電催化氧化在氨氮高鹽廢水處理中的應(yīng)用分析

魏立新

（山東睿鷹制藥集團(tuán)有限公司，山東 菏澤 274000）

1 氨氮高鹽廢水處理的必要性

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度很快，化學(xué)行業(yè)和制藥行業(yè)都在不斷發(fā)展，導(dǎo)致氨氮高鹽廢水的排放量不斷增加，而采用傳統(tǒng)的處理方法，無法全面清除污水中的氮，導(dǎo)致水中氮含量增加，使水體被污染的同時(shí)，出現(xiàn)了水體的富營(yíng)養(yǎng)化，影響了周邊的水質(zhì)。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，由于傳統(tǒng)的污水處理方法成本比較高，使一些企業(yè)將未經(jīng)完全處理的污水排放至地表，造成十分嚴(yán)重的污染。因此，國家對(duì)企業(yè)的環(huán)保指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求，要確保氨氮和鹽的全面處理[1]。

氨氮本身的產(chǎn)生主要來自自然界和人類的影響，自然界的影響主要是大氣降水和降塵、生物固氮反應(yīng)等，而人類的影響主要是生活污水、工業(yè)廢水和垃圾滲液等。氨氮大量進(jìn)入地表，會(huì)使水體受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致水藻不斷生長(zhǎng)，出現(xiàn)嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化，甚至產(chǎn)生毒性的亞硝酸鹽，進(jìn)而出現(xiàn)水生生物的滅絕，也會(huì)嚴(yán)重影響人們的身體健康。因此對(duì)于氨氮高鹽廢水進(jìn)行全面、合格的處理，不但與人們的身體健康息息相關(guān)，更關(guān)系到自然的和諧發(fā)展。

2 氨氮廢水的傳統(tǒng)處理方法

在對(duì)氨氮廢水進(jìn)行全面處理時(shí)，較為常用的方法主要是物理方法，通過應(yīng)用物理方法，可以實(shí)現(xiàn)氨氮和離子的交換，進(jìn)而去除氨氮。而化學(xué)方法、生物方法中最重要的是電催化氧化法，其中最主要的是微點(diǎn)接觸氨氮等方法。

2.1 生物法

采用生物方法處理氨氮廢水，是通過微生物自身的氨化反應(yīng)，將氨氮廢水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮。而氨氮的形成會(huì)在氧氣的影響下，逐步轉(zhuǎn)變成二氧化氮和三氧化氮離子，但是如果氧氣不充足，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)?，主要的生物方法一般為短程硝化和反硝化反?yīng)。在采用生物法時(shí)，為了保障生物本身的活性，需要將溫度控制在35 ℃左右，溶液的pH值控制在7.5左右。當(dāng)氨氮廢水中所含的氨氮濃度較高時(shí)，氧氣的消耗量較大，如果此時(shí)氧氣不足就會(huì)導(dǎo)致亞硝化反應(yīng)。由于生物反應(yīng)是利用生物自身的活性，且其活性會(huì)受到溫度變化和廢水毒性的影響，導(dǎo)致氨氮硝化反應(yīng)效果變差，因此采用生物法尤其是要注重外界因素的影響[2]。

2.2 吹脫法

氨氮廢水最常用的處理方法是吹脫法，利用該方法可以實(shí)現(xiàn)三氫化銨的回收，再利用合理的方法對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的回收和應(yīng)用。但是應(yīng)用吹脫法時(shí)，不能只看氨氮廢水的脫出率，還需做好二次污染的全面控制。對(duì)于吹脫法所產(chǎn)生的氨氣，如果將其吹脫而出，需要做好全面的排放控制，減少對(duì)環(huán)境的二次污染。在采用吹脫法的時(shí)候，首先要控制好溶液的pH值，當(dāng)氨氮轉(zhuǎn)化為游離氨離子后，再將其中多余的氨氮吹脫而出，就能夠?qū)崿F(xiàn)氨氮溶液的無害化處理。一般吹脫溫度為40 ℃，但pH值需要控制在11左右，整體的處理效率會(huì)超過95%。采用該方法必須要使用大量堿，這會(huì)導(dǎo)致二次污染的出現(xiàn)，因此需要全面分析，以減少污水的二次污染[3]。

2.3 離子交換法

離子交換方法主要是對(duì)氨氮污水中的懸浮物進(jìn)行陽離子交換，實(shí)現(xiàn)銨根離子和樹脂中氫離子的交換，從而去除廢水中的氨氮。通過對(duì)以往的研究和分析情況進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，利用氨氮離子交換法能夠?qū)崿F(xiàn)90%以上的處理比例。因此，可以利用該方法處理氨氮廢水，整個(gè)過程操作較為簡(jiǎn)單，而且去除率比較高。但由于后續(xù)再生液的處理較難，成本偏高，因此使用離子交換法，必須要考慮再生液的二次污染以及資金問題[4]。

