电化学法处理高氨氮废水的试验研究.docx

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电化学法处理高氨氮废水的试验研究

洛阳理工学院毕业设计（论文）

洛阳理工学院毕业设计（论文）

题目：

电化学法处理高氨氮废水的试验研究

姓名：

胡文贵

系（部）：

环境工程与化学系

专业：

环境工程

指导教师：

吴长航

2013年06月01日

I

电化学法处理高氨氮废水的试验研究

摘要

本文采用电解技术对高浓度氨氮废水进行试验研究，考察电化学方法对废水中对氨氮的去除效果，并优化其工艺参数。

结果表明，电流密度、氯离子浓度、极板间距等均对高浓度氨氮的电解处理效率有直接影响；综合考虑电耗、投加氯离子量等经济因素和处理效果，其优化工艺参数为电流强度为30mA/m2、氯离子浓度为200mg/L、极板间距为2cm时，电解120min后，氨氮浓度可以从100mg/L降至4.7mg/L；此条件下氨氮的120分钟去除效率为95.3%。

该方法运用于高氨氮废水的脱氨氮处理具有较好的应用前景。

关键词：

电化学法，高氨氮废水，水处理，氨氮，去除率

ElectrochemicalTreatmentofhighstrengthammonia

wastewater

ABSTRACT

Thisarticleofthehighconcentrationofammonianitrogenwastewaterbyelectrolysistechnologytestresearch,makesaresearchontheelectrochemicalmethodofwastewaterammonianitrogenremovalefficiency,andoptimizetheprocessparameters.Currentdensity,concentrationofchlorideion,platespacing,etc.ThehighconcentrationofammonianitrogenefficiencyofelectrolysisprocesshasadirectimpactConsidereconomicfactorssuchaspowerconsumption,addingtheamountofchlorideionandtreatmenteffect,andtheoptimizationofprocessparametersforthecurrentstrengthof30ma/m2,thechlorideionconcentrationof200mg/L,2cmforplatespacing,electrolyticafter120min.Ammonianitrogenfrom100mg/Lto4.7mg/L;Undertheconditionofthe120minutesofammonianitrogenremovalefficiencyof95.3%.Thismethodisappliedtohighammonianitrogenwastewaterammonianitrogentreatmenthasagoodapplicationprospect.

KEYWORDS:

Electrochemical,highammonia-nitrogenwastewatertreatment,watertreatment,ammonianitrogen,removalrates

前言...............................................................................................V第1章概述..（8）

1.1高氨氮废水的概念（8）

1.1.1高氨氮废水的定义（8）

1.1.2高氨氮废水的处理方法及存在问题（8）

1.1.3高氨氮废水的环境危害（8）

1.2电化学法去除废水中污染物的基本机理（9）

1.3电化学法较传统方法的优势（9）

第2章实验材料和方法（11）

2.1实验试剂（11）

2.2实验设备与装置（11）

2.2.1电解设备与装置（11）

2.2.2处理、检测装置（14）

2.3主要污染物的检测方法（14）

2.4试验流程（15）

2.4.1NH4-N标准曲线的绘制（15）

2.4.2电流密度对NH4-N去除效果的研究（15）

2.4.3极板间距对NH4-N去除效果的研究（16）

2.4.4氯离子浓度对NH4-N去除效果的研究（16）

2.4.5最佳工况的确定（16）

3.1电流密度的影响（17）

3.2极板间距的影响（18）

3.3氯离子浓度的影响（19）

3.5最佳工况下NH4-N的去除效果（20）

结论（21）

谢辞（23）

参考文献...........................................................错误!

未定义书签。

外文资料翻译...................................................错误!

