电化学法处理生活污水的性能研究.doc
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洛阳理工学院毕业设计（论文）
洛阳理工学院
毕业设计（论文）
题目电化学法处理生活污水的性能研究
姓名杨振宇
系（部）环境工程与化学系
专业环境工程
指导教师吴长航
2013年6月2日
2
电化学法处理生活污水性能的研究
摘要
鉴于生活污水处理存在设备复杂、残留物浓度过高等问题，采用电化学法对生活污水进行试验研究，分析了电化学法在水处理中的反应原理，以及其具有操作简单、自动化性强、环境兼容性好等优点。
实验以IrO2-Pt/Ti惰性电极为阳极，铜片为阴极，分别考察了电流密度、极板间距、氯离子浓度对污水中氨氮去除率的影响。
实验得出当电流密度为30mA/cm2，极板间距为2cm，氯离子浓度为200mg/L时为最佳去除工况，这时氨氮的去除率最高，达到了国家要求的生活污水二级排放标准。
同时提出了电化学法处理生活污水还需要解决能耗大、工业化应用等问题。
关键词：
电化学法，生活污水，去除率，氨氮
TheResearchonElectrochemicalTreatmentofSewage
ABSTRACT
Accordingtotheproblemthatthesewagetreatmentequipmentcomplexandresidueconcentrationistoohigh,experimentalstudyofthesewagebyelectrochemicalmethod,andanalyzestheprincipleofelectrochemicalreactioninwatertreatment,andithassimpleoperation,automaticstrongsex,aswellasgoodenvironmentalcompatibility.AsIrO2-Pt/Tiinertelectrodeisforanode,coppercathode,respectivelyinvestigatesthecurrentdensity,platespacing,thechlorideionconcentrationofammonianitrogenremovalrateinwastewater.Experimentwhenthecurrentdensityof30mA/cm2,platespacingis2cm,thechlorideionconcentrationof200mg/Lwhenisthebestworkingconditionofremoving,thenammonianitrogenremovalrateishighest,uptothenationalrequestofsewagesecondaryemissionstandards.Proposedtheelectrochemicalmethoddealwithsewagealsoneedtosolvetheproblemoflargeenergyconsumption,industrialapplication,etc.
KEYWORDS:
Electrochemicalmethod,Sewage,Removal,NH4-N
目 录
前 言 1
第1章概述 3
1.1生活污水的基本概念 3
1.1.1生活污水的来源 3
1.1.2生活污水的处理工艺及存在问题 3
1.1.3生活污水的环境危害 4
1.2电化学技术除污基本原理 4
1.2.1电化学法去除有机物的原理 5
1.2.2电化学法去除氨氮的原理 5
1.3电化学法较传统方法的优势 6
第2章实验材料和方法 7
