三维电解技术处理氨氮废水

吴志宇，旷玉丹，罗 双，黎建平

(深圳市世清环保科技有限公司，广东 深圳 518105)

目前处理氨氮废水的方法有以下几种：氨吹托法、反渗透、化学沉淀法、折点加氯法、生物反硝化法等[2]。氨吹托法：在碱性条件下，利用氨氮的气相浓度和液相浓度之间的气液平衡关系进行分离，以空气(或水蒸气)作为载气，将气体通到液体中，在气液两相充分接触后，溶解于液体中的气体与易挥发性溶质由液相进入气相，从而体废水得到处理。郑巧巧等[3]通过吹脱法联合离子交换法处理页岩提钒氨氮废水，出水氨氮浓度低至0.15 mg/L，氨氮去除率高达99%。反渗透法：利用反渗透膜两侧的压差截留废水中的污染物离子物质，从而离子物质和液体分离。段作山等[4]利用反渗透法处理饮用水中的氨氮，处理之后氨氮的去除效果可达88%。

本文采用三维电解技术处理广东某厂氨氮废水，分析了对氨氮的去除效率产生影响的实验条件，优化实验参数，为三维电解技术在实际工程上的应用提供技术上的支持。

1 试 验

1.1 试验废水

试验废水取自广东某公司产生的氨氮废水，具体水质如表1所示。

表1 实验废水水质Table 1 Water quality of test water

1.2 试验原理

三维电解技术，首先在二维电解的阴、阳两级之间加入粒子物质，在外部施加电压的条件下，填入的粒子物质带电，形成阴阳两极外的第三极(粒子电极)。本实验采用孔隙发达的负载氧化性填料，因此污染物容易被吸附。施加电压后，氧化性填料表面形成高电位，产生活性位点、在其的作用下附着的污染因子发生氧化反应，变成氮气和水等物质，氧化性填料具有双重作用-吸附作用与电解作用[9-10]，通过阳极和氧化性填料以及溶液中的次氯酸钠，氨氮直接氧化或间接氧化[11-14]，使氨氮废水中的氨氮污染物得到降解从而达到处理水的目的。

(1)氮被直接氧化成氮气去除：

4NH3+3O2→2N2+6H2O

(1)

(2)氨氮的间接氧化：

在阳极表面，溶液中的Cl-被氧化成 Cl2，Cl2与水反应进而生成次氯酸，从而将水中的氨氮氧化使之得以去除。其反应过程式(2)～式(5)：

2Cl-—2e→Cl2

(2)

Cl2+H2O→HClO+H+Cl-

(3)

(4)

NH3+1.5HCIO →0.5N2+1.5H2O+1.5H++1.5Cl

(5)

1.3 试验药剂和仪器

试验仪器：电子天平，DDSJ-308F型电导率仪，pHSJ-4F型pH计，HJ-6A型磁力搅拌器，TU-1900型紫外可见分光光度计，电解槽规格为 16 cm×8 cm×32 cm，石墨板，负载氧化性的填料，移动两路输出电源，高压旋涡气泵(HG-120B)。

试验药剂：碘化钾，氢氧化钾，氢氧化钠，碘化汞，酒石酸钾钠，次氯酸钠，所用药品均采用分析纯。试验室用水均为无氨水。

1.4 试验方法

实验所用三维电解槽规格为 16 cm×8 cm×32 cm，阴极、阳极均为1∶1石墨板，内部填充负载氧化性的填料作为粒子电极，电解槽底部连接高压旋涡气泵进行曝气。往电解槽中加入负载氧化性的填料，加入1.5 L按照1∶25混合后已经调好pH的水样，再加入2 g/L次氯酸钠。文中调节pH所用酸均为50%硫酸，所用碱均为400 g/L氢氧化钠溶液。在电解槽阴阳两极连接移动两路输出电源施加恒定电压，电解开始，计时。每电解1 h后从槽中取出适量水样，过滤，滤液采用紫外分光光度计(普析 TU-1900)测定吸光度，计算氨氮的含量，并计算氨氮的去除率。pH值用雷磁pH计测定，电导率值用雷磁电导率仪测定。

1.5 分析方法

氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定[15]，以氨氮的去除率为考量指标，考察不同条件下的去除效果。

式中：A0为反应前氨氮的浓度；A为反应后的氨氮浓度。

2 结果与分析

2.1 不同比例混合后氨氮废水对氨氮处理结果的影响

电解槽填充负载氧化性的填料，电解槽底部连接曝气处理装置，以不同比例混合后低浓度氨氮废水和高浓度氨氮废水为变量，设置不同的比例(1∶10、1∶25、1∶35、1∶50)的混合，取混合后的水样1.5 L，不调节水样pH，加入2 g/L次氯酸钠，对氨氮废水进行三维电解，电解1 h后，测定氨氮废水中氨氮的含量，计算氨氮的去除率，考察不同比例混合后的氨氮废水对该三维电解体系的影响，实验结果如图1所示。

图1 不同比例氨氮废水混合后对氨氮去除率的影响Fig.1 Effects of different proportions of ammonia nitrogen wastewater on ammonia nitrogen removal rate