未定义书签。

前言

氮在溶液中以分子态氮、有机态氮、氨态氮、硝态氮、亚硝态氮及硫氰化物和氰化物等多种多样形式存在，但氨氮是其存在的最主要方式之一。

高浓度的氨氮废水来源很多，如炼油、化肥、无机化工、铁合金、玻璃制造、畜牧业等生产部门排放的高浓度氨氮废水。

随着水质富营养化问题的日益加重以及人们对氨氮废水对水体危害认识的深入，废水处理中对氨氮指标也越来越严格。

所以，怎样才能经济、有效地去除废水中的高氨氮成为处理水中的高氨氮成为亟待解决的问题之一。

国内外氨氮废水的处理方法主要有电化学法、吹脱法、折点氯化法、沸石脱氨法、电渗析法、膜分离法、生物脱氨法、MAP沉淀法等，但这些工艺方法中有些方法在经济及技术上依旧存在着很大问题，如有出水氨氮值偏高、二次污染、氨氮去除率不高等。

对于各种毒性高、可生化性差的氨氮废水处理的研究渐渐成为水处理领域的热门研究。

利用电化学反应，去除污水中各种有害物质的处理工艺就叫做水处理法。

与其他水处理方法相比，电化学法主要是利用电解作用，化学药品投加量较少；可以通过改变外界条件如电压、电流等，使其具有很强的可操作性；不仅可以单独处理，也可以与其他工艺混合使用；不会或很少产生二次污染；反应条件温和，在常温下就可发生化学反应；设备简单，操作不复杂，占地面积少等诸多优点。

目前不少学者都已在用电化学法处理高氨氮废水方面做了一定程度的研究。

研究结果显示：

电化学氧化法不仅能有效的去除氨氮，而且可以同时去除废水中其他的生物难降解的有毒有害物质（如有毒金属离子等），而随着电流效率的提高，电化学法处理氨氮将有着相当可观的发展前景。

电化学氧化法除氨氮的基本原理：

在催化剂或自由基电子的催化作用下，使溶于废水的氨氮污染物被还原为难溶于废水的氮气等。

氨氮的电化学去除有两种途径：

间接电氧化，首先氯离子在阳极上被强氧化剂氧化为游离态的氯，然后溶解在高氨氮废水中形成具有一定活性的氯，活性氯作为强氧化剂在氨氮反应中产生氮气，最后达到去除氨氮的目的；直接电氧化，氨可以直接在阳极失去三个电子从而被氧化成水和氮气。

电化学氧化法去除氨氮的影响因素有：

电

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流密度、极板间距、氯离子浓度、电解时间、电极材料和原始溶液等。

此次实验研究主要考虑电流密度、极板间距、氯离子浓度、电解时间这几大因素，从而得出各因素对氨氮除去率的影响。

电化学处理废水的应用原始于二十世纪四十年代，由于当时时代背景原因，导致其发展相当缓慢。

但是到了六十年代后，随着电力工业的迅速发展，电化学处理法才从真正意义上来说被应用。

近年来，由于电化学法在污水净化、垃圾渗滤液、制革废水、印染废水、石油和化工废水等领域的应用研究进展，引起人们对这一方法的广泛关注。

自二十世纪七十年代以来，电化学氧化技术已经成功地应用于处理印染废水、制革废水、含酚废水、垃圾渗滤液等一些高浓度氨氮废水。

电化学法：

利用电能而进行的化学反应，达到去除废水中各种污染物的过程。

利用电能进行化学反应的设备叫做电解池。

能力转换过程为电能转换为化学能，在阴极和溶液的界面上发生某种粒子与电子结合的还原反应，在阳极和溶液的界面上发生某种粒子失去电子的氧化反应，失去电子喉的离子被还原为难溶于溶液的物资，而离开溶液，进而达到去除各种污染物的效果。

氧化反应中释放的电子通过导线流回电源的正极。

在整个反应链中电子的得失准从得失电子守恒定律。

电化学技术中包括电化学氧化、电化学还原、电絮凝、电气浮、电渗析，而此次论文中主要用到电化学氧化技术。

但是，电流效率低、电能消耗大，导致运行成本增加成为了这些技术中都存在着的一些共同的实际问题。

为了解决这一问题，目前，国内外将焦点集中在了对阳极材料、电化学反应器、电化学组合工艺、生物膜电极等的研究工作上，可以说，电化学技术在处理生活和工业废水方面将会有巨大的发展潜力。

