電化學(xué)工藝用于污水深度處理同步脫氮消毒的性能與機(jī)制.pdf

1、氮類營養(yǎng)物污染帶來的富營養(yǎng)化問題在全球日益突出，污水處理廠作為氮類污染物的主要來源之一，深度脫氮技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。電化學(xué)工藝作為環(huán)境友好技術(shù)，已應(yīng)用在多種廢水的處理過程中。其中，電化學(xué)氧化氨氮工藝的研究主要集中在高濃度氨氮廢水上，對(duì)低濃度氨氮廢水處理關(guān)注較少；電還原硝酸鹽技術(shù)日益受到關(guān)注，但將電還原硝酸鹽技術(shù)應(yīng)用到城市污水廠出水中的研究報(bào)道很少；而將電化學(xué)氧化和還原技術(shù)耦合用于處理污水廠二沉池出水中氮類污染物和消毒，以解決經(jīng)濟(jì)

2、發(fā)達(dá)地區(qū)深度處理、寒冷地區(qū)冬季氨氮和總氮難以達(dá)標(biāo)等問題的研究尚未見報(bào)道。
　　本文提出了將陽極氧化氨氮和陰極還原硝酸鹽結(jié)合的方式，全面分析了單獨(dú)氧化、單獨(dú)還原及聯(lián)合作用的影響因素、反應(yīng)機(jī)制及污染物去除動(dòng)力學(xué)。為研究電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制及實(shí)現(xiàn)同步脫除氨氮、硝酸鹽氮和消毒作用，對(duì)反應(yīng)器的構(gòu)造進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)建了單室體系、雙室體系及內(nèi)循環(huán)雙室電化學(xué)體系，并研究它們各自的污染物去除率、水質(zhì)條件影響程度、操作條件影響程度和氯元素的形態(tài)變化規(guī)律，進(jìn)而

3、考察了該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際二沉池出水上的可行性和生物安全性，最后揭示電化學(xué)同步脫氮消毒作用的機(jī)制與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
　　研究結(jié)果表明，電化學(xué)單獨(dú)氧化氨氮過程中，氨氮去除速率受氯離子濃度影響最大，Cl-/NH4+決定了反應(yīng)的控速步驟，當(dāng)氨氮初始濃度為20mg/L，Cl-/NH4+為0.8、2、4、6和8時(shí)，氨氮的去除速率常數(shù)分別為0.52、1.36、2.08、2.85和3.69L/A·h。該過程中氨氮去除受電流密度影響較小，基本不受低溫影響

4、（8~20℃）。在去除氨氮的同時(shí)，還可去除10％總有機(jī)碳和12%~75%有機(jī)氮。在氨氮氧化過程中，當(dāng)氯離子濃度大于250mg/L，電量0.07Ah/L時(shí)還可同步實(shí)現(xiàn)完全滅菌。將電化學(xué)耦合吸附技術(shù)用于強(qiáng)化低氯條件下氨氮去除過程的研究發(fā)現(xiàn)，采用沸石作為粒子耦合電化學(xué)工藝中氨氮去除率（69%）優(yōu)于活性炭粒子（25%）。在低氯環(huán)境下，該強(qiáng)化技術(shù)對(duì)氨氮、有機(jī)碳和無機(jī)碳的去除效果均優(yōu)于單室電化學(xué)體系。
　　在對(duì)電化學(xué)單獨(dú)還原硝酸鹽的研究中發(fā)現(xiàn)

5、，陰極材料、反應(yīng)器構(gòu)造、陰極電極電位和陰離子濃度是影響硝酸鹽氮還原的重要因素。不同陰極材料的硝酸鹽氮還原能力和耐腐蝕能力均有不同，其中碳?xì)株帢O上硝酸鹽氮去除率最高（70%），其次為Cu90Ni10（58%）和Ti（8%），而碳?xì)趾蚑i陰極都表現(xiàn)出良好的耐腐蝕特性。雙室電化學(xué)體系對(duì)硝酸鹽氮的還原效果（70%）遠(yuǎn)優(yōu)于單室體系（10%），說明陽離子隔膜對(duì)于屏蔽陰極還原和陽極氧化的相互作用至關(guān)重要。還原效率最優(yōu)的陰極電極電位應(yīng)為-1.8V，還原

6、效率和還原產(chǎn)物都將隨著陰極電極電位的變化而變化。
　　同步脫氮消毒工藝的研究表明在適當(dāng)?shù)臈l件下，陽極氧化氨氮、陰極還原硝酸鹽和消毒作用可在電化學(xué)體系內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。在最優(yōu)操作條件下，將該技術(shù)應(yīng)用到二沉池出水中，在1.23Ah/L電量時(shí)可達(dá)到96%氨氮和36%硝酸鹽氮的去除，在0.072Ah/L電量時(shí)可100%滅活糞大腸桿菌。細(xì)菌的消毒過程無需外加消毒劑，且消毒過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物濃度較低，對(duì)周圍環(huán)境的生物毒性極小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該電化學(xué)

7、工藝可作為城市和工業(yè)污水廠二沉池出水深度脫氮消毒工藝，或作為確保氨氮、總氮在寒冷地區(qū)冬季達(dá)標(biāo)排放的保障應(yīng)急工藝。
　　氨氮的陽極氧化過程通過間接氧化產(chǎn)生的游離余氯來實(shí)現(xiàn)，可用準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述，擬合的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)模型與實(shí)驗(yàn)值擬合度較好。硝酸鹽氮的還原作用發(fā)生在陰極表面，存在兩步還原機(jī)制，其去除動(dòng)力學(xué)也可用準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述。同步脫氮消毒是通過陽極區(qū)游離余氯的氧化作用和陰極區(qū)的電極直接還原作用來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)硝酸鹽氮出現(xiàn)時(shí)，氨氮的