沸石填料電化學(xué)反應器處理氨氮污水

含氨氮廢水來(lái)源廣、排放量大，已納入環(huán)保部“十二五”規劃主要水污染物排放的約束性控制指標。目前，國內外氨氮廢水的處理方法主要有折點(diǎn)加氯法、鳥(niǎo)糞石結晶沉淀法、電化學(xué)氧化法、離子交換法、物理吸附法、氣浮法和生物脫氨法等。其中，電化學(xué)氧化法由于占地面積少、操作簡(jiǎn)單、不用外加電解質(zhì)、不造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛關(guān)注，但其在氯離子存在下大多依靠陽(yáng)極的間接氧化作用達到去除氨氮的目的，存在電流效率低、耗能大的缺點(diǎn)。

與二維電極法相比，三維電極法由于其較大的電極表面積而具有反應速度快、電流效率高等優(yōu)點(diǎn)。三維電極-電Fenton法是將三維電極法和電Fenton法相耦合的電化學(xué)氧化新技術(shù)，該方法引入粒子電極，提高了電流效率，大幅度地增加了反應器的面體比，在一個(gè)反應器內同時(shí)進(jìn)行電解產(chǎn)生?OH和Fenton試劑法產(chǎn)生?OH的兩種反應，從而使廢水達到良好的處理效果。該方法已經(jīng)在垃圾滲濾液、難處理有機工業(yè)廢水等方面取得了良好的處理效果。在三維電極-電Fenton法反應體系中，常用的填料有活性炭、PbO、泡沫顆粒上涂覆摻Sb的SnO2、涂覆RuO2或SnO2-Sb2O3的陶瓷顆粒、沉積有Pt和Ni陶瓷顆粒和石墨、負載SnO2-Sb的陶瓷片和活性炭負載CeO2-Sb2O3等。填料的功能是在電場(chǎng)中由于感應而形成復極性粒子電極，因此三維電極的填料必須具備一定的導電性，但同時(shí)要避免反應器中因填料直接接觸而引起的短路電流�？紤]到沸石對氨氮具有良好的吸附性能，筆者采用充填有沸石顆粒的電化學(xué)反應器進(jìn)行氨氮廢水處理的研究，探討這種同時(shí)具有吸附和電化學(xué)反應雙重功能的裝置對氨氮的處理效果。

1實(shí)驗材料和方法

1.1實(shí)驗裝置
實(shí)驗裝置如圖1所示。

電解槽由有機玻璃制成，槽內尺寸為60mm×80mm×120mm，有效容積為0.5L。陽(yáng)陰極板都采用鐵板或不銹鋼板，極板尺寸為60mm×80mm×1.5mm。沸石顆粒填充在陰陽(yáng)極板之間，填料底部均勻通入壓縮空氣，通過(guò)空氣壓縮機與流量計控制氣量。直流穩壓電源可提供0~60V/0~15A的直流電。

1.2填料的預處理
市購的斜發(fā)沸石和絲光沸石為電解槽填料，粒徑20~40目（約0.90~0.45mm）。為了避免因沸石對氨氮的吸附而引起氨氮去除效率的計算誤差，研究先將沸石顆粒經(jīng)過(guò)氨氮廢水吸附飽和處理。為了提高沸石顆粒的導電性，對沸石顆粒進(jìn)行載鐵處理：在一定濃度的FeSO4溶液中浸泡24h后，用蒸餾水洗凈放于90℃的烘箱中烘干，使用前再進(jìn)行氨氮飽和吸附處理。

1.3實(shí)驗方法
采用（NH4）2SO4和去離子水配制成初始質(zhì)量濃度為20mg/L的模擬污水。實(shí)驗在相同條件下，通過(guò)改變單因素的方法來(lái)考察各影響因素對氨氮去除效果的影響。實(shí)驗過(guò)程中，每隔5min取樣一次，定型濾紙過(guò)濾后再進(jìn)行分析。反應完成后，洗凈電極板浸泡在一定濃度的硫酸溶液中，沸石顆粒用水洗凈再進(jìn)行飽和處理。筆者文中所用沸石均為飽和沸石。

1.4分析方法
氨氮濃度用納氏試劑分光光度法測定，pH采用pHS-25C型酸度計測定。

1.5反應機理
（1）直接電氧化作用。填充在兩極板之間的飽和沸石在外加電壓后成為粒子電極，當主極板間外加電壓足夠高時(shí)，每一個(gè)粒子成為獨立的立體電極，吸附在沸石顆粒上的氨氮，由于粒子表面發(fā)生電化學(xué)反應從而達到去除的目的。

