水處理設(shè)備知識(shí)：低濃度氨氮廢水的脫氮方法研究
【蘭州純水設(shè)備http://www.bc-shanghai.cn】針對(duì)當(dāng)前廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的低濃度氨氮廢水脫氮方法效果不佳,提出了基于電化學(xué)處理低濃度氨氮廢水脫氮方法的基礎(chǔ)上,分析氨氮廢水的來源及其危害,選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)儀器、試劑、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì),采用電化學(xué)氧化氮的方法,通過配置不同初始濃度的氨氮廢水,測試不同初始濃度的氨氮廢水純水設(shè)備,電流密度和不同濃度的氯離子的工業(yè)廢水氨氮和總氮降解效果,試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)初始濃度的氨氮廢水是20 mg / L,電解消耗的能量最少。廢水中氨氮和全氮降解能耗隨電流密度的增大而增大，而電流效率隨電流密度的增大而降低。電化學(xué)氧化反硝化過程中廢水中氨氮和總氮的降解基本符合準(zhǔn)零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。
地球的水資源非常豐富，但是可以供人類飲用的淡水資源和農(nóng)業(yè)灌溉非常稀缺，淡水資源占地球所有水資源的2。5%以上的地表水存在于800多米深的地下含水層中，其開發(fā)利用極為困難，而淺層地表水和淡水湖泊、淡水僅占淡水資源的0。2%，全球近5億人面臨淡水資源嚴(yán)重短缺的局面[1-2]。中國大部分城市和地區(qū)也面臨淡水資源稀缺的困境,因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)研發(fā)方面的限制因素,使得中國企業(yè)通常只注意到當(dāng)COD排放污水深度處理,忽略了有效治療低濃度的氨氮,導(dǎo)致低濃度氨氮廢水排放到生態(tài)環(huán)境,造成河湖藻類營養(yǎng)含量過剩等水體過剩現(xiàn)象所造成的水體富營養(yǎng)化污染[3-4];同時(shí)，在工業(yè)廢水的循環(huán)殺菌和再利用過程中，低濃度氨氮的存在會(huì)大大增加殺菌過程中氯的使用量[5-6]。在這種情況下，研究一種低濃度氨氮廢水脫氮方法可以解決生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨的重大問題蘭州水處理設(shè)備。根據(jù)國內(nèi)外許多數(shù)據(jù)顯示,目前用于低濃度氨氮廢水脫氮方法主要包括離子交換、吸附、硝化和反硝化脫氮氯的方法,方法,等[7],研究和總結(jié)了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用過程純水設(shè)備,提出了基于低濃度氨氮廢水的電化學(xué)處理脫氮方法,為低濃度氨氮廢水的反硝化提供了有效的指導(dǎo)。
氨氮廢水的來源及危害
1． 1 氨氮廢水來源
氨氮廢水具有來源廣泛、排放量較大的特點(diǎn)，其主要來源包括市政污水、化肥廠排放廢水、焦化廢水、垃圾滲濾液、煤氣廢水、農(nóng)業(yè)污染廢水等，其中市政污水具有生化性較好的水質(zhì)特征，市政污水中COD 含量約為 300 ～ 500 mg /L，氨氮濃度水平約為30 ～ 50 mg /L，市政污水水量超過 4. 6 × 104 × 106 m3 /year; 化肥廠排放的廢水中含有砷、酚等大量有毒物質(zhì)，且廢水中固體懸浮物較多，pH 值極不穩(wěn)定， COD 含量約為 400 ～ 500 mg /L，氨氮濃度水平約為500 ～ 700 mg /L，水量超過 2. 6 × 102 × 106 m3 /year;
焦化廢水中通常含有大量難以降解的有機(jī)化合物， COD 含量約為1 200 ～ 1 300 mg /L，氨氮濃度水平約為 200 ～ 700 mg /L，水量超過 2. 85 × 102 × 106 m3/ year; 垃圾滲濾液中金屬含量較高，且水質(zhì) COD 含量變化較大，約為2 000 ～ 60 000 mg /L，水量波動(dòng)也較大，通常情況下大于 25 × 106 m3 /year，氨氮濃度水平約為1 000 ～ 2 000 mg /L; 煤氣廢水中成分比較復(fù)雜，多數(shù)為有毒物質(zhì)，且很難降解，COD 含量約為1 200 ～ 1 400 mg /L，氨氮濃度水平約為 900 ～ 1 000 mg /L，水量波動(dòng)較大; 農(nóng)業(yè)污染廢水具有較好的生化性能，COD 含量較大，氨氮濃度水平也較高蘭州水處理設(shè)備，水量約為 10 × 106 m3/year。
1． 2 氨氮廢水的危害
