电化学氧化法处理高浓度氨氮废水的实验研究

袁芳 范洪波 代晋国

(1．华南理工大学 环境科学与工程学院，广州 510000;2．东莞理工学院 化学与环境工程学院，广东东莞 523808;3．中国环境科学研究院，北京 100012)

电化学氧化法处理高浓度氨氮废水的实验研究

袁芳1范洪波2代晋国3

(1．华南理工大学 环境科学与工程学院，广州 510000;2．东莞理工学院 化学与环境工程学院，广东东莞 523808;3．中国环境科学研究院，北京 100012)

采用电化学氧化对模拟高氨氮废水进行预处理，考察了不同电极材料、电流密度、氯离子浓度和pH值等因素对氨氮去除效果的影响。研究结果表明，高电流密度和氯离子浓度有利于氨氮的去除，试验得到的适宜电解氧化条件为：电流密度15 mA/cm2，氯离子浓度4 000 mg/L，采用Ti/RuO2－IrO2电极为阳极，电解2h。当初始氨氮浓度为500 mg/L时，氨氮去除率可达99.9%。

电化学氧化;氨氮去除;电流密度

氨氮是指水中以游离氨 (NH3)和铵离子 (-N)形式存在的氮。氨氮主要来源于生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物，焦化合成氨等工业废水，以及农田排水等［1］。氨氮含量较高时，会造成地表水体的富营养化，对鱼类呈现毒害作用，对人体也有不同程度的危害。因此，去除废水中的氨氮对水体保护十分重要。国内外去除氨氮的方法主要有氨吹托法、反渗透、化学沉淀法、折点加氯法、生物反硝化法等［2］，这些方法各有其优缺点。

近年来，电催化氧化技术处理难降解废水在国内外受到了广泛的关注，能有效地去除废水中的氨氮和难降解有机物。自20世纪70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［3］、制革废水［4］、含酚废水［5］、垃圾渗滤液［6］等一些高浓度氨氮废水。本文采用电化学氧化法处理模拟氨氮废水，研究关键参数条件对氨氮去除的影响，优化电化学氧化的实验条件，为电化学氧化技术的应用提供技术支持。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料与装置

实验装置如图1所示，主要包括：①电解反应槽，为自制的有机玻璃反应器，尺寸为10 cm×10 cm×13 cm;②反应极板，阴极为钛电极，阳极为Ti/RuO2-IrO2电极等，其规格都为10 cm×10 cm，实际使用面积为10 cm×8 cm;③稳压直流电源;④六联磁力搅拌器。

图1 电化学实验装置结构示意图

1.2 实验方法

模拟废水由去离子水加NH4Cl或 (NH4)2SO4配置，用NaCl调节Cl－浓度，实验用水量为900mL。考察电流密度、氯离子浓度、不同电极材料、初始pH值等对氨氮去除效率的影响。

1.3 分析方法

实验中氨氮的测定用钠氏试剂光度法，pH值用PHB-4便携式pH计测定。

2 结果与讨论

2.1 氨氮的直接氧化效果

实验中，选取电极间距为2 cm，电流密度为10 mA/cm2，以Ti/RuO2-IrO2电极为阳极，Ti板为阴极。用硫酸铵进行配水，溶液中无氯离子，研究氨氮的直接氧化效果，结果如图2所示。

图2 氨氮直接电化学氧化效果

从图2可看出，随着电解时间的延长，氨氮浓度基本没有发生变化。可见，氨氮的直接氧化效果不理想，氨氮的去除主要依靠间接氧化。

2.2 电流密度对氨氮去除效率的影响

选取极板间距2 cm，氯离子浓度3 000 mg/L，采用Ti/RuO2-IrO2电极为阳极，氨氮初始浓度约500 mg/L，改变电流密度，分别电解3 h，对不同时间氨氮的浓度进行测定，实验结果如图3所示。

图3 电流密度对氨氮去除的影响

图3表明，电流密度对氨氮的去除影响较大。随着电流密度的增加氨氮的去除效率明显增加，氨氮的氧化速率也随之增大。这是由于电流密度增大时，电极电势增高，Cl－产生的具有强氧化性的物质随之增多，相应电化学氧化能力增强［7］。

综合考虑氨氮的去除率、电流效率、处理时间和能耗等，电流密度为15 mA/cm2时效果最佳。故后续实验均选用电流密度为15 mA/cm2的条件下，考察其他因素对氨氮去除的影响。

2.3 Cl－浓度对氨氮去除效率的影响

由于间接氧化在电化学氧化过程中起着重要作用，以此Cl－浓度必然是影响氨氮去除效率的一个重要因素。Cl－在电化学氧化过程中可生成强氧化剂ClO－，将有机物、氨氮等氧化。以Ti/RuO2-IrO2电极为阳极，氨氮初始浓度500 mg/L，电流密度15 mA/cm2，电极间距2 cm，氨氮的去除效果见图4。

