CN107098441A - 电化学去除废水中总氮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电化学去除废水中总氮的方法。它采用电解装置处理废水，电解装置内设有若干个反应单元，每个反应单元内均设有阳极和阴极，阳极和阴极之间设有隔膜，隔膜将每个反应单元分隔成阳极室和阴极室，电极与隔膜之间设有导流板，废水沿导流板呈柱塞流模式流经阴极室和阳极室，相邻两个反应单元的阴极面和阳极面复合成复合电极，废水流经每个反应单元的阴极室和阳极室，通过阳极氧化反应和阴极还原反应进行废水的电化学处理去除总氮。本发明采用限定结构的电解装置，通过阴阳两极协同作用，同步去除废水中的总氮以及其他污染物，提高电解效率，它明适用于对经二级生化处理后总氮仍超标的工业外排废水的深度处理，对不同行业废水具有通用性。
Description
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种节能、高效、环保的去除废水中总氮的电化学去除废水中总氮的方法。
背景技术
《国家环境保护“十三五”规划纲要》明确指出，除继续对废水中COD和氨氮这2种常规污染物实行总量控制外，将新增总氮控制。因此，有效去除总氮的减排技术成为当前的形势需求。
氮是导致水体富营养化的一个主要因子。工业废水经一级预处理、二级生化处理后，外排废水仍含有数量不少的氮，主要包括硝态氮和亚硝态氮，以及少量氨氮和微量有机氮，统称为总氮（TN），其浓度采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定。
近年来，我国在废水深度处理方面做了大量的研究和应用实践，如生物滤池、膜过滤、高级氧化等，主要针对生化尾水中COD、色度、氨氮等因子处理。关于总氮（TN）去除，常规技术是生物硝化反硝化工艺，通过向二级生化出水补加碳源（甲醇），实施反硝化脱氮过程。这个工艺能有效去除硝态氮和亚硝态氮，但对氨氮和有机氮效果不好，且耗时长，需要投加额外碳源。
电化学技术因其环境友好性而成为国内外研究热点。电化学处理废水过程中，氨氮和有机氮（包括其他有机污染物）在阳极失电子发生氧化反应，转化为氮气；硝态氮和亚硝态氮在阴极得电子发生还原，转化为氮气，从而实现了废水中总氮及其他污染物有效去除。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种节能、高效、环保的去除废水中总氮的电化学去除废水中总氮的方法，该方法可以去除废水中总氮的电化学技术，实现总氮等污染物的高效去除，满足工业废水深度处理的要求。
所述的电化学去除废水中总氮的方法，采用电解装置处理废水，其特征在于电解装置内设有若干个反应单元，每个反应单元内均设有阳极和阴极，阳极和阴极之间设有隔膜，隔膜将每个反应单元分隔成阳极室和阴极室，相邻两个反应单元的阴极面和阳极面复合成复合电极，废水流经每个反应单元的阴极室和阳极室，通过阳极氧化反应和阴极还原反应进行废水的电化学处理，去除废水中的总氮。
所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于复合电极包括钛基氧化铅的阳极面和钛板电阴极面，隔膜与复合电极的间距为5~15mm。
所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于所述电解装置为柱塞流隔膜电氧化装置，其复合电极与隔膜之间设有导流板，废水沿导流板呈柱塞流模式流经各阴极室和阳极室。
所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于所述导流板依次竖向交替设置在各个反应单元的电解槽体的顶面与底面内侧，且呈之字形排列，相邻导流板的间距为10~100mm。
所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于若干个反应单元之间串联连接，废水经第一个反应单元的阴极室流入，依次沿导流板流经与第一个反应单元串联的第二个反应单元、第三个反应单元的阴极室，直至最后一个反应单元的阴极室流出；再从第一个反应单元的阳极室开始，依次流经第二个反应单元、第三个反应单元的阳极室，直至从最后一个反应单元的阳极室流出，左端反应单元的阳极和右端反应单元的阴极作为端电极分别连接脉冲直流稳流电源的正负极。
