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电化学法用于微污染水脱氮处理实验 ＊ 何绪文 1 龚彦宇 1 王培京 2 廖日红 2 刘 操 2 1.中国矿业大学化学与环境工程学院, 北京 100083; 2.北京市水利科学研究所, 北京 100044 摘要 采用电化学方法, 以轻度污染的温榆河河水为研究对象, 考察了电化学方法对微污染地表水中氨氮的去除效果, 探讨极板间距、反应时间以及板间电压对氨氮去除的影响。 研究表明 反应时间为10 min, 板间距为1 . 0 cm, 板间电压 为11 V时, 该方法对去除微污染水中氨氮有较好的处理效果, 对氨氮的去除由原水的 8～ 36 mg L降至 2. 4～ 11 mg L, 去 除率能达到 70以上, 同时总氮的去除与氨氮去除呈现良好的相关性。 关键词 电化学方法; 氨氮; 微污染水 EXPERIMENT ON AMMONIA REMOVAL IN LIGHTLY POLLUTED WATER BY ELECTROCHEMICAL PROCESS He Xuwen1 Gong Yanyu1 Wang Peijing2 Liao Rihong2 Liu Cao2 1. School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining 2. Beijing Hydraulic Research Institute, Beijing 100044, China Abstract In this study , electrochemical process was used to treat lightly polluted water from Wenyu River.The ammonia removal effect was observed and the effects of plate electrode space, reaction time and voltage between plate electrodes on ammonia removal were discussed. The results showed that ammonia was removed efficiently by electrochemical process on the conditions of 10 min of active time, 1. 0 cm of plate electrode space and11 V of voltage betweenplate electrodes, and ammonia removal efficiency was above 70with ammonia concentration decreasing from 8～ 36 mg L to 2. 4～ 11 mg L. Good relativity between total nitrogen removal and ammonia removal was showed at the same time. Keywordselectrochemical process;ammonia;lightly polluted water ＊北京市科技计划项目 项目编号 D0706006060191 。 0 引言 随着我国经济发展和城市人口的日益集中与增 加,大量未经适当处理的工业废水和生活污水排入水 体,使饮水水源受到不同程度的污染。表现在水中氨 氮和有机污染物含量增加 ,成为微污染水源使之丧失 作为饮用水水源的功能和作用。目前还没有一种方 法能高效 、 稳定 、 经济地去除废水中的氨氮,有些工艺 在氮被脱除的同时还带来了二次污染 。国内外去除 氨氮的方法主要采用氨吹脱物化法 、 化学法、生物法, 这些方法各有特点 ,但也有一定局限性 , 不同程度地 存在设备投资大 、 能耗多 、 运行费用高、废水中的氨氮 不能回收利用、排入大气造成污染等问题 [ 1] 。 电化学方法是当前世界水处理领域内的一种新 型水处理方法。和其他方法相比, 电解法有其独特的 优点 a. 处理过程清洁, 不需或只需少量化学试剂 ,不 会对水质产生二次污染; b . 设备相对简单 ,操作方便, 易于自动控制; c . 可以在较低的温度下进行, 反应条 件温和 ,且不受季节气候气温影响; d. 占地面积小 ,处 理周期短; e. 易于和其他方法结合 , 便于废水的综合 治理 [ 2-4] 。鉴于上述特点, 本实验采用电化学方法处 理北京温榆河微污染水源 , 考察对水中氨氮的去除 效果 。 1 实验部分 1. 1 实验原理 在电化学方法中 ,通过电化学作用在溶液中产生 羟基自由基 OH , 由于OH 具有很强的氧化活性, 发生一系列的链式反应 [ 3] ,对作用物几乎无选择性。 而水中一般存在氯离子,Cl -在阳极放出电子,形 成Cl2, 进一步在溶液中形成 ClO - , 溶液中的 Cl2 5 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 ClO -的氧化作用能有效去除废水中的 NH 3-N。 1. 2 实验装置 电化学脱氮装置主要由反应器 、 电极、 MPS702 直 流电源组成 动态实验在此基础上加上 BT-100 恒流 泵 , 实验装置如图 1 所示, 技术参数见表 1。 