固定床三维电极电催化氧化深度处理氨氮废水

固定床三维电极电催化氧化深度处理氨氮废水叶志勇 收稿日期：2013-08-17作者简介叶志勇（1978年*-5月*19日），男，工程师，研究方向为湿法冶金、环保化工水处理等。E-mail:yzy7910（厦门紫金矿冶技术有限公司，福建 厦门 361103）摘要：研究了以无烟煤柱状活性炭为粒子电极的固定床三维电解反应器对黄金冶炼厂废水的氨氮进行深度处理。结果表明，较二维电解，采用三维电解能有效提高反应器的单位时、空处理效率。电流密度提高，氨氮去除速率提高，但能耗也提高。废水初始pH提高，氨氮去除率也提高。该三维电解反应器适用于处理中低浓度氨氮废水。关键词：冶炼厂废水；固定床三维电极；氨氮去除率；深度处理doi:10.3969/j.issn.1000-6532(2014)03.00x中图分类号：TD989，X524 文献标志识码: AB 文章编号：1000-6532（2014）03传统的电化学反应器采用的是二维平板电极，这种反应器电极面体比较小，传质问题得不到很好的解决。在实际的工业生产中，要求具有较高的电极反应速度，。提高电解槽单位体积有效反应面积，从而提高传质效果和电流效率，是解决传质问题的关键，尤其对于低浓度的体系更是如此。三维电极的出现解决了这一问题，这种电极与平板电极不同，有一定的立体结构，比表面积是平板电极的几十倍甚至上百倍，电解液在孔道内流动，电化学反应器的传质过程同时得到了很大的改善1,-2。作者采取自制三维电极反应器研究了二维、三维电解处理氨氮效果的差异，并进行了电流密度、初始氨氮浓度、废水初始pH方面等条件试验。1 试验部分1.1 材料实验水样取自黄金冶炼厂活性炭再生车间回用水。该废水经过传统的碱氯法破氰-硫化沉铜-颇尔膜过滤工艺处理后，其主要水质指标见表1。表1 水质指标 自制反应器装置示意图Table 1 Water quality index项目pH值（COD）/mgL-1（氨氮）/mgL-1原水指标8.00.250150700900污水综合排放标准6.09.010015.0粒子电极采用柱状无烟煤活性炭，使用前先进行预处理：将直径为3mm，平均长度约为1cm的柱状无烟煤活性炭依次用自来水，10%盐酸搅拌洗涤1h后，用孔径为0.42mm的不锈钢筛进行筛分，筛上活性炭装填入自制电解反应器阴阳极之间。1.2 试验步骤及装置采用自制三维固定床电极反应器，极间距2mm，有效电解槽体积4000L，阳极为网状钛涂钌铱涂层电极，阴极为网状不锈钢电极。2片阳极板，3片阴极板，单板电极有效面积为140cm2，三维电解时，无烟煤活性炭填充于阴阳极之间，三个室活性炭总添加量固定为800g。室温下，恒电流降解。每隔1h取废水处理后液100ml100mL，检测COD、NH3-N，每20min记录电压变化。本试验自行设计并制作的三维电极反应器，装置示意见图1。图1自制反应器装置示意图Fig.1 Self-made reactor（直流电源；反应器；阳极；阴极；粒子电极；流量计；金鱼泵；蠕动泵；原水槽；产水槽）2 试验结果与讨论2.1二维与三维电解对比试验维持电流密度为105A/m-2，取颇尔膜滤后液4L，进行添加（三维）与不添加（二维）粒子电极的电解对比试验。，试验结果见图2。图2 二维、三维电解对比试验Fig.2 Two and three-dimensional electrolysis contrast tests从图12可看出，电流密度一定下，相同电解时间，三维电解氨氮去除率高于二维电解。与此同时，三维电解方水能耗也略有增加，但增加幅度较小。若将此电流密度下方水电解能耗限定在12kw/h，三维电解允许电解175min，氨氮去除率达51.4%；二维电解则允许电解225min，氨氮去除率仅37.8%。试验说明，如果工业化应用，三维电解不但可以提高氨氮去除率，而且可以提高单位时、空处理量3。2.2 电流密度对氨氮去除率及方水电解能耗的影响在自制电解装置的阴阳极隔室内填充满无烟煤柱状活性炭，活性炭总添加量为800g，取颇尔膜滤后液4L，分别维持电流密度为105A/m-2和180A/m-2进行电解。试验结果见图3。图3 不同电流密度，电解效率与方水电解能耗差异Fig.3 Energy consumption of different current density, electrolysis efficiency and water electrolysis由图3可知，随电流密度增大，电解速率加快，但是能耗也上升，且上升幅度较大。当电流密度为105A/m-2时，电解300min，氨氮去除率为75.32%，方水电解能耗为17.25kw/h；当电流密度为180A/m-2时，电解180min，氨氮去除率为70.51%，方水电解能耗为22.96kw/h。