电化学氧化耦合纳米催化微电解技术处理腈纶废水的静态实验研究

程 迪，邱 峰，李长波，马会强，周 磊，李 卓，辛 鑫，高 璇

(辽宁石油化工大学环境与生物工程学院，辽宁 抚顺 113001)

腈纶废水属于难降解有毒工业废水，浓度高，毒性大[1]。目前采用的生化处理工艺难以使腈纶废水达标排放，在研的多种物化和生化组合处理工艺工业应用前景不明朗[2]。电化学氧化[3]耦合纳米催化[4，5]微电解技术是一种新的废水处理方法，它通过析氯电极产生的强氧化剂结合纳米催化技术来降解和消除废水中有机物，在处理腈纶废水时作用显著。作者在此以抚顺腈纶厂生化池出水为研究对象，以CODCr和NH3-N去除率为考核指标，对电化学氧化耦合纳米催化微电解技术处理腈纶废水进行了静态实验研究。

1 实验

1.1 实验用水及仪器

实验用水为抚顺腈纶厂生化池出水。其CODCr浓度为227 mg·L-1、NH3-N浓度为110 mg·L-1。

纳米催化微电解槽，波鹰(厦门)科技有限公司。采用纳米催化钛基阳极进行实验分析。

1.2 方法

腈纶废水存放于进水桶中，经蠕动泵提升后进入电解槽，调节电流强度、水力停留时间、电解质投加量等参数，反应一定时间后取出水样，测定CODCr、NH3-N浓度。由于本实验属于静态实验，是动态实验的基础，因此各项参数设置比较小。流程图如图1所示。

图1 静态实验流程图

1.3 分析测试

CODCr采用重铬酸钾滴定法(GB 11914-89)测定；NH3-N采用纳氏比色法(GB 7479-87)测定。

2 结果与讨论

2.1 CODCr去除效果

2.1.1 电流强度对CODCr去除效果的影响(图2)

图2 电流强度对CODCr去除率的影响

由图2可以看出，电流强度对CODCr的去除有一定的影响，随着电流强度的增大，CODCr浓度由原水的227 mg·L-1降至173 mg·L-1，去除率为23.8%。这是因为，在实验过程中，析氯电极电解时会产生Cl2，使电极板出现大量的气泡，造成电流效率的降低；同时溶液中HClO等强氧化中间体的增加，加速了废水中有机物的降解，从而提高了CODCr去除率。由于静态实验的电流强度不易过大，因而CODCr去除率比较低，进行动态实验时，CODCr去除率会因为流动性而有所提高。

2.1.2 水力停留时间对CODCr去除效果的影响(图3)

图3 水力停留时间对CODCr去除率的影响

由图3可以看出，水力停留时间对CODCr的去除影响显著，随着水力停留时间的延长，CODCr浓度由原水的227 mg·L-1大幅降至80 mg·L-1；当水力停留时间达到10 min时，去除效果较好，CODCr去除率达到64.76%，满足GB 8978-1996中一级排放指标(CODCr≤100 mg·L-1)。这是因为，电化学氧化反应的特点是以电极为媒介，污染物必须首先吸附于电极表面，然后放电，而电极表面的活性位数量是一定的，因此，在不考虑非目标污染物竞争的情况下，当电极表面吸附达到饱和时，电极对污染物的反应速率即达到极限值；此时，增大进水浓度也无法继续提高反应速率；而在反应速率达到极限值之前，增大进水浓度会加快反应速率，但是参加反应的污染物数量占总量的比例下降，也会使去除率下降。

2.1.3 电解质投加量对CODCr去除效果的影响

静态实验采用的是析氯电极，以NaCl作为电解质。当电流强度为3 A时，考察电解质投加量对CODCr去除效果的影响，结果见图4。

图4 NaCl投加量对CODCr去除率的影响

由图4可以看出，NaCl投加量对CODCr的去除影响不大，当NaCl投加量为3‰时，CODCr浓度由原水的227 mg·L-1降至194 mg·L-1，去除率仅为14.5%。

2.2 NH3-N去除效果

2.2.1 电流强度对NH3-N去除效果的影响(图5)

图5 电流强度对NH3-N去除率的影响

由图5可以看出，电流强度对NH3-N的去除有一定的影响，随着电流强度的增大，NH3-N浓度由原水的110 mg·L-1大幅降至10 mg·L-1，去除率达到90.9%。这是因为，在反应过程中，由于电极对NH3-N的电化学氧化能力不断增强，NH3-N除了大部分被氧化为N2外，部分转化为硝酸盐氮等其它形式的氮，因此提高了NH3-N的去除率，动态实验时，效果会更加显著。相对于CODCr去除，电流强度对NH3-N去除的影响更大。

2.2.2 水力停留时间对NH3-N去除效果的影响(图6)

图6 水力停留时间对NH3-N去除率的影响

由图6可以看出，水力停留时间对NH3-N影响显著，随着水力停留时间的延长，NH3-N浓度由原水的110 mg·L-1大幅降至3.3 mg·L-1，去除率达到97%，去除效果非常好。与CODCr去除相比，NH3-N去除的最佳时间(8 min)提前了2 min，但是去除效果好很多。这是因为，随着水力停留时间的延长，水中Cl-浓度相应增加，提高了间接电化学氧化氨氮的能力，致使NH3-N去除率升高。相对于CODCr去除，水力停留时间对NH3-N去除的影响更大。

2.2.3 电解质投加量对NH3-N去除效果的影响

当电流强度为3 A时，考察电解质NaCl投加量对NH3-N去除效果的影响，结果见图7。

图7 NaCl投加量对NH3-N去除率的影响

由图7可以看出，NaCl投加量对NH3-N的去除有一定的影响，当NaCl投加量为5‰时，NH3-N浓度由原水的110 mg·L-1大幅降至5.2 mg·L-1，去除率达到95.27%。这是因为，投加NaCl在腈纶废水中引进了Cl-，同时由于HClO强氧化剂的存在，加速了电化学氧化氨氮的速度，造成NH3-N浓度下降、去除率上升。相对于CODCr去除，NaCl投加量对NH3-N去除的影响更大。

3 结论

静态实验中，电化学氧化耦合纳米催化微电解技术对腈纶废水中NH3-N的去除效果明显，且受到电流强度、水力停留时间和电解质投加量三个因素的影响；对CODCr的去除效果不佳，受水力停留时间的影响比较显著，当水力停留时间为10 min时，出水CODCr浓度能满足GB 8978-1996中一级排放指标(CODCr≤100 mg·L-1)。为进一步的动态实验奠定了基础。

[1] 李艳华，杨凤林，张捍民，等.内电解-Fenton氧化-膜生物反应器处理腈纶废水[J].中国环境科学，2008，28(3)：220-224.

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