电化学技术用于污水脱氮除磷研究进展.ppt
电化学技术用于污水脱氮除磷的研究进展。污水电化学脱氮除磷技术以其高效、安全、避免直接投加化学物质、不需要使用微生物、反应速度快、操作简便、易于实现自动控制等优点，逐渐受到重视和应用。电化学脱氮除磷技术原理1.1电化学脱氮技术污水中的氮以有机氮和无机氮的形式存在于水溶液中。有机氮可分为溶解态有机氮(如尿素、氨基酸等)和非溶解态有机氮(污水中含有机氮悬浮颗粒等)。无机氮可分为铵离子、硝酸盐、亚硝酸盐、氨以及溶于水的氮氧化物等，以上各种形态的氮在一定条件下在水溶液中可以互相转化。因此，利用电化学技术去除污水中的氮时情况相对复杂。 虽然有机氮也可以通过电凝聚技术或吸附在电极表面得到一定程度的去除，但电化学脱氮技术通常是指利用电化学氧化作用去除污水中的氨氮（铵离子、氨水、溶解在水中的氨气）和电化学还原作用去除污水中的硝酸盐、亚硝酸盐等无机氮。1.2电凝聚除磷技术水中的磷通常主要以无机形态存在，利用电凝聚技术除磷时，其原理是利用铁、铝等阳极材料在电解过程中生成的金属阳离子或其水合物与水中的磷酸盐形成沉淀来去除污水中的磷。电凝聚过程中的原理为：铝电极电凝聚除磷：++6e，2Al3++(OH)3+6H+； 铁电极电凝聚除磷：++8e，4Fe2++10H2O+O24Fe(OH)3+8H+2.1电化学脱氮技术电化学脱氮技术通过电化学氧化方法去除污水中的氨氮，研究较多，而电化学还原方法去除水中硝酸盐和亚硝酸盐的研究相对较少。
自20世纪80年代电化学氧化法去除污水中氨氮引起人们的重视以来，得到了广泛的应用，用于去除垃圾渗滤液、化肥厂废水、养猪场废水、石油化工废水等污水中的氨氮。例如，Kim等[9]分别采用IrO2、RuO2、Pt修饰的3种不同钛电极材料，研究了pH、氯离子浓度、初始氨氮浓度、电流密度以及反应器中是否存在离子选择膜等因素对模拟污水（氨氮浓度为1.0 mol·L-1）中氨氮电化学氧化去除的影响。结果表明，无论在酸性还是碱性条件下，IrO2和RuO2修饰电极去除氨氮的性能都强于Pt修饰电极；在电流密度为-2时氨氮的去除率最高，高于该值。 氨氮在电极上的吸附过程受到溶液中离子的阻碍，导致去除率下降。随着溶液中氯离子浓度的升高，氨氮的去除率增大，当氯离子质量浓度高于10gL-1时，因氯离子浓度升高而引起的氨氮去除率的提高十分有限。李卫东等[5]利用电化学氧化技术处理垃圾渗滤液，在电极间距1.0cm、电流密度10Adm-2的条件下，中浓度垃圾渗滤液氨氮的去除率可达97.3%。林海波等[6]利用电化学氧化技术处理垃圾渗滤液，在电极间距1.0cm、电流密度10Adm-2的条件下，中浓度垃圾渗滤液氨氮的去除率可达97.3%。 [18]研究了流动电解池去除氨氮，发现当电流密度为-2、体积流速为-1时，氨氮去除速率常数为38.910-6gL-1m-1s-1，去除1kg氨氮的能耗为55.7kWh。此外，林海波等还利用电化学氧化法处理某化肥厂排放的废水[19]，在废水流速为-1、电流密度为-2的条件下，电解70min后，出水中氨氮的质量浓度由22.3mgL-1稳定到0mgL-1。
王鹏[20]等采用电化学氧化反硝化技术处理UASB厌氧工艺渗滤液出水中的氨氮，发现在外加Cl-质量浓度为-1、电流密度为32.3 mA cm-2的条件下，通过6的间接电解氧化，对-1质量浓度以下的氨氮去除率可达100%。此外，也有利用电化学氧化去除渗滤液或高浓度有机废水中氨氮的研究报道[21-25]，结果比较令人满意。利用电化学还原去除污水中硝酸盐的研究相对较少，但与生物反硝化相比，电化学反硝化具有不需要投加碳源、操作简便等优点，因而受到了人们的重视。[26]等。 研究了用锡电极还原去除0.1 mol·L-1和0.-1 KNO3混合溶液中的硝酸盐氮，结果表明，当相对电压(以饱和Ag/AgCl为参比)控制在-2.9时，硝酸盐氮的去除率为生成气体中氮气的92%。Dash等[27]研究了电化学反硝化去除地下水中硝酸盐氮的研究，发现使用铁电极、铝电极和钛电极，硝酸盐氮的去除率可达70%～97%，而且只有钛电极才能将硝酸盐转化为以氮气而非氨气为主的产物，使用石墨电极只能达到8%的硝酸盐氮去除率。
