電絮凝法去除中水中的氨氮和總磷及機理探討

孟鋒 柴易達 楊敏鴿

摘 ? ? ?要：采用電化學絮凝法對中水中氨氮和總磷的去除效果進行了研究，并初步探討了反應機理。研究了以鋁、不銹鋼、鐵和銅作電極分別對中水進行了電絮凝處理，分析對比了四種電極在10～30 V的通電電壓和20～60 min通電時間下對氨氮和總磷的去除率。實驗結果表明：鋁電極在電壓20 V，通電時間40 min時，氨氮去除率達到82.7% ，總磷的去除率達到92.5%。鐵電極在電壓25 V，通電時間為50 min時，氨氮去除率達到77.7%，總磷去除率達到82.7%。不銹鋼電極在電壓25 V，通電時間60 min時，氨氮去除率達到86.1%，總磷去除率達到82.1%。銅電極在電壓25 V，通電時間50 min時，氨氮去除率達到63%，總磷去除率達到82.5%。除了電絮凝法產(chǎn)生的羥基絡合物可以去除中水中的氨氮和總磷，氨也可以直接在陽極失去3個電子而被氧化成N2，從而去除中水中的氨氮。

關 ?鍵 ?詞：中水;電絮凝;氨氮;電極材料

中圖分類號：X703.1 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）02-0283-04

Abstract： The removal effect of ammonia nitrogen and total phosphorus in reclaimed water by electrochemical flocculation method was studied， and the reaction mechanism was discussed. The electroflocculation treatment of reclaimed water with aluminum， stainless steel， iron and copper as electrodes was studied， the removal rates of ammonia nitrogen and total phosphorus were compared and analyzed under the energization voltage of 10～30 V and the energization time of 20～60 min. Experimental results showed that， when the aluminum electrode had a voltage of 20 V and a power-on time of 40 min， the ammonia nitrogen removal rate reached 82.7%， and the total phosphorus removal rate reached 92.5%. When the iron electrode was at a voltage of 25 V and the energization time was 50 min， the ammonia nitrogen removal rate reached 77.7%， and the total phosphorus removal rate reached 82.7%. When the stainless steel electrode had a voltage of 25 V and a power-on time of 60 min， the ammonia nitrogen removal rate reached 86.1%， and the total phosphorus removal rate reached 82.1%. When the copper electrode was at a voltage of 25 V and the energization time was 50 min， the ammonia nitrogen removal rate reached 63%， and the total phosphorus removal rate reached 82.5%. The hydroxy complex produced by electroflocculation can remove ammonia nitrogen and total phosphorus in reclaimed water， and ammonia can be oxidized to N2 by directly losing 3 electrons at the anode， thereby removing ammonia nitrogen in the water.

Key words： Reclaimed water; Electrocoagulation; Ammonia nitrogen; Total phosphorus; Electrode materia

水資源短缺已經(jīng)成為21世紀舉世矚目的全球性問題，同時水資源也是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和土地等資源開發(fā)的首要制約因素[1]。中水是國際公認的第二水源，但目前中水處理后應用的一個主要問題還是氨氮和總磷含量過高，而這部分物質(zhì)在太陽光的照射下會滋生大量的微生物使水體發(fā)臭，在硝化細菌的作用會轉化成硝酸和亞硝酸，從而影響中水的回用[2]。目前脫氮除磷的方法主要有化學法，物化法和生物法，雖然各有特點，但都不同程度的存在設備昂貴、運行費用高、能耗高、易造成二次污染等問題[3]。

