电化学氧化法去除氨氮研究.docxVIP

随着我国农业特别是畜牧业的快速发展，养殖业所产生的污染日益严重。在许多流域和地区，畜禽养殖废水已经取代传统工业污染成为当地主要污染源，引发水体富营养化加剧、土壤丧失生产能力、地下水受到污染等污染问题。养猪废水包括粪便排水和饲养冲洗水，是一种典型的高含量氮磷有机废水，具有固液混杂、有机质高、碳氮比失调等特点[1-3]。针对含有高含量氨氮的养猪废水，传统的“三段式”污水生物处理工艺（固液分离- 厌氧处理- 好氧处理）具有处理停留时间长、处理效率低等缺点；MBR （离心- 厌氧- 好氧- 膜）需投加乙酸和碳酸盐，来增加碳源和控制碱度，膜过滤的稳定性也受到了有机负荷、温度等因素的制约；改性沸石吸附脱氮工艺则因氨氮含量负荷上限较低，难以满足实际养猪废水处理的要求。因此，以上处理方法各自存在不足之处，目前均没有得到大范围推广[4-6]。电化学法是一种高效的污水处理方法[7]。由于它占地少、操作简单、不出现二次污染等的特点，因而备受各国学者关注，特别近年来相关研究十分广泛，涉及各类污水处理领域，例如纺织废水、含油废水、食品废水以及印染废水等[8-11]。电化学氧化法处理氨氮的研究也较为广泛，近几年，研究主要集中在处理垃圾渗滤液等高含量氨氮废水的应用中，如李庭刚等人研究了电化学氧化法处理垃圾渗滤液过程中，废水可生化性的变化以及氯离子含量、pH、电流密度等对去除效果的影响[12]；薛俊峰等人研究了电解氧化处理垃圾渗滤液过程中，COD 和氨氮去除过程的竞争影响[13]；Yves Vanlangendonck等人使用电化学法处理电厂废水，得出了氨氮氧化速率的数学预测计算公式等[14]。本研究针对含高含量氨氮的养猪废水，通过处理模拟养猪废水和实际养猪废水，着重研究电极材料、pH、电流密度、氯离子质量浓度对氨氮去除的影响并对电化学氧化氨氮技术的主要运行参数进行优化，为该技术的工程化应用提供参考。1 电化学氧化氨氮原理电化学去除氨氮主要是氯气和次氯酸的间接氧化作用。在阳极的表面，氯离子转化成氯气，与水反应进而生成有效余氯，水中的氨氮与有效余氯接触被氧化得以去除。主要反应如下：2Cl-→Cl2+2e，(1)Cl2+H2O→HClO+H++Cl-，(2)2NH4++3HClO→N2+3H2O+5H++3Cl-。(3)2 试验部分2.1 试验装置电极尺寸为8 cm×5 cm，阳极采用网状钛基涂层电极制成，阴极采用网状钛板电极制成，极板的有效面积为6 cm×5 cm，极板间距统一设置为1 cm。电源为输出电流0～10 A、电压0～50 V 的HTP-5010K 型直流稳流电源。PVC 电解槽尺寸为20 cm×10 cm×8 cm，有效容积为1 L。精密pH 计为PHS-3C 型，电导率仪为雷磁DDST-308A 型号仪器，磁力搅拌器为79-1 型（试验用转速为120 r·min-1）。2.2 试验方法试验采取静态试验，原水先后使用试验室模拟废水和实际养猪废水进行试验，试验用水量为1 L。模拟废水使用氯化铵（NH4Cl）和氯化钠（NaCl）药剂配制，废水中氨氮的质量浓度为2 g·L-1。实际养猪废水取自集中式养猪场厌氧沼气池出水上清液，COD 为2.0～2.5 g·L-1，氨氮和总磷的质量浓度分别为1.8～2.0 和0.15～0.16 g·L-1。氨氮和COD 分别使用水杨酸法和重铬酸钾法进行测定，有效余氯采用碘量滴定法测定；使用精密pH 计和电导率仪分别测定溶液pH 以及溶液中的电导率，用质量分数分别为1%的NaOH和1%的HCl调整溶液pH，同时使用磁力搅拌器使溶液混合均匀，设置搅拌转子转速为120 r·min-1，2 极板间距保持在1 cm 且电流保持恒定。3 结果与讨论3.1 阳极材料的影响为确定阳极材料对氨氮去除的影响，在电流密度为64 mA·cm-2、初始氨氮的质量浓度为2.0 g·L-1、Cl- 的质量浓度为8.0 g·L-1、pH 控制在中性条件下，考察了不同阳极材料对氨氮去除的影响。选取的4种阳极材料分别为石墨电极、RuO2-IrO2-TiO2/Ti 电极、RuO2-TiO2/Ti 电极和SnO2-PbO2/Ti 电极，结果如图1 所示。从图1 中看出，网状钛基涂层电极对氨氮的去除率高于石墨电极，其中RuO-IrO2-TiO2/Ti 电极在240 min 对氨氮的去除率达到96.9%，较石墨电极的82.4%有了显著提高。图2 为电化学氧化过程中有效余氯的变化。从图2 中可以看出，随着时间的变化，溶液中的有效余氯因电极种类的不同而不同，其中RuO2-IrO2-TiO2/Ti 电极对有效余氯的释放最为有利。综合以上得出，有效余氯的产生量决定不同阳极材料对氨氮的去除效果。网状钛基涂层电极均具有较强的耐腐蚀性和较高的析氧电位，电极材料中的高价金属离子Ru