工程化应用时，可综合考虑处理量与能耗两者关系，选择合适的电流密度4。2.3初始氨氮浓度对电解效果的影响取颇尔膜滤后液4L，加入一定量的硫酸铵，搅拌30min后，置入自制三维电解反应器，维持电流密度为105A/m-2和180A/m-2电解2h后，取样送检。试验结果见图4。图4 初始氨氮浓度对氨氮去除率的影响Fig.4 Influence of initial ammonium nitrogen concentration on the removal rate随氨氮浓度增加，氨氮去除率先提高后下降，说明三维电解较适用于中低浓度氨氮的去除。2.4 初始pH值对氨氮去除率的影响条件取颇尔膜滤后液4L，用100gL-1的NaOH溶液调pH至指定值，维持电流密度180A/m-2，电解2h，用100g/L的NaOH溶液调pH。初始pH值对氨氮去除率的影响结果见图5。图5 初始pH对氨氮去除率的影响Fig.5 Influence of initial pH on the removal rate废水初始pH值越高，氨氮去除率越高，初始pH为11.5时，电解2h，氨氮去除率最高，达99.72%，尾液氨氮可降至2.15mg/L-1。分析原因可能是因为废水含氯，碱性条件下活性氯比较稳定，初始pH为11.5，电解1h后，pH降至3.08，电解2h，pH值回升至6.26。3 结 论（1）其他它条件相同，三维电解在能耗增加不大的前提下，氨氮去除率大幅度提高，引入三维电解可提高单位时、空处理量；。（2）随电流密度增大，电解速率加快，但是能耗也上升，且上升幅度较大。工程化应用时，可综合考虑处理量与能耗两者关系，选择合适的电流密度。（3）该三维电解较适用于中低浓度氨氮的去除。（4）废水初始pH值越高，氨氮去除率越高。参考文献：1曹志斌.三维电极反应器的设计与应用研究D. 南京：南京航空航天大学,2009.2 张垒,段爱民,王丽娜等.流化床三维电极电催化氧化深度处理焦化废水J.生态环境学报,2012,21（2）:370-374.3 孙颖.二维与三维电解法处理含铜废水的试验研究J.中国环境管理干部学院学报.2011,21(5):63-66.4 紫金矿业集团股份有限公司.利用电催化氧化法处理黄金冶炼废水中氰化物和氨氮的方法p.中国:201210299216.6,2012-06-15.Advanced treatment Treatment of wastewater Wastewater from gold Gold smelting Smelting plant Plant using Using threeThree-dimensional fixed Fixed bed Bed electrode Electrode reactorReactorYe Zhiyong1(Xiamen ZiJin Mining & Metallurgy CO. LTD, Xiamen, Fujian, 361103China)Abstract: Advanced treatment of wastewater from gold smelting plant by three-dimensional electrode using anthracite carbon particles was studied. The experimental test results showed that : compared with two-dimensional electrolysis, the processing efficiency was improved when the electrode particles were added to the reactor. Ammonia removal rate was increased with current density increased, though more energy consumption was needed at the same time. Initial pH is conductive to improve ammonia removal. The three-dimensional electrolytic reactor is suitable for treating low or middle ammonia whose concentration is less than 1g/L。.Key words: wastewater Wastewater from smelting plant; fixed Fixed bed three-dimensional electrode ; ammonia Ammonia removal; advanced Advanced treatment