TWI755644B

TWI755644B - 去除廢水中氨氮之方法

Info

Publication number: TWI755644B
Application number: TW108139500A
Authority: TW
Inventors: 孫玉龍; 蔡明哲; 劉永浩
Original assignee: 虹京科技有限公司
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2022-02-21
Also published as: TW202118736A

Abstract

一種去除廢水中氨氮之方法，用以解決習知方法存在著設備結構複雜、操作繁複、高成本、耗能、耗時及有二次汙染危機的問題。係包含以下步驟：齊備一電解槽，該電解槽包含一陽極電極板及一陰極電極板，該陽極電極板及該陰極電極板之材質包含鈦鍍銥、鈦或石墨；提供一氨氮廢水，該氨氮廢水含70000ppm的氯化鈉，且該氨氮廢水的pH值為5；以及，將該氨氮廢水置入該電解槽中，進行電解反應；其中，該電解反應之電流密度係介於1400安培/平方公尺至1600安培/平方公尺之間，該電解反應之電壓為6伏特。

Description

去除廢水中氨氮之方法

本發明係關於一種廢水之處理方法，尤其係一種去除氨氮廢水中之氨氮的處理方法。

「水」係生物體維持生命不可或缺的重要元素之一，然而，近數十年來工業的蓬勃發展的背後，隱藏著水質汙染的危機，其將嚴重地危害人類下一代的健康。

舉例而言，氨氮廢水即為工業發展所產生的廢水之一，所謂「氨氮」係指水中以游離氨(NH₃)和銨離子(NH₄ ⁺)形式存在的氮，倘若水中含有過多的氨氮，將會降低水中的溶氧濃度，導致水質惡化及變質，進而影響水生動植物之生存。此外，水中含有過多的氮元素將使水中諸如藻類之光合微生物的含量增加，導致水質優養化現象，進而造成水池堵塞之現象且增加水處理之成本。再者，水中的藍綠藻將產生毒素，危及人類健康及家畜和魚類的生命。例如，倘若人類長期飲用氨氮廢水，將引發高鐵血紅蛋白症，當人類血液中的高鐵血紅蛋白含量濃度高達80毫克/升，將導致窒息。

因此，去除工業廢水中之氨氮含量係各個工業發展國家努力之課題之一。去除廢水中之氨氮含量之習知技術包括：生物脫氮法、氨吹脫法及離子交換法。其中，生物脫氮技術係指將汙水中的氨氮經過氨化作用、硝化反應、反硝化反應，最後轉化為氨氣之過程；然而，其缺點包括作用時間長、需要廣大佔地面積進行反應、需額外添加碳源、耗能大及成本高。氨吹脫法包括蒸汽吹脫法及空氣吹脫法，其原理係先將廢水之pH值調為鹼性，之後於吹脫塔中通入空氣或蒸汽，透過氣液接觸以吹脫出廢水中之游離氨；此方法之優點包括過程簡單、穩定性高、適用性強及成本低，然而，其缺點為耗能大且有二次污染之危機。離子交換法係利用不溶性離子化合物(離子交換樹脂)上之可交換離子與溶液中的其它同性離子(NH₄ ⁺)發生互換反應，從而將廢水中的NH₄ ⁺牢固地吸附於離子交換樹脂之表面，達到去除廢水中之氨氮的目的。其優點為效率高；然而，由於交換樹脂的用量大且再生處理困難，導致廢水處理成本提高且有二次污染之危機等缺點。

綜上所述，習知技術之去除廢水中之氨氮方法存在著設備結構複雜、操作繁複、高成本、耗能、耗時及有二次汙染危機等缺點。

有鑑於此，習知的去除廢水中氨氮之方法確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明之目的係提供一種去除廢水中氨氮之方法，可以使使用者利用簡單的設備結構且在低成本和節能條件下，透過簡易的操作步驟而在短時間內有效地去除廢水中氨氮。

發明之次一目的係提供一種去除廢水中氨氮之方法，可以在有效地去除廢水中氨氮的同時產生再生能源，且該再生能源使在用後不會產生造成環境汙染之有害物質，達到環保之目的。

本發明全文所記載之元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。

本發明提供一種去除廢水中氨氮之方法，包含以下步驟：齊備一電解槽，該電解槽包含一陽極電極板及一陰極電極板，該陽極電極板及該陰極電極板之材質包含鈦鍍銥、鈦或石墨；提供一氨氮廢水，該氨氮廢水含70000ppm的氯化鈉，且該氨氮廢水的pH值為5；以及，將該氨氮廢水置入該電解槽中，進行電解反應。其中，該電解反應之電流密度係介於1400安培/平方公尺至1600安培/平方公尺之間，該電解反應之電壓為6伏特。

