摘 要: 针对当前工业生产过程中普遍采用的低浓度氨氮废水脱氮方法脱氮效果不佳的问题，提出了基于电化学处理的低浓度氨氮废水脱氮方法，在分析氨氮废水来源及其危害的基础上，选取合适的实验仪器、试剂，设计实验装置，采用电化学氧化脱氮方法，通过配置不同初始浓度的氨氮废水，测试不同初始浓度氨氮废水、不同电流密度以及不同氯离子浓度对工业废水中氨氮和总氮浓度降解效果的影响，测试结果显示，在废水初始氨氮浓度为 20 mg /L 时，电解能耗最小，降解废水中每克氨氮仅需要消耗 0. 87 kWh; 废水中氨氮和总氮降解能耗随着电流密度的增大而上升，电流效率则随着电流密度的增大而下降; 电化学氧化脱氮过程中废水中氨氮和总氮的降解基本符合反应动力学准零级标准。
关键词: 低浓度; 氨氮废水; 脱氮; 初始浓度; 电流密度; 氯离子浓度前言
地球上的水资源非常丰富，但能够供人类直接饮用和农业灌溉的淡水资源却非常稀缺，淡水资源仅占地球上所有水资源的 2. 5% ，而且有超过半数的地表水存在于超过地下深度 800 m 的地下蓄水层中，其开采和利用都是极其困难的，另外浅层地表水和淡水湖、淡水河的水资源仅占地球上所有水资源的 0. 2% ，全世界有将近五亿人面临淡水资源紧缺的严峻形势［1 － 2］。中国大部分城市和地区也面临淡水资源稀缺的困境，由于经济发展和技术研发等多方面限制因素，使得中国诸多企业在排放污水时通常只注重 COD 的深度处理，忽略了低浓度氨氮的有效处理，导致低浓度氨氮废水被随意排放到生态环境中，引发河流、湖泊等水体中藻类植物营养含量过剩出现富营养化现象造成水质污染［3 － 4］; 与此同时，工业废水循环杀菌再利用过程中，低浓度氨氮的存在会大大增加杀菌时氯的使用量［5 － 6］，在这种形势下研究一种低浓度氨氮废水的脱氮方法可以解决生态环境保护面临的一大难题。根据国内外诸多资料显示，目前用于低浓度氨氮废水脱氮的方法主要有离子交换法、吸附法、氯化脱氮法、硝化反硝化法等［7］，研究并总结这些方法应用过程中的优缺点，提出了基于电化学处理的低浓度氨氮废水脱氮方法，为今后低浓度氨氮废水脱氮提供有效指导。
1 氨氮废水的来源与危害
1． 1 氨氮废水来源
氨氮废水具有来源广泛、排放量较大的特点，其主要来源包括市政污水、化肥厂排放废水、焦化废水、垃圾渗滤液、煤气废水、农业污染废水等，其中市政污水具有生化性较好的水质特征，市政污水中COD 含量约为 300 ～ 500 mg /L，氨氮浓度水平约为30 ～ 50 mg /L，市政污水水量超过 4. 6 × 104 × 106 m3 /year; 化肥厂排放的废水中含有砷、酚等大量有毒物质，且废水中固体悬浮物较多，pH 值极不稳定， COD 含量约为 400 ～ 500 mg /L，氨氮浓度水平约为500 ～ 700 mg /L，水量超过 2. 6 × 102 × 106 m3 /year;
焦化废水中通常含有大量难以降解的有机化合物， COD 含量约为1 200 ～ 1 300 mg /L，氨氮浓度水平约为 200 ～ 700 mg /L，水量超过 2. 85 × 102 × 106 m³/ year; 垃圾渗滤液中金属含量较高，且水质 COD 含量变化较大，约为2 000 ～ 60 000 mg /L，水量波动也较大，通常情况下大于 25 × 106 m³ /year，氨氮浓度水平约为1 000 ～ 2 000 mg /L; 煤气废水中成分比较复杂，多数为有毒物质，且很难降解，COD 含量约为1 200 ～ 1 400 mg /L，氨氮浓度水平约为 900 ～ 1 000 mg /L，水量波动较大; 农业污染废水具有较好的生化性能，COD 含量较大，氨氮浓度水平也较高，水量约为 10 × 106 m³/year。
1． 2 氨氮废水的危害
