Pt-TiO2/Ti電催化氧化有機(jī)廢水的研究

彭 旭，楊宏波，裘群國(guó)，潘柯君，夏 帥，周 玲

（1.浙江藍(lán)天環(huán)保高科技股份有限公司，浙江 杭州 310018；2.中化藍(lán)天集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310051）

隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，環(huán)境狀況日趨堪憂，如何清潔、綠色地進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)成為擺在各個(gè)企業(yè)的主要問(wèn)題[1]。如今工業(yè)生產(chǎn)中，大量含鹵代烴的化工原料和催化劑的使用，其污染物不可避免地進(jìn)入水體，成為水體主要難降解污染物質(zhì)。由于其含有大量的鹵化物、重金屬，較低濃度就可導(dǎo)致生化活性受到抑制，嚴(yán)重的可導(dǎo)致活性污泥微生物死亡和生化系統(tǒng)的迅速崩潰。

由于一般的生化法難以去除此類(lèi)物質(zhì)，因此高級(jí)氧化技術(shù)隨之誕生。傳統(tǒng)的高級(jí)氧化技術(shù)如Fenton法、超臨界水氧化、光催化等存在藥劑消耗量過(guò)大、原料儲(chǔ)存不便，或者實(shí)際應(yīng)用困難等情況[2]。電化學(xué)法是一種綠色、高效、針對(duì)難降解有機(jī)廢水的處理方法，其具有占地面積小、操作方便簡(jiǎn)單，基本不出現(xiàn)其它污染的特點(diǎn)，此外不受溫度影響，對(duì)生化法是較有利的補(bǔ)充，因而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[3]。

本研究對(duì)于含較高的氨氮、COD的氟碳化工特征的有機(jī)廢水進(jìn)行探索，著重介紹該方法對(duì)廢水降解效果的影響，為該技術(shù)工程化應(yīng)用提供了一定參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 電催化氧化原理

電化學(xué)處理廢水可分為直接電解和間接電解兩大類(lèi)。直接電解通過(guò)在電極表面直接進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，其中陽(yáng)極發(fā)生直接氧化反應(yīng)，將污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒或低毒物質(zhì)，或者直接氧化為無(wú)機(jī)物；陰極發(fā)生電極表面還原反應(yīng)，從而達(dá)到削減污染物的目的[4]。

間接電氧化是指電極產(chǎn)生氧化還原性物質(zhì)作為廢水降解的反應(yīng)劑或催化劑，降解有機(jī)廢水中NH3-N、COD主要是水中氯離子在正極表面活化，形成有效余氯和活性氯，同時(shí)負(fù)極形成活性·O和·OH；這些活性物質(zhì)對(duì)水中NH3-N、COD進(jìn)行催化氧化，將其降解成小分子物質(zhì)以及CO2、

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

電催化氧化是發(fā)生在電極表面的多相反應(yīng)體系，其污染降解效率主要受界面反應(yīng)條件控制。本實(shí)驗(yàn)廢水從底部升流經(jīng)過(guò)電極板，電勢(shì)均勻，且底部有鼓泡設(shè)備，消除了濃差極化，有效提高了降解效率。

實(shí)驗(yàn)采用的電催化氧化設(shè)備裝置包括電解槽、鼓泡器、蠕動(dòng)泵（0～20 L/h）、電極組件（單極式5 陽(yáng)極 6 陰極）、直流穩(wěn)定電源（0～100 A、0～15 V）、各類(lèi)閥件與管路。電解槽為PP材質(zhì)（200 mm×150 mm×200 mm）， 鼓泡裝置采用可調(diào)節(jié)供氣設(shè)備。工作電極陽(yáng)極為Pt-TiO2/Ti電極（電極材料購(gòu)于蘇州某專(zhuān)業(yè)電極廠家），面體比為4.0 m2/m3，陰極為同樣尺寸的不銹鋼電極；廢水的試驗(yàn)參數(shù)、檢測(cè)方法以及結(jié)果均按國(guó)標(biāo)法測(cè)定。

