電化學(xué)氧化法處理高濃度氨氮廢水的實驗研究

袁芳 范洪波 代晉國

(1．華南理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510000;2．東莞理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞 523808;3．中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

電化學(xué)氧化法處理高濃度氨氮廢水的實驗研究

袁芳1范洪波2代晉國3

(1．華南理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510000;2．東莞理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞 523808;3．中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

采用電化學(xué)氧化對模擬高氨氮廢水進(jìn)行預(yù)處理，考察了不同電極材料、電流密度、氯離子濃度和pH值等因素對氨氮去除效果的影響。研究結(jié)果表明，高電流密度和氯離子濃度有利于氨氮的去除，試驗得到的適宜電解氧化條件為：電流密度15 mA/cm2，氯離子濃度4 000 mg/L，采用Ti/RuO2－IrO2電極為陽極，電解2h。當(dāng)初始氨氮濃度為500 mg/L時，氨氮去除率可達(dá)99.9%。

電化學(xué)氧化;氨氮去除;電流密度

氨氮是指水中以游離氨 (NH3)和銨離子 (-N)形式存在的氮。氨氮主要來源于生活污水中含氮有機(jī)物受微生物作用的分解產(chǎn)物，焦化合成氨等工業(yè)廢水，以及農(nóng)田排水等［1］。氨氮含量較高時，會造成地表水體的富營養(yǎng)化，對魚類呈現(xiàn)毒害作用，對人體也有不同程度的危害。因此，去除廢水中的氨氮對水體保護(hù)十分重要。國內(nèi)外去除氨氮的方法主要有氨吹托法、反滲透、化學(xué)沉淀法、折點加氯法、生物反硝化法等［2］，這些方法各有其優(yōu)缺點。

近年來，電催化氧化技術(shù)處理難降解廢水在國內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注，能有效地去除廢水中的氨氮和難降解有機(jī)物。自20世紀(jì)70年代以來，電化學(xué)氧化技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于處理印染廢水［3］、制革廢水［4］、含酚廢水［5］、垃圾滲濾液［6］等一些高濃度氨氮廢水。本文采用電化學(xué)氧化法處理模擬氨氮廢水，研究關(guān)鍵參數(shù)條件對氨氮去除的影響，優(yōu)化電化學(xué)氧化的實驗條件，為電化學(xué)氧化技術(shù)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與裝置

實驗裝置如圖1所示，主要包括：①電解反應(yīng)槽，為自制的有機(jī)玻璃反應(yīng)器，尺寸為10 cm×10 cm×13 cm;②反應(yīng)極板，陰極為鈦電極，陽極為Ti/RuO2-IrO2電極等，其規(guī)格都為10 cm×10 cm，實際使用面積為10 cm×8 cm;③穩(wěn)壓直流電源;④六聯(lián)磁力攪拌器。

圖1 電化學(xué)實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實驗方法

模擬廢水由去離子水加NH4Cl或 (NH4)2SO4配置，用NaCl調(diào)節(jié)Cl－濃度，實驗用水量為900mL。考察電流密度、氯離子濃度、不同電極材料、初始pH值等對氨氮去除效率的影響。

1.3 分析方法

實驗中氨氮的測定用鈉氏試劑光度法，pH值用PHB-4便攜式pH計測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮的直接氧化效果

實驗中，選取電極間距為2 cm，電流密度為10 mA/cm2，以Ti/RuO2-IrO2電極為陽極，Ti板為陰極。用硫酸銨進(jìn)行配水，溶液中無氯離子，研究氨氮的直接氧化效果，結(jié)果如圖2所示。

圖2 氨氮直接電化學(xué)氧化效果

從圖2可看出，隨著電解時間的延長，氨氮濃度基本沒有發(fā)生變化。可見，氨氮的直接氧化效果不理想，氨氮的去除主要依靠間接氧化。

2.2 電流密度對氨氮去除效率的影響

選取極板間距2 cm，氯離子濃度3 000 mg/L，采用Ti/RuO2-IrO2電極為陽極，氨氮初始濃度約500 mg/L，改變電流密度，分別電解3 h，對不同時間氨氮的濃度進(jìn)行測定，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 電流密度對氨氮去除的影響

圖3表明，電流密度對氨氮的去除影響較大。隨著電流密度的增加氨氮的去除效率明顯增加，氨氮的氧化速率也隨之增大。這是由于電流密度增大時，電極電勢增高，Cl－產(chǎn)生的具有強(qiáng)氧化性的物質(zhì)隨之增多，相應(yīng)電化學(xué)氧化能力增強(qiáng)［7］。

綜合考慮氨氮的去除率、電流效率、處理時間和能耗等，電流密度為15 mA/cm2時效果最佳。故后續(xù)實驗均選用電流密度為15 mA/cm2的條件下，考察其他因素對氨氮去除的影響。

2.3 Cl－濃度對氨氮去除效率的影響

由于間接氧化在電化學(xué)氧化過程中起著重要作用，以此Cl－濃度必然是影響氨氮去除效率的一個重要因素。Cl－在電化學(xué)氧化過程中可生成強(qiáng)氧化劑ClO－，將有機(jī)物、氨氮等氧化。以Ti/RuO2-IrO2電極為陽極，氨氮初始濃度500 mg/L，電流密度15 mA/cm2，電極間距2 cm，氨氮的去除效果見圖4。