如图1所示，氨氮废水混合比例在1∶10～1∶25之间时，氨氮的去除效率随着混合比例的增加而增加，在混合比例为1∶25时，氨氮的去除效率达到98.91%。混合比例1∶25之后，随着混合比例的增加，氨氮的去除效果呈下降趋势。这是由于稀释倍数的增加，废水中氨氮的浓度减少，不利于废水中氨氮的氧化分解，因此，综合考虑，低浓度氨氮废水与高浓度氨氮废水的混合比例为1∶25。

2.2 电压对氨氮处理结果的影响

取1.5 L按照1∶25混合后的氨氮废水，不调节水样pH，加入2 g/L次氯酸钠，电解槽填充负载氧化性的填料，电解槽底部连接曝气处理装置，以电压为变量，设置不同的电压(10.0、15.0、20.0、25.0、30.0、35.0、40.0 V)对氨氮废水进行三维电解处理1 h后，测定氨氮废水中氨氮的含量，计算氨氮的去除率，考察电压对该三维电解体系的影响，实验结果如图2所示。

图2 电压对氨氮去除率的影响Fig.2 Effect of voltage on removal rate of ammonia nitrogen

如图2所示，电压在10～30 V之间时，氨氮的去除率随着电压的增加而增加，在电压30 V时去除率最高，此时氨氮的去除率达到97.11%。30 V之后，随着电压的增加，氨氮的去除率不增反减，呈现下降的趋势。电压是三维电解的主要因素之一，电压升高会使电解槽内的电场强度增加，增加填料的复极化，填料反应的越强烈，所以电压在10～30 V时，氨氮的去除率随着电压的增加而增加。但是，电解槽内电压过高，会产生过多的氧气和氢气，抑制氮气的产生，因此影响氨氮的去除。所以30 V之后，随着电压的增大，氨氮的去除呈现下降的趋势。为了氨氮的去除效果和能耗的这两方面考虑来选择合适的电压为30 V。

2.3 电解时间对氨氮处理结果的影响

取1.5 L按照1∶25混合后的氨氮废水，用酸或碱调节水样pH为10，加入2 g/L次氯酸钠，电解槽填充负载氧化性的填料，电解槽底部连接曝气处理装置，设置三维电解的电压为30 V，以电解时间为变量，设置不同的电解时间(1、2、3、4、5、6、7 h)测定氨氮废水中氨氮的含量，计算氨氮的去除率，考察电解时间对该三维电解体系的影响，实验结果如图3所示。

图3 电解时间对氨氮去除率的影响Fig.3 Effect of electrolysis time on removal rate of ammonia nitrogen

如图3所示，氨氮的去除率随着电解时间的延长而下降，电解1 h时，氨氮去除率达到 96.1%，继续电解，去除率不上升反而下降。这是因为随着电解时间的增加会产生过多的氧气和氢气，抑制氮气的产生，影响氨氮的去除。另一方面，由于在刚开始电解，电解槽内氨氮含量比较多，可以较迅速地分散到电极和填料的表面，被氧化、降解，所以前1 h内氨氮去除率幅度比较大。随着电解时间的增加，氨氮含量降低，分散到电极和填料表面的氨氮就减少，所以去除率降低。综合能耗以及氨氮去除效果考虑，电解的时间不应该过长，本试验最佳电解时间参数选择1 h。

2.4 初始pH对氨氮处理结果的影响

取1.5 L按照1∶25混合后的氨氮废水，电解槽填充负载氧化性的填料，电解槽底部连接曝气处理装置，设置三维电解的电压为30 V，电解时间为1 h，加入2 g/L次氯酸钠，以溶液初始pH为变量，设置不同初始pH(6、7、8、9、10、11)测定氨氮废水中氨氮的含量，计算氨氮的去除率，考察初始pH对该三维电解体系的影响，实验结果如图4所示。

图4 初始pH对氨氮去除率的影响Fig.4 The effect of initial pH on the removal rate of ammonia nitrogen

由图4可知，pH值对氨氮的去除有明显的影响，pH为6～8时，氨氮的去除率随着升高而增大，当pH为8时氨氮的去除率达到99.17%，继续增大pH，氨氮的去除率呈现下降趋势。随着初始 pH值的增加阳极产生的氯气在溶液中的溶解度增加，产生的活性氯浓度也升高，加快了氨氮的氧化。但是，由于羟基自由基的氧化电位随着pH的升高而呈下降的趋势，不利于氧化废水中的氨氮污染物，所以继续增大pH，氨氮的去除率反而下降。因此，综合考虑，初始pH最佳参数选择为8。

3 结 论

(1)三维电解处理工艺条件：设置初始电压为30 V、电解时间1 h、初始pH为8，此时处理效果最佳，氨氮的去除率为99.17%；

(2)三维电解技术可以用于高浓度氨氮废水的处理，有效降低废水中氨氮的浓度。废水中氨氮浓度为375.55 mg/L时最佳去除率为99.17%；

(3)氨氮废水的处理方法多种多样，各有其优缺点，为了高效去除氨氮废水中氨氮的浓度，可以将多种方法联用以此提高氨氮的去除效果，但是面对不同规模、不同种类、不同浓度的氨氮废水，要从实际出发制定处理方法；

(4)三维电解技术，占地面积小，自动化程度高，操作方便，不产生污泥，不会产生二次污染，是一种环境友好型技术。