2.1实验试剂 7
2.2实验设备与装置 7
2.2.1电解设备与装置 7
2.2.2处理、检测仪器 11
2.3主要污染物的检测标准 11
2.3.1NH4-N的检测方法 11
2.4试验流程 12
2.4.1NH4-N标准曲线的绘制 12
2.4.2电流密度对NH4-N去除效果的研究 12
2.4.3极板间距对NH4-N去除效果的研究 13
2.4.4氯离子浓度对NH4-N去除效果的研究 13
2.4.5最佳工况的确定 13
第3章结果与讨论 14
3.1电流密度的影响 14
3.2极板间距对电解效果的影响 15
3.3氯离子浓度对电解效果的影响 16
3.4电解时间的影响 16
3.5最佳工况下NH4-N的去除效果 16
结 论 18
谢辞 19
外文资料翻译 22
前 言
未经处理的生活污水随意排放会对生态环境造成严重危害，直接影响人们的身体健康和经济的可持续发展。
电化学法处理生活污水的性能研究正越来越受到人们的重视，电化学法处理生活污水具有高灵活性、无污染或污染小、经济性强、容易控制等优良特点，具有难以比拟的优越性和现实意义[1]。
电化学法是污水净化处理中的一个重要发展方向，有较高的经济性和选择性等，必能为电化学在污水处理应用中开拓出更加广泛的前景。
生活污水中含有大量的氨氮，其中氨氮以水中游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮为主。
氨氮主要来源于微生物分解生活污水中含氮有机物，化工合成氨等工业废水，以及农业排水等。
目前，国内外氨氮废水处理方法主要有沸石脱氨法、吹脱法、电渗析法、膜分离法、MAP沉淀法、折点氯化法、生物脱氨法，电化学处理法等。
其中电化学处理技术具有应用简单，处理效率高、二次污染小、设备不复杂等特点，所以这里采取电化学试验方法对生活污水中氨氮进行了脱氮处理。
电化学法是利用电能去除水中污染物的一种方法。
在电解过程中电能转变为化学能从而实现物质的转化。
阴极发生粒子与电子结合的还原反应，阳极发生粒子失去电子的氧化反应，其中氧化反应过程中释放的电子通过回路流向电源的正极。
在20世纪40年代国外就已经开始应用电化学法处理废水，但由于刚起步需要的投资较大，电量不足，运行成本较高，所以发展一直很缓慢。
直到20世纪60年代，此时电力工业得到大力发展，电化学法才得以实际应用于废水处理。
我国在80年代开始有关生活污水分散处理技术的论证和研究工作，这期间开发出了许多低能耗、除污能力高的装置，但由于分散技术在实际应用中还存在很多问题，因此无法得到广泛应用。
这项技术的突出缺点集中表现在生物处理尤其是氮磷的去除率较低，氮磷含量过高是引起水体富营养化的罪魁祸首，如何不能有效去除氮磷则这项技术的现实应用就成了大问题。
另外，目前的分散污水处理只集中在分散污水的收集、处理和排放阶段，远未实现污水的就地处理和就地回用，实现污水资源化的真正目的——再利用[2-3]（Reuse）。
随着生活污水处理问题的日益严重，人们正在采取积极的措施防治其危害。
近年来，我国一些发达省份在经济发展到一定阶段后已经逐渐感受到生活污水处理面临的严重考验，并开始着手建设一些合理、适用、能耗低和运行费用低的设施来处理生活污水。
电化学氧化技术中都存在着一些共同的问题，如电解效率低、电能消耗大，从而导致经济成本付出太大。
为解决这些难题，目前，国内外科学家主要采取改进阳极材料、电化学反应器、电化学组合工艺、生物膜电极等，进而发挥出电化学技术在处理生活污水方面的巨大潜力。
电化学方法作为现今很有前景的一种水处理方法，在实际应用中有许多优势，但也存在一些缺点。
因此，如何减少反应的能耗，提高其反应的稳定性已成为电化学水处理技术的关键。