據此，藉由使用鈦鍍銥、鈦或石墨電極板之電解槽，在無需添加高價位之次氯酸鈉的前提下，經由電解反應，能有效地於短時間內去除氨氮廢水中之氨氮，且去除率可達99.5%以上。因此，本發明之去除廢水中氨氮之方法具有可以兼具設備結構簡單、操作便利、低成本、節能、省時及去除氨氮廢水中之氨氮等功效。

本發明另提供一種去除廢水中氨氮之方法，另包含回收該陰極電極板所產生之氫氣之步驟。據此，藉由回收電解槽經電解反應後於陰極所產生之氫氣，該氫氣供燃料系統發電或產生熱。此外，由於以氫氣作為燃料之產物係水，不會對環境造成汙染，因此，本發明之去除廢水中氨氮之方法除了能產生氫燃料再利用，更能兼顧環境保護之效益。

因此，本發明之去除廢水中氨氮之方法可以藉由使用鈦鍍銥、鈦或石墨電極板之電解槽，在無需添加高價位之次氯酸鈉的前提下，於1000至2000安培/平方公尺之電流密度範圍內，能有效地於短時間內去除氨氮廢水中之氨氮，且去除率可達99.5%以上。此外，電解反應後，於電解槽之陰極所產生之氫氣可回收再利用，以供燃料系統發電或產生熱能。再者，由於以氫氣作為燃料之產物係水，不會對環境造成汙染，因此，本發明所提供之去除廢水中氨氮之方法兼具設備結構簡單、操作便利、低成本、節能、省時、環保、產生再生能源及有效去除氨氮廢水中之氨氮等功效；再且，當該電流密度為介於1400安培/平方公尺至1600安培/平方公尺之間時，更可以達到有效地於短時間內去除氨氮廢水中之氨氮之功效。

其中，該電解反應之電流係介於3安培至15安培之間。如此，可以達到有效地於短時間內去除氨氮廢水中之氨氮之功效。

其中，該電解反應之電流係介於5安培至10安培之間。如此，可以達到有效地於短時間內去除氨氮廢水中之氨氮之功效。

其中，該電解反應之時間係介於1小時至30小時之間。如此，可以達到短時間內去除氨氮廢水中之氨氮之功效。

其中，該電解反應另包含一回收該陰極電極板所產生之氫氣之步驟。如此，可以達到產生氫燃料再生能源，且兼顧環境保護之效益。

S1:齊備電解槽之步驟

S2:電解反應之步驟

S3:回收氫氣之步驟

〔第1圖〕：本發明之去除廢水中氨氮之方法之一實施例之流程圖。

〔第2圖〕：本發明之去除廢水中氨氮之方法之另一實施例之流程圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明之去除廢水中氨氮之方法之一具體實施例，係可以包含步驟S1及步驟S2：齊備一電解槽，該電解槽包含一陽極電極板及一陰極電極板(步驟S1)；以及，將一含氯化鈉之氨氮廢水置入該電解槽中，進行電解反應(步驟S2)。透過電解反應，將該含氯化鈉之氨氮廢水中之氯離子電解為次氯酸鈉，該次氯酸鈉進而將氨氮氧化為氮氣，藉以去除廢水中之氨氮。

詳言之，在步驟S1中，該陽極電極板及該陰極電極板之材質可以包含鈦鍍銥、鈦或石墨。

在步驟S2中，該電解反應之電流密度可以介於1000安培/平方公尺至2000安培/平方公尺之間。在本實施例中，電解反應之反應式如下所示：

(1)將該含氯化鈉之氨氮廢水中之氯離子電解為次氯酸鈉

NaCl+H₂O→NaClO+H_2(g)

(2)該次氯酸鈉將氨氮氧化為氮氣

NaClO+H₂O→HClO+NaOH

3HClO+2NH₄ ⁺→N_2(g)+3H₂O+3Cl^-+5H⁺。

本實施例之電解反應的設備結構簡單、操作便利、節能，且無需添加高價位之次氯酸鈉，因此，可以降低氨氮廢水之處理成本。此外，本實施例可以有效地於短時間內去除氨氮廢水中之氨氮，且去除率可達99.5%以上，因此，可以達到省時之功效。再者，在電解過程中，陽極會產生氮氣，而陰極會產生氫氣，且該氫氣可回收再利用。因此，可以達到產生再生能源之功效。

