地球上的水資源非常豐富，但能夠供人類直接飲用和農(nóng)業(yè)灌溉的淡水資源卻非常稀缺，淡水資源僅占地球上所有水資源的2. 5% ，而且有超過(guò)半數(shù)的地表水存在于超過(guò)地下深度800 m 的地下蓄水層中，其開采和利用都是極其困難的，另外淺層地表水和淡水湖、淡水河的水資源僅占地球上所有水資源的0. 2% ，全世界有將近五億人面臨淡水資源緊缺的嚴(yán)峻形勢(shì)。中國(guó)大部分城市和地區(qū)也面臨淡水資源稀缺的困境，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)研發(fā)等多方面限制因素，使得中國(guó)諸多企業(yè)在排放污水時(shí)通常只注重COD 的深度處理，忽略了低濃度氨氮的有效處理，導(dǎo)致低濃度氨氮廢水被隨意排放到生態(tài)環(huán)境中，引發(fā)河流、湖泊等水體中藻類植物營(yíng)養(yǎng)含量過(guò)剩出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象造成水質(zhì)污染; 與此同時(shí)，工業(yè)廢水循環(huán)殺菌再利用過(guò)程中，低濃度氨氮的存在會(huì)大大增加殺菌時(shí)氯的使用量，在這種形勢(shì)下研究一種低濃度氨氮廢水的脫氮方法可以解決生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨的一大難題。根據(jù)國(guó)內(nèi)外諸多資料顯示，目前用于低濃度氨氮廢水脫氮的方法主要有離子交換法、吸附法、氯化脫氮法、硝化反硝化法等，研究并總結(jié)這些方法應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于電化學(xué)處理的低濃度氨氮廢水脫氮方法，為今后低濃度氨氮廢水脫氮提供有效指導(dǎo)。1 氨氮廢水的來(lái)源與危害1. 1 氨氮廢水來(lái)源氨氮廢水具有來(lái)源廣泛、排放量較大的特點(diǎn)，其主要來(lái)源包括市政污水、化肥廠排放廢水、焦化廢水、垃圾滲濾液、煤氣廢水、農(nóng)業(yè)污染廢水等，其中市政污水具有生化性較好的水質(zhì)特征，市政污水中COD 含量約為300 ～500 mg /L，氨氮濃度水平約為30 ～50mg /L，市政污水水量超過(guò)4. 6 × 104 × 106 m3 /year; 化肥廠排放的廢水中含有砷、酚等大量有毒物質(zhì)，且廢水中固體懸浮物較多，pH 值極不穩(wěn)定， COD 含量約為 400 ～500 mg /L，氨氮濃度水平約為500 ～700 mg /L，水量超過(guò)2. 6 × 102 × 106 m3 /year;焦化廢水中通常含有大量難以降解的有機(jī)化合物，COD 含量約為1 200 ～1300 mg /L，氨氮濃度水平約為200 ～ 700mg /L，水量超過(guò)2. 85 × 102 × 106 m3/ year; 垃圾滲濾液中金屬含量較高，且水質(zhì)COD 含量變化較大，約為2 000 ～ 60 000mg /L，水量波動(dòng)也較大，通常情況下大于 25 × 106 m3 /year，氨氮濃度水平約為1000 ～ 2000 mg /L; 煤氣廢水中成分比較復(fù)雜，多數(shù)為有毒物質(zhì)，且很難降解，COD 含量約為1 200 ～1 400 mg /L，氨氮濃度水平約為 900 ～1 000 mg /L，水量波動(dòng)較大; 農(nóng)業(yè)污染廢水具有較好的生化性能，COD含量較大，氨氮濃度水平也較高，水量約為10 × 106 m3/year。

　　1. 2 氨氮廢水的危害氨氮廢水的危害包括: 氨離子的氧化過(guò)程會(huì)消耗水體中的氧氣，致使水質(zhì)發(fā)黑發(fā)臭，水體質(zhì)量嚴(yán)重下降，影響水生動(dòng)物和水生植物的生存; 水體中氨氮元素超標(biāo)會(huì)加速水體富營(yíng)養(yǎng)化程度; 另外，廢水中的氨離子和氮離子游離均會(huì)對(duì)水生動(dòng)物和水生植物產(chǎn)生極大的危害。