所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于每个反应单元的电解条件为：电流密度为5~20mA/cm2，废水流速为20~50m/h，废水经过每个反应单元的时间为2.0~6.0min。
所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于废水的COD为100~1000mg/L、总氮为50~200mg/L，pH值为6~9，色度为50~500。
所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于总氮包括氨氮、硝态氮及亚硝态氮，其中氨氮为30~150mg/L，硝态氮为15~60mg/L，亚硝态氮为5~30mg/L。
本发明废水处理工作原理是：
阳极室：阳极水解产生具有强氧化性的·OH，氧化电位高达2.80V，与污染物发生氧化反应，其反应方程式如下：
H2O → ·OH + ·H
·OH可将氨氮（NH3与NH4 +）氧化为氮气，将有机污染物（R）多级氧化为CO2和H2O，其反应方程式如下：
2NH3 +6·OH → N2 + 6H2O
R+·OH → CO2 + H2O + inorganic ions；
阴极室：阴极产生具有还原性的·H，与硝态氮和亚硝态氮等发生还原反应，，其反应方程式如下：
2NO2 - + 8·H → N2 + 4H2O
2NO3 - + 12·H → N2 + 6H2O
当系统中存在氯离子时，阳极室会产生活性氯（以HClO为例），也具有强氧化性，能够去除氨氮和有机氮等污染物，其反应方程式如下：
3HClO + 2NH4 + → N2 + 3H2O + 5H+ + 3Cl-
HClO + R → CO2 + H2O + inorganic ions。
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1）本发明采用限定结构的电解装置，通过阴阳两极协同作用，同步去除废水中的总氮以及其他污染物，提高电解效率；
2）本发明适用于对经二级生化处理后总氮仍超标的工业外排废水的深度处理，对不同行业废水具有通用性。
附图说明
图1为本发明实施例中的电化学处理流程示意图；
图2为本发明实施例中的反应单元电极室导流板的结构示意图。
图中：1-脉冲直流稳流电源，2-阳极，3-隔膜，4-复合电极，5-导流板，6-阴极。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
如图1所示，本发明的电化学去除废水中总氮用电解装置，包括电解装置本体，电解装置本体内设有若干个相互串联的反应单元，且图1中以最右端的反应单元作为第一个反应单元，最左端的反应单元作为最后一个反应单元；每个反应单元内均设有阳极2和阴极6，阳极2和阴极6之间设有隔膜3，隔膜3将每个反应单元分隔成阳极室和阴极室，电解装置的第一个反应单元的阴极室设为进水口，最后一个反应单元的阳极室设为出水口，相邻两个反应单元的阴极面和阳极面复合成复合电极4。
本发明的阳极2采用钛基二氧化铅电极，阴极6采用钛板电极，即复合电极4包括钛基氧化铅的阳极面和钛板电阴极面，隔膜3与复合电极4的间距为5~15mm，实施例中隔膜3与复合电极4的间距为10mm；本发明实施例中的电解装置为柱塞流隔膜电氧化装置，其复合电极4与隔膜3之间设有导流板5（如图2），导流板5依次竖向交替设置在电解槽体的顶面与底面内侧，且呈之字形排列，相邻导流板5的间距为10~100mm，实施例中的相邻导流板5的间距为100mm；废水沿导流板5呈柱塞流模式流经各阴极室和阳极室。
如图1所示，本发明实施例中的反应单元为5个，且5个反应单元之间串联连接，最后一个反应单元的阳极2和第一个反应单元的阴极6作为端电极分别连接脉冲直流稳流电源1的正负极。
本发明阳极2为钛基二氧化铅电极，阴极6为钛板电极，即复合电极4包括钛基氧化铅的阳极面和钛板电阴极面，实施例中的复合电极4尺寸为400×500mm，厚度3mm，隔膜为相同尺寸的质子膜。
实施例1：
化学制药二级生化处理废水水质为：电导为34.7ms/cm，pH 为7.8，COD为530 mg/L，氨氮为70.33mg/L，色度为220，总氮110.5mg/L。待处理的废水经泵提升送入电解装置本体右端阴极室的进水口，进入第一个反应单元，沿电极与隔膜3间设置竖向“之”字形导流板5呈柱塞流模式依次流经各个单元阴极室，直至最后一个反应单元阴极室流出，废水中的硝态氮和亚硝态氮在阴极室完成还原反应；最后一个反应单元阴极室流出的废水呈同向流再从第一个反应单元的阳极室开始，依次流经各个反应单元的阳极室，直至从最后一个反应单元阳极室的出水口流出，废水中的氨氮和有机氮等在阳极室完成氧化反应。