在另一具體實施例中，該電解反應之電流密度可以介於1000安培/平方公尺至1200安培/平方公尺之間、介於1200安培/平方公尺至1400安培/平方公尺之間、介於1400安培/平方公尺至1600安培/平方公尺之間、介於1600安培/平方公尺至1800安培/平方公尺之間，或介於1800安培/平方公尺至2000安培/平方公尺之間。在另一具體實施例中，該電解反應之電流密度可以為1600安培/平方公尺。藉此，可以有效地於短時間內去除廢水中氨氮。

在一具體實施例中，該電解反應之電壓可以介於2伏特至10伏特之間、介於3伏特至6伏特之間，或介於6伏特至10伏特之間。在另一具體實施例中，該電解反應之電壓可以為3伏特或6伏特。藉此，可以有效地於短時間內去除廢水中氨氮。

在一具體實施例中，該電解反應之電流可以介於3安培至15安培之間、介於5安培至10安培之間，或介於5安培至15安培之間。在另一具體實施例中，該電解反應之電流可以為5安培或10安培。藉此，可以有效地於短時間內去除廢水中氨氮。

在一具體實施例中，該電解反應之時間係介於1小時至30小時之間、介於2小時至28小時之間、介於1小時至25小時之間、介於1小時至12小時之間、介於1小時至9小時之間，或介於1小時至5小時之間。藉此，可以有效地於縮短之去除廢水中氨氮時間。

在一具體實施例中，可以藉由氫氧化鈉調整該含氯化鈉之氨氮廢水之pH值，該含氯化鈉之氨氮廢水之pH值可以係介於1.5至7之間、介於1.5至4之間、介於4至7之間或介於5至7之間。

請參照第2圖所示，其係本發明之去除廢水中氨氮之方法之另一具體實施例，係可以另包含步驟S3：回收該陰極電極板所產生之氫氣。該氫氣回收後可以使用於燃料系統以供發電或產生熱能，且由於以氫氣作為燃料之產物係水，不會對環境造成汙染，因此，本發明之去除廢水中氨氮之方法除了能產生氫燃料再利用，更能兼顧環境保護之效益。

為了證實藉由本案所提供之去除廢水中氨氮之方法確實能透過省時、省能、低成本且不汙染環境之技術手段，達到有效去除廢水中之氨氮，進行以下之試驗：

〔實例1〕

將2500mL含12000ppm氨氮、70000ppm氯化鈉之氨氮廢水，置入設有尺寸為10cm×10cm之鈦鍍銥電極板的電解槽中(電流面積為10cm×6cm)，利用氫氧化鈉將氨氮廢水之pH值調整為5，並於電壓6伏特及電流10安培之條件下，反應3、6、9、12及15小時，最後檢測氨氮廢水中之氨氮濃度。

如下表1所示，組別1至5分別進行3、6、9、12及15小時之電解反應，結果顯示於電壓6伏特及電流10安培之條件下反應9至15小時，去除氨氮之效率最佳，能除去氨氮廢水中99.5%以上之氨氮。此外，電解時，電解槽之陽極會產生氮氣，在電解槽之陰極會產生氫氣。

〔實例2〕

將2500mL含12000ppm氨氮、70000ppm氯化鈉之氨氮廢水，置入設有尺寸為10cm×10cm之鈦鍍銥電極板的電解槽中(電流面積為10cm×6cm)，利用氫氧化鈉將氨氮廢水之pH值調整為5，並於電壓3伏特及電流5安培之條件下，反應3、10、15、20、25及30小時，最後檢測氨氮廢水中之氨氮濃度。

如下表2所示，組別6至11分別進行3、10、15、20、25及30小時之電解反應，結果顯示於電壓3伏特及電流5安培之條件下反應25至30小時，去除氨氮之效率最佳，能除去氨氮廢水中99.7%以上之氨氮。此外，電解時，電解槽之陽極會產生氮氣，在電解槽之陰極會產生氫氣。

由實例1和實例2之結果顯示，使用鈦鍍銥電極板之電解槽，當電解時之電流密度越高，越可於較短時間內達到去除氨氮廢水中之氨氮之效果，意即，電解時之電流密度越高，去除氨氮廢水中之氨氮之效率越高，且達到去除氨氮廢水中之氨氮之效率的電流密度範圍係介於1400至1600安培/平方公尺之間。

