污水除氮磷高壓脈沖放電技術(shù)

在自然水體中都存在含量有限的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮、磷等物質(zhì)，這些物質(zhì)含量的高低，決定了植物生長(zhǎng)和環(huán)境控制的主要因素。在一些正常的淡水中，氮、磷等物質(zhì)的含量是比較有限的，隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，湖泊和水庫中的氮磷污染均有加重趨勢(shì)，水體中藻類大量繁殖，且生存期長(zhǎng)、覆蓋面廣、暴發(fā)次數(shù)多。20世紀(jì)80年代初太湖以中營(yíng)養(yǎng)為主，80年代后期為中營(yíng)養(yǎng)-中富營(yíng)養(yǎng)，90年代中期大部分已為中富營(yíng)養(yǎng)-富營(yíng)養(yǎng)，目前中富營(yíng)養(yǎng)化面積占75%左右，夏季富營(yíng)養(yǎng)或重度富營(yíng)養(yǎng)占全湖面積10%左右。水體富營(yíng)養(yǎng)化指大量溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入水體，導(dǎo)致異養(yǎng)微生物旺盛代謝活動(dòng)，使得水體溶解氧含量急劇下降，水質(zhì)出現(xiàn)惡化的現(xiàn)象。因此，加強(qiáng)對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化及污水脫氮除磷技術(shù)分析與應(yīng)用，對(duì)緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化、促進(jìn)水資源可利用性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。污水脫氮除磷的技術(shù)可分為物理法、化學(xué)法和生物法?；瘜W(xué)處理法費(fèi)用較高，產(chǎn)生的污泥量多而難于處理。物理處理法存在運(yùn)行費(fèi)用高，沉淀劑費(fèi)用昂貴的問題。生物處理法流程復(fù)雜，脫氮除磷效果不穩(wěn)定，產(chǎn)生大量難處理的污泥、易造成二次污染。因此，探索其他方法對(duì)污水進(jìn)行處理極為必要。高壓脈沖放電技術(shù)是集各種高級(jí)氧化技術(shù)于一身的新型水處理技術(shù)。高壓脈沖放電技術(shù)是在特定的反應(yīng)器內(nèi)，利用外加電場(chǎng)向水中或水面之上的空間注入能量，產(chǎn)生非平衡等離子體，引發(fā)一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，達(dá)到機(jī)污染物最終礦化為CO2和H2O的目的。高壓脈沖放電技術(shù)具有開發(fā)費(fèi)用低，處理徹底，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

ZnSO4（AR）、NaOH（AR）、HCl（98%）、酒石酸鉀鈉（AR）、K2S2O8（AR）、抗壞血酸（AR）、酒石酸銻氧鉀（AR）、KH2PO4（AR）、鉬酸銨（AR）。

EPM-A高壓電脈沖發(fā)生器；SHZ-D循環(huán)水式真空泵；UV-1800PC紫外可見分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 高壓脈沖處理方法

采用高壓電脈沖裝置，陽極、陰極均選用石墨棒。取原水100mL于燒杯中，利用兩個(gè)石墨電極調(diào)節(jié)電極間距，開啟高壓電脈沖發(fā)生器，設(shè)置脈沖時(shí)間、脈沖頻率以及脈沖電壓等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理一定時(shí)間后，關(guān)閉脈沖發(fā)生器。取處理后水樣10mL于50mL比色管中，加入相關(guān)實(shí)驗(yàn)試劑。

1.2.2 NH3-N的測(cè)定

在水樣中加入KI和HgI2的強(qiáng)堿溶液（納氏試劑），與氨反應(yīng)生成淡紅棕色膠態(tài)化合物，此顏色在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈吸收。通常于410~425nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)吸光度，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線法求出水樣中NH3-N的含量。

1.2.3 正磷酸鹽的測(cè)定

用鉬銻抗分光光度法測(cè)定磷。在一定酸度和銻離子存在的情況下，磷酸根與鉬酸銨形成銻磷鉬混合雜多酸，它在常溫下可迅速被抗壞血酸還原為鉬藍(lán)，在700nm波長(zhǎng)下測(cè)定。

2、結(jié)果與討論

本文主要以生活污水中的氮、磷為目標(biāo)去除物，考察脈沖放電條件對(duì)污水中NH3-N、正磷酸鹽去除率的影響，得出處理氮、磷的最優(yōu)工藝條件，最后利用最優(yōu)工藝條件處理實(shí)際污水。分別采用納氏試劑比色法和鉬銻抗分光光度法來制作NH3-N和正磷酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.1 峰值電壓對(duì)NH3-N（正磷酸鹽）去除率的影響

設(shè)定脈沖參數(shù)（放電頻率：30Hz；電極間距：2cm；放電時(shí)間5min），分別在5~30kV的峰值電壓下對(duì)污水進(jìn)行電解，測(cè)定脈沖后溶液的吸光度，并計(jì)算氨氮（正磷酸鹽）的去除率，考察峰值電壓對(duì)正磷酸鹽去除率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1表明，NH3-N（正磷酸鹽）去除率出現(xiàn)急劇增加后逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)脈沖電壓均為10kV時(shí)，NH3-N和正磷酸鹽的最大去除率分別為39.05%和28.88%。隨脈沖電壓的升高，輸入功率隨之增大，在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量就多，NH3-N（正磷酸鹽）被氧化的機(jī)率增加能量隨之提高，故NH3-N（正磷酸鹽）去除率增大。但當(dāng)繼續(xù)升高電壓時(shí)，則電暈放電向火花放電過渡，出現(xiàn)頻繁擊穿，能耗迅速增大，能量利用率下降，反使NH3-N（正磷酸鹽）去除率降低。因此，NH3-N（正磷酸鹽）去除的最佳脈沖電壓為10kV。

