對(duì)污水處理廠尾水的電化學(xué)脫氮技術(shù)研究

文_陳逸致 北海市紅坎污水處理有限責(zé)任公司

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水與試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選擇了某地應(yīng)用Unitank工藝的污水處理廠排放口出水，該污水處理廠出水水質(zhì)執(zhí)行國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、處理規(guī)模為4×104m3·d-1，表1為該污水處理廠尾水水質(zhì)。試驗(yàn)采用了由PE材質(zhì)制作的510mm×810mm×910mm尺寸裝置，該裝置采用電位在1.6～1.8V的自制多元金屬氧化物涂層鈦基質(zhì)平板電極作為內(nèi)部電極，陰陽極板間距為5cm，極板間裝填由活性炭和含有銀、銅、鐵、錳等等金屬固體顆粒組成的催化填料。

表 1 污水處理廠尾水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程處理水量為5～10m3·d-1，開展連續(xù)運(yùn)行以滿足試驗(yàn)需要，為保證試驗(yàn)結(jié)果受到吸附作用影響，試驗(yàn)裝置在未通電前需先用原水浸泡催化顆粒填料（極板間），試驗(yàn)正式開始后需接通試驗(yàn)裝置電源并通過調(diào)節(jié)使輸出電壓（穩(wěn)壓直流電源）達(dá)到預(yù)定值，在通過水泵和流量計(jì)后，試驗(yàn)用尾水將注入催化電氧化反應(yīng)器，由此定時(shí)取樣并開展TN去除效果分析，即可驗(yàn)證電化學(xué)脫氮技術(shù)應(yīng)用效果。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)分析及方法

試驗(yàn)采用2009年中國環(huán)境科學(xué)出版社出版的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中記載的污水水質(zhì)指標(biāo)及測(cè)定分析方法，采用納氏試劑光度法進(jìn)行氨氮的測(cè)定、HACH COD快速測(cè)定儀（HACH DR-200型）用于COD測(cè)定、酚二磺酸光度法用于NO3--N測(cè)定、過硫酸鉀分光光度法用于TN測(cè)定，YSI、HANA、WTW傳感器負(fù)責(zé)DO、ORP、pH的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，YSI-Pro2030DO型號(hào)的便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀用于電導(dǎo)率檢測(cè)，酸堿指示劑滴定法負(fù)責(zé)堿度測(cè)定、氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀負(fù)責(zé)有機(jī)污染物測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與探討

2.1 電流密度影響

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，筆者首先就電化學(xué)脫氮技術(shù)應(yīng)用中電流密度帶來的影響展開分析，分析以TN去除效果為依據(jù)，試驗(yàn)過程中pH值為6.0左右、尾水進(jìn)水流量為6m3·d-1，尾水的TN含量則處于23.5～27.1mg·L-1區(qū)間，每12h取樣一次、連續(xù)運(yùn)行5d，圖1為電流密度影響示意圖。結(jié)合圖1開展分析不難發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器極板電流密度為10.67mA·cm-2、16.00mA·cm-2、32.67mA·cm-2、63.33mA·cm-2時(shí)，TN去除效果存在明顯差異，其中16.00mA·cm-2時(shí)TN去除率為33.0%，63.33mA·cm-2時(shí)去除率則為53.2%，TN去除效果總體上呈現(xiàn)出隨陽極電流密度增加而增加的趨勢(shì)，這是由于催化氧化還原性能（電極板和固體催化填料）隨著電流密度的提高而提升，考慮到電力浪費(fèi)，為提升電流的有效利用率，本文將32.67mA·cm-2定為最佳電流密度。

圖1 電流密度影響示意圖

2.2 進(jìn)水pH值變化影響

在尾水進(jìn)水流量為6m3·/d-1、進(jìn)水TN平均值為26.40mg·L-1、電流密度為32.67mA·cm-2時(shí)開展試驗(yàn)，可得出圖2所示的進(jìn)水pH值影響示意圖，結(jié)合該圖可直觀發(fā)現(xiàn)進(jìn)水pH值與電化學(xué)脫氮技術(shù)TN去除效果存在的一定聯(lián)系，但該值對(duì)電化學(xué)脫氮技術(shù)TN去除效果的影響較小。深入分析不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)電化學(xué)脫氮技術(shù)處理后的污水處理廠尾水出水pH值均處于6.18～7.10之間，而當(dāng)尾水進(jìn)水的pH值小于5時(shí)，電化學(xué)脫氮技術(shù)處理后尾水的TN去除率出現(xiàn)小幅度提高，而當(dāng)尾水進(jìn)水的pH值大于5時(shí)，電化學(xué)脫氮技術(shù)處理后尾水的TN去除率則出現(xiàn)了一定程度下降，但進(jìn)水pH值變化帶來的TN去除率上升與下降并不明顯，且催化電氧化反應(yīng)器具備調(diào)節(jié)出水pH值的能力，這正是試驗(yàn)得到的出水pH值均處于6.18～7.10之間的原因，而考慮到電化學(xué)脫氮技術(shù)尾水處理成本，試驗(yàn)過程不對(duì)該pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 進(jìn)水pH值影響示意圖