　　2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　2. 1 實(shí)驗(yàn)試劑的選取如表1 和表2 所示給出了基于電化學(xué)處理的低濃度氨氮廢水脫氮方法實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要的實(shí)驗(yàn)試劑和實(shí)驗(yàn)儀器

　　2. 2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置為自制低濃度氨氮廢水脫氮電解裝置，其中采用6 mL 的玻璃燒杯作為低濃度氨氮廢水電解槽; 采用析氯電極和鈦網(wǎng)分別作為低濃度氨氮廢水電解電極板陽(yáng)極和陰極; 電極板面積為14 cm × 7 cm，其中陽(yáng)極和陰極的極板面積比例為 1∶1;采用揚(yáng)州凱弘電源科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為KH - DK 的直流穩(wěn)壓電源作為裝置電源，具體裝置示意圖如圖 1 所示。

　　3 低濃度氨氮廢水的脫氮結(jié)果分析3. 1 初始濃度對(duì)氨氮降解的影響利用上述實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)試劑配置成濃度 0、 10、20、50、100 mg /L 的氨氮廢水溶液，溶液初始pH值為5. 9，調(diào)節(jié)圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的直流穩(wěn)壓電源電流密度為5 mA/c㎡，實(shí)驗(yàn)分析的是氨氮廢水初始濃度不同條件下電化學(xué)氧化脫氮方法的性能( 包括氨氮和總氮的去除效果) 。如圖 2( a) 和( b) 所示給出了電化學(xué)氧化脫氮過(guò)程中的氨氮濃度和總氮濃度變化情況。

　　圖 2 氨氮初始濃度對(duì)氨氮和總氮的降解影響

　　從圖 2( a) 中可以看出，氨氮廢水初始濃度與電解反應(yīng)時(shí)間表現(xiàn)出了良好的線性相關(guān)，當(dāng)配置好的氨氮廢水初始濃度從 100 mg /L 稀釋變化為 10 mg / L 時(shí)，氨氮廢水初始濃度與電解反應(yīng)時(shí)間之間的線性相關(guān)系數(shù)分別為0. 987 5、0. 996 2、0. 996 3、 0. 996 8、0. 999 9，符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但溶液中氨氮的初始濃度值為10 mg /L 時(shí)，經(jīng)過(guò) 6 min左右的電化學(xué)氧化反應(yīng)即可達(dá)到工業(yè)廢水一級(jí)A的排污標(biāo)準(zhǔn); 經(jīng)過(guò) 20 min 左右的電化學(xué)氧化反應(yīng)，溶液中氨氮的濃度僅為0. 03 mg /L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表水Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn); 當(dāng)溶液初始濃度為 20 mg /L 時(shí)，經(jīng)過(guò)40 min 左右的電化學(xué)氧化反應(yīng)溶液中氨氮的濃度即可達(dá)到 5 mg /L，即工業(yè)廢水一級(jí) A 的排污標(biāo)準(zhǔn)，由此說(shuō)明，研究采用的電化學(xué)氧化脫氮方法對(duì)低濃度氨氮廢水具有較好的脫氮效果，能夠達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。從圖 2( b) 中可以清楚地看出，電化學(xué)氧化脫氮方法對(duì)于氨氮廢水溶液中的總氮同樣具有較好的降解效果，除了濃度為 100 mg /L 的氨氮廢水溶液中的總氮沒有被完全降解去除外，其余三組濃度為 10、 20、50 mg /L 的氨氮廢水溶液經(jīng)過(guò)脫氮處理后總氮濃度均小于1. 085 mg /L，根據(jù)電化學(xué)氧化脫氮方法的反應(yīng)機(jī)理可知，低濃度氨氮廢水中氨氮大部分被氧化為氮?dú)饨到獾簦渲行〔糠直晦D(zhuǎn)化為硝酸鹽氮等物質(zhì)，這種脫氮方法能夠減少二次污染。如圖 3 所示展示了氨氮廢水初始濃度對(duì)電解反應(yīng)中電流效率和能量消耗的影響。根據(jù)圖 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著初始濃度增加，電化學(xué)氧化脫氮裝置的電流效率發(fā)生了明顯下降，說(shuō)明電化學(xué)氧化脫氮方法適合低濃度氨氮廢水脫氮，實(shí)驗(yàn)裝置的能耗變化波動(dòng)較大，當(dāng)氨氮廢水初始濃度水平為100 mg /L 時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置能耗迅速上升，降解廢水中每克氨氮需要消耗1. 7 kWh; 當(dāng)氨氮廢水初始濃度水平為20 mg /L 時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置能耗最小，降解廢水中每克氨氮僅需要消耗 0. 87kWh。

