肖淑穎， 王祎涵

(沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽110168)

隨著經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展，污水廠每日處理負(fù)荷增多，而在廢水中存在大量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，其中絕大多數(shù)來自尿液。對尿液進(jìn)行單獨(dú)處理，將尿液廢水中所含氮、磷嘗試用“回收”代替“去除”，有助于實(shí)現(xiàn)水資源最大化利用，在降低污水廠處理負(fù)荷的同時提高出水水質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)尿液廢水處理的無害化和資源化。

尿液屬于高氮磷廢水，回收尿液中的氮磷并將其作為肥料來使用是低成本的綠色環(huán)保新手段。目前，處理尿液廢水常采用物理吸附技術(shù)[1]、MAP 沉淀法[2]、電化學(xué)法[3]、生物法及多技術(shù)組合處理工藝[4]。

電絮凝(electrocoagulation，EC)是以鋁、鐵等金屬為主電極，利用外加脈沖高電壓的作用把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，陽極產(chǎn)生金屬陽離子絮凝劑，進(jìn)而通過絮凝、氣浮等作用將污染物從水體中分離，使水質(zhì)得到凈化的技術(shù)[5]。電絮凝法除磷在包含物理、化學(xué)法優(yōu)點(diǎn)的同時具有獨(dú)特的優(yōu)勢：混凝劑直接在原位電產(chǎn)生，避免了干擾性陰離子的存在；氣浮工藝將污染物顆粒附著在系統(tǒng)中產(chǎn)生的氧氣和氫氣的微氣泡上，提高了有機(jī)物分離效率，還具有較低的成本。

陽極電極反應(yīng)式為[6]：

M(s)→Mn+(aq)+ne-

2H2O(l)→4H+(aq)+O2(g)+4e-

陰極電極反應(yīng)式為[6]：

Mn+(aq) +ne-→M(s)

2H2O(l)+2e-→OH-(aq)+H2(g)

筆者進(jìn)行了相關(guān)試驗，側(cè)重于利用電絮凝技術(shù)最大限度回收尿液廢水中可作為肥料的氮、磷營養(yǎng)元素，從而減輕水體的氮、磷負(fù)荷，避免水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時總結(jié)電絮凝技術(shù)在最佳運(yùn)行參數(shù)下對總磷和氨氮的去除率，為尿液廢水處理的無害化和資源化提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗水樣配制

試驗處理對象為尿液，參考正在推行的廁所革命中原水沖廁形式[7]，按廁所1∶10沖水的原則，模擬實(shí)際尿液廢水，水質(zhì)如表1所示。

表1 試驗水樣水質(zhì)Tab.1 Quality of water samples

1.2 電絮凝工藝裝置

電絮凝試驗裝置主要由直流穩(wěn)壓電源、電極板、電絮凝反應(yīng)器和曝氣裝置組成。電絮凝反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，尺寸為265 mm×300 mm×500 mm。電解槽內(nèi)部設(shè)有8個凹槽，用來放置陽、陰極板。陽極采用鐵極板，陰極為鈦極板，極板面積均為150 mm×180 mm×3 mm。在反應(yīng)器底部安裝了曝氣裝置，為電絮凝工藝供氧。試驗裝置組成如圖1所示。

圖1 試驗裝置組成Fig.1 Composition of test device

1.3 試驗條件

為探究電絮凝裝置各參數(shù)對氨氮和總磷回收效果的影響，在裝置中加入模擬尿液廢水，在連續(xù)流的條件下，考察電解時間、極板間距、初始pH、電流密度對電絮凝技術(shù)脫氮除磷效率的影響，確定裝置的最佳反應(yīng)參數(shù)，進(jìn)一步分析電絮凝工藝的作用機(jī)理。試驗條件見表2，每個影響因素重復(fù)進(jìn)行3次試驗，結(jié)果取平均值。

表2 電絮凝試驗條件Tab.2 Test condition of electric flocculation

1.4 分析方法

采用納氏分光光度法檢測氨氮，采用標(biāo)準(zhǔn)鉬銻抗分光光度法測定總磷。按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)測定溫度、pH和溶解氧等水質(zhì)指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解時間對去除效果的影響