氨氮廢水的危害包括: 氨離子的氧化過程會(huì)消耗水體中的氧氣，致使水質(zhì)發(fā)黑發(fā)臭，水體質(zhì)量嚴(yán)重下降，影響水生動(dòng)物和水生植物的生存; 水體中氨氮元素超標(biāo)會(huì)加速水體富營養(yǎng)化程度; 另外，廢水中的氨離子和氮離子游離均會(huì)對(duì)水生動(dòng)物和水生植物產(chǎn)生極大的危害。
2 實(shí)驗(yàn)材料與方法
2． 1 實(shí)驗(yàn)試劑的選取
如表 1 和表 2 所示給出了基于電化學(xué)處理的低濃度氨氮廢水脫氮方法實(shí)際應(yīng)用過程中需要的實(shí)驗(yàn)試劑和實(shí)驗(yàn)儀器
2． 2 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置為自制低濃度氨氮廢水脫氮電解裝置，其中采用 6 mL 的玻璃燒杯作為低濃度氨氮廢水電解槽; 采用析氯電極和鈦網(wǎng)分別作為低濃度氨氮廢水電解電極板陽極和陰極; 電極板面積為 14 cm × 7 cm，其中陽極和陰極的極板面積比例為 1∶1;采用揚(yáng)州凱弘電源科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為 KH － DK 的直流穩(wěn)壓電源作為裝置電源。
3 低濃度氨氮廢水的脫氮結(jié)果分析
3. 1 初始濃度對(duì)氨氮降解的影響
利用上述實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)試劑配置成濃度 0、 10、20、50、100 mg /L 的氨氮廢水溶液，溶液初始 pH值為 5. 9，調(diào)節(jié)圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置的直流穩(wěn)壓電源電流密度為 5 mA/c㎡，實(shí)驗(yàn)分析的是氨氮廢水初始濃度不同條件下電化學(xué)氧化脫氮方法的性能( 包括氨氮和總氮的去除效果) 。
如圖 2( a) 和( b) 所示給出了電化學(xué)氧化脫氮過程中的氨氮濃度和總氮濃度變化情況。從圖 2( a) 中可以看出，氨氮廢水初始濃度與電解反應(yīng)時(shí)間表現(xiàn)出了良好的線性相關(guān)，當(dāng)配置好的氨氮廢水初始濃度從 100 mg /L 稀釋變化為 10 mg / L 時(shí)，氨氮廢水初始濃度與電解反應(yīng)時(shí)間之間的線性相關(guān)系數(shù)分別為 0. 987 5、0. 996 2、0. 996 3、 0. 996 8、0. 999 9，符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)純水設(shè)備，但溶液中氨氮的初始濃度值為 10 mg /L 時(shí)，經(jīng)過 6 min左右的電化學(xué)氧化反應(yīng)即可達(dá)到工業(yè)廢水一級(jí) A的排污標(biāo)準(zhǔn); 經(jīng)過 20 min 左右的電化學(xué)氧化反應(yīng)，溶液中氨氮的濃度僅為 0. 03 mg /L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表水Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn); 當(dāng)溶液初始濃度為 20 mg /L 時(shí)，經(jīng)過40 min 左右的電化學(xué)氧化反應(yīng)溶液中氨氮的濃度即可達(dá)到 5 mg /L，即工業(yè)廢水一級(jí) A 的排污標(biāo)準(zhǔn)，由此說明，研究采用的電化學(xué)氧化脫氮方法對(duì)低濃度氨氮廢水具有較好的脫氮效果，能夠達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。
從圖 2( b) 中可以清楚地看出，電化學(xué)氧化脫氮方法對(duì)于氨氮廢水溶液中的總氮同樣具有較好的降解效果，除了濃度為 100 mg /L 的氨氮廢水溶液中的總氮沒有被完全降解去除外，其余三組濃度為 10、 20、50 mg /L 的氨氮廢水溶液經(jīng)過脫氮處理后總氮濃度均小于 1. 085 mg /L，根據(jù)電化學(xué)氧化脫氮方法的反應(yīng)機(jī)理可知，低濃度氨氮廢水中氨氮大部分被氧化為氮?dú)饨到獾簦渲行〔糠直晦D(zhuǎn)化為硝酸鹽氮等物質(zhì)，這種脫氮方法能夠減少二次污染。
如圖 3 所示展示了氨氮廢水初始濃度對(duì)電解反應(yīng)中電流效率和能量消耗的影響。根據(jù)圖 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著初始濃度增加，電化學(xué)氧化脫氮裝置的電流效率發(fā)生了明顯下降，說明電化學(xué)氧化脫氮方法適合低濃度氨氮廢水脫氮，實(shí)驗(yàn)裝置的能耗變化波 動(dòng) 較 大，當(dāng)氨氮廢水初始濃度水平為 100 mg /L 時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置能耗迅速上升，降解廢水中每克氨氮需要消耗 1. 7 kWh; 當(dāng)氨氮廢水初始濃度水平為 20 mg /L 時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置能耗最小，降解廢水中每克氨氮僅需要消耗 0. 87kWh。