[28]等研究发现，利用脉冲电流可以有效提高污水中硝酸盐还原生成氮气的选择性，同时减少NO2-和NH3等副产物的生成。范菁华[29]等研究了以负载钯-铜（质量比4∶1）合金的多孔钛板为阴极，采用电化学还原法去除饮用水中的硝酸盐氮。结果表明，电催化脱硝主产物为氮气，钯-铜合金的电催化活性可达16.69mg·g-1·h-1，选择性可达96.9%。在低硝酸盐氮浓度下，电催化脱硝反应符合表观一级反应动力学，在高浓度下符合零级反应动力学。当槽电压或电流强度增加到一定程度时，阴极生成氨氮的副反应明显增多。 在中性条件下，电催化反硝化活性和选择性均能取得良好的效果；在酸性条件下，反应活性提高但选择性下降；溶液中的传质对反硝化无明显影响，溶液中其他阴离子不利于反硝化。2.2 电化学除磷技术国内外已采用电凝聚技术去除污水中的磷，但相关文献报道少于电化学除氮。冯爽等[33]研究了利用铁电极去除城市污水二级处理出水中的磷，结果表明，电凝聚除磷为零级反应，电解7 min后模拟污水中磷的去除率可达70%左右。 系统研究了初始pH、电流密度、磷浓度等操作条件对铝电极和铁电极电凝聚除磷的影响[8,34-35]，发现随着电流密度的增加，两种电极相应的除磷效率和除磷速率都增加，但同时也增加了能耗；对于铁电极电凝聚除磷过程，最佳pH为7.0，除磷效率随着磷浓度的增加而降低；对于不同磷浓度的模拟污水，采用铝电极，在电流密度为一定值时，几乎可以获得100%的除磷率；根据研究结果，普遍认为铝电极比铁电极能更有效地去除污水中的磷。
等[7]在电流密度2.5～-2、水力停留时间5～20 min条件下，研究了铝电极对磷浓度为10～-1的模拟污水的净化效果，结果表明，去除率均能达到80%以上。2.3 电化学反硝化除磷组合技术将电化学反硝化与电凝聚除磷技术结合起来用于废水脱氮除磷的研究很少。冯等[36]利用PtIr/Fe/PtIr电极对源分离尿液进行了同时反硝化除磷研究，将铁电极在电化学氧化反硝化中作为阳极，在电凝聚除磷中转换为阴极。在实验条件下，当总氮质量浓度稀释至-1以下时，尿液中几乎所有的氮和磷都能被去除，尿液中COD可降低85%左右。冯等[9]对尿液进行了脱氮除磷组合技术的研究。 [37]将采用直流电源的铁电极电凝聚工艺与采用脉冲电源的Ti/RuO2电极电化学氧化工艺相结合，设计了水力负荷为0.3 m3m-2h-1的中试电化学污水处理装置。结果表明，对生活污水和藻池水中TN、TP、NH4+-N和COD的去除率均接近90%，但对未经预处理的含高浓度SS的养殖废水处理效果不佳。目前已广泛应用的污水脱氮除磷技术主要有生物法和化学沉淀法，但这些技术在实际应用中存在产生大量难以处置的污泥、生物处理过程稳定性差、常规反硝化过程中需投加碳源、管理麻烦等缺点。电化学技术具有高效、稳定、便捷、兼容性好等优点，可以克服上述处理技术的缺点。 根据现有的文献报道，电化学技术对于污水脱氮除磷的去除效果比较令人满意。
电化学脱氮除磷的研究报道主要集中在以脱氮为单一目的或以除磷为单一目的，而对组合电化学脱氮除磷工艺的反应过程及设备的研究并不多。但从现有的研究报道来看，组合电化学脱氮除磷工艺完全能够同时去除废水中的氮和磷。预计组合电化学工艺同时去除废水中的氮和磷的研究将成为未来的研究热点。除了研究脱氮除磷工艺的组合优化外，未来电化学脱氮除磷技术的研究还可能集中在以下几个方面：开发合适高效的电极材料、研究电极结构、开发电化学反应器及相关操作条件研究、电化学过程与其他废水处理工艺的组合优化研究等。例如，在利用电化学还原方法去除污水中的硝酸盐时，当采用不同的电极材料和操作条件时，硝酸盐往往会转化为氨氮。 污水脱氮的目的是将污水中的氨氮和硝态氮转化为氮气逸出，因此研究不同的电极材料并控制相关的操作条件以高选择性地将硝态氮转化为氮气以达到污水脱氮的目的，是电化学还原脱氮的热点和难点；再如，近来关于结合电化学和生物处理技术进行污水脱氮研究的报道较多，该类组合工艺具有良好的处理效果，受到人们的重视；此外，结合电化学工艺和膜处理技术的污水处理反应器也取得了一些研究成果，引起了人们的关注。污水脱氮除磷技术一直是水环境保护的难点和重点，电化学技术由于其先天的优势，逐渐成为污水处理技术的重要发展方向之一。相信随着电化学技术的发展，新型电化学脱氮除磷一体化反应器将逐渐广泛应用于各类污水脱氮除磷的处理工艺中。报告已完成