一種光電化學(xué)技術(shù)去除水中氨氮的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境工程領(lǐng)域的污水處理技術(shù)，具體是一種光電化學(xué)技術(shù)去除水中氨 氮的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球工業(yè)化的迅速發(fā)展及城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生活和生產(chǎn)過程中所排放出 來的污染物對水體環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，其中不同來源的含氮化合物已成為水體環(huán)境的重 要污染物之一。水中的氨氮主要來源于生活污水中含氮有機(jī)物的分解，焦化、合成氨等工業(yè) 廢水，農(nóng)田排水及自然界過程等。據(jù)統(tǒng)計，我國主要湖泊中因氮、磷污染而處于富營養(yǎng)化狀 態(tài)的已占統(tǒng)計湖泊總量的56%之多。大量的氮化合物進(jìn)入水體環(huán)境，造成水體質(zhì)量惡化， 影響漁業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)環(huán)境質(zhì)量，進(jìn)而影響人體健康。污水中氮以氨氮、有機(jī)氮、亞硝酸鹽氮 以及硝酸鹽氮四種形式存在。污水中氨氮是微生物活動的產(chǎn)物，水中氨氮量的大小，是衡量 水體污染程度的指標(biāo)。
[0003] 傳統(tǒng)的污水脫氮技術(shù)歸納起來可分為物化法和生物法，分別介紹如下。
[0004] (1)物化法污水脫氮技術(shù)，包括： A.吹脫法：吹脫法主要用于廢水中氨氮的去除。其原理是將空氣或其他載氣通入水 中，使氣體與廢水充分接觸，從而使廢水中的NH3向氣相轉(zhuǎn)移，達(dá)到脫除水中氨氮的目的。在 堿性條件下，用蒸汽氣提將廢水中氨氮轉(zhuǎn)化成游離氨氮被吹出，以去除廢水中NH3-N的方 法也稱為蒸氨法。
[0005] 該方法適宜于處理高濃度氨氮廢水，除氨效果穩(wěn)定，操作簡單，但易造成二次污 染，如在堿性條件下采用氨蒸法，則需消耗大量堿，生產(chǎn)成本高。
[0006] B.吸附法：利用吸附劑較大的比表面積和吸附能力或離子交換能力將體系內(nèi)的 氨氮牢牢地地吸附在吸附劑表面，通過吸附劑的脫附及再生，將水中的含氮污染物去除或 回收利用。常用的吸附劑有活性炭、天然礦物、陶粒、離子交換樹脂等。
[0007] 該方法綠色環(huán)保，材料來源廣，工藝簡單。但材料吸附容量有限，再生頻繁，再生裝 置復(fù)雜，再生后的吸附劑吸附容量下降。
[0008] C.濕式催化氧化法：催化濕式氧化法是在一定的溫度、壓力下，在催化劑的作用 下，以空氣或氧氣為氧化劑使污水中的含氮有機(jī)物分解成N 2，從而達(dá)到脫氮的目的。
[0009] 該方法反應(yīng)速度快，占地面積小，無二次污染，處理效率高。但需升溫加壓，處理成 本高，對反應(yīng)條件、設(shè)備等要求嚴(yán)格，催化劑價格昂貴。
[0010] D.折點加氯法：將足夠量的氯氣或次氯酸鈉投入到廢水中，達(dá)到某一點時，廢水 中所含的游離氯含量較低，而氨氮含量趨向于零；當(dāng)氯氣通入量超過該點時水中的游離氯 含量上升，此點常稱為折點，在此狀態(tài)下的氯化稱為折點氯化，廢水中的氨氮被氧化成氮?dú)?而被脫去。具體反應(yīng)過程如下： Ci71H7O - > Hao f W I α (ι) NHΛ-HGO -^NHJCS + H+ + ΛΓ20 (2) NHr + 2HCU) -> NHa7 +H*+ UI7O (3) 2i?ff4+13^00 > Ν2Λ 13CT f 3/f/J (4) 該方法反應(yīng)速度快，需要設(shè)備少，但液氯的安全使用和儲存要求高，處理成本也較高。 若用次氯酸鈉或二氧化氯發(fā)生裝置代替液氯，盡管較為安全，運(yùn)行費(fèi)用可以有所下降，但裝 置價格昂貴。