2.2 放電頻率對(duì)NH3-N（正磷酸鹽）去除率的影響

設(shè)定脈沖參數(shù)（峰值電壓：10kV；電極間距：2cm；放電時(shí)間5min），分別在10~110Hz的脈沖頻率下對(duì)污水進(jìn)行電解，測(cè)定電解后溶液的吸光度，并計(jì)算氨氮（正磷酸鹽）去除率，考察脈沖頻率對(duì)NH3-N（正磷酸鹽）去除率的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，NH3-N和正磷酸鹽去除率出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。脈沖頻率為70Hz時(shí)，NH3-N和正磷酸鹽最大去除率分別為37.34%和28.48%；隨脈沖頻率的增大，越來越多的高能電子隨之產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生更多的?OH、O3、活性氧等強(qiáng)氧化劑，使NH3-N（正磷酸鹽）的去除率不斷提高。若頻率過高，旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)受機(jī)械性能的限制，性能變壞，能耗增大。故脈沖頻率受電源性能的影響，并非越高越好，隨脈沖頻率的增大，越來越多的能量被消耗，使NH3-N（正磷酸鹽）去除率逐漸降低。所以在本實(shí)驗(yàn)中NH3-N（正磷酸鹽）去除的最佳脈沖頻率為70Hz。

2.3 電極間距對(duì)NH3-N（正磷酸鹽）去除率的影響

設(shè)定脈沖參數(shù)（峰值電壓：10kV；脈沖頻率：70Hz；放電時(shí)間5min），分別在1~6cm的電極間距條件下對(duì)污水進(jìn)行電解，測(cè)定電解后溶液的吸光度，并計(jì)算氨氮（正磷酸鹽）去除率，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，NH3-N去除率出現(xiàn)先增后逐漸下降的趨勢(shì)。電極間距為2cm時(shí)，NH3-N最大去除率38.33%；電極間距為4cm時(shí)，正磷酸鹽最大去除率28.09%。極板間距越大，極板間等效電阻越大，放電擊穿變困難，能量和能量注入效率不斷減小，能量利用率低，相同時(shí)間內(nèi)氨氮（正磷酸鹽）去除率不斷減小。極板間距越小，電流密度就越大，在相同的電解時(shí)間下，在陰極消耗H+進(jìn)而產(chǎn)生和釋放H2就越多，溶液中就會(huì)產(chǎn)生更多的OH-因而隨著極板間距的減少，溶液的pH值依次增高，因此，溶液中的NH3-N（正磷酸鹽）去除率逐漸增加。所以認(rèn)為NH3-N去除的最佳電極間距為2cm；正磷酸鹽去除的最佳電極間距為4cm。

2.4 放電時(shí)間對(duì)NH3-N（正磷酸鹽）去除率的影響

設(shè)定脈沖參數(shù)（峰值電壓：10kV；脈沖頻率：70Hz；電極間距：2cm（4cm）），分別在5~30min的放電時(shí)間下對(duì)污水進(jìn)行電解，測(cè)量電解后溶液的吸光度，并計(jì)算NH3-N（正磷酸鹽）去除率。見圖4。

由圖4可知，NH3-N（正磷酸鹽）去除率呈現(xiàn)逐漸增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)脈沖放電時(shí)間為25min時(shí)，NH3-N和正磷酸鹽的去除率分別為38.32%和28.81%，延長(zhǎng)脈沖時(shí)間NH3-N去除率不再增加，并稍有下降。這是因?yàn)椋?/span>NH3-N（正磷酸鹽）的去除率隨脈沖放電時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸趨于穩(wěn)定。在反應(yīng)起始階段，高濃度的NH3-N（正磷酸鹽）能較快地?cái)U(kuò)散到電極表面并發(fā)生反應(yīng)，時(shí)間增加可增加NH3-N（正磷酸鹽）去除率；但是隨時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)物和中間物在電極表面的吸附使電流效率降低，單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到電極表面的NH3-N（正磷酸鹽）減少，使NH3-N（正磷酸鹽）去除率開始降低。此數(shù)據(jù)說明，延長(zhǎng)脈沖時(shí)間可以增加NH3-N（正磷酸鹽）的去除率，但時(shí)間不必過長(zhǎng)，否則對(duì)去除率和節(jié)能不利。因此，從反應(yīng)時(shí)間對(duì)去除率的影響和實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇25min為最適宜的脈沖時(shí)間。

3、結(jié)論

本論文考察了高壓脈沖電場(chǎng)放電條件對(duì)生活污水中NH3-N及正磷酸鹽去除率的影響，并優(yōu)化得處理氮磷的最優(yōu)工藝條件。通過對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論，得出了以下結(jié)論：

（1）采用高壓脈沖放電技術(shù)處理生活污水中氮磷，通過優(yōu)化脈沖放電條件對(duì)其NH3-N去除的參數(shù)設(shè)置為峰值電壓10kV，頻率70Hz，脈沖時(shí)間25min，電極間距2cm；對(duì)正磷酸鹽去除的參數(shù)設(shè)置為峰值電壓10kV，頻率70Hz，脈沖時(shí)間25min，電極間距4cm。

（2）綜合兩種工藝，從節(jié)能角度出發(fā)選擇方案為：峰值電壓10kV，頻率70Hz，脈沖時(shí)間25min，電極間距2cm。在最優(yōu)脈沖放電方案下對(duì)實(shí)際污水中氮磷的進(jìn)行降解處理，最終氨氮去除率為38.35%，正磷酸鹽去除率為28.96%。（來源：東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，大慶石化公司 煉油廠）