随着技术人员的努力，相信电化学处理技术将能得到长足发展[4]。
目前污水处理技术的首要要求是节能环保，因而此次研究的指导思想就以节能环保为前提研究电化学氧化技术在处理生活污水中的最佳运行工况（在一定条件下，既能有效降低污水中污染物的含量，使其满足排放标准，又能够最大限度的减少电能的消耗，最终达到节能和保护环境的目的）。
本文采用电化学氧化法处理模拟生活污水，通过测定电流密度、极板间距、电解时间、氯离子浓度对水样中氨氮的去除率的影响，绘制出相应的函数曲线，再结合实际情况得出电解的最佳运行工况，并在最佳工况下，测定氨氮去除率的情况。
在实验条件的限制的情况下，本次试验研究的范围只考察了电流密度、极板间距、电解时间、氯离子浓度对氨氮的去除率的影响，其它一些因素如原水浓度、阳极材料等对实验结果的影响不做考虑，因此本次实验结果得出的是最佳工况是一个限制性成果，仍然需要进一步开展研究。
在本次实验过程中进一步了解了电化学处理生活污水的优点和缺点，并为该技术的应用范围以及与其它技术相结合的可能性提供了一个重要的参考。
洛阳理工学院毕业设计（论文）
第1章概述
1.1生活污水的基本概念
1.1.1生活污水的来源
生活污水是指城市机关、学校和居民在日常生活中产生的废水，包括厕所粪尿、洗衣洗澡水、厨房等家庭排水以及商业、医院和游乐场所的排水等。
人们日常生活产生的污水已经成为水体污染的重要组成部分。
生活污水中一般含有大量有机物（糖类、纤维素、脂肪、蛋白质等）和无机盐类化合物（氯化物、磷酸盐、碳酸盐等）。
但总体来说还是含氮、含硫和含磷量较高,这些物质在细菌的作用下会分解出对水中生物有害的毒素，严重威胁水体生态系统的平衡[5]。
1.1.2生活污水的处理工艺及存在问题
随着人们生活水平的逐渐提高，生活污水的排放量和污水中污染物含量也越来越大。
这样就逼迫生活污水处理工艺也必须不断改进来满足现实需要。
目前一些最新的污水处理工艺流程有如曝气生物滤池、A/O生物滤池污水处理工艺、化学强化生物除磷污水处理工艺、循环间歇曝气污水处理工艺、旋转接触氧化污水处理工艺、旋转接触氧化污水处理工艺、SPR高浊度污水处理技术等。
从总体上可以看出，我国在污水处理方面正在由产业规模小、处理水平低、处理能力单一转向规模化、高水平、综合性。
由过去的污水处理能力严重不能满足需求发展到现在的具有相当规模和水平，已经能初步满足国民经济的发展要求，污水处理技术的发展也在逐步增强。
我国在污水处理方面还存在诸多问题，如目前的污水处理能力还跟不上用水和排水规模的急速扩张，而且管网布置、污泥后续处理等配套设施的建设严重滞后。
我国在污水处理能力上与发达国家相比，还存在着明显的差距，并且已建成处理设施的处理量较低，在污水处理政策法规的完善，监管体制的建立，污水处理收费体系的编排等方面还有待完善。
国内的污水处理行业是一个新兴产业，因此推进污水处理行业的产业化和市场化十分必要，我国将在“十一五”期间投资3000亿元用来推进城市污水的处理和利用，相信污水处理行业将由此迎来高速发展期[6]。
1.1.3生活污水的环境危害
生活污水中含有大量病原体，直接排入水体会危害人类健康。
病原体一般具有数量大、分布广、存活时间较长、繁殖速度快、难以消灭的特性，所以经传统的二级生化污水处理及加氯消毒后一些病原体仍能大量存活，这些病原体会通过多种途径进入人体，并在人体内生存繁殖，引起疾病。
有机物在进入水体后，首先通过微生物的生物化学作用分解为简单有机物然后进一步分解成为无机物。
微生物在分解的过程中会大量消耗水中的溶解氧，导致水体缺氧，在缺氧条件下污染物就会发生腐败分解引起水质恶化。
水体中有机物越多，分解过程中耗氧也会越多，最后水质也会越差，最后导致水体生态系统崩溃。
