电化学处理含氮废水技术的研究

2021-11-30肖楚丰

皮革制作与环保科技 2021年11期

肖楚丰

（深圳市丰绿环保科技有限公司，广东深圳 518101）

近几十年来，随着工业化、城镇化的高速发展，城市生活污水和垃圾渗滤液水量快速增长，其中含氮化合物含量也急剧上升。含氮化合物一般包括有机氮、氨氮、亚硝态氮、硝态氮等一种或几种形态，这类废水来源广泛、结构复杂、排放量大，大量含氮污染物未经处理排放至自然水体中极易导致富营养化，严重威胁生态环境以及危害人类健康，因此氮浓度已经成为水环境质量标准和废水排放的必要控制指标。生化法和物化法是当今含氮废水的主要处理技术，前者效率低、稳定性差，后者成本高、控制难，特别是在处理成分复杂的实际废水时受到多种因素影响很难达到理想的处理效果。寻求稳定高效低成本的含氮废水处理技术成为研究的热点[1]。

1 含氮废水主要处理技术

1.1 物化法

物化法处理不同形态的含氮废水主要包括以下几种：吸附法、萃取法等处理有机氮废水；膜分离法、离子交换法等处理硝态氨废水；沉淀法、吹脱法、离子交换法等处理氨氮废水。此外还包括折点加氯、电化学氧化、超声波分解、湿式氧化等技术[2]。由于操作复杂，成本较高，不利于大流量含氮废水处理。

1.2 生化法

生化脱氮技术包括如A/O、SBR和氧化沟等传统脱氮工艺以及同步硝化反硝化（SND）、短程硝化反硝化（SHARON工艺）、厌氧氨氧化（ANAM-MOX工艺）和全程自氧脱氮工艺（OLAND和CANON工艺）等新型生化脱氮工艺。生化脱氮技术运行成本较低，适用于大流量含氮废水处理，但稳定性较差，还需考虑碳源与碱度问题以及污泥处理处置等问题[3]。

2 电化学处理含氮废水

电化学处理含氮废水由于去除效果好、成本低而且产物无毒害作用，在焦化废水、电镀废水、药厂废水及养殖废水等领域取得一定效果。在含氮废水处理领域，电化学作为一种新兴的高效绿色处理技术受到关注[4]。有研究表明采用电化学处理高氨氮废水，经过90 min电化学处理后，氨氮氧化去除率可达87.62%。

3 电化学处理含氮废水的影响因素

3.1 pH值的影响

研究表明，pH值变化对电化学处理含氮废水效果的影响不同，原因也各异。有研究将铁颗粒填充物填充在三维电极中处理300 mg/L氨氮废水，结果显示此方法显著提高了处理效果，并且最佳氨氮去除效果是在中性条件下取得，主要原因是，调节pH至中性过程中引入了Cl-，由于电氧化Cl-为ClO-等强氧化性基团从而增加了氧化氨氮效果。有实验表明，由于N03—N在pH<7的条件下可被还原为NH4+-N，所以导致结果为氨氮浓度反而增加，故在酸性溶液中总氮去除率较低。有实验以铋-铜材料为阴极引入电催化反硝化过程，含氮废水在未调节pH值的条件下依然能达到较好的处理效果。有实验结果表明，在pH>7情况下，氨氮的去除率较高，指出在pH值大于7时氨才开始发生氧化，其中11%的NH3被氧化成硝酸盐，其余是氮气。实验还表明，高氯酸钠中氨电化学氧化处理过程中，得出只有在pH>7的情况下，氨的氧化才发生，在碱性条件下氨氨被直接氧化为氮气[5]。

3.2 氯离子的影响

有研究表明采用电化学方法处理含氮废水时，发现氯离子存在条件下就可以实现氨氮的去除，不需要调整pH值。这是由于Cl-不仅提高了溶液的导电性，而且在阳极失电子生成了具有强氧化性的Cl2、ClO-等系列物质，NH4+-N主要是被ClO-、Cl2等强氧化性物质间接氧化成单质氮气去除的，从而提高了对氨氮的氧化效果。实验表明C1-浓度直接影响Cl2、ClO-等强氧化性物质生成数量，脱氮效果从而受到影响。实验结果显示，Cl-浓度低于20 mg/L时，Cl2、CLO-等强氧化性物质的产生量较少，NH4+-N氧化效果不明显；当Cl-浓度为20～2 000 mg/L时，随着Cl-浓度提高，Cl2、ClO-等强氧化性物质数量也随之增加，NH4+-N氧化效果显著提高，有毒含氯中间产物也有所减少；当Cl-浓度大于2 000 mg/L时，虽然NH4+-N氧化效果显著，但也明显增加毒性副产物，造成二次污染。Cl-浓度同时影响了NH4+-N和亚硝酸盐的去除，Cl-衍生的Cl2、ClO-等强氧化性物质使亚硝酸盐立即被氧化成硝酸盐。Cl-衍生的Cl2、ClO-等强氧化性物质增加了电化学系统的氧化性，削弱了硝酸盐的还原速率，抑制了硝态氮的去除[6]。综上所述，各种形态含氮化合物的去除均受到废水中氯离子的明显影响，因此氯离子最佳浓度的确定在电化学反应中至关重要。

3.3 填充粒子的影响

有研究表明，采用三维电极反应系统可以显著提高含氮废水的处理效果，即将活性粒子填充在正负极板间，因电场感应效应，填充粒子成为电化学反应场所，这显著提高了电流效率。实验结果显示，在对硝态氮进行电化学处理中，通过加入铁颗粒优化沸石填料，硝酸盐的去除率在最优条件下可达95%。这是由于反应位点的数量随着极化铁颗粒的数量而增加，不仅减少了硝酸盐的质量传递也降低了能耗[7]。电化学处理中离子交换过程是通过提高离子迁移率得以促进的，这使得氨在沸石上吸附速度提高，硝酸盐的去除效率由于铁颗粒的存在也显著提高了，这是由于铁颗粒的存在，使得电化学系统的导电性增强了，粒子间的无效碰撞同时减少，反应速度得以提高并且能耗也明显降低。