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摘要：本研究采用电化学氧化技术，针对华东某钢铁企业地下水中的氨氮污染开展中试试验，旨在探索电化学氧化技术在处理氨氮污染地下水中的应用。本文考察了水力停留时间、电流密度和氯离子浓度对氨氮去除效率的影响。试验结果表明，适当的水力停留时间和电流密度对提高氨氮去除效率至关重要，而氯离子浓度在一定范围内对去除效率的提升作用有限。此次试验展现了电化学技术良好的经济性和环境效益，为钢铁企业地下水氨氮的深度治理提供了有效的技术方案和切实可行的实践经验。
关键词：电化学氧化；氨氮污染；地下水处理；钢铁企业
0引言
中国钢铁产业自20世纪中叶建立以来，经历了数十年的发展与技术革新。这一过程中，烧结、炼焦、炼铁、炼钢及轧钢等关键工艺环节不可避免地产生了多种污染物。这些污染物通过大气沉降、管网泄漏、废弃物堆存等途径，对周边土壤和地下水环境构成了严重威胁[1]。随着社会整体环境保护意识的增强以及绿色发展战略的提出，如长江大保护、长江经济带绿色发展、双碳目标等，对工业污染的防治和生态环境的修复提出了更高的要求，特别是新固废法和土壤法的实施，为固废污染防治、土壤污染治理提供了法律依据和行动指南，同时也为钢铁企业的环境管理和污染修复带来了新的挑战[2]。
钢铁企业在生产过程中产生的含氮污染物，尤其是氨氮，通过大气沉降、管网泄露、废弃物堆存等途径进入地下水，造成氨氮浓度超标。电化学氧化技术作为一种先进的水处理技术，因其无需添加外源药剂、反应条件温和、易于自动化控制等优点，尤其适用于低浓度废水的深度处理[3]。本研究以华东某钢铁企业氨氮污染的地下水为研究对象，设计并研发制造了一套电化学处理设备[4]，开展中试试验，旨在探索电化学氧化技术处理低浓度氨氮实现超低排放的可行性，为钢铁行业地下水氨氮的深度治理及资源化利用提供参考。
1项目概况
项目区域位于华东某钢铁厂，历史上该厂区东侧部分区域曾作为固体废物堆存场，堆存物质包括钢渣、粉煤灰、高炉渣等废弃物，经清挖处理后，地下水中氨氮质量浓度范围为10.4～60.8 mg/L。该区域潜水水位受降雨、地面蒸发、地表水等因素影响，呈现季节性变化，年地下水水位的变化幅度1.0 m左右。
中试采用吹脱耦合电化学工艺，前段通过吹脱工艺对地下水进行预处理，去除部分氨氮，质量浓度达到8～10.0 mg/L，再通过电化学氧化工艺进行深度处理，将出水氨氮质量浓度降至1.5 mg/L，以满足《地下水质量标准》GB/T 14848—2017Ⅳ类标准。
2技术原理及装置设计
2.1反应原理
电化学氧化技术分为直接氧化和间接氧化技术，间接氧化技术能同时利用电极的氧化能力以及和电生成氧化剂的氧化能力，处理效率相较于直接氧化技术大幅提高。电化学间接氧化法实质是利用溶液中原有或投加的成分，通过电解加速电极与电解质界面上的电荷转移的电催化反应，基本原理是在阳极附近产生的具有氧化活性的物质，然后污染物被这些物质氧化而降解的不可逆的电化学氧化过程[5-6]。过程中产生的氧化活性物质使污染物转化为无害物质是间接氧化法去除污染物的关键。本试验利用地下水中的Cl-，通过电化学反应生成活性氯（Cl2、HOCl、ClO-等），以实现去除氨氮的目的，如图1所示。
2.2电化学设备设计
2.2.1整体结构构造
如图2，电化学反应装置为箱体机构，包括过滤器、配水槽，A段电解槽、B段电解槽。装置配有进水和出水暂存水池。水体经过滤器进入配水槽，杂质截留在滤袋中。配水槽位于箱体顶部，等孔距设计。进水经提升泵进入配水槽，在重力作用下均匀分配到每个电解槽中。箱体内部的电解槽，分为8个处理单元并联运行，每个处理单元由A段与B段串联组成。其中，A段为穿透式电催化氧化，兼具电氧化和产氯，主要去除水中还原性物质，以提高活性氯的利用率；B段为电催化强化产氯，进一步去除水中的氨氮等有机污染物，加强处理效果。单个穿透式反应器有效容积为0.48 m3，一套电化学反应装置总有效容积为7.68 m3。
2.2.2水流设计
水流通过水泵提升到配水槽，通过自流作用由电解槽A段流向B段，处理后出水进入回注水池，流程如下：
吹脱出水池→提升泵→过滤器→配水槽→电化学A段→电化学B段→出水。
流程图如图3所示。
2.2.3电极设计
每套穿透式反应器内由8个电极组组成，阴阳两极交替设置，A段电极由石磨毡+塑料网+316L+阴极不锈钢网组成；B段电极由钌铱钛网/纯钛微孔板+钌铱涂层+阴极钛网组成；设计电流密度为15mA/cm2；阳极和阴极的极板面积比为1:1；极板有效面积：600 mm×400 mm。
2.3参数计算
2.3.1电流密度
电流密度是指电化学设备运行过程中，单位极板面积通过的电流强度，计算公式如式（1）：
式中：j为电流密度，mA/cm2；I为电流强度，A；S为极板有效面积，cm2。
2.3.2氨氮去除率
氨氮去除率指电化学系统降低进水中氨氮的比例，以百分比计。计算公式如式（2）：
式中：k为氨氮去除率/%；ρ0为电化学系统进水中氨氮质量浓度，mg/L；ρ1为电化学系统出水中氨氮质量浓度，mg/L。
2.3.3能耗
能耗是指单位质量氨氮消耗的电能，计算公式如式（3）：