　　圖 3 氨氮初始濃度對(duì)電流效率和能量的影響3. 2 實(shí)驗(yàn)裝置電流密度對(duì)廢水中氨氮的影響為了分析實(shí)驗(yàn)裝置電流密度對(duì)廢水中氨氮的降解影響，配置氨氮初始濃度為20 mg /L 的溶液，在實(shí)驗(yàn)裝置電流密度分別為3、6、9、12 mA/cm2 的條件下進(jìn)行電化學(xué)氧化脫氮測(cè)試，結(jié)果如圖 4 所示。

　　圖 4 電流密度大小對(duì)脫氮的影響觀察圖 4( a) 可以發(fā)現(xiàn)，溶液中氨氮濃度的降解效果線性相關(guān)系數(shù)按照實(shí)驗(yàn)裝置電流密度從大到小排序依次為0. 990 3、0. 996 6、0. 992 3、0. 995 8，同樣符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn); 圖 4( b) 顯示溶液中總氮濃度的降解效果也與實(shí)驗(yàn)裝置電流密度具有較好的線性相關(guān)關(guān)系，符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置電流密度分別為12、9、6、3 mA/c㎡ 時(shí)，溶液中氯離子濃度為200 mg /L 時(shí)，對(duì)濃度為 20 mg /L的溶液做脫氮處理時(shí)氨氮濃度需要達(dá)到一級(jí) B 的排放標(biāo)準(zhǔn)( 即 8 mg /L) ，分別需要 16 min、22 min、36 min 和 43 min; 達(dá)到一級(jí) A 的排放標(biāo)準(zhǔn)( 即5 mg /L) ，則分別需要23 min、31 min、44 min 和 60 min，溶液中總氮濃度在相同的電解反應(yīng)時(shí)間內(nèi)也可達(dá)到一級(jí) B 和一級(jí)A 的排放標(biāo)準(zhǔn)，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了實(shí)驗(yàn)裝置電流密度較低時(shí)低濃度氨氮廢水脫氮效果更好。

　　3. 3 溶液中氯離子濃度對(duì)氨氮降解效果的影響實(shí)驗(yàn)配置氨氮初始濃度為 20 mg /L 的溶液作為樣品測(cè)試對(duì)象，使用裝置電流密度為6 mA/c㎡，在氨氮廢水溶液濃度分別為100、200、300、400 mg /L的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行電化學(xué)氧化脫氮測(cè)試，分析溶液中不同氯離子濃度對(duì)氨氮降解效果的影響，測(cè)試結(jié)果如圖 5 所示。

　　根據(jù)圖 5( a) 可知，隨著溶液中氯離子濃度水平的不斷增加，在相同電解反應(yīng)時(shí)間內(nèi)溶液中氨氮濃度和總氮濃度顯著下降，處理氨氮濃度為 20 mg /L的溶液時(shí)，按照溶液中氯離子濃度由高到低氨氮降解達(dá)到一級(jí) A 排放標(biāo)準(zhǔn)分別需要 25、27、38、67 min;根據(jù)圖 5( b) 可知，在相同的電化學(xué)氧化脫氮反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，總氮降解同樣能夠達(dá)到一級(jí) A 排放標(biāo)準(zhǔn)，且溶液中氨氮和總氮的降解均符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明采用電化學(xué)氧化脫氮方法在低濃度氨氮廢水處理過(guò)程中能夠取得較好的效果，且降解速度較快。

　　4 結(jié)論針對(duì)提出的基于電化學(xué)處理的低濃度氨氮廢水脫氮方法，通過(guò)三組測(cè)試得到了以下結(jié)論: 廢水中氨氮的降解與溶液初始濃度具有線性相關(guān)關(guān)系，在廢水初始氨氮濃度為 20 mg /L 時(shí)，電解能耗最小，降解廢水中每克氨氮僅需要消耗 0. 87kWh; 廢水中氨氮和總氮降解能耗隨著電流密度的增大而上升，電流效率則隨著電流密度的增大而下降; 電化學(xué)氧化脫氮過(guò)程中廢水中氨氮和總氮的降解基本符合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。電化學(xué)氧化脫氮方法對(duì)低濃度氨氮廢水具有較好的脫氮效果。