圖 3 氨氮初始濃度對(duì)電流效率和能量的影響
3. 2 實(shí)驗(yàn)裝置電流密度對(duì)廢水中氨氮的影響
為了分析實(shí)驗(yàn)裝置電流密度對(duì)廢水中氨氮的降解影響，配置氨氮初始濃度為 20 mg /L 的溶液，在實(shí)驗(yàn)裝置電流密度分別為 3、6、9、12 mA/cm2 的條件下進(jìn)行電化學(xué)氧化脫氮測試，
觀察圖 4( a) 可以發(fā)現(xiàn)，溶液中氨氮濃度的降解效果線性相關(guān)系數(shù)按照實(shí)驗(yàn)裝置電流密度從大到小排序依次為0. 990 3、0. 996 6、0. 992 3、0. 995 8，同樣符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn); 圖 4( b) 顯示溶液中總氮濃度的降解效果也與實(shí)驗(yàn)裝置電流密度具有較好的線性相關(guān)關(guān)系，符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)純水設(shè)備，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置電流密度分別為 12、9、6、3 mA/c㎡ 時(shí)，溶液中氯離子濃度為 200 mg /L 時(shí)，對(duì)濃度為 20 mg /L的溶液做脫氮處理時(shí)氨氮濃度需要達(dá)到一級(jí) B 的排放標(biāo)準(zhǔn)( 即 8 mg /L) ，分別需要 16 min、22 min、36 min 和 43 min; 達(dá)到一級(jí) A 的排放標(biāo)準(zhǔn)( 即 5 mg /L) ，則分別需要 23 min、31 min、44 min 和 60 min，溶液中總氮濃度在相同的電解反應(yīng)時(shí)間內(nèi)也可達(dá)到一級(jí) B 和一級(jí) A 的排放標(biāo)準(zhǔn)，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了實(shí)驗(yàn)裝置電流密度較低時(shí)低濃度氨氮廢水脫氮效果更好。
3. 3 溶液中氯離子濃度對(duì)氨氮降解效果的影響
實(shí)驗(yàn)配置氨氮初始濃度為 20 mg /L 的溶液作為樣品測試對(duì)象，使用裝置電流密度為 6 mA/c㎡，在氨氮廢水溶液濃度分別為 100、200、300、400 mg /L的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行電化學(xué)氧化脫氮測試，分析溶液中不同氯離子濃度對(duì)氨氮降解效果的影響，測試結(jié)果如圖 5 所示。
根據(jù)圖 5( a) 可知，隨著溶液中氯離子濃度水平的不斷增加，在相同電解反應(yīng)時(shí)間內(nèi)溶液中氨氮濃度和總氮濃度顯著下降，處理氨氮濃度為 20 mg /L的溶液時(shí)，按照溶液中氯離子濃度由高到低氨氮降解達(dá)到一級(jí) A 排放標(biāo)準(zhǔn)分別需要 25、27、38、67 min;
根據(jù)圖 5( b) 可知，在相同的電化學(xué)氧化脫氮反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，總氮降解同樣能夠達(dá)到一級(jí) A 排放標(biāo)準(zhǔn)，且溶液中氨氮和總氮的降解均符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說明采用電化學(xué)氧化脫氮方法在低濃度氨氮廢水處理過程中能夠取得較好的效果，且降解速度較快。
4 結(jié)論
針對(duì)提出的基于電化學(xué)處理的低濃度氨氮廢水脫氮方法，通過三組測試得到了以下結(jié)論: 廢水中氨氮的降解與溶液初始濃度具有線性相關(guān)關(guān)系，在廢水初始氨氮濃度為 20 mg /L 時(shí)，電解能耗最小，降解廢水中每克氨氮僅需要消耗 0. 87kWh; 廢水中氨氮和總氮降解能耗隨著電流密度的增大而上升純水設(shè)備，電流效率則隨著電流密度的增大而下降; 電化學(xué)氧化脫氮過程中廢水中氨氮和總氮的降解基本符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。電化學(xué)氧化脫氮方法對(duì)低濃度氨氮廢水具有較好的脫氮效果。
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