式中：W为能耗，kW h/g（NH4+）；U为电化学极板间电势差，V；q为电解槽流量，m3/h。
2.3.4阳极效率
阳极效率为单位时间单位面积单位电流密度去除氨氮的质量，计算公式如式（4）：
式中：φ为阳极效率，mg/（min A）。
3电化学实验及工艺条件探究
3.1试验影响条件
在装置一定的条件下，电化学氧化效率受到多种因素影响，本文中试试验对三个主要参数进行研究：水力停留时间、电流密度、氯离子浓度。这3个因素决定了地下水中氨氮的去除效率，以及电化学技术的经济可行性。水力停留时间t：试验通过调节进水泵流量q（m3/h）控制水力停留时间t（min）；电流密度j：试验中系统设置为稳流模式，通过调整电流强度I（A）控制电流密度j（mA/cm2）；氯离子质量浓度ρ（Cl-）：通过调整氯化钠投加量控制氯离子质量浓度（mg/L）。
3.2分析方法
本项目水样的检测分析工作由具备CMA资质认定证书和CNAS试验室承担，地下水样品的分析方法按照《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）推荐的方法执行，检测分析项目对应的具体分析方法详见表1。
3.3影响因素分析
3.3.1水力停留时间
进水流量控制在15、20、25、30 m3/h，其他试验条件如下：氨氮质量浓度5.93~8.22 mg/L，电流强度约为1 000 A，pH值约为11，氯离子质量浓度约600 mg/L。试验结果如表2和图4所示。
由图4可知，随着流量的增加，水力停留时间变短，地下水中氨氮的去除效率出现明显下降，能耗升高，阳极效率降低。由于电流未变，电流密度不变。
3.3.2电流密度
将设备设置为稳流模式，分别设置电流强度为400、600、1 000、1 200 A四组，pH约为11，氯离子质量浓度约为600 mg/L，进水流量25 m3/h时，试验结果如表3和图5所示。
由试验可得，当电流在400～1 200 A之间时，随着电流增加，氨氮去除率明显增加，且能耗降低、电流效率及阳极效率增加；当电流达到1 000 A时，氨氮去处率逐渐接近100%，进一步增大电流强度，整体能耗升高、阳极效率降低。
3.3.3水中氯离子浓度
通过添加氯化钠控制水中氯离子浓度，进水氯离子质量浓度ρ（Cl-）分别为600、1 000、1 700、2 200 mg/L，电流强度1 000 A，流量为25 m3/h，pH值为11，试验结果如表4和图6所示。
由表4和图6可知，氨氮去除效率与氯离子质量浓度成正相关，但在1 000 mg/L以下，ρ（Cl-）升高对提高去除率的作用并不大。
4试验结论
1）随着流量的增加，水力停留时间变短，地下水中氨氮的去除效率出现明显下降，但能耗升高，电流效率及阳极效率降低；
2）当电流强度在400~1 200 A之间时，氨氮去处率明显增加，能耗降低、电流效率及阳极效率增加；但当电流升到1 000 A以上时，继续增大电流对提高氨氮去处率及阳极效率没有明显影响。
3）随着电化学进水中氯离子浓度增加，氨氮去除率有所增加，氯离子质量浓度在1 000 mg/L以下对提高氨氮处理效率贡献较小，并且氯离子浓度过高会带来新的地下水污染风险，因此不建议通过增加氯离子浓度提高氨氮的处理效率。
4）当选取电流1 000 A，进水流量为15 m3/h时，氯离子质量浓度为600 mg/L时，氨氮去除率可达到93.8%，出水氨氮质量浓度为0.47 mg/L，满足地下水《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）中的Ⅳ类标准限值1.5 mg/L。吨水耗电量为3.2 kW·h，工业用电单价按0.75元/（kW·h）计算，电化学设备吨水电费为2.4元。
参考文献
[1]任云.电化学氧化去除剩余氨水中氨氮的应用研究[D].天津：天津大学，2015.
[2]周明明.电化学氧化去除氨氮的机理及其应用[D].杭州：浙江工业大学，2015.
[3]周雨珺，吉庆华，胡承志，等.电化学氧化水处理技术研究进展[J].土木与环境工程学报（中英文），2022，44（3）：104-118
[4]张沈怡佳，陈峰，高卫国，等.吹脱-电化学催化氧化组合工艺去除地下水中氨氮[J].环境工程学报，2023，17（6）：1860-1867.
[5]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）：51-54.
[6]滕洪辉，李天育，陈钰琦，等.含氮废水的电化学处理技术研究
[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2021，42（1）：82-87.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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电化学技术处理地下水中氨氮的研究论文
人参与 2024-11-06 10:53:03 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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