電化學工藝用于污水深度處理同步脫氮消毒的性能與機制.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，深度脫氮技術是當前研究的熱點和重點。電化學工藝作為環(huán)境友好技術，已應用在多種廢水的處理過程中。其中，電化學氧化氨氮工藝的研究主要集中在高濃度氨氮廢水上，對低濃度氨氮廢水處理關注較少；電還原硝酸鹽技術日益受到關注，但將電還原硝酸鹽技術應用到城市污水廠出水中的研究報道很少；而將電化學氧化和還原技術耦合用于處理污水廠二沉池出水中氮類污染物和消毒，以解決經濟

2、發(fā)達地區(qū)深度處理、寒冷地區(qū)冬季氨氮和總氮難以達標等問題的研究尚未見報道。
　　本文提出了將陽極氧化氨氮和陰極還原硝酸鹽結合的方式，全面分析了單獨氧化、單獨還原及聯(lián)合作用的影響因素、反應機制及污染物去除動力學。為研究電化學反應機制及實現(xiàn)同步脫除氨氮、硝酸鹽氮和消毒作用，對反應器的構造進行了改進，構建了單室體系、雙室體系及內循環(huán)雙室電化學體系，并研究它們各自的污染物去除率、水質條件影響程度、操作條件影響程度和氯元素的形態(tài)變化規(guī)律，進而

3、考察了該技術應用到實際二沉池出水上的可行性和生物安全性，最后揭示電化學同步脫氮消毒作用的機制與反應動力學。
　　研究結果表明，電化學單獨氧化氨氮過程中，氨氮去除速率受氯離子濃度影響最大，Cl-/NH4+決定了反應的控速步驟，當氨氮初始濃度為20mg/L，Cl-/NH4+為0.8、2、4、6和8時，氨氮的去除速率常數分別為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，還可去除10％總有機碳和12%~75%有機氮。在氨氮氧化過程中，當氯離子濃度大于250mg/L，電量0.07Ah/L時還可同步實現(xiàn)完全滅菌。將電化學耦合吸附技術用于強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，該強化技術對氨氮、有機碳和無機碳的去除效果均優(yōu)于單室電化學體系。
　　在對電化學單獨還原硝酸鹽的研究中發(fā)現(xiàn)

5、，陰極材料、反應器構造、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，其中碳氈陰極上硝酸鹽氮去除率最高（70%），其次為Cu90Ni10（58%）和Ti（8%），而碳氈和Ti陰極都表現(xiàn)出良好的耐腐蝕特性。雙室電化學體系對硝酸鹽氮的還原效果（70%）遠優(yōu)于單室體系（10%），說明陽離子隔膜對于屏蔽陰極還原和陽極氧化的相互作用至關重要。還原效率最優(yōu)的陰極電極電位應為-1.8V，還原

6、效率和還原產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的條件下，陽極氧化氨氮、陰極還原硝酸鹽和消毒作用可在電化學體系內同時進行。在最優(yōu)操作條件下，將該技術應用到二沉池出水中，在1.23Ah/L電量時可達到96%氨氮和36%硝酸鹽氮的去除，在0.072Ah/L電量時可100%滅活糞大腸桿菌。細菌的消毒過程無需外加消毒劑，且消毒過程中所產生的副產物濃度較低，對周圍環(huán)境的生物毒性極小。實驗結果說明該電化學

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)冬季達標排放的保障應急工藝。
　　氨氮的陽極氧化過程通過間接氧化產生的游離余氯來實現(xiàn)，可用準一級反應動力學描述，擬合的反應動力學常數模型與實驗值擬合度較好。硝酸鹽氮的還原作用發(fā)生在陰極表面，存在兩步還原機制，其去除動力學也可用準一級反應動力學描述。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現(xiàn)的。當硝酸鹽氮出現(xiàn)時，氨氮的