近年来日益严重的水体富营养化[7]问题已经引起人们的广泛关注，其是排放水体中氮、磷等植物营养物质含量过多而引起的水质污染现象。
水体恶臭是一种普遍的污染现象，恶臭对人体的危害尤其明显，如妨碍呼吸功能，使人精神烦躁不安，造成嗅觉障碍，最终损伤中枢神经、大脑皮层的兴奋和调节功能等。
人们日常排放的生活污水往往不会呈现中性，而酸性或碱性污染都会使水体的pH发生变化，有时还会抑制微生物的生长，最终妨碍水体自净功能。
有毒物质污染也是水体污染中特别重要的一大类别，会对动植物生存产生严重威胁。
1.2电化学技术除污基本原理
电化学技术是指在特定的电化学反应装置内，通过发生的电极反应或由此引起的一系列的化学反应、电化学过程或者物理过程，从而使污染物达到降解转化的目的。
选用适当的电极材料在直流电流作用下使电能转变成化学能。
当生活污水流经电化学处理槽时，在阳极和阴极分别发生电化学氧化和还原反应，使污染物得以去除。
电化学系统对设备要求相对简单，占地面积不大，操作维护费用比较低，能有效避免产生二次污染，而且反应过程中可控程度很高，有利于实现工业自动化，被称为“环境友好”[8]技术。
与生化处理方法不同，电化学技术一般不会受到生物毒性的影响，所以其可以作为具有高毒性、高腐蚀性有机物的处理方法。
电化学技术也可以用作生化方法的预处理环节，使大分子有机物转化成为小分子有机物，以提高其生化性，便于进一步的生化处理。
电化学法以自由电子为反应剂，以电场能作为反应动力，所以在处理过程中一般不需要添加化学试剂，可以避免由此引发的二次污染。
在整个反应阶段，仅需要控制电压和电流保持在合适值，对温度、气流等没有严格的限制，与热解、光解相比具有较高的转化效率，并能有效去除一些有色废水中的色素。
目前该方法已被广泛应用于铬处理，EDTA降解，电镀废水，垃圾渗滤液，酚类化合物，氯化有机物，硝基苯等。
近年来，电化学方法在环境水污染治理领域的研究也在日益增多。
刘永峰[9]提出生活污水的电化学处理基本包括四个过程：
电极表面电化学处理过程，电凝聚处理过程、电解浮选过程、电解氧化还原过程。
本次研究的内容，着重涉及电化学氧化还原处理原理。
1.2.1电化学法去除有机物的原理
有机物具有电化学活性的官能团在电场的强制作用下，这些官能团结构性质发生改变，使得有机物的化学性质发生变化，使其毒性得以减弱或消失。
电化学氧化法可以分为直接氧化法和间接氧化法。
直接氧化法是利用电极阳极的氧化作用使污染物直接转化为无污染物质；间接氧化法则是利用电极阳极反应引发的中间反应，使污染物被氧化，最终转化为无污染物质。
通过改进电解装置的电极结构，可以提高对污染物的去除效果，并降低反应所需能耗。
目前电化学氧化法主要被用于生物降解难度大的物质，如染料、酚类以及造纸业等生产废水含有的有机物[10]。
1.2.2电化学法去除氨氮的原理
生活污水中的氨氮以有机氮和无机氮两种形式存在于水溶液中，其中有机氮又可以分为以溶解状态存在的有机氮（如尿素、氨基酸等）和非溶解状态存在的有机氮（废水中的有机氮悬浮颗粒物等），无机氮可以分为离子态铵、（亚）硝酸盐、水中溶解的氨气和氮氧化合物等。
但是上述各形态的氮在一定条件下，在水溶液中可以相互转化，所以在采取电化学技术去除废水中的氨氮时，情况会比较复杂。
虽然电絮凝技术或利用电极表面的吸附作用也可以去除一定量的氨氮，但往往不能达到排放要求，这里所指的电化学脱氮技术是利用电化学氧化能力除去废水中的氨氮（铵离子、氨水、溶于水的氨气等）和电化学还原能力除去废水中的硝酸盐、亚硝酸盐等无机态氮。
1.3电化学法较传统方法的优势
电化学主要涉及到两方面的研究：