1.3 工藝流程與進(jìn)水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)在環(huán)保站污水調(diào)節(jié)池的出水作為原水，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。廢水調(diào)節(jié)池前端為經(jīng)過(guò)預(yù)處理的生活污水與工業(yè)廢水，經(jīng)溢流管統(tǒng)一進(jìn)入調(diào)節(jié)池。實(shí)驗(yàn)廢水流程如圖1所示：

Fig 1 Wastewater treatment process flow chart圖1 廢水處理工藝流程圖

廢水用蠕動(dòng)泵由調(diào)節(jié)池出水管路打入反應(yīng)器中，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，使其HRT為60 min，調(diào)節(jié)電源輸出，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[6]，采用電流密度200 A/m2，來(lái)進(jìn)行催化氧化，考察其對(duì)氨氮、COD的去除效率，反應(yīng)器裝置示意圖與實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。

Fig 2 Schematic and physical drawings of electrocatalytic reactor圖2電催化反應(yīng)器裝置示意圖與實(shí)物圖

表1 實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)Table 1 The exprement of inlet water quality

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)NH3-N的去除效果

在實(shí)驗(yàn)設(shè)置條件下進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)，采用納氏試劑分光光度法對(duì)廢水進(jìn)出口氨氮進(jìn)行測(cè)定，降解效果見(jiàn)圖3。

調(diào)節(jié)池進(jìn)水氨氮在39.4～70 mg/L之間波動(dòng)，經(jīng)過(guò)60 min電催化氧化后，其數(shù)值穩(wěn)定在8 mg/L以下，達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，降解效率保持在90%左右，表明該電極對(duì)氨氮具有較好的降解效果。

Fig.3 The removal result of NH3-N by Pt-TiO2/Ti圖3 Pt-TiO2/Ti對(duì)NH3-N的去除效果

2.2 對(duì)COD的去除效果

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)廢水COD進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)；經(jīng)過(guò)60 min電催化氧化后，出水COD濃度穩(wěn)定在300 mg/L左右，降解效率始終在85%以上；經(jīng)過(guò)電氧化有效降低了有機(jī)負(fù)荷，減輕了后續(xù)生化系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，降解效果見(jiàn)圖4。

2.3 可生化性比較

分別對(duì)進(jìn)出水的BOD5濃度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比同時(shí)刻進(jìn)出水COD濃度發(fā)現(xiàn)：進(jìn)水的BOD5/COD比值約在0.1，可生化性較差，難以被生物降解；經(jīng)過(guò)電催化氧化后，出水BOD5/COD這一比值上升到0.4～0.6之間，可生化性明顯提高[7]。這一結(jié)果證明電催化氧化不僅可實(shí)現(xiàn)COD、BOD5的同步降解，同時(shí)較大限度地提高了廢水的可生化性，減輕了后續(xù)生化負(fù)荷[8]。進(jìn)、出水COD、BOD5以及可生化性見(jiàn)圖5。

Fig.4 The removal result of COD by Pt-TiO2/Ti圖4 Pt-TiO2/Ti對(duì)COD的去除效果

Fig.5 The removal result of COD by Pt-TiO2/Ti圖5 Pt-TiO2/Ti對(duì)COD的去除效果

3 結(jié)論

（1）電催化氧化法可用于濃度較高的COD、NH3-N，含氯有機(jī)廢水的處理，處理效果穩(wěn)定可靠，電解60 min后，其濃度分別低于380 mg/L（COD）、8 mg/L（NH3-N），可為工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支持。

（2）經(jīng)電催化氧化后，廢水BOD5/COD增加，可生化性明顯升高，對(duì)后續(xù)生化系統(tǒng)處理有著促進(jìn)作用。

（3）電催化氧化法比一般廢水處理方法具有更強(qiáng)的氧化還原能力，幾乎不消耗化學(xué)藥劑，適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，對(duì)于生物法難以處理的含氯有機(jī)物采用電化學(xué)法可取得良好的降解效果。