圖4 氯離子濃度對氨氮去除的影響

由圖4可見，Cl－濃度對氨氮的去除影響明顯，隨著Cl－濃度的增加，氨氮去除率增大，這同時也說明間接氧化在氨氮的去除過程中起著主導(dǎo)作用。

2.4 不同電極材料對氨氮去除效率的影響

氨氮初始濃度500 mg/L，Cl－濃度為4 000 mg/L，電流密度15 mA/cm2，電極間距2 cm，比較Ti/RuO2-IrO2、Ti/IrO2-TaO2、Ti/PbO2三種陽極材料對氨氮的去除效率，結(jié)果見圖5。

圖5 不同陽極材料對氨氮去除的影響

圖6 pH值對氨氮去除的影響

圖5表明，三種電極材料對氨氮的去除率效：Ti/RuO2-IrO2＞Ti/PbO2＞Ti/IrO2-TaO2。

2.5 不同pH值對氨氮去除效率的影響

以Ti/RuO2-IrO2電極為陽極，氨氮初始濃度500 mg/L，Cl－濃度為4 000 mg/L，電流密度15 mA/cm2，電極間距2cm，用NaOH和H2SO4調(diào)節(jié)水樣于不同的pH值，電解2h，氨氮的去除效果見圖6。由圖6可見，初始pH值對氨氮的去除效率影響不大，但堿性條件下氨氮的去除效果略好于酸性條件。在酸性條件下，電解產(chǎn)生的氯氣較容易逸出，而堿性條件下，氯氣的溶解度增加，從而加快了氨氮的氧化。同時，堿性環(huán)境下的氨氮部分容易轉(zhuǎn)化成氨氣而直接逸出。

3 結(jié)論

電化學(xué)氧化法能有效去除氨氮。在有Cl－存在時，電化學(xué)氧化以間接氧化為主，其直接氧化效果不明顯。Ti/RuO2-IrO2電極的處理效果優(yōu)于Ti/IrO2-TaO2和Ti/PbO2電極。高Cl－濃度和高電流密度有利于氨氮的氧化。當(dāng)氨氮濃度為500 mg/L時，適宜的電化學(xué)氧化條件是：Cl－濃度4 000 mg/L，電流密度15 mA/cm2，pH為中性，在此條件下，以Ti/RuO2-IrO2電極為陽極，氨氮的去除率可達(dá)99.9%。

［1］徐麗麗，施漢昌，陳金鑾．Ti/RuO2-TiO2-IrO2-SnO2電極電解氧化含氨氮廢水［J］．環(huán)境科學(xué)，2007，28(9)：2009－2013．

［2］魯劍，張勇，吳盟盟，等．電化學(xué)氧化法處理高氨氮廢水的試驗研究［J］．安全與環(huán)境工程，2010，17(2)：51－53．

［3］劉占孟．電催化氧化處理染料廢水實驗研究［D］．湘潭：湘潭大學(xué)，2004．

［4］Sundarapandiyan S，Chandrasekar R，Ramanaiah B，et al．Electrochemical oxidation and reuse of tannery saline wastewater［J］．Jourmal of Hazardous Materials，2010，180：197 －203．

［5］Ma H Z，Zhang X H，Ma Q L，et al．Electrochemical catalytic treatment of phenol wastewater［J］．Jourmal of Hazardous Materials，2009，165：475－480．

［6］Zhang H，Li Y l，Wu X G，et al．Application of response surface methodology to the treatment landfill leachate in a tree-dimensional electrochemical reactor［J］．Waste Management，2010，30：2096 － 2102．

［7］李庭剛，陳堅．電化學(xué)氧化法處理高濃度垃圾滲濾液的研究［J］．上海環(huán)境科學(xué)，2003，22(12)：892－897．

An Experimental Study of Electrochemical Oxidation of High Concentrations of Ammonia

YUAN Fang1FAN Hong-bo2DAI Jin-guo3
(1．School of Environmental Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510000，China;2．College of Chemistry and Environmental Engineering，Dongguan University of Techology，Dongguan 523808，China;3．Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China)

By choosing electrochemical oxidation of simulated high strength ammonia wastewater，and investigating the effects on ammonia removal of different electrode materials，current density，chloride concentration and ph and other factors，the experiment shows that high current density and chloride concentration profit for the removal of ammonia nitrogen．Electrolytic oxidation condition goes as follows：current density is 15 mA/cm2and chloride concentration is 4 000 mg/L using Ti/RuO2-IrO2electrode as the anode．When the initial ammonia concentration is 500 mg/L，after electrolysis for 2 hours，ammonia nitrogen removal rate will be up to 99.9%．

electrochemical oxidation;ammonia removal;current density

X703

A

1009－0312(2011)05－0099－04

2011－07－08

袁芳 (1987—)，女，江西臨川人，碩士生，主要從事水污染控制研究。