①从源头上杜绝或基本杜绝污染物的产生，这就是通常所说的绿色化学工艺；②电化学过程利用电子这一清洁的试剂实现氧化还原过程，避免了常规化学过程可能产生的二次污染问题。
传统生物脱氮普遍存在着因氨氮负荷过高而引起的工艺流程长，消耗有机碳源多，能耗大，出水不达标的问题，较传统生物脱氮工艺，电化学法具有其无法比拟的优点[11]。
电化学技术应用于水处理方面到现在已经经历了40多年的历史，因其具有无可比拟的优点引起了广大研究工作者的极大关注，但是发展到今天仍未能得到广泛应用，电化学降解机理尚未有定论是很大一部分原因。
由于电化学技术在反应过程比较复杂，其中产生的HO·等缺少必要的跟踪监测手段，一些反应机理无法得到实验鉴定等很多因素最终导致电化学技术无法大规模应用于水处理。
一些设想、推理缺乏效的实验验证，因而对电化学水处理技术的实际应用有较大的影响。
另外，选取的电极电阻大、电流效率低，易损耗、材料成本高，电化学活性低、选择性不高等都是需要解决的问题。
用电化学氧化法处理有机废水，具有不需加入其它化学添加剂，在常温、常压下就可操作等优点，这些优点使其正逐步成为处理有机废水的希望。
但是在废水处理领域用电化学氧化法处理有机物废水，还可以说是一种较新的方法，不仅在实际应用的技术成面，还是在基础理论的研究方面都还比较薄弱。
因此，一方面，需要科技工作者们开发具有高催化活性、高析氧电位和高稳定性的阳极材料、高效率的电化学反应装置[12-14]；另一方面，还要从微观的角度去研究污染物降解过程的机理，开发出具有可操作性的数学模型为其提供理论依据。
只要实现这两方面的共同发展，电化学氧化技术在实际中得到广泛应用就不再是梦想。
第2章实验材料和方法
2.1实验试剂
此次实验的水样采用现场配制的水样，其成分及含量如下表所示：
表2-1实验水样的配置
成分
浓度/mg.L-1
配水药剂名称
药剂添加量/g
COD
200
C6H12O6
0.1578
NH4-N
100
NH4Cl
0.3385
P
5
KH2PO4
0.0254
Cl-
—
NaCl
0.2500
将表2-1中的实验药品用蒸馏水配制成1L溶液，每次均需现用现配。
实验前先测定水样中氨氮的含量，记录数值。
其它实验试剂：
蒸馏水、酒石酸钾钠、纳氏试剂、浓盐酸、浓硫酸、Hgcl2粉末等。
实验中所用试剂均符合要求。
2.2实验设备与装置
2.2.1电解设备与装置
电解装置包括直流电源转换器、电解槽、导线、极板，它们是此次实验的主要装置。
直流电源转换器是由深圳安泰信公司生产的TPR6010S单路恒压恒流直流稳压电源，最小电流0A，最大输出电流10A，且电流可在0到10A之间连续变化，最小变化单位为0.01A。
电解过程中可以通过旋钮调节电流，使电流保持在特定值，从而实现研究目标的有效控制，达到单因素对象的研究和分析目的。
直流电源的实景图片如下所示：
图2-1TPR6010S单路恒压恒流直流稳压电源
电解槽为有机玻璃制成的长方形体容器，底部有3个极板插槽，两侧各有一个出水口，具有透明特性，在实验过程中可以从外界清晰地观察内部溶液的反应情况。
图2-2有机玻璃电解槽
阳极极板为IrO2-Pt/Ti惰性电极，IrO2-Pt/Ti惰性电极由极不活泼的惰性金属及氧化物组成，其内部原子与电子结合紧密，很难在通电情况下失去电子，产生金属离子，因此在实验中不必担心IrO2-Pt/Ti惰性电极作为阳极溶解，水体也会在电解过程中保持透明。
铜电极作为阴极，由于铜导电性好、电阻小，因此在同等条件下需要消耗的电能少，产热就少，水体温度不会太高。
另外，铜作为极板具有耐酸、碱腐蚀的特性，在实验过程中可以减少材料的消耗。
在测定过程中也可忽略电极被氧化后的离子对氨氮测定结果的干扰。
电解槽与极板的实景图如下所示:
图2-2电解槽与极板
