5～9內初始pH值對電解氨氮的去除效果影響較弱。由此推測，在弱酸弱堿條件，電解反應過程中無須考慮初始pH值對氨氮去除效果的影響。

圖2 pH對NH3-N值的影響

圖3 pH對NH3-N去除率的影響

2.2 電流大小對氨氮去除效果的影響

固定模擬廢水初始pH值為7.41，模擬廢水中添加3‰NaCl，其初始氯離子濃度為2113.8 mg/L；改變電解電流大小，每隔0.5 h取樣測定氨氮值，考察不同電流大小對氨氮去除效果的影響，結果如圖4、圖5所示。當電流4 A電解反應1 h后，模擬廢水中氨氮值剩余83.57 mg/L，其氨氮去除率僅有41.8%；當電流達到12 A時電解反應1 h后，廢水中氨氮值由143.65 mg/L降低至3.43 mg/L，其氨氮去除率達到97.7%，反應1.5 h后廢水中氨氮值降低至0.3 mg/L，其氨氮去除率達到99.8%。試驗結果表明，隨著電解反應中電流的增大，氨氮去除率隨之增加，將氨氮完全降解所需時間也越短。結合圖6可以看出，當電流越大，處理1 g氨氮所需能耗則越高。當電流為12 A時，電解1 h后則可將模擬廢水中的氨氮完全降除，能耗為3.23 W·.h/g；當電流為4 A時，電解2.5 h后氨氮并未完全去除，能耗為1.83 W·h/g。分析認為，電解電流越大，陰陽極板間得失電子越多，更多氯離子被轉化成次氯酸根，氨氮的降解速率則會提高，但電流也不能無限制增大，過大電流將會導致電子浪費，增大能耗，同時也會降低電極的使用壽命[21-22]。本試驗中當電流＞8 A時，氨氮去除率的增加幅度隨著電流增大而變緩，但能耗卻隨之大幅度增加。因此，選取電流8 A作為最佳電解試驗條件。

圖4 電流大小對NH3-N值的影響

圖5 電流大小對NH3-N去除率的影響

圖6 電流大小與能耗的關系

2.3 初始氯離子濃度對氨氮去除效果的影響

固定模擬廢水電解反應的初始pH值為7.41，電解電流為8 A；改變廢水中的氯離子濃度，考察不同初始氯離子濃度對氨氮去除效果的影響。模擬廢水中分別添加1‰、2‰、3‰、4‰、5‰NaCl，其初始氯離子濃度分別為899.1、1506.5、2113.8、2721.4、3328.9 mg/L，每隔0.5 h取樣測定氨氮值，初始氯化鈉濃度對模擬廢水中氨氮值、氨氮去除率的影響結果如圖7、圖8所示。試驗結果表明，相同電解時間內，在模擬廢水中的初始氯化鈉濃度低于3‰時，隨著電解反應的初始氯離子濃度增加，氨氮去除效率也隨之增加；當模擬廢水中的初始氯化鈉濃度（氯離子濃度2113.8 mg/L）達到3‰之后，氯離子濃度增加對氨氮的去除效率影響不大。分析認為，氯離子在陽極被氧化成氯氣，氯氣溶于水后形成具有強氧化性的次氯酸根，將氨氮氧化為氮氣釋放，在廢水中氯氣濃度達到飽和濃度前，氯離子濃度越大，氨氮去除效果越顯著，當模擬廢水中的氯氣濃度達到飽和濃度之后，氯離子濃度對反應效率的影響達到最大值。因此，NaCl初始濃度應選取3‰作為最佳電解反應條件。

圖7 初始NaCl濃度對NH3-N值的影響

圖8 初始NaCl濃度對NH3-N去除率的影響

3 結論

（1）初始pH值為弱酸弱堿條件下對NH3-N的降解影響不顯著，若處理廢水初始pH值為弱酸弱堿條件，電催化氧化過程中則無須考慮其初始pH值；

（2）電流大小對氨氮的降解效果影響較大，相同電解時間下，電流越大，NH3-N去除效果越好，綜合所需能耗和氨氮去除效率，確定電解反應的最佳電流為8 A；

（3）初始氯離子濃度對廢水中氨氮去除效果影響顯著，在模擬廢水中氯氣達到飽和濃度前，初始NaCl濃度越高，NH3-N去除效率越高；當廢水中氯氣達到飽和濃度后，初始NaCl濃度對電解反應影響不大。