相比于傳統(tǒng)的水處理技術，電化學絮凝在外電場的作用下，金屬陽極氧化生成金屬陽離子，經(jīng)過水解和聚合生成具有凝聚和吸附作用的氫氧化物，以此來去除水中的污染物，因為不引入其他化學物質(zhì)，電化學絮凝是一種環(huán)境友好型的處理方法[4，5]。同時研究[6]表明，電絮凝產(chǎn)生的多核羥基化合物對水中的磷有較好的吸附效果。Ikematsu等[7]研究了PtIr合金和鐵作為電極對源分離尿液的脫氮除磷。FENG等[8]等將通直流電的鐵電極和通脈沖電源的Ti/RuO2電極結合，處理生活污水和景觀水體中的氨氮和總磷，而去除率幾乎都達到了90%。Bayramoglu M等[9]研究了鐵、鋁兩種電極在串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式下對紡織廢水的COD和濁度的去除效果，發(fā)現(xiàn)相比于鋁電極pH為5的最優(yōu)條件，鐵電極在單極并聯(lián)模式，電流密度30 A/m2，電解時間15 min，pH為7下，鐵電極具有更優(yōu)的成本效益。Wei等[10]研究了在鐵作陽極時，鋼絲絨，鐵板，不銹鋼三種材料作陰極處理含偶氮酸黑1、蒽醌活性藍4和氧雜蒽伊紅黃的廢水，發(fā)現(xiàn)鋼絲絨比鐵板和不銹鋼作陰極處理廢水的速度快1.8～4.4倍，處理12 min脫色效率達到98%。EYVAZ M等[11]研究了用鋁電極和交流電處理染料廢水的效果。研究發(fā)現(xiàn)，通電時間越長處理效果越好，且相同條件下交流電比直流電的運行成本低30%。

本文通過電化學絮凝法對中水進行脫氮除磷，對比了鋁、鐵、不銹鋼和銅4種金屬作為電極材料，以及相同電極下不同通電時間和通電電壓對脫氮除磷效果的影響，為電化學處理凈化中水積累基礎數(shù)據(jù)。

1 ?實驗部分

1.1 ?試劑與儀器

實驗所用的中水為西安工程大學污水處理系統(tǒng)的中水，NH4+-N含量為2.7 mg/L，總磷含量為0.4 m/gL，pH為6～7。電化學絮凝所用的電源為MPS-3005L-3型直流電源，產(chǎn)自深圳市麥威儀器有限公司。

1.2 ?電絮凝實驗

取中水300 mL于燒杯中，測定4種不同的電極材料在一定電壓下對原水電解絮凝一定時間后的氨氮和總磷濃度，電解槽容積為500 mL，板間距1 cm，極板有效面積為10 cm2，絮凝后將水樣過濾，測定上清液中氨氮和總磷的濃度。

1.3 ?測定方法

1.3.1 ?氨氮的測定

水樣中的氨氮采用氨氮試劑盒測定法。取一支干凈的比色管，加待測水樣至刻度線，加入氨氮試劑（Ⅰ），搖勻溶解后放置2 min，加入氨氮試劑（Ⅱ），溶解后放置15 min，將比色管與比色卡進行對照。

1.3.2 ?總磷的測定

水樣中的總磷采用總磷測定試劑盒檢測法。取一支比色管，加待測水樣至刻度線，加入總磷試劑（Ⅰ），搖勻30 s后加入總磷試劑（Ⅱ），搖勻溶解后放置10 min，將比色管與比色卡進行對照。

2 ?結果與討論

2.1 ?鋁電極的通電時間和電壓對去除率的影響

鋁電極在不同通電時間和電壓下對去除率的影響結果如圖1所示。

可以看到，在電壓保持20 V時，隨著反應時間的增加，氨氮和磷的去除率都在增大，在電解40 min時達到最大;氨氮的去除率為82.7%，磷的去除率為92.5%，隨后再增加反應時間氮磷的去除率不再變化。這是因為隨著電解時間的增加電解產(chǎn)生的Al3+逐漸增多，因此Al3+水解、絡合后的羥基絡合物和Al（OH）3也增多，增強了絮凝效果，使去除率增大[12]。但是電解一定時間后，會產(chǎn)生過多的Al3+，因大量不溶物質(zhì)包裹膠粒，使膠粒失去吸附活性出現(xiàn)陽極鈍化現(xiàn)象，這樣增加了電極的電阻，從而導致了絮凝性能下降、電化學反應發(fā)生緩慢，所以在一定時間內(nèi)去除率達到最大值后會趨于平衡。因此，確定40 min為最佳反應時間。

電解時間影響Al3+產(chǎn)生的速率和氨氮與羥基鋁化物的接觸時間[13];電壓影響電解過程中羥基鋁化物的產(chǎn)生量、氣泡的產(chǎn)生速率以及羥基鋁化物與氨氮和磷的混合[14]。所以保持通電時間40 min，改變電壓，可以看出，在通電時間一定的情況下，氨氮和磷的去除率隨電壓的增大而逐漸增大，氨氮的去除率在20 V時達到82.7%，磷的去除率在15 V時達到最好為92.5%，并且達到平衡。為了使氨氮和磷的去除率都達到最優(yōu)，電壓應選擇20 V。因此采用鋁電極，電壓應選擇20 V，通電時間40 min。