今后污水处理技术的发展趋势方向是节能环保，此次研究以节能环保处理污水为指导思想，研究电化学氧化技术处理高氨氮废水中的最佳运行工作条件，即在什么样的工作条件下，不仅能有效降低污染物的含量，使其达到排放标准，又而且还能够尽可能地降低电能的消耗，以便达到节能环保的目的。

本文用电化学氧化法处高氨氮废水，通过考察电流密度、极板间距、电解时间及氯离子浓度对水样中氨氮的去除率的影响，绘出相应的函数曲线，并结合现实情况找出去除氨氮的最佳运行工作条件，同时比

较在最佳工况下，氨氮去除效果。

由于实验条件的限制，此次研究的范围仅仅限于考察电流密度、极板间距、电解时间以及氯离子浓度对氨氮的去除率的影响，还有很多因素例如原始溶液、阳极材料、原溶液的原始PH值等对实验结果的影响，此次研究得出的最佳工况是一个阶段性成果，所以研究的范围还需进一步拓宽，只有这样才能从真正意义上得出此研究的最佳工作条件。

虽然此研究仅仅只是一个阶段性的成果，但是，它却具有一定的现实意义。

第一，该论文中所提及的各种化学反应机理在现实中处理高氨氮废水是完全符合的；第二，本次试验是对现实操作过程中优化工艺条件的探索性研究，对于实际操作过程有一定的指导意义；第三，此次论文的结论可以与文献相互印证，以便可以说明电化学处理高氨氮技术的实验重现性和稳定性；第四，在实验的过程中，可以进一步了解此类技术的各种优点和缺点，最终达到便利于现实操作过程，以及为该技术的适用范围与其他技术相结合使用的可能性提供了一个重要的数据参数及理论依据。

第1章概述

1.1高氨氮废水的概念

1.1.1高氨氮废水的定义

废水中氨氮的构成主要有两种，一种是氨水形成的氨氮，一种是无机氨形成的氨氮，主要是硫酸铵、氯化铵等。

高氨氮废水的一般的形成是由于氨水和无机氨共同存在所造成的，一般情况下PH在中性以上的废水氨氮的主要来源是无机氨和氨水共存的作用，PH在酸性的条件下废水中的氨氮主要有无机氨所导致。

1.1.2高氨氮废水的处理方法及存在问题

国内外氨氮废水处理方法主要有吹脱法[1]、沸石脱氨法[2]、电渗析法[3]、膜分离法[4]、折点氯化法[5]、MAP沉淀法[6]、生物脱氨法、电化学法[7]等，但仍有不少问题存在于这些工艺方法中的某些工艺，比如在经济和技术方面，如有出水氨氮值偏高、二次污染等等不利因素。

就应用最为广泛的生物脱氨法来说，当氨氮含量很低的情况下，其去除效果很不错；但是当氨氮含量较高时，则就需外加碳源才能保证脱氮效果保持在一定的程度，然而这必定会加大污泥的排放量；假如当氨氮含量超过90mg/L时，生物脱氮系统就会有崩溃的可能。

1.1.3高氨氮废水的环境危害

过量氨氮排入水体将导致水体富营养化，降低水体观赏价值，并且被氧化生成的硝酸盐和亚硝酸盐还会影响水生生物甚至人类健康[8]。

氨氮是构成氮循环的组分之一，根据国内外研究学者研究结果表明：

氮磷元素是造成水体富营养化的主要原因。

水体富营养化是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性水体以及某些河流水体内的氮磷营养要素的富集，水体生产力升高，某些特殊性藻类（主要为蓝藻，绿藻）异常增殖，使水质恶化的过程，即通常所指的淡水