（2）間接電氧化作用。極板兩端同時(shí)發(fā)生電化學(xué)氧化和還原反應，陽(yáng)極電解產(chǎn)生Fe2+，陰極在通入空氣的情況下反應生成H2O2。Fe2+和H2O2混合生成?OH，與吸附在沸石電極上的氨氮發(fā)生氧化反應，將氨氮氧化去除。

（3）填料的吸附作用。電氧化作用加速了未吸附飽和的沸石電極對處理液中氨氮的吸附，吸附成功的氨氮繼續被粒子電極兩端的反應去除，在沸石表面形成一個(gè)氧化-吸附-再氧化-再吸附的循環(huán)過(guò)程，相關(guān)反應過(guò)程如下〔7,8〕：

2結果與討論

2.1不同極板材料對氨氮去除效果的影響
由于極板材料對三維電極反應器的性能和處理效果有直接的影響〔9〕，選擇鐵板和不銹鋼板作為極板材料，在極板間距3cm、電流密度8mA/cm2、電源電壓60V、pH=5、曝氣量為7L/min、填充200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應時(shí)間40min下考察極板材料對氨氮去除效果的影響，結果如表1所示。

由表1可見(jiàn)，在相同實(shí)驗條件下，鐵極板和不銹鋼極板都能在20min內將氨氮質(zhì)量濃度降到5mg/L左右，幾乎無(wú)差別，處理后出水可以達到國家城市污水處理廠(chǎng)一級A的排放標準（GB18918—2002）。但隨著(zhù)反應時(shí)間的延長(cháng)，采用鐵板陽(yáng)極的電解體系中污水的顏色由無(wú)色逐漸變成了紅褐色，且底部產(chǎn)生了較多的絮狀物，阻礙了反應的繼續進(jìn)行，而不銹鋼腐蝕性較小、使用壽命較長(cháng)，因此不銹鋼板更適合于作為電極板用于氨氮的處理。

2.2電流密度對氨氮去除效果的影響
電流密度為恒定電流與極板面積的比值，實(shí)驗極板的面積是固定的，電流可通過(guò)加入一定濃度的Na2SO4溶液來(lái)調節。在極板間距3cm、不銹鋼極板、電源電壓60V、pH=5、曝氣量7L/min、填充粒子為200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應時(shí)間40min下考察不同電流密度對氨氮去除效果的影響，結果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，電流密度過(guò)大或過(guò)小都不利于氨氮的去除。原因是電流密度過(guò)小時(shí)，所產(chǎn)生的電氧化作用較弱。電流密度過(guò)大時(shí)，過(guò)量的電子不經(jīng)過(guò)主電極和粒子電極，而直接進(jìn)入電解液，形成短路電流，并且容易發(fā)生副反應（析氫、析氧反應）〔10〕，造成電能損失，降低電流效率。當電流密度在5~8mA/cm2時(shí)，氨氮的去除率隨電流密度增大而升高，電流密度為8mA/cm2、反應時(shí)間為20min時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度為5.3mg/L，氨氮的去除率達到76.6%，去除效果最好。

2.3電源電壓對氨氮去除效果的影響
電源電壓是電化學(xué)反應器內電解反應的基礎，也是填充粒子復極化的動(dòng)力。在極板間距3cm、不銹鋼極板、電流密度8mA/cm2、pH=5、曝氣量7L/min、填充粒子為200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應時(shí)間40min下考察電源電壓對氨氮去除效果的影響，結果如表2所示。

由表2可見(jiàn)，反應20min內，電源電壓越高，氨氮的去除效果越好。當電源電壓為60V時(shí)，去除效果最好，氨氮質(zhì)量濃度從22mg/L降到5.3mg/L，去除率達到75.9%。由于沸石本身導電性較差，因此需要較高的電壓將其復極化。而電源電壓較低時(shí)，沸石粒子極化不充分，導致氨氮去除效果不好。