氨氮废水的危害包括: 氨离子的氧化过程会消耗水体中的氧气，致使水质发黑发臭，水体质量严重下降，影响水生动物和水生植物的生存; 水体中氨氮元素超标会加速水体富营养化程度; 另外，废水中的氨离子和氮离子游离均会对水生动物和水生植物产生极大的危害。
2 实验材料与方法
2． 1 实验试剂的选取
如表 1 和表 2 所示给出了基于电化学处理的低浓度氨氮废水脱氮方法实际应用过程中需要的实验试剂和实验仪器
2． 2 实验装置
实验装置为自制低浓度氨氮废水脱氮电解装置，其中采用 6 mL 的玻璃烧杯作为低浓度氨氮废水电解槽; 采用析氯电极和钛网分别作为低浓度氨氮废水电解电极板阳极和阴极; 电极板面积为 14 cm × 7 cm，其中阳极和阴极的极板面积比例为 1∶1;采用扬州凯弘电源科技有限公司生产的型号为 KH － DK 的直流稳压电源作为装置电源，具体装置示意图如图 1 所示。
3 低浓度氨氮废水的脱氮结果分析
3. 1 初始浓度对氨氮降解的影响
利用上述实验仪器和实验试剂配置成浓度 0、 10、20、50、100 mg /L 的氨氮废水溶液，溶液初始 pH值为 5. 9，调节图 1 实验装置的直流稳压电源电流密度为 5 mA/c㎡，实验分析的是氨氮废水初始浓度不同条件下电化学氧化脱氮方法的性能( 包括氨氮和总氮的去除效果) 。
如图 2( a) 和( b) 所示给出了电化学氧化脱氮过程中的氨氮浓度和总氮浓度变化情况。
图 2 氨氮初始浓度对氨氮和总氮的降解影响
从图 2( a) 中可以看出，氨氮废水初始浓度与电解反应时间表现出了良好的线性相关，当配置好的氨氮废水初始浓度从 100 mg /L 稀释变化为 10 mg / L 时，氨氮废水初始浓度与电解反应时间之间的线性相关系数分别为 0. 987 5、0. 996 2、0. 996 3、 0. 996 8、0. 999 9，符合反应动力学准零级标准，但溶液中氨氮的初始浓度值为 10 mg /L 时，经过 6 min左右的电化学氧化反应即可达到工业废水一级 A的排污标准; 经过 20 min 左右的电化学氧化反应，溶液中氨氮的浓度仅为 0. 03 mg /L，远远小于地表水Ⅰ级标准; 当溶液初始浓度为 20 mg /L 时，经过40 min 左右的电化学氧化反应溶液中氨氮的浓度即可达到 5 mg /L，即工业废水一级 A 的排污标准，由此说明，研究采用的电化学氧化脱氮方法对低浓度氨氮废水具有较好的脱氮效果，能够达到规定的排放标准。
从图 2( b) 中可以清楚地看出，电化学氧化脱氮方法对于氨氮废水溶液中的总氮同样具有较好的降解效果，除了浓度为 100 mg /L 的氨氮废水溶液中的总氮没有被完全降解去除外，其余三组浓度为 10、 20、50 mg /L 的氨氮废水溶液经过脱氮处理后总氮浓度均小于 1. 085 mg /L，根据电化学氧化脱氮方法的反应机理可知，低浓度氨氮废水中氨氮大部分被氧化为氮气降解掉，其中小部分被转化为硝酸盐氮等物质，这种脱氮方法能够减少二次污染。
如图 3 所示展示了氨氮废水初始浓度对电解反应中电流效率和能量消耗的影响。根据图 3 实验结果可以看出，随着初始浓度增加，电化学氧化脱氮装置的电流效率发生了明显下降，说明电化学氧化脱氮方法适合低浓度氨氮废水脱氮，实验装置的能耗变化波 动 较 大，当氨氮废水初始浓度水平为 100 mg /L 时，实验装置能耗迅速上升，降解废水中每克氨氮需要消耗 1. 7 kWh; 当氨氮废水初始浓度水平为 20 mg /L 时，实验装置能耗最小，降解废水中每克氨氮仅需要消耗 0. 87kWh。
图 3 氨氮初始浓度对电流效率和能量的影响
3. 2 实验装置电流密度对废水中氨氮的影响
为了分析实验装置电流密度对废水中氨氮的降解影响，配置氨氮初始浓度为 20 mg /L 的溶液，在实验装置电流密度分别为 3、6、9、12 mA/cm2 的条件下进行电化学氧化脱氮测试，结果如图 4 所示。
图 4 电流密度大小对脱氮的影响