水体的“水华”、海水的“赤潮”现象。

水体富营养化将导致水体的物理、化学及生物性质发生变化，最后造成水中溶解氧下降，水中生物大量死亡，并产生腐臭气味，不仅给环境造成极大危害，也给社会和经济造成巨大的损失。

1.2电化学法去除废水中污染物的基本机理

通过在电能的条件下进行化学反应，以适当的材料作电极在直流电场作用下使电能转换为化学能的过程称为电化学处理。

当工业废水或生活污水流经电化学处理槽时，电化学氧化和还原反应分别发生在阳极和阴极，依靠这些化学反应使某些易溶或可溶于污水的污染物变为难容于溶液的物资，从而达到去除各种污染物的目的。

刘永峰[9]提出工业废水的电化学处理基本包括四个过程：

电极表面电化学处理过程，电凝聚处理过程、电解浮选过程、电解氧化还原过程。

结合本次研究的内容，着重讨论此次研究中所涉及到的电化学氧化处理原理。

电化学法去除氨氮的反应机理和去除有机物的机理反应机理相类似，在间接氧化过程中，电解过程产生的氯气/次氯酸等强氧化剂在弱碱性环境下与NH4-N进行反应，生成氮气，利用氮气不溶于水的特性以去除废水中的氨氮；在直接氧化过程中，以·OH进攻吸附在电极上的NH4-N，使其氧化生成氮气，去除机理同间接氧化法。

有关反应式如下：

2NH3+6·OH→N2+6H2O，（1-1）

2HClO+2NH4+→N2+2Cl-+4H++3H2O。

（1-2）

在电化学法处理废水时，间接氧化是去除氨氮的主要工作原理[12]。

所以在进行实验操作时，为保证溶液中一定量的氯离子浓度，应当在被处理水样中加入一定量的NaCl，以便增高氯离子的浓度，使间接氧化过程顺利进行，已达到去除废水中氨氮的目的。

1.3电化学法较传统方法的优势

传统生物脱氮普遍存在着因氨氮负荷过高而引起的工艺流程长，消耗有机碳源多，电能耗大，出水氨氮值偏高等问题，电化学法与传统生物脱氮工艺相比，电化学法具有以下的特点：

1）过程中可能产生的自由基无选择地直接与废水中的有机污染物反应，将其降解为二氧化碳、水和简单有机物，没有或很少产生二次污染；

2）可以通过改变外加电压、电流随时调节反应这两个外在因素，使得此实验可控制性变得较强；

3）电子转移只在电极及废水组份间进行，不需另外添加氧化还原剂，避免由另外添加药剂而引起的二次污染问题；

4）假如排污规模不大的话，则可以实现就地处理；

5）不仅可作为单独处理，也可与其他处理相结合，如果作为前处理，则可提高废水的可生物降解性；

6）反应条件温和，一般条件下电化学反应在常温下就能进行；

7）兼具气浮、消毒、絮凝作用；

8）反应器设备及其操作一般不复杂，从经济角度去考虑是十分可行的去除方法；

9）当处理废水中含有金属离子时，阳、阴极可在同一时间发生化学反应（阳极氧化有机物，阴极还原金属离子），则污染物的总去除率就进一步提高了，同时还能回收再利用有一定使用价值的金属或化学品，也符合了当今一趋势-环保；

10）作为一种清洁工艺，其基本设备体积较小，也就是说应用设备所占用的用地面积不大，所以此工艺特别适合于人口拥挤及小城市水处理。

因此，电化学水处理技术被称为“环境友好”技术，在绿色工艺方面极具发展潜力，在将来有望得到广泛应用。

第2章实验材料和方法

2.1实验试剂

此次实验是用电化学法处理模拟高氨氮废水，所谓模废水，就是在配置的水样中加入各种无机物和有机物，使所配的模拟废水中各污染物中种类及污染物浓度基本和真是溶液保持一致，比如有机物、氨氮、磷酸盐等，虽然模拟废水与真实污水的成分有所差异，但真实污水的某些基本特性还是都存在的。

此实验所用到的水样采用现用现配的水样，其成分及含量如下表所示：

表2-1试验水样的配制

将表2-1中的药品用蒸馏水配成1L溶液，现配现用。

每次实验时都要重新测定水样中氨氮的含量，作好记录。

其他实验试剂包括：

蒸馏水、KI、HgCl2结晶粉末、NaOH、HgI2、铵标准使用液（0.010mg/L）、酒石酸钾钠（KNaC4H4O6?