2.4pH對氨氮去除效果的影響
從反應機理可知，pH對反應過(guò)程中?OH和H2O2的形成具有一定的影響。在極板間距3cm、不銹鋼電極、電源電壓60V、電流密度8mA/cm2、曝氣量7L/min、填充粒子為200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應時(shí)間40min下，通過(guò)一定濃度的NaOH溶液和H2SO4溶液來(lái)調節模擬污水的pH，考察pH對氨氮去除效果的影響，結果表明：酸性條件比堿性條件更有利于去除氨氮，原因是在酸性條件下?OH和H2O2更容易生成，電氧化作用更大。當pH繼續降低時(shí)，氨氮去除效果變差，原因是?OH的多少取決于Fe2+和H2O2的濃度，適當地增大Fe2+和H2O2濃度有利于Fenton試劑的形成，促進(jìn)氨氮的去除。但當廢水的pH降低，溶液中Fe2+和H2O2濃度過(guò)大時(shí)，根據反應式（6）、式（7）可得，Fe2+和H2O2會(huì )成為?OH的捕獲劑，從而阻礙氨氮的去除。

2.5填充粒子種類(lèi)對氨氮去除效果的影響
分別采用經(jīng)吸附飽和處理后的斜發(fā)沸石、載鐵斜發(fā)沸石、絲光沸石和載鐵絲光沸石進(jìn)行研究。在極板間距3cm、不銹鋼電極、電源電壓60V、電流密度為8mA/cm2、曝氣量為7L/min、pH=5、粒子填充量為200g/L、反應時(shí)間40min下改變填充粒子種類(lèi)，考察其對氨氮去除效果的影響，結果如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，斜發(fā)沸石對氨氮的處理效果遠好于絲光沸石。反應初期，電氧化作用使得氨氮濃度下降，但在40min時(shí)，填充絲光沸石的反應出現氨氮濃度比初始濃度高的現象，可能是由于經(jīng)飽和吸附處理過(guò)的絲光沸石出現氨氮脫附的情況。載鐵斜發(fā)沸石對氨氮的去除效果好于不載鐵的斜發(fā)沸石，原因可能是載鐵后斜發(fā)沸石導電性增強，直接氧化能力提高。此外，適量的二價(jià)鐵離子濃度有利于H2O2在其催化下通過(guò)Fenton反應生成具有強氧化性的?OH，使氨氮得到去除。

2.6曝氣對氨氮去除效果的影響
氧化作用有利于氨氮的去除，而曝氣有助于增強氧化作用。在極板間距3cm、不銹鋼電極、電源電壓60V、電流密度8mA/cm2、pH=5、填充粒子為200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應時(shí)間40min下，考察曝氣對氨氮去除效果的影響，結果如表3所示。

由表3可見(jiàn)，在相同的條件下，曝氣可以明顯提高氨氮的去除率，達到較好的去除效果。這是因為曝氣不僅可以產(chǎn)生更多的強氧化性?OH，而且起到攪拌的效果，使廢水與粒子電極充分接觸，有效氧化氨氮。

考察不同曝氣量對氨氮去除效果的影響，結果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，氨氮去除率先隨曝氣量的增大而增大，但當曝氣量增大至7L/min后，繼續增大曝氣量，氨氮去除率反而略有下降。這是由于曝氣量過(guò)大時(shí)，氧氣在污水中的溶解度達到飽和，盡管有利于陰極生成H2O2，但過(guò)量氧氣也會(huì )降低陽(yáng)極所產(chǎn)生的Fe2+濃度，從而減少強氧化性?OH的形成，降低氨氮的去除率。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3結論
（1）采用的電化學(xué)反應器，在能產(chǎn)生Fe2+的陽(yáng)極板和能產(chǎn)生H2O2的陰極板之間充填一種對氨氮具有良好吸附特性的沸石顆粒，其去除氨氮的機理主要基于電化學(xué)作用所形成的強氧化性?OH、沸石的吸附功能和電化學(xué)再生吸附飽和后的沸石。（2）對氨氮質(zhì)量濃度為20mg/L模擬廢水的處理結果表明：在一定條件下，出水中氨氮質(zhì)量濃度能降到5mg/L左右，達到國家城市污水處理廠(chǎng)的一級A排放標準（GB18918—2002）。最佳運行條件：不銹鋼為陰陽(yáng)極板、電流密度8mA/cm2、電源電壓60V、pH=5、200g/L載鐵斜發(fā)沸石作為填料，曝氣量為7L/min，反應時(shí)間20min。（3）該反應器可以有效處理低濃度氨氮廢水，操作簡(jiǎn)單，占地面積小，無(wú)需投加藥劑，填料無(wú)需另外再生處理。因此，填充沸石的電化學(xué)反應器在氨氮污水處理方面將具有廣闊的應用前景。