2.3 水力停留時(shí)間影響

在進(jìn)水pH值處于6.25～7.02區(qū)間、進(jìn)水TN平均值為26.40mg·L-1、電流密度為32.67mA·cm-2時(shí)開展試驗(yàn)，試驗(yàn)主要圍繞15、30、60、90min的水力停留時(shí)間展開，隨著水力停留時(shí)間的增大，電化學(xué)脫氮技術(shù)TN去除效果提升明顯，這種情況的出現(xiàn)是由于電化學(xué)脫氮技術(shù)去除尾水中TN并非是一個(gè)瞬間過程，TN的去除需要一定時(shí)間，而隨著水力停留時(shí)間的延長，固體催化顆粒填料與尾水中污染物質(zhì)的接觸更為充分，電場(chǎng)中的停留時(shí)間也因此大幅延長，這些便使得水力停留時(shí)間的延長最終提升了電化學(xué)脫氮技術(shù)TN去除率，TN的氧化分解可能性增強(qiáng)是這種情況出現(xiàn)的最本質(zhì)原因。但值得注意的是，雖然延長水力停留時(shí)間可保證電化學(xué)脫氮技術(shù)更好發(fā)揮自身TN去除效果，但如果水力停留時(shí)間超過一定限值，副反應(yīng)加劇情況很容易因此出現(xiàn)，電化學(xué)脫氮技術(shù)的電流效率也會(huì)因此降低，水力停留時(shí)間超過1h后TN去除率的變化放緩便與副反應(yīng)加劇存在直接聯(lián)系，因此試驗(yàn)最終確定了30min為最佳水力停留時(shí)間。

2.4 相關(guān)探討

結(jié)合上述試驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用電化學(xué)脫氮技術(shù)的某地污水處理廠尾水處理中，26.40mg·L-1的進(jìn)水TN平均值、6.25～7.02區(qū)間的進(jìn)水pH值、32.67mA·cm-2的反應(yīng)器極板電流密度、30min的水力停留時(shí)間可保證電化學(xué)脫氮技術(shù)最大化自身效用發(fā)揮，其NH3-N去除率可達(dá)54.9%，而NO3--N的去除率則能夠達(dá)到72.8%，由此可見電化學(xué)脫氮技術(shù)在污水處理廠尾水總氮去除方面具備的優(yōu)異表現(xiàn)，而結(jié)合上述參數(shù)開展試驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)電化學(xué)脫氮技術(shù)的應(yīng)用成本主要為電能消耗，每1m3污水處理廠尾水的電化學(xué)脫氮技術(shù)處理耗電為0.3kW·h，且這一過程可脫去0.018kg的尾水中TN，因此污水處理廠尾水TN的處理耗電為16.7kW·h/kg，相較于離子交換脫氮、生物脫氮等技術(shù)，電化學(xué)脫氮技術(shù)的污水處理廠尾水TN處理具備運(yùn)行費(fèi)用低、效率高、方法簡(jiǎn)單、運(yùn)行溫度特點(diǎn)，電化學(xué)脫氮技術(shù)應(yīng)用價(jià)值得到了更為直觀證明。此外，電化學(xué)脫氮技術(shù)開展的尾水處理還具備出水水質(zhì)偏中性、無須調(diào)節(jié)反應(yīng)器進(jìn)水pH值、可實(shí)現(xiàn)低C/N條件下的高效脫氮等特點(diǎn)，這些均能夠較好證明電化學(xué)脫氮技術(shù)具備的較強(qiáng)尾水處理能力。

3 結(jié)論

綜上所述，電化學(xué)脫氮技術(shù)可較好服務(wù)于污水處理廠尾水處理，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的試驗(yàn)用水與試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)方法、水質(zhì)指標(biāo)分析及方法、電流密度影響、進(jìn)水pH值變化影響、水力停留時(shí)間影響等內(nèi)容，則提供了可行性較高的電化學(xué)脫氮技術(shù)應(yīng)用路徑，而為了更好發(fā)揮該技術(shù)效用，圍繞生物電化學(xué)技術(shù)、BES脫氮反應(yīng)器開展的相關(guān)研究必須得到重視。