4H2O）、优级纯氯化铵（NH4Cl）、纳氏试剂。

实验中所用试剂均符合国标方法中的纯度要求。

2.2实验设备与装置

2.2.1电解设备与装置

电解装置包括直流电源、电解槽、极板，它们是此次实验的核心装置。

此次试验所用的直流电源是深圳安泰信公司生产的TPR6010S单路恒压恒流直流稳压电源，最大输出电流10A，且电流可以在0到10A之间连续

变化，最小变化单位为0.01A，通过预先的限流调节，使电解过程中电流保持恒定，这有利于对实验中所要研究的影响因素进行控制，实现单因素对象的研究和分析。

直流电源的实景图片如下所示：

图2-1TPR6010S单路恒压恒流直流稳压电源

电解槽是用有机玻璃制成的方形器皿，内置极板插槽，由于其透明，可以从外界清楚地观察到内部的反应情况和有关实验现象。

阳极极板是IrO2-Pt/Ti惰性电极，这几种金属都有惰性的属性，IrO2镀在外层，称为电极的活性物质[13]，起到类似催化剂的作用，电极通电时，它与水分子作用生成氧化性自由基，氧化性自由基再与污染物质反应，同时释放出IrO2，进入下一次反应。

传递电子作用的是Pt/Ti，其最大的特性就是其内部原子与电子结合紧密，很难在外界强制电流下失去电子，释放出金属离子，因此在实验中类似于可溶性电极所产生的电絮凝作用基本不可能发生，在电解的过程中废水会相对的透明，在测定过程中也较少会出现有色和还原性离子分别对氨氮测定结果的干扰；阴极则是铜电极，铜具

有电阻小，导电性良好，因此在同等条件下消耗的电能少，同时，铜极板具有较强耐酸、碱腐蚀性，以此为电极，可以减少材料的耗损。

电解槽与极板的实景图片如下所示:

图2-2电解槽与极板

整个电解装置的工作示意图如下所示：

图2-3电解实验的工作示意图

2.2.2处理、检测装置

处理、检测装置包括电热炉、分光光度计、电子天平。

下面简单地介绍它们各自在实验中的用途。

电热炉：

酒石酸钾溶液配制过程中用于加热煮沸。

752N紫外可见分光光度计：

通过检测吸光度进而计算水样中的氨氮含量。

AR2140电子天平：

在配制水样时和试剂时，准确称量各药品的质量。

2.3主要污染物的检测方法

污染物指标参数测定方法采用国家环保总局推荐的标准方法[14]测定。

纳氏试剂分光光度法：

第一步绘制标准曲线，分别取0、0.5、3、5、7、10ml铵标准使用液于50ml比色管中，加水至标线，加1.0ml酒石酸钾钠溶液，混匀。

加1.5ml纳氏试剂，混匀。

放置20min后，以蒸馏水为参比，在波长为420nm处，用20mm比色皿测其吸光度。

以氨氮质量为横坐标，校正吸光度为纵坐标，描点绘线即为标准曲线；第二步测原水样和电解液的氨氮含量，每次取1.00ml水样，稀释至50ml，以后同标准曲线。

2.4试验流程

2.4.1NH4-N标准曲线的绘制

NH4-N标准曲线涉及到NH4-N的最终检测结果，在技术上需要达到一定的要求，以下便是此次实验所绘制的NH4-N标准曲线，如图所示：

图2-4NH4-N标准曲线

2.4.2电流密度对NH4-N去除效果的研究

将约400ml水样倒入电解槽中，确定极板间距为3cm，连接好工作电路，测量极板宽度b（cm），淹没水深h（cm），计算极板有效电解面积S（cm2），确定电流密度i（mA/cm2），则工作电流I（A）为：

