【摘要】：氮類營(yíng)養(yǎng)物污染帶來的富營(yíng)養(yǎng)化問題在全球日益突出,污水處理廠作為氮類污染物的主要來源之一,深度脫氮技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。電化學(xué)工藝作為環(huán)境友好技術(shù),已應(yīng)用在多種廢水的處理過程中。其中,電化學(xué)氧化氨氮工藝的研究主要集中在高濃度氨氮廢水上,對(duì)低濃度氨氮廢水處理關(guān)注較少;電還原硝酸鹽技術(shù)日益受到關(guān)注,但將電還原硝酸鹽技術(shù)應(yīng)用到城市污水廠出水中的研究報(bào)道很少;而將電化學(xué)氧化和還原技術(shù)耦合用于處理污水廠二沉池出水中氮類污染物和消毒,以解決經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)深度處理、寒冷地區(qū)冬季氨氮和總氮難以達(dá)標(biāo)等問題的研究尚未見報(bào)道。本文提出了將陽極氧化氨氮和陰極還原硝酸鹽結(jié)合的方式,全面分析了單獨(dú)氧化、單獨(dú)還原及聯(lián)合作用的影響因素、反應(yīng)機(jī)制及污染物去除動(dòng)力學(xué)。為研究電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制及實(shí)現(xiàn)同步脫除氨氮、硝酸鹽氮和消毒作用,對(duì)反應(yīng)器的構(gòu)造進(jìn)行了改進(jìn),構(gòu)建了單室體系、雙室體系及內(nèi)循環(huán)雙室電化學(xué)體系,并研究它們各自的污染物去除率、水質(zhì)條件影響程度、操作條件影響程度和氯元素的形態(tài)變化規(guī)律,進(jìn)而考察了該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際二沉池出水上的可行性和生物安全性,最后揭示電化學(xué)同步脫氮消毒作用的機(jī)制與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果表明,電化學(xué)單獨(dú)氧化氨氮過程中,氨氮去除速率受氯離子濃度影響最大,Cl-/NH4+決定了反應(yīng)的控速步驟,當(dāng)氨氮初始濃度為20mg/L,Cl-/NH4+為0.8、2、4、6和8時(shí),氨氮的去除速率常數(shù)分別為0.52、1.36、2.08、2.85和3.69L/A·h。該過程中氨氮去除受電流密度影響較小,基本不受低溫影響(8~20℃)。在去除氨氮的同時(shí),還可去除10%總有機(jī)碳和12%~75%有機(jī)氮。在氨氮氧化過程中,當(dāng)氯離子濃度大于250mg/L,電量0.07Ah/L時(shí)還可同步實(shí)現(xiàn)完全滅菌。將電化學(xué)耦合吸附技術(shù)用于強(qiáng)化低氯條件下氨氮去除過程的研究發(fā)現(xiàn),采用沸石作為粒子耦合電化學(xué)工藝中氨氮去除率(69%)優(yōu)于活性炭粒子(25%)。在低氯環(huán)境下,該強(qiáng)化技術(shù)對(duì)氨氮、有機(jī)碳和無機(jī)碳的去除效果均優(yōu)于單室電化學(xué)體系。在對(duì)電化學(xué)單獨(dú)還原硝酸鹽的研究中發(fā)現(xiàn),陰極材料、反應(yīng)器構(gòu)造、陰極電極電位和陰離子濃度是影響硝酸鹽氮還原的重要因素。不同陰極材料的硝酸鹽氮還原能力和耐腐蝕能力均有不同,其中碳?xì)株帢O上硝酸鹽氮去除率最高(70%),其次為Cu90Ni10(58%)和Ti(8%),而碳?xì)趾蚑i陰極都表現(xiàn)出良好的耐腐蝕特性。雙室電化學(xué)體系對(duì)硝酸鹽氮的還原效果(70%)遠(yuǎn)優(yōu)于單室體系(10%),說明陽離子隔膜對(duì)于屏蔽陰極還原和陽極氧化的相互作用至關(guān)重要。還原效率最優(yōu)的陰極電極電位應(yīng)為-1.8V,還原效率和還原產(chǎn)物都將隨著陰極電極電位的變化而變化。同步脫氮消毒工藝的研究表明在適當(dāng)?shù)臈l件下,陽極氧化氨氮、陰極還原硝酸鹽和消毒作用可在電化學(xué)體系內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。在最優(yōu)操作條件下,將該技術(shù)應(yīng)用到二沉池出水中,在1.23Ah/L電量時(shí)可達(dá)到96%氨氮和36%硝酸鹽氮的去除,在0.072Ah/L電量時(shí)可100%滅活糞大腸桿菌。細(xì)菌的消毒過程無需外加消毒劑,且消毒過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物濃度較低,對(duì)周圍環(huán)境的生物毒性極小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該電化學(xué)工藝可作為城市和工業(yè)污水廠二沉池出水深度脫氮消毒工藝,或作為確保氨氮、總氮在寒冷地區(qū)冬季達(dá)標(biāo)排放的保障應(yīng)急工藝。氨氮的陽極氧化過程通過間接氧化產(chǎn)生的游離余氯來實(shí)現(xiàn),可用準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述,擬合的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)模型與實(shí)驗(yàn)值擬合度較好。硝酸鹽氮的還原作用發(fā)生在陰極表面,存在兩步還原機(jī)制,其去除動(dòng)力學(xué)也可用準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述。同步脫氮消毒是通過陽極區(qū)游離余氯的氧化作用和陰極區(qū)的電極直接還原作用來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)硝酸鹽氮出現(xiàn)時(shí),氨氮的氧化動(dòng)力學(xué)公式在準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上用指數(shù)衰減公式進(jìn)行修正,并取得了較好的模擬效果。本文的研究工藝可解決寒冷地區(qū)冬季污水廠總氮、氨氮達(dá)標(biāo)困難的共性問題,兼具消毒殺菌功能,因此也可用作污水廠出水回用的深度處理方法,為污水廠總氮的減排任務(wù)提供新的思路和科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

（c）電解使用后的沸石（c）Zeolites after electrolysis（d）電解使用后的活性炭（d）GAC after electrolysis圖 3-15 沸石和活性炭的 SEM 圖Fig.3-15 Photomicrographs (SEM) for zeolites and actived carbons實(shí)驗(yàn)還對(duì)電解使用后和使用前的沸石分別進(jìn)行了吸附等溫線和吸附動(dòng)

圖 6-1 SCC 體系中氨氮及其他污染物的氧化過程機(jī)制.6-1 Removal mechanism of ammonia and other pollutants in氧化的過程機(jī)制(圖 6-1)可以看出，電化學(xué)氧化氨氮主量的 NO3-，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)過程還存在其他理論上氯在整個(gè)反應(yīng)中遵循 Cl-→Cl2→OCl-→Cl-的循環(huán)持不變，在本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氯離子