观察图 4( a) 可以发现，溶液中氨氮浓度的降解效果线性相关系数按照实验装置电流密度从大到小排序依次为0. 990 3、0. 996 6、0. 992 3、0. 995 8，同样符合反应动力学准零级标准; 图 4( b) 显示溶液中总氮浓度的降解效果也与实验装置电流密度具有较好的线性相关关系，符合反应动力学准零级标准，当实验装置电流密度分别为 12、9、6、3 mA/c㎡ 时，溶液中氯离子浓度为 200 mg /L 时，对浓度为 20 mg /L的溶液做脱氮处理时氨氮浓度需要达到一级 B 的排放标准( 即 8 mg /L) ，分别需要 16 min、22 min、36 min 和 43 min; 达到一级 A 的排放标准( 即 5 mg /L) ，则分别需要 23 min、31 min、44 min 和 60 min，溶液中总氮浓度在相同的电解反应时间内也可达到一级 B 和一级 A 的排放标准，上述实验结果充分证明了实验装置电流密度较低时低浓度氨氮废水脱氮效果更好。
3. 3 溶液中氯离子浓度对氨氮降解效果的影响
实验配置氨氮初始浓度为 20 mg /L 的溶液作为样品测试对象，使用装置电流密度为 6 mA/c㎡，在氨氮废水溶液浓度分别为 100、200、300、400 mg /L的实验条件下进行电化学氧化脱氮测试，分析溶液中不同氯离子浓度对氨氮降解效果的影响，测试结果如图 5 所示。
根据图 5( a) 可知，随着溶液中氯离子浓度水平的不断增加，在相同电解反应时间内溶液中氨氮浓度和总氮浓度显著下降，处理氨氮浓度为 20 mg /L的溶液时，按照溶液中氯离子浓度由高到低氨氮降解达到一级 A 排放标准分别需要 25、27、38、67 min;
根据图 5( b) 可知，在相同的电化学氧化脱氮反应时间内，总氮降解同样能够达到一级 A 排放标准，且溶液中氨氮和总氮的降解均符合反应动力学准零级标准，说明采用电化学氧化脱氮方法在低浓度氨氮废水处理过程中能够取得较好的效果，且降解速度较快。
4 结论
针对提出的基于电化学处理的低浓度氨氮废水脱氮方法，通过三组测试得到了以下结论: 废水中氨氮的降解与溶液初始浓度具有线性相关关系，在废水初始氨氮浓度为 20 mg /L 时，电解能耗最小，降解废水中每克氨氮仅需要消耗 0. 87kWh; 废水中氨氮和总氮降解能耗随着电流密度的增大而上升，电流效率则随着电流密度的增大而下降; 电化学氧化脱氮过程中废水中氨氮和总氮的降解基本符合反应动力学准零级标准。电化学氧化脱氮方法对低浓度氨氮废水具有较好的脱氮效果。
参考文献:
［1］顾书军，方芳，李凯，等． 低浓度氨氮废水单级自养脱氮 EGSB 反应器的快速启动［J］． 环境科学，2016，37( 8) :3120 － 3127．
［2］杨成荫，陈杨，欧阳坤，等． 氨氮废水处理技术的研究现状及展望［J］． 工业水处理，2018，38( 3) : 1 － 5．
［3］高梦佳，王淑莹，王衫允，等． 生活污水对成熟厌氧氨氧化颗粒污泥的影响［J］． 化工学报，2017，68 ( 5) : 2066 － 2073．
［4］项文琪，李孟，杨江涛，等． 好氧反硝化菌对高氨氮工业废水脱氮的研究［J］． 武汉理工大学学报，2016，38( 1) :65 － 69．
［5］王田野，魏荷芬，胡子全，等． 一株异养硝化好氧反硝化菌的筛选鉴定及其脱氮特性［J］． 环境科学学报，2017， 37( 3) : 945 － 953．
［6］赵慧敏，赵剑强． 不同运行方式对微生物燃料电池处理氨 氮 废 水 的 影 响［J］． 化工进展，2016，35 ( 5 ) : 1549 － 1554．
［7］韩晓宇，孙延芳，张树军，等． 进水氨氮浓度对两种污泥系统 CANON 工艺的冲击影响［J］． 哈尔滨工业大学学报，2018，50( 2) : 40 － 45．
原标题：低浓度氨氮废水的脱氮方法研究