图4 氯离子浓度对氨氮去除的影响

由图4可见，Cl－浓度对氨氮的去除影响明显，随着Cl－浓度的增加，氨氮去除率增大，这同时也说明间接氧化在氨氮的去除过程中起着主导作用。

2.4 不同电极材料对氨氮去除效率的影响

氨氮初始浓度500 mg/L，Cl－浓度为4 000 mg/L，电流密度15 mA/cm2，电极间距2 cm，比较Ti/RuO2-IrO2、Ti/IrO2-TaO2、Ti/PbO2三种阳极材料对氨氮的去除效率，结果见图5。

图5 不同阳极材料对氨氮去除的影响

图6 pH值对氨氮去除的影响

图5表明，三种电极材料对氨氮的去除率效：Ti/RuO2-IrO2＞Ti/PbO2＞Ti/IrO2-TaO2。

2.5 不同pH值对氨氮去除效率的影响

以Ti/RuO2-IrO2电极为阳极，氨氮初始浓度500 mg/L，Cl－浓度为4 000 mg/L，电流密度15 mA/cm2，电极间距2cm，用NaOH和H2SO4调节水样于不同的pH值，电解2h，氨氮的去除效果见图6。由图6可见，初始pH值对氨氮的去除效率影响不大，但碱性条件下氨氮的去除效果略好于酸性条件。在酸性条件下，电解产生的氯气较容易逸出，而碱性条件下，氯气的溶解度增加，从而加快了氨氮的氧化。同时，碱性环境下的氨氮部分容易转化成氨气而直接逸出。

3 结论

电化学氧化法能有效去除氨氮。在有Cl－存在时，电化学氧化以间接氧化为主，其直接氧化效果不明显。Ti/RuO2-IrO2电极的处理效果优于Ti/IrO2-TaO2和Ti/PbO2电极。高Cl－浓度和高电流密度有利于氨氮的氧化。当氨氮浓度为500 mg/L时，适宜的电化学氧化条件是：Cl－浓度4 000 mg/L，电流密度15 mA/cm2，pH为中性，在此条件下，以Ti/RuO2-IrO2电极为阳极，氨氮的去除率可达99.9%。

［1］徐丽丽，施汉昌，陈金銮．Ti/RuO2-TiO2-IrO2-SnO2电极电解氧化含氨氮废水［J］．环境科学，2007，28(9)：2009－2013．

［2］鲁剑，张勇，吴盟盟，等．电化学氧化法处理高氨氮废水的试验研究［J］．安全与环境工程，2010，17(2)：51－53．

［3］刘占孟．电催化氧化处理染料废水实验研究［D］．湘潭：湘潭大学，2004．

［4］Sundarapandiyan S，Chandrasekar R，Ramanaiah B，et al．Electrochemical oxidation and reuse of tannery saline wastewater［J］．Jourmal of Hazardous Materials，2010，180：197 －203．

［5］Ma H Z，Zhang X H，Ma Q L，et al．Electrochemical catalytic treatment of phenol wastewater［J］．Jourmal of Hazardous Materials，2009，165：475－480．

［6］Zhang H，Li Y l，Wu X G，et al．Application of response surface methodology to the treatment landfill leachate in a tree-dimensional electrochemical reactor［J］．Waste Management，2010，30：2096 － 2102．

［7］李庭刚，陈坚．电化学氧化法处理高浓度垃圾渗滤液的研究［J］．上海环境科学，2003，22(12)：892－897．

An Experimental Study of Electrochemical Oxidation of High Concentrations of Ammonia

YUAN Fang1FAN Hong-bo2DAI Jin-guo3
(1．School of Environmental Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510000，China;2．College of Chemistry and Environmental Engineering，Dongguan University of Techology，Dongguan 523808，China;3．Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China)

By choosing electrochemical oxidation of simulated high strength ammonia wastewater，and investigating the effects on ammonia removal of different electrode materials，current density，chloride concentration and ph and other factors，the experiment shows that high current density and chloride concentration profit for the removal of ammonia nitrogen．Electrolytic oxidation condition goes as follows：current density is 15 mA/cm2and chloride concentration is 4 000 mg/L using Ti/RuO2-IrO2electrode as the anode．When the initial ammonia concentration is 500 mg/L，after electrolysis for 2 hours，ammonia nitrogen removal rate will be up to 99.9%．

electrochemical oxidation;ammonia removal;current density

X703

A

1009－0312(2011)05－0099－04

2011－07－08

袁芳 (1987—)，女，江西临川人，硕士生，主要从事水污染控制研究。