[0011] E.化學(xué)沉淀法：化學(xué)沉淀法的主要是通過向廢水中投加某種化學(xué)藥劑，使之與廢 水中的含氮有機(jī)或無機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，形成難溶鹽沉淀下來，從而降低水中氮含量的方法。目 前，研宄最多的是向廢水中添加含有Mg 2+和P04 P的藥劑。具體反應(yīng)過程如下： Mg:~^NHr^HPOi ^6H：0 -MgNH4PO, * 6H：0 i +H^ (5) Mg:^ryHr^PO/ +#//；0 -MgyffjPO, · 6H；0 / (6) Λ/，:-十 Λ?Γ + 4?, O i 十 (7) 該方法反應(yīng)速度快、操作簡單，可自動化控制。但沉淀劑的用量較大，需對污水的pH進(jìn) 行調(diào)整。產(chǎn)生的污泥難處理。
[0012] F.催化反硝化：催化反硝化即以氫氣為還原劑，在金屬催化劑作用下，將硝酸鹽 氮還原成對環(huán)境無害的氮?dú)獾倪^程。因其具有反應(yīng)速度快、不改變飲用水的原成分、不產(chǎn)生 二次污染以及反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點而被認(rèn)為是最有發(fā)展前景脫氮技術(shù)之一。
[0013] 該方法清潔無二次污染，反應(yīng)速度快，能適應(yīng)不同反應(yīng)條件，易于運(yùn)行管理。但催 化劑的活性和選擇性不易控制。
[0014] G.膜分離法：膜分離法的是利用天然或人工合成的具有選擇透過性的薄膜，以外 界能量或化學(xué)位差為推動力實現(xiàn)各種組分分離的過程，用于廢水脫氮的膜分離法包括反滲 透和電滲析兩種。分離用的膜具有選擇滲透性，常用的反滲透膜主要是醋酸酯膜。
[0015] 該方法處理效率高，無相變、組件化、流程簡單、耗電低。但易出現(xiàn)膜污染，穩(wěn)定性 差、運(yùn)行成本高，只能處理低濃度廢水，組分復(fù)雜廢水需要預(yù)處理。
[0016] (2)生物法脫氮技術(shù)： 目前主要采用的污水生物脫氮技術(shù)是通過反應(yīng)器和控制手段實現(xiàn)時間或空間上的好 氧、缺氧環(huán)境，達(dá)到硝化反硝化脫氮的目的。硝化作用即在好氧條件小，自養(yǎng)型硝化細(xì)菌將 氨氮氧化為亞硝酸(鹽）和硝酸(鹽）；反硝化作用是指在缺氧或厭氧條件下異氧型反硝化菌 將亞硝酸(鹽）和硝酸(鹽）還原為氮?dú)獾倪^程。目前，污水生物脫氮最通用的方法就是聯(lián)合 硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)兩個過程。第一步包括兩種作用，首先由亞硝酸細(xì)菌將氨氧化為亞 硝酸鹽，然后再由硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽，第二步是有種微生物的共同作用，以 有機(jī)物為電子供體，先將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽進(jìn)而還原為氮?dú)忉尫懦鰜?，達(dá)到脫氮的目 的。根據(jù)污水處理工藝的不同分為活性污泥脫氮工藝和生物膜脫氮工藝。生物法具體脫氮 反應(yīng)如下： 2NH； :變變>2MT+ 4/Γ t2H1O (8)
反硝化反應(yīng)是指在無氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮?dú)獾倪^ 程，其反應(yīng)如下：
生物法對環(huán)境友好，高效低價，減少二次污染。但傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)主要也存在如下 問題：硝化細(xì)菌是自養(yǎng)細(xì)菌，生長緩慢；硝化細(xì)菌對水質(zhì)水量沖擊尤其是毒物沖擊非常敏 感，出水水質(zhì)易波動；硝化和反硝化過程難以在時間和空間上統(tǒng)一，脫氮效率低；一些工業(yè) 廢水必須通過外加碳源才能進(jìn)行生物脫氮。
[0017] 目前電化學(xué)法脫氮正成為脫氮研宄的熱點，如有研宄者采用鈦釕銥為陽極、不銹 鋼為陰極的電化學(xué)氧化法對垃圾滲透液進(jìn)行處理，利用SPR陽極電解處理垃圾滲透液、采 用電化學(xué)氧化法處理模擬高濃度氨氮廢水；處理時間從2小時到7小時不等，NH 4+離子濃度 去除率為53. 6%或總氮去除率達(dá)到87. 35%。經(jīng)以上電化學(xué)法處理后的氨氮溶液，處理產(chǎn)物 為N2、N02_或NO 3_，生成N02_或NO 3_后，還需進(jìn)一步進(jìn)行反硝化反應(yīng)以使最終反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變 為N2從而降低水中總氮濃度。