图 1 实验装置 表 1 实验装置技术参数 电极材料 阳级阴级 阳极有效 面积 dm2 水槽有 效容积 mL 输出电压 测量范围 V 电流调节 范围 A 钛为基材, 涂覆钛、 钌、铱的氧化物 钢板103 0000～ 360～ 30. 7 1. 3 废水来源及水质 实验水样来自北京温榆河微污染水 ,温榆河水质 主要受排入的工业废水和生活污水影响 ,污染物质以 氮 尤其是氨氮 为主 , 随取水地点及季节的不同 ,水 质有所波动,但差异不大 ,具体水质见表 2。 表 2 原水水质 pH浊度 度 电导率 mscm- 1NH3-N mgL- 1TN mgL- 1 6～ 71 . 5 ～ 50 . 8 ～ 1. 28～ 3612～ 38 1. 4 实验方法 1 将水样先进行过滤预处理 ,以去除水样中的悬 浮物 。 2 将水样放入水槽中, 封闭出水口 ,在恒定电流 的情况下 ,进行静态实验 ,以氨氮、总氮的去除率为考 察指标,得出最佳反应停留时间,最佳板间距 。 3 在静态实验得出的最佳停留时间和最佳板间 距的基础上,在恒定电压的条件下 ,进行动态实验 ,以 氨氮 、 总氮去除率为考察指标 ,得出最佳反应电压 。 2 结果与讨论 2. 1 电极板间距对处理效果的影响 实验中,恒定电流为25 A时,取板间距 0. 5～ 3 cm 每次间隔0. 5 cm 进行静态实验。 在实验中发现, 当板间距达到2 cm以上时 ,氨氮 和总氮的去除效果很不明显, 而极板间距在 1. 0 ～ 1. 5 cm时效果较好, 板间距 1. 0, 1. 5 cm , 反应时间在 20 min内 NH3-N 和TN 的去除结果见图 2 和图 3。 图 2 电极间距对NH3-N 去除率的影响 图3 电极间距对TN 去除率的影响 实验结果表明 随着极板间距的增加 ,电极处理 效率下降,氨氮和总氮的去除率下降 。极板间距小, 有利于电化学氧化反应, 同时使得极板产生的OH、 ClO -等离子扩散的距离短, 能较快地与溶液中污染 物发生作用 ,有利于提高电化学氧化的去除效率 [ 5] 。 在板间距为1. 0 cm, 反应停留时间20 min时 ,氨氮 和总氮去除效率最高 , 分别达到 85和 75。另外 在实验中还发现 , 当极板间距 1. 0 cm时 , 容易出现 阳极表面钝化的现象, 使得能耗增大, 并使溶液的浓 差极化严重 ,去除效率反而降低 。综合考虑 ,电极板 间距以1. 0 cm为宜。 NH3- N 去除与 TN 去除有良好的相关性, 证明电 化学方法用于微污染水脱氮确实可行。 2. 2 反应时间对处理效果的影响 调节电流从 15～ 28 A恒定, 在 0～ 20 min, 每次间 隔5 min取水样 , 进行静态实验。 不同电解时间内 NH3-N 和TN 的去除结果见图 4 和图 5。 实验结果表明, 随着反应时间的延长水样中的氨 氮和总氮去除率逐渐增加 。这是因为反应初期,水样 中污染物浓度相对较高, 随着反应时间的增加, 在电 极表面反应的物质就越多 ,从而反应速率较快 。当反 应经过10 min时氨氮和总氮去除率有明显增加。但 随着反应过程的进行, 水中污染物浓度降低 ,反应速 6 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 15 min; 210 min; 315 min; 420min。 图4 反应时间对NH3-N 去除率的影响 15 min; 210 min; 315 min; 420min。 图5 反应时间对TN 去除率的影响 率降低,因此结合工程实际应该尽量降低其反应停留 时间 ,确定最佳停留时间为10 min。 2. 3 板间电压对处理效果的影响 选取最 佳板间距1. 0 cm , 最佳反 应停留时间 10 min ,恒定电压, 进行动态实验。根据静态实验确 定选取 7 ～ 12 V 每次间隔 1V 。在静态实验装置的 基础上 ,加入恒流泵控制反应停留时间 , 同时打开放 水阀 。 不同板间电压下,NH3- N、TN 的去除率如图 6 所 示。图中去除率为30 min内 每隔10 min取值 的平 均值 。 图 6 板间电压对 NH3-N、TN 去除率的影响 如图 6所示, 电压从 7 V 增加到11 V时 ,氨氮 、 总 氮去除率有明显增加 ,到11 V时分别达到最大值70 和55,电压到12 V时略有下降, 这可能跟实验误差 有关,说明随着电压增大, 氨氮 、总氮的处理效果也 增加 。 但如果再继续增加电压, 氨氮、总氮去除率增加 不明显,而电耗 、 能耗却随着电压的增大急剧增大 ,并 且呈现加速趋势 。 综上所述, 选取11 V为最佳板间电压值。 3 结论 1 电化学方法可以直接应用于微污染河水处理, 可以有效降低微污染河水中氨氮指标,反应时不需要 添加药剂, 调节 pH 值。 2 根据实验结果得出 , 反应停留时间10 min, 板 间距1. 0 cm ,板间电压11 V, 为最佳处理工艺条件, 使 NH3-N 浓度从原水的 8～ 36 mg L降至 2. 4 ～ 11 mg L, 去除率达 70以上, 同时总氮的去除与氨氮去除呈 现良好的相关性 。 3 虽然采用电化学方法去除微污染水中氨氮的 效果比较好 ,工艺流程简单可行。但是从实际应用角 度考虑,在保证去除效果的情况下, 应尽量减小能耗。 因此, 还需要对其进行进一步研究, 以求进一步降低 能耗 。 参考文献 [ 1] 徐丽丽, 施汉昌, 陈金銮. 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