2.4 折點(diǎn)氯化法

折點(diǎn)氯化法主要是將大量氯氣注入到氨氮廢水中，并在不停的注入過程中，氨氮廢液中的氯含量會(huì)不斷增加，最終逐漸達(dá)到一定的折點(diǎn)，而這個(gè)點(diǎn)，就是最理想的折點(diǎn)。當(dāng)氨氮濃度為零時(shí)，繼續(xù)通入氯氣，可實(shí)現(xiàn)活性氯的增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氨氮的析出。折點(diǎn)氯化法主要是先采用吹脫法，然后再利用折點(diǎn)氯化法進(jìn)行處理，能夠?qū)崿F(xiàn)氨氮廢液處理率的明顯提升。但使用該方法會(huì)產(chǎn)生一定量的氯氨及其他有毒物質(zhì)，也會(huì)導(dǎo)致二次污染[5]。

2.5 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀方法主要是向氨氮廢水中加入易溶解的鎂離子、硫酸根離子等化學(xué)制劑，實(shí)現(xiàn)離子本身和氨氮的反應(yīng)，形成難以溶解的鹽類或者是其他沉淀物，再經(jīng)過濾去除廢水中的氨氮。但是如果加入純度偏低的鎂離子，就會(huì)影響氨氮的提取過程，導(dǎo)致氨氮去除率偏低。一般來說，采用化學(xué)沉淀法，只要加入的化學(xué)制劑充足，就能夠?qū)崿F(xiàn)廢水中氨氮的較高清理，整個(gè)過程需要做好全面的溫度控制，受到的外界影響比較小，但是所添加的化學(xué)試劑成本較高，對(duì)資金的要求也相對(duì)較高[6]。

2.6 催化氧化法

催化氧化法是在氨氮廢水中添加一定量的催化劑和氧化劑，使氨氮逐漸轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。催化氧化技術(shù)比較常見的是光催化氧化法。該方法是利用紫外線，結(jié)合協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)雙氧水中氧化氫離子的析出，進(jìn)而去除廢水中的有機(jī)物。而濕式催化氧化所利用的主要是溶解分子實(shí)現(xiàn)有害物質(zhì)的氧化，也可以利用貴金屬催化劑，實(shí)現(xiàn)該過程，但是對(duì)資金的消耗比較高。電催化氧化法在處理高氨氮高鹽廢水時(shí)，有較好的應(yīng)用效果，且不會(huì)形成二次污染[7]。該過程由于沒有加入任何化學(xué)試劑，且是一個(gè)連續(xù)的過程，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)物的及時(shí)去除，還能夠?qū)崿F(xiàn)污水的殺毒滅菌，因而有較好的處理效果，而且所使用的設(shè)備也較為簡(jiǎn)單。雖然整個(gè)處理過程可以在常溫下完成，但是整個(gè)過程并不完善，需要與其他工藝配合使用[8]。

3 電催化氧化機(jī)理

電催化氧化法主要是利用電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)污染物的氧化，進(jìn)而達(dá)到最終的氧化標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)污染物的去除或者是氧化失效。通過電催化氧化法在氨氮廢水處理中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)電催化氧化和間接催化氧化，尤其是可以利用高活性的DAS電極。

3.1 陽極直接電催化氧化

陽極直接電催化氧化是一種目前被廣泛認(rèn)可和接受的方法。通過實(shí)驗(yàn)分析研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)陽極金屬氧化物和產(chǎn)物的結(jié)合，使氨氮污染物的析出。通過分析反應(yīng)過程發(fā)現(xiàn)，主要是在陽極表面首先實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，然后在堿性液體中，形成本身具有吸附性的氫氧化氮，實(shí)現(xiàn)電極陽極的氧化反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)活性氧原子的吸附和形成，有效降低有機(jī)物的毒性，實(shí)現(xiàn)污染物本身的快速析出[9]。

3.2 陽極間接電催化氧化

所謂陽極間接電催化氧化法主要是溶液離子在電極表面實(shí)現(xiàn)電子得失，產(chǎn)生具有較強(qiáng)氧化性的中間物質(zhì)，然后實(shí)現(xiàn)廢水中污染物的去除。電催化氧化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種廢水的處理中，可構(gòu)建一個(gè)完整的污染物處理單元，但是無法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的分類和使用。