2.2 ?鐵電極的通電時間和電壓對去除率的影響

鐵電極在不同電壓和通電時間下對去除率的影響如圖2所示?？梢钥闯?，隨著通點電壓的增加，氨氮和磷的去除率在增大，在通電40 min，電壓25 V時，氨氮的去除率為77.7%，磷的去除率為82.7%。

由此可見，隨著通電電壓的增大，羥基絡合物和Al（OH）3在增多，絮凝量也越大，去除率就越高，達到一定電壓后去除率就趨于平衡，因此，對于鐵電極確定25 V為最佳通電電壓。

保持通電電壓25 V，改變通電時間，可以看出，在25 V電壓下，隨著通電時間的增大，氨氮和磷的去除率都逐漸增大，在通電50 min時，氨氮和磷的去除率都達到了82.5%。因此確定鐵電極的電壓25 V，通電時間50 min。

2.3 ?不銹鋼電極通電時間和電壓對去除率的影響

不銹鋼電極在不同電壓和通電時間對去除率的影響見圖3。在通電50 min下，隨著通電電壓的增大，氨氮和磷的去除率逐漸增大，在20 V時磷的去除率為82.1%，并不再隨電壓的增加而變化，在25 V時氨氮的去除率達到了82.2%，也同樣趨于穩(wěn)定，因此確定最佳通電電壓為25 V。

保持25 V通電電壓改變通電時間，可以看出，隨著通電時間的增大，氨氮和磷的去除率都逐漸增大，在通電時間30 min時，磷的去除率達到82.1%，而氨氮的去除率在60 min時達到86.1%，因此確定不銹鋼電極的電壓為25 V，通電時間60 min。

2.4 ?銅電極的通電時間和電壓對去除率的影響

銅電極在不同通電時間和電壓對氮磷去除率見圖4?？梢钥闯觯谕姇r間都為50 min時，隨著通電電壓的增大，氨氮和磷去除率逐漸增大，在25 V時趨于平穩(wěn)，氨氮的去除率達到63%，磷的去除率達到82.4%。

在25 V電壓下改變通電時間，可以看到隨著通電時間的增加，氨氮和磷的去除率都逐漸增大，在40 min時氨氮的去除率最先達到平衡，為63%，磷的去除率在50 min時達到平衡，為82.5%，因此采用銅電極的通電電壓為25 V，通電時間為50 min。

3 ?電絮凝脫氮除磷機理的初步探討

電絮凝法去除對中水中少量氨氮和總磷的機理主要歸結于鋁或鐵等金屬在電解時陽極產(chǎn)生的AL3+，F(xiàn)e2+，Cu2+，這些陽離子具有極強的活性，在水中形成多種單核水解產(chǎn)物，由于單核水解產(chǎn)物產(chǎn)生的縮合作用，又生成一系列多核水解產(chǎn)物， 最終形成表面含有羥基的高分子線形物，這些水解產(chǎn)物對促進絮凝有著重要的作用。但在反應時陽極周圍產(chǎn)生大量氣泡，所以推測陽極通過直接的電解反應也可以使污染物氧化直接氧化，例如氨可以直接在陽極失去3個電子而被氧化成N2[15]。

NH3 + 3OH- → 1/2N2 ↑ + 3H2O + 3e-

4 ?結 論

（1）以鋁、銅、不銹鋼和鐵作電極分別對中水中所含有的氨氮和總磷進行電絮凝處理，發(fā)現(xiàn)均有明顯的去除效果。根據(jù)氨氮總磷的去除率和電絮凝所需的能耗，鋁電極的去除率最高，且能耗最小。

（2）電絮凝對中水中的氨氮和總磷的去除率均隨著通電電壓和通電時間的增大而增大，鋁電極在電壓20 V，通電時間40 min時，對氨氮的去除率達到82.7%，對總磷的去除率達到92.5%。

（3）中水中氨氮和總磷的去除不僅因為陽極產(chǎn)生的金屬離子在水解絡合后產(chǎn)生了羥基絡合物，還因為氨可以直接在陽極失去3個電子而被氧化成N2。

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