[0018] 從現(xiàn)有的電化學(xué)去除氨氮及總氮的過程來看，總的除氮過程一般需要若干小時， 處理時間仍然較長，且有些情況下會將氨氮轉(zhuǎn)化為NCV或NO y還需要進(jìn)一步結(jié)合其他技術(shù) 進(jìn)行反硝化反應(yīng)以便降低總氮含量，工藝較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明提供一種光電化學(xué)技術(shù)去除水中氨氮的方法和裝置，以解決現(xiàn)有物化法存在的 二次污染、吸附劑再生困難、催化劑價格昂貴、活性及選擇性不易控制、成本高、產(chǎn)生難處理 的污泥以及易出現(xiàn)膜污染以及生物法細(xì)菌生長緩慢、抗水質(zhì)水量沖擊性差、出水不穩(wěn)定以 及現(xiàn)有電化學(xué)法所需處理時間較長、易將氨氮轉(zhuǎn)化為NCV或NO ^等技術(shù)問題。
[0019] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種光電化學(xué)技術(shù)去除水中氨氮的方法，其特征在于，包括 以下步驟： (1) 調(diào)節(jié)被處理污水的鹽度和溶解氧濃度：測量污水鹽度和溶解氧含量，若鹽度低于 3PSU，則加入電解質(zhì)；如水中溶解氧含量低于2mg/l，則向水中鼓氣，調(diào)節(jié)水中溶解氧含量 =5mg/l ； (2) 電解和紫外線照射污水：在對污水電解的同時，用雙波長紫外線原位照射電極反應(yīng) 區(qū)域； (3) HC10、次氯酸鈉及臭氧分解：采用單波長紫外燈進(jìn)行照射，將HC10、次氯酸鈉及臭 氧進(jìn)行分解，使水體中HC10、次氯酸鈉及臭氧濃度均小于0. lmg/1，排放。
[0020] 在步驟（1)中，若鹽度低于3PSU，加入的電解質(zhì)為不具有毒性的可溶性氯化物。
[0021] 在步驟（2)中，所述的雙波長紫外線的光源采用工作時能夠同時發(fā)出254nm以及 185nm波長的紫外線燈。
[0022] 在步驟（2)中，電解的電流密度范圍為20-100mA/cm2。
[0023] 在步驟（2)中，雙波長紫外線的輻照強(qiáng)度范圍為200uW/cm2 -1900 uW/cm2;步驟 (2)污水被電解和紫外線照射的處理時間為20秒-120秒。
[0024] 在步驟（3)中，所述的單波長紫外燈發(fā)出紫外線的波長為254nm。
[0025] -種實施權(quán)利要求1所述的光電化學(xué)技術(shù)去除水中氨氮的方法的裝置，其特征在 于，包括污水調(diào)節(jié)箱、電解/雙波長紫外線原位照射箱和HC10、次氯酸鈉及臭氧分解箱，污 水調(diào)節(jié)箱的底部的出口通過污水泵與電解/雙波長紫外線原位照射箱底部的進(jìn)水口連接， 電解/雙波長紫外線原位照射箱上部的出水口與HC10、次氯酸鈉及臭氧分解箱下部的進(jìn)水 口連接，處理后的污水從設(shè)在該HClO及臭氧分解箱上部的出水口流出；在所述的污水調(diào)節(jié) 箱內(nèi)設(shè)有曝氣管和攪拌器；在該電解/雙波長紫外線原位照射箱內(nèi)裝有電解電極，在電解 電極的陰極與陽極縫隙一側(cè)豎直設(shè)置雙波長紫外線燈；在所述的HC10、次氯酸鈉及臭氧分 解箱內(nèi)裝有單波長紫外燈。
[0026] 所述的雙波長紫外線燈能夠發(fā)出254nm以及185nm波長的雙波長紫外線；所述的 單波長紫外燈能夠發(fā)出波長為254nm的單波長紫外線。
[0027] 所述的雙波長紫外線燈和單波長紫外燈均密封安裝在石英燈套內(nèi)。
[0028] 本發(fā)明的技術(shù)效果是：電解含有一定鹽度的污水產(chǎn)生次氯酸(或次氯酸鈉)、雙波 長紫外線（185nm+254nm)原位照射、單波長紫外線（254nm)照射進(jìn)一步氧化并取出剩余臭 氧的光電化學(xué)方法，利用HC10、次氯酸鈉、03、· OH以及[0]等主要反應(yīng)氧化物質(zhì)將水中氨 氮轉(zhuǎn)化為N2，從而降低水中氨氮及總氮含量。能夠克服物化法及升生化法存在的不足，同時 與其他電化學(xué)法相比，具有處理時間短，氨氮去除率高等