本发明实施例中的每个反应单元的电解条件为：电流密度为15mA/cm2，各单元水力停留时间为6min，经本发明的电化学方法处理后的废水水质与处理有的废水水质情况对照如表1所示。
表1 制药生化废水经电化学处理前后的水质情况对照表
实施例2：
电解槽同实施例1。印染企业二级生化尾水水质：电导16.56ms/cm，盐度8.28g/L，氨氮43mg/L，pH 6.9，COD为314mg/L，色度300，总氮62.2mg/L。废水处理过程同实施例1，每个反应单元的电解条件为：电流密度10mA/cm2，各单元水力停留时间为4min。废水处理前后的水质情况见表2所示。
表2 印染生化废水处理前后的水质情况对照表
从表1和表2结果表明，在电流密度为10~15mA/cm2的处理条件下，废水经历的总停留时间20~30min，出水总氮、氨氮、COD均能满足纳管标准，本发明所涉及的电化学法适用于工业废水生化出水的深度处理。
综上所述，本发明所述的电化学技术可以有效地去除工业废水中的总氮、氨氮等残留污染物，还具备运行稳定，无二次污染物生成，占地面积小等特点，适用于现在工业企业的发展状况和环保的要求，具有广阔的应用前景。
Claims (8)
1.电化学去除废水中总氮的方法，采用电解装置处理废水，其特征在于电解装置内设有若干个反应单元，每个反应单元内均设有阳极（2）和阴极（6），阳极（2）和阴极（6）之间设有隔膜（3），隔膜（3）将每个反应单元分隔成阳极室和阴极室，相邻两个反应单元的阴极面和阳极面复合成复合电极（4），废水流经每个反应单元的阴极室和阳极室，通过阳极氧化反应和阴极还原反应进行废水的电化学处理，去除废水中的总氮。
2.根据权利要求1所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于复合电极（4）包括钛基氧化铅的阳极面和钛板电阴极面，隔膜（3）与复合电极（4）的间距为5~15mm。
3.根据权利要求1所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于所述电解装置为柱塞流隔膜电氧化装置，其复合电极（4）与隔膜（3）之间设有导流板（5），废水沿导流板（5）呈柱塞流模式流经各阴极室和阳极室。
4.根据权利要求3所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于所述导流板（5）依次竖向交替设置在各个反应单元的电解槽体的顶面与底面内侧，且呈之字形排列，相邻导流板（5）的间距为10~100mm。
5.根据权利要求1所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于若干个反应单元之间串联连接，废水经第一个反应单元的阴极室流入，依次沿导流板（5）流经与第一个反应单元串联的第二个反应单元、第三个反应单元的阴极室，直至最后一个反应单元的阴极室流出；再从第一个反应单元的阳极室开始，依次流经第二个反应单元、第三个反应单元的阳极室，直至从最后一个反应单元的阳极室流出，左端反应单元的阳极和右端反应单元的阴极作为端电极分别连接脉冲直流稳流电源（1）的正负极。
6.根据权利要求5所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于每个反应单元的电解条件为：电流密度为5~20mA/cm2，废水流速为20~50m/h，废水经过每个反应单元的时间为2.0~6.0min。
7.根据权利要求1-6任一所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于废水的COD为100~1000mg/L、总氮为50~200mg/L，pH值为6~9，色度为50~500。
8.根据权利要求7所述的电化学去除废水中总氮的方法，其特征在于总氮包括氨氮、硝态氮及亚硝态氮，其中氨氮为30~150mg/L，硝态氮为15~60mg/L，亚硝态氮为5~30mg/L。
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