〔實例3〕

將2500mL含2000ppm氨氮、7000ppm氯化鈉之氨氮廢水，置入設有尺寸為10cm×10cm之鈦鍍銥電極板的電解槽中(電流面積為10cm×6cm)，利用氫氧化鈉將氨氮廢水之pH值調整為5，並於電壓3伏特及電流10安培之條件下，反應1、2、3、4及5小時，最後檢測氨氮廢水中之氨氮濃度。

如下表3所示，組別12至16分別進行1、2、3、4及5小時之電解反應，結果顯示使用鈦鍍銥電極板之電解槽，於電壓3伏特及電流10安培之條件下反應2小時後，即能達到去除氨氮廢水中98.8%以上之氨氮之效率，且達到去除氨氮廢水中之氨氮之效率的電流密度為1600安培/平方公尺。此外，電解時，電解槽之陽極會產生氮氣，在電解槽之陰極會產生氫氣。

〔實例4〕

將2500mL含12000ppm氨氮、70000ppm氯化鈉之氨氮廢水，置入設有尺寸為10cm×10cm之鈦電極板的電解槽中(電流面積為10cm×6cm)，利用氫氧化鈉將氨氮廢水之pH值調整為5，並於電壓6伏特及電流10安培之條件下，反應12小時，最後檢測氨氮廢水中之氨氮濃度。

如下表4所示，組別17進行12小時之電解反應，結果顯示於電壓6伏特及電流10安培之條件下反應12小時，能除去氨氮廢水中99.7%以上之氨氮，且達到去除氨氮廢水中之氨氮之效率的電流密度為1600安培/平方公尺。此外，電解時，電解槽之陽極會產生氮氣，在電解槽之陰極會產生氫氣。

表4、氨氮廢水中之氨氮含量檢測結果

〔實例5〕

將2500mL含12000ppm氨氮、70000ppm氯化鈉之氨氮廢水，置入設有尺寸為10cm×10cm之石墨電極板的電解槽中(電流面積為10cm×6cm)，利用氫氧化鈉將氨氮廢水之pH值調整為5，並於電壓6伏特及電流10安培之條件下，反應12小時，最後檢測氨氮廢水中之氨氮濃度。

如下表5所示，組別18進行12小時之電解反應，結果顯示於電壓6伏特及電流10安培之條件下反應12小時，能除去氨氮廢水中99.7%以上之氨氮，且達到去除氨氮廢水中之氨氮之效率的電流密度為1600安培/平方公尺。此外，電解時，電解槽之陽極會產生氮氣，在電解槽之陰極會產生氫氣。

由實例4和實例5之結果顯示，使用鈦或石墨電極板之電解槽，於電流密度為1600安培/平方公尺之條件下，可於電解反應經12小時後，有效地去除氨氮廢水中99.7%之氨氮。

綜上所述，本發明之去除廢水中氨氮之方法藉由使用鈦鍍銥、鈦或石墨電極板之電解槽，在無需添加高價位之次氯酸鈉的前提下，於1000至2000安培/平方公尺之電流密度範圍內，能有效地於短時間內去除氨氮廢水中之氨氮，且去除率可達99.5%以上。此外，電解反應後，於電解槽之陰極所產生之氫氣可回收再利用，以供燃料系統發電或產生熱能。再者，由於以氫氣作為燃料之產物係水，不會對環境造成汙染，因此，本發明之去除廢水中氨氮之方法除了能產生氫燃料再利用，更能兼顧環境保護之效益。是以，本發明之去除廢水中氨氮之方法具有兼具設備結構簡單、操作便利、低成本、節能、省時、產生再生能源、環保，以及有效地去除廢水中氨氮等功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S1:齊備電解槽之步驟

S2:電解反應之步驟

Claims

一種去除廢水中氨氮之方法，包含以下步驟：齊備一電解槽，該電解槽包含一陽極電極板及一陰極電極板，該陽極電極板及該陰極電極板之材質包含鈦鍍銥、鈦或石墨；提供一氨氮廢水，該氨氮廢水含70000ppm的氯化鈉，且該氨氮廢水的pH值為5；以及，將該氨氮廢水置入該電解槽中，進行電解反應；其中，該電解反應之電流密度係介於1400安培/平方公尺至1600安培/平方公尺之間，該電解反應之電壓為6伏特。
如請求項1之去除廢水中氨氮之方法，其中，該電解反應之電流係介於3安培至15安培之間。
如請求項1之去除廢水中氨氮之方法，其中，該電解反應之電流係介於5安培至10安培之間。
如請求項1之去除廢水中氨氮之方法，其中，該電解反應之時間係介於1小時至30小時之間。
如請求項1之去除廢水中氨氮之方法，另包含一步驟：回收該陰極電極板所產生之氫氣。