I=S×i×10-3=b×h×i×10-3

分别确定电流密度为5、10、20、25、30mA/cm2，在每个电流密度下，每隔20分钟取一个氨氮水样1.00ml，电解总时间为120min。

按照上述NH4-N的检测方法测定NH4-N的含量。

在同一坐标轴内，以时间为横坐标，去除率为纵坐标，绘制曲线。

2.4.3极板间距对NH4-N去除效果的研究

由第一步试验确定最佳电流密度（30mA/cm2），分别研究在此条件下极板间距为3cm、2cm和1cm时污染物去除率的情况，其取样和测定方法同电流密度的研究情况。

在同一坐标轴内，以时间为横坐标，去除率为纵坐标，绘制曲线。

2.4.4氯离子浓度对NH4-N去除效果的研究

有第一步和第二步实验确定最佳电流密度（30mA/cm2），最佳极板间距为3cm，分别研究在此条件下氯离子浓度分别为150mg/L、180mg/L、200mg/L时污染物去除率的情况，其取样同电流密度和极板间距的研究情况一样。

在同一坐标内，以时间为横坐标，去除率为纵坐标，绘制曲线。

2.4.5最佳工况的确定

最佳工况的确定必须具备两个基本条件：

第一，氨氮的去除率比较高；第二，电能消耗比较少。

由2.4.2和2.4.3的研究结果，并结合能耗等方面的因素，可以得到最佳工况。

第3章结果与讨论

3.1电流密度的影响

选取极板间距3cm，氯离子浓度200mg/L，采用IrO2-Pt/Ti电极为阳极，氨氮初始浓度约100mg/L，改变电流密度，分别电解2h，对不同时间氨氮的浓度进行测定，实验结果如下所示：

图3-1电流密度对NH4-N去除率的影响

图3-1显示了氨氮去除率与电流密度的关系，从图中可以得知，随着电流密度的增大,NH4-N的去除率明显增加。

原因是当电流密度增大时，电极电势随着增高，电极间产生的具有强氧化性的物质的量随之增加，也就造成电化学氧化能力变强，印证了上述事实[15]。

从图中亦可看出：

前60min，5mA/cm2和10mA/cm2下氨氮的去除效果差别不大，之后差别明显；前30min，20mA/cm2和25mA/cm2下氨氮的去除效果差别也不大，之后差距增大。

出现这种现象可能是因为刚开始一段时间内电解生成的Cl2的量比较少，废水中有效余氯不多，间接氧化作用不强；随着时间的增长，废水中有效余氯增多，电流密度越大，有效余氯的浓度也越大，间接氧化作用就越强，氨氮的去除效果也开始有了明显的区分。

但是随着电流密度的增加，电流效率随之降低，在同等条件下，能耗也相应增加。

所以，综合氨氮去除率和电能消耗两方面因素，此次实验选择的最佳电流密度为30mA/cm2。

3.2极板间距的影响

选择电流密度为30mA/cm2，氯离子浓度为200mg/L，采用IrO2–Pt/Ti电极为阳极，氨氮初始浓度约100mg/L，改变极板间距，分别电解2h，对不同时间氨氮的浓度进行测定，实验结果如下所示：

图3-2极板间距对NH4-N去除率的影响

图3-2显示了氨氮去除率与极板间距的关系，从图中可以得知，极板间距从1cm变化到3cm时，120minNH4-N的去除率先增大后略有减小，2cm时去除率达到最大。

原因是极板间距适量减小,极板间电阻减小，电流效率增加，反应速率增大，因此在相同时间内NH4-N的去除率相应增加。

但是，极板间距过小则由浓差极化作用产生的超电势较大，会影响电极反应速度[16]。

从整个时间段来看，极板间距的变