電化學氧化法處理化肥廢水工藝研究

邵桂霞，本蓮芳

(1.青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海 格爾木 816000；2.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院 石油化學工程系，甘肅 蘭州 730060)

水是人類賴以生存和發(fā)展的自然資源,也是國家可持續(xù)發(fā)展的重要條件。我國是耗水及排水大國，也是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)增長和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的提高對化肥的依賴程度日益增強，據(jù)統(tǒng)計，我國每年化肥施用量約占全球化肥使用量的1/3，大量未經(jīng)完全處理的化肥廢水排入水體導致水中氮、磷、鉀含量增加，造成河流湖泊的富營養(yǎng)化[1]；同時，水體中的氨氮會被氧化生成硝酸鹽和亞硝酸鹽，影響水生生物甚至人類健康。氨氮廢水處理主要采用吹托法、反滲透、化學沉淀法、折點加氯法、生物反硝化法等[2]。與其它水處理方法相比，電化學氧化技術(shù)具有成本低、效率高、不會或很少產(chǎn)生二次污染、易實現(xiàn)自動化操作等優(yōu)點，越來越受到研究者的關(guān)注[3]。目前該技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于處理印染廢水[4]、制革廢水[5]、含酚廢水[6-7]、垃圾滲濾液[8]等一些高濃度氨氮廢水[9]。本文在總結(jié)已有化肥廢水處理技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用電化學氧化法處理化肥廠高濃度氨氮廢水，研究電流密度、氯離子濃度、反應(yīng)pH值等參數(shù)對氨氮去除率的影響，優(yōu)化實驗條件，為電化學氧化技術(shù)在化肥廢水處理中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

圖1 電化學實驗裝置示意圖

電化學實驗裝置由電解槽、電極、穩(wěn)壓電源、磁力攪拌器組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。電解槽采用500 mL的玻璃燒杯，陽極采用Ti/RuO2-IrO2,陰極采用石墨板，電極的面積為5 cm×5 cm,整個氧化過程采用恒電流操作。

1.2 實驗方法

試驗用高濃度氨氮廢水采用去離子水和(NH4)2SO4配制，氨氮的質(zhì)量濃度為2000 mg/L；利用NaCl調(diào)節(jié)廢水中Cl-的濃度；利用NaOH和H2SO4調(diào)節(jié)溶液pH值，反應(yīng)時間為120min。試驗過程中，每隔30min測量1次氨氮含量，氨氮去除率采用下式計算：

式中：C0-氨氮的初始濃度，mg /L；Ct-電解時間為t 時刻的氨氮濃度，mg/L。

1.3 檢測方法

試驗中氨氮的測定采用納氏試劑光度法；總氮采用過硫酸鉀氧化，使有機氮和無機氮化合物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽后再以紫外分光光度法測定；氯離子采用離子色譜法測定；pH值用PHB-4 便攜式pH 計測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度對氨氮去除率的影響

用去離子水配制500 mL的高氨氮化肥廢水，其氨氮含量為2000 mg/L，Cl-濃度為4000 mg/L。在恒電流條件下電解120min，每隔20min取樣一次，考察了電流密度對廢水中氨氮去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖可以看出，當電流密度低于40mA/cm2時，氨氮的去除率非常低，不足20%。隨著電流密度的增加，在相同的反應(yīng)時間內(nèi)氨氮的去除效率明顯增加，這主要是由于電流密度增大時，電極電勢增高，電子在電極和廢水之間的轉(zhuǎn)移速率加快,Cl-產(chǎn)生的具有強氧化性的物質(zhì)次氯酸鹽隨之增多，相應(yīng)電化學氧化能力增強[9]。但當電流密度超過60mA/cm2時，氨氮去除速率增加不明顯，這是因為電流密度過高時，電極容易發(fā)生鈍化，且電解液溫度升高過快，導致能耗增加。綜合考慮氨氮去除率、能耗，電流密度選擇60mA/cm2最佳。