4 電催化氧化電極的選擇

4.1 碳素電極

碳素電極是最常用的電極，其本身的導(dǎo)電性較好，而且接觸面積較大，再加上價(jià)格偏低，所以應(yīng)用十分廣泛。通過對(duì)電極的分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維和石墨都是較常見的碳素電極，但由于碳纖維和石墨結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，所以碳素本身的結(jié)構(gòu)也容易發(fā)生變化。通過相應(yīng)的分析和研究發(fā)現(xiàn)，在活性炭本身吸附?jīng)]有達(dá)到飽和的時(shí)候，有機(jī)物整體的去除效率較高，如果表面形成了有機(jī)物模，必然會(huì)影響去除率。因此使用碳素電極時(shí)，一定要充分考慮到有機(jī)物的析出和影響[10]。

4.2 金屬電極

金屬電極本身的導(dǎo)電性十分良好，但是金屬本身在放入污染液體中時(shí)，容易出現(xiàn)溶解的問題，進(jìn)而出現(xiàn)陽極電極本身的損耗，或者是出現(xiàn)電解液的二次污染，導(dǎo)致污水的處理結(jié)果受到影響[11]。

4.3 金屬氧化物電極

金屬氧化物電極具有金屬電極的穩(wěn)定性和高催化性，一般來說主要是利用金屬鈦。但是金屬鈦本身的價(jià)格比較貴，而其自身的耐腐蝕性比較強(qiáng)，電極較為穩(wěn)定。在應(yīng)用金屬氧化物電極時(shí)，金屬氧化物涂層表面會(huì)形成高親水性的羥基化膜，應(yīng)用效果較為良好[12]。

5 電催化氧化法在污水處理中的應(yīng)用

由于不同廢水的組成存在明顯差異，例如較常見的制革廢水，其特點(diǎn)主要是包含的污染物種類較多，且廢水具有較高的堿性，而且在日常運(yùn)轉(zhuǎn)中，污水的產(chǎn)生量比較高。在采用電催化氧化方法進(jìn)行制革污水處理時(shí)，所使用的主要是金屬電極和碳素電極。由于垃圾滲濾液的形成較為特殊，因而污染物的種類很復(fù)雜，且毒性較強(qiáng)，再加上有機(jī)物的發(fā)酵，使廢水中氨氮的含量比較高，且在后續(xù)處理中所需要的資金也比較高，同時(shí)，生物降解方式的處理效果也較為有限。電催化氧化對(duì)氨氮的去除主要是采用兩種方法，分別是陽極的直接氧化作用，是通過陽極氧化實(shí)現(xiàn)氨氮最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓涣硗庖环N所采用的是陽極間接養(yǎng)護(hù)方式，通過利用溶液中的氯離子產(chǎn)生氧化性較強(qiáng)的氯化氫，實(shí)現(xiàn)氨氮的氧化反應(yīng)，從而去除廢水的氨氮污染。通過對(duì)電催化氧化過程的全面研究，還需要控制出水的放置時(shí)間和進(jìn)水流量，一般來說，當(dāng)氨氮濃度為40 mg/L時(shí)，采用的水流量為600 mL/min。電流密度越大，氨氮的去除率就越高，這主要是由氯離子本身的濃度所決定的[13]。

6 電催化氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生污水是必然的，但是對(duì)于不同的污水尤其是氨氮高鹽廢水，必須要進(jìn)行全面、及時(shí)地處理，采用電催化氧化方式，能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的全面轉(zhuǎn)化，因而減少了污水的排放，實(shí)現(xiàn)了水資源的充分利用。電催化氧化技術(shù)是氨氮高鹽污水處理的重要技術(shù)，通過利用反應(yīng)器和相應(yīng)工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)污水的電子轉(zhuǎn)移，并結(jié)合強(qiáng)氧化物的種類反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)污染物的有效治理。合理利用電催化氧化技術(shù)，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電極活性、選擇性、壽命的優(yōu)化。通過逐步分析和設(shè)計(jì)，得到更好的反應(yīng)器，逐步優(yōu)化電催化氧化技術(shù)的整體條件。對(duì)于以往所采用的系統(tǒng)性電催化系統(tǒng)，需要對(duì)廢水進(jìn)行氧化研究，全面分析電流強(qiáng)度、溫度等外界影響因素，進(jìn)而獲得最優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)條件，并得到最佳的實(shí)驗(yàn)分析參數(shù)。

7 結(jié)語

氨氮高鹽污水主要來自于化工行業(yè)和制藥生物行業(yè)，因此需要充分重視氨氮高鹽污水的處理，減少氨氮污水對(duì)自然環(huán)境的影響[14]。傳統(tǒng)的處理方法效果并不理想，因此本文主要是對(duì)電催化氧化技術(shù)進(jìn)行了全面分析，通過分析研究電催化氧化的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合電極的選擇，綜合性地研究了具體的污水處理作用機(jī)理和效果，并提出了電催化氧化技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)電催化氧化污水處理技術(shù)在氨氮高鹽污水中的合理應(yīng)用，充分發(fā)揮其本身的重要作用。