調(diào)節(jié)尿液水樣pH值至8，在極板間距40 mm、電流密度60 A/m2下進(jìn)行試驗，將電解時間作為唯一變量進(jìn)行6組試驗，觀察并記錄不同時間產(chǎn)生絮凝體的形態(tài)，總磷和氨氮去除結(jié)果見圖2。

圖2 電解時間對磷和氨氮去除效果的影響Fig.2 Effect of electrolysis time on the removal of ammonia nitrogen and TP

從圖2可以看出，隨著通電時間的延長，總磷回收率穩(wěn)步升高。當(dāng)時間由20 min延長至120 min時，回收率由38.75%升高至96.47%；通電時間在80 min內(nèi)，回收效果增長顯著，此后回收率的增幅波動不大。電解過程中，水樣顏色變化明顯，最初澄清的水樣在80 min后變?yōu)闇啙岬狞S色液體。通過電解可在陽極產(chǎn)生Fe2+、陰極產(chǎn)生OH-，兩者結(jié)合后生成 Fe(OH)n絡(luò)合物，此絡(luò)合物能吸附磷。反應(yīng)時間越長，F(xiàn)e2+濃度越大，磷的回收效果越好，但耗電量即成本也相應(yīng)增加，且極板容易產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，降低反應(yīng)效率。

隨著通電時間的延長，氨氮的去除率雖存在小幅度波動，整體依舊呈緩慢上升趨勢，但去除效果并不理想。研究中氨氮的主要來源為尿素，電解尿素可使氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，反?yīng)發(fā)生在陽極，反應(yīng)式如下：

(1)

研究表明，大部分電絮凝工藝通過外加Cl-除氨氮，主要是依靠電解氯化作用產(chǎn)生的ClO-，ClO-有氧化性，氨氮與其反應(yīng)可轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩鯷8]。但在本試驗中由于沒有額外投加Cl-，因此脫氮效果不理想，去除率低。

綜上可知，電解時間為80 min時總磷回收的綜合效益最好，且在此時溶液保持高氨氮水平，有利于后續(xù)氮的回收。

2.2 極板間距對去除效果的影響

通電時間控制在80 min，極板間距對氮磷去除效果的影響見圖3。在電功率不變的情況下，總磷回收率隨間距的增大逐步下降，極板間距設(shè)為20 mm時達(dá)到94.9%。在40 mm的間距下，氨氮去除率最好，約為10.8%。

圖3 極板間距對磷和氨氮去除效果的影響Fig.3 Effect of plate spacing on the removal of ammonia nitrogen and TP

電解過程中極板間距影響傳質(zhì)效果，小間距產(chǎn)生大電流，進(jìn)而促使陽極離子析出速度增大，絮凝效果好。但間距也不宜過小，否則會造成高電流密度現(xiàn)象導(dǎo)致短路。大間距產(chǎn)生大電阻的同時電流傳遞效率降低，電解速度會隨之減慢。因此在后續(xù)的電絮凝試驗中選用40 mm的間距。

2.3 電流密度對去除效果的影響

電流密度代表著電解反應(yīng)速度，提高電流密度能使電解反應(yīng)加快，但同時會加重極板鈍化。通電時間設(shè)為80 min、電極板間距定為40 mm下總磷回收效果最佳，在此基礎(chǔ)上控制電流密度為10，20，40，60和80 A/m2，觀察并記錄在不同的電流密度下絮凝體的生成形態(tài)，總磷與氨氮去除結(jié)果與絮體生成情況分別見圖4、圖5。

圖4 電流密度對磷和氨氮去除效果的影響Fig.4 Effect of current density on the removal of ammonia nitrogen and TP

圖5 不同電流密度下絮凝體的生成情況Fig.5 State of flocs at different current densities

由圖4可以看出，在10 A/m2電流密度下，總磷回收率僅為37.38%。隨著電流密度的提升回收率提高迅速，電流密度為80 A/m2時達(dá)到93.61%。同時，提升電流密度也可以促進(jìn)對氨氮的去除，但去除率的增長不穩(wěn)定。