圖2 電流密度對氨氮去除率的影響

2.2 極板間距對氨氮去除率的影響

圖3 極板間距對氨氮去除率的影響

圖3為極板間距對氨氮去除率的影響。從圖可以看出，減小極板間距有利于氨氮的去除，這是因為極板間距越小，極板間電場強度越大，在極板表面產(chǎn)生的次氯酸根(ClO-) 等氧化劑遷移速率越大，越有利于氨氮的去除。但是，如果極板間距過小，陽極表面會產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，能耗增大，溶液的濃度極化嚴重，電解效率降低。相反，當極板間距增大到40mm時，氨氮氧化速率有所降低，這是因為極板間距增大，板間電阻增大，電能消耗提高，電解效率下降[3]?？紤]實際安裝條件，極板間距也不宜太小，本實驗選擇極板間距為20mm。

2.3 氯離子含量對氨氮去除率的影響

用去離子水配制500 mL氨氮含量為2000 mg/L模擬化肥廢水，在電流密度為60 mA/cm2，極板間距為20 mm，改變?nèi)芤褐新入x子濃度進行實驗，結(jié)果如圖4所示。從圖可以看出，隨著氯離子濃度的增加,氨氮的去除率明顯提高，這是因為溶液中的C1-在陽極被氧化產(chǎn)生大量強氧化性物質(zhì),如氯氣、次氯酸或者次氯酸根等,這些物質(zhì)均對氨氮有氧化作用；但是隨著氯離子濃度的進一步增大,氨氮的去除率提高并不明顯，考慮到氯離子的添加將加大處理的藥劑成本，且出水的鹽度過高，對后續(xù)處理或受納水體造成負擔，因此,Cl-的質(zhì)量濃度控制在4000 mg/L。

圖4 氯離子濃度對氨氮去除率的影響

2.4 pH值對氨氮去除率的影響

以Ti/RuO2-IrO2電極為陽極，石墨板為陰極，用去離子水配制500 mL氨氮含量為2000 mg/L、Cl-濃度為4000 mg/L的模擬廢水，在電流密度為60mA/cm2，電極間距25 mm的條件下，用NaOH 和H2SO4溶液調(diào)節(jié)水樣的pH 值，氨氮的去除率如圖5所示。從圖5可以看出，隨著pH 值的增大，氨氮的去除率逐漸增加。廢水中氨氮的去除主要以間接電化學氧化為主，在酸性條件下，電解產(chǎn)生的氯氣較容易逸出，只有在弱堿性條件下才會產(chǎn)生Cl-→Cl2→ClO-→Cl-的氧化還原循環(huán)，使氯得到有效利用,不會因逸出液面造成損失和二次污染環(huán)境。而在強堿性條件下,會導致在陽極上部分產(chǎn)生ClO3-離子，該離子較穩(wěn)定反應(yīng)活性不高，使氧化效率降低。因此,為保證氯氣和次氯酸鹽的有效生成和利用，體系的pH 值應(yīng)控制在弱堿性。

圖5 溶液pH值對氨氮去除率的影響

3 結(jié)論

電化學氧化法是一種綠色的高級氧化技術(shù)，利用電化學間接氧化技術(shù)可以有效的去除化肥廢水中的氨氮，通過對電極過程的理論分析和實驗,確定的最佳工藝條件為電流密度為60mA/cm2，極板間距為20mm，氯離子的質(zhì)量濃度為4000 mg/L，初始pH 值為9～11的弱堿性。在上述條件下，對于初始氨氮濃度為2000 mg/L的廢水，反應(yīng)120min后，出水的氨氮濃度將至266.2 mg/L，去除率達到86.7%。在電化學氧化法處理高氨氮廢水的實際應(yīng)用中，考慮其經(jīng)濟可行性，應(yīng)與它處理技術(shù)并用，在保證去除率的情況下，盡量減小電化學氧化的能耗，提高電流效率。