整个电解装置的工作示意图如下所示：
图2-3电解实验的工作示意图
2.2.2处理、检测仪器
容量瓶、酸式滴定管、分光光度计、电子天平等。
2.3主要污染物的检测标准
污染物指标参数测定方法应符合国家环保总局推荐的标准方法[15]测定标准。
2.3.1NH4-N的检测方法
分别取0、0.5、3、5、7、10mL铵标准使用液放入50mL比色管中，用水稀释至标线，再依次加入1.00mL酒石酸钾钠和1.mL纳氏试剂，摇匀后静置10min。
用蒸馏水做参比，在420nm处分光光度计测各组溶液的吸光度。
以氨氮质量为横坐标，校正吸光度为纵坐标，描点绘线即为标准曲线。
测得氨氮质量和各组溶液吸光度如下表：
表2-2氨氮质量及吸光度
氨氮质量mg
0
0.005
0.03
0.05
0.07
0.1
吸光度
0.078
0.084
0.018
0.246
0.311
0.425
校准吸光度
0.078
0.006
0.102
0.168
0.233
0.347
2.4试验流程
2.4.1NH4-N标准曲线的绘制
依据实验结果所绘制的NH4-N标准曲线，如图所示：
图2-4NH4-N标准曲线
从图2-4中可以看出，测量值与拟合直线的方差为0.999，符合后续实验所需精确度。
2.4.2电流密度对NH4-N去除效果的研究
测量极板宽度为a（cm），淹没水深为h（cm），在极板间距为3cm的情况下，连接好工作电路，计算极板有效电解面积S（cm2），读取电流密度i（mA/cm2），则工作电流I（A）为：
I=S×i×10-3=a×h×i×10-3
分别设置电流密度为5、10、20、25、30mA/cm2，在每个电流密度下，每隔一定时间取1.00mL氨氮水样，电解总时间为120min。
按照上述去除率为纵坐标，绘制曲线。
2.4.3极板间距对NH4-N去除效果的研究
由前面试验可确定最佳电流密度为30mA/cm2，在此条件下分别测试极板间距为2cm和1cm时NH4-N去除率的情况，其取样和测定方法同研究电流密度的情况相同。
在同一坐标轴内，以时间为横坐标，去除率为纵坐标，绘制曲线。
2.4.4氯离子浓度对NH4-N去除效果的研究
选取极板间距为2cm，电流密度为30mA/cm2，在此条件下分别测试氯离子浓度为150mg/L、180mg/L、200mg/L时NH4-N的去除率情况，取样和测定方法同研究极板间距和电流密度时的情况相同。
在同一坐标轴内，以时间为横坐标，去除率为纵坐标，绘制曲线。
2.4.5最佳工况的确定
在同等条件下，电能消耗比较少，氨氮的去除率相对较高，可得出此条件为电解的最佳工况。
结合以上实验的研究结果和现实情况，最终确定出最佳工况。
第3章结果与讨论
3.1电流密度的影响
选取极板间距3cm，采用IrO2-Pt/Ti惰性电极为阳极，铜片为阴极，氨氮初始浓度约100mg/L，改变电流密度，分别电解120min，对不同时间氨氮的浓度进行测定，实验结果如下图所示：
图3-1电流密度对NH4-N去除率的影响
图3-1显示了氨氮去除率与电流密度的关系，从图中可以得知，随着电流密度的增大，NH4-N的去除率明显增加。
原因是当电流密度增大时，电极电势增高，电极间产生的具有强氧化性的物质增多，相应电化学氧化能力增强，文献报道[15~17]印证了上述事实。
从图中亦可看出：
前60min，5mA/cm2和10mA/cm2下氨氮的去除效果差别不大，之后差别明显；前30min，20mA/cm2和25mA/cm2下氨氮的去除效果差别也不大，30mA/cm2之后差距增大。
出现这种现象可能是因为刚开始一段时间内电解
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