觀察裝置中絮體的生成情況可以明顯看出，伴隨著電流密度的提升，裝置內(nèi)水樣由澄清逐漸變得渾濁，呈現(xiàn)灰綠色的絮凝體數(shù)量逐漸增多。該現(xiàn)象主要是由于提高電流密度時，電生Fe2+增多，后續(xù)Fe(OH)n絡(luò)合物生成量隨之增多，產(chǎn)生氣泡的數(shù)量增多、速率加快，促進(jìn)氣浮階段絮凝體同磷酸鹽的結(jié)合，有利于磷的回收，但過大的電流密度會損害極板，增加成本。綜上結(jié)論，宜將電流密度控制在60 A/m2。

2.4 初始pH對回收效果的影響

水體pH值決定電生Fe2+水解反應(yīng)產(chǎn)物的類型，以及各產(chǎn)物之間的轉(zhuǎn)換反應(yīng)，還在酸性條件下對電極板的鈍化現(xiàn)象有抑制作用。圖6所示為不同的初始pH值對電絮凝工藝處理效果的影響。

圖6 初始pH對磷和氨氮去除效果的影響Fig.6 Effect of initial pH on the removal of ammonia nitrogen and TP

在初始pH值為8時，工藝對總磷的回收率達(dá)到最高95.62%，之后隨pH的升高而下降。磷在酸性環(huán)境中難以同F(xiàn)e(OH)n結(jié)合形成絮凝體，而在Fe3+強(qiáng)堿性環(huán)境中水合物濃度會下降，也不易產(chǎn)生絮凝體。在中性環(huán)境中，更容易產(chǎn)生Fe(OH)n，更有利于對磷進(jìn)行絮凝回收。氨氮去除率隨著pH值的增加穩(wěn)步升高，該現(xiàn)象是由于OH-濃度影響氨氣逸出速度，水體堿性越強(qiáng)，氨氣逸出越多。

2.5 正交試驗

為探究各因素對電絮凝工藝影響程度，采用正交試驗尋找最佳反應(yīng)條件。單因素試驗演研究表明，極板間距、電流密度及初始pH是影響總磷回收率的3個重要因素。因此在通電時間80 min下，利用L9(34)正交表進(jìn)行9組試驗，深入探究這三種因素對總磷回收效果的影響，同時采用極差分析法對正交所得數(shù)據(jù)(表3)進(jìn)行分析處理。

表3 正交試驗結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal test

根據(jù)正交試驗結(jié)果分析可知，最佳工藝條件為第6組試驗，即極板間距20 mm、初始pH為7、電流密度60 A/m2。計算所得試驗結(jié)果可得，極板間距的極差值為0.144，初始pH的極差值為0.051，電流密度的極差值為0.048。極差值也就表示該因素的變化對回收率的影響，即極板間距對總磷回收效果影響最大，電流密度對其影響最小。

3 結(jié)論

① 電絮凝工藝處理尿液廢水時，陽極采用鐵極板，陰極選用鈦極板，總磷回收率隨著通電時間的延長穩(wěn)步增加，電解120 min時達(dá)到96.47%；氨氮去除率整體呈緩慢上升趨勢?？偭谆厥章孰S電極間距的增加逐步縮減，在極板間距為20 mm時達(dá)到最高94.9%；在40 mm間距下，氨氮去除率最高為10.8%。電流密度影響電絮凝工藝絮體產(chǎn)生的質(zhì)與量，總磷回收率和氨氮去除率均隨電流密度的加大而提高。電絮凝工藝對總磷的回收率在初始pH值為8時高達(dá)95.62%，此后隨pH值的升高而下降，氨氮去除率隨著pH值的增長穩(wěn)步升高。

② 通過單因素試驗得出電絮凝工藝中最佳參數(shù)為：通電時間80 min、極板間距40 mm、電流密度60 A/m2、初始pH=8。在此條件下，氨氮去除率可達(dá)15.40%，總磷回收率高達(dá)95.62%。采用電絮凝工藝處理高磷廢水時，出水仍可滿足標(biāo)準(zhǔn)，但對氨氮的脫除效果并不理想。

③ 通過正交試驗得出，采用電絮凝工藝回收磷的影響程度為極板間距>初始pH>電流密度。最佳工藝條件為極板間距20 mm、初始pH=7、電流密度60 A/m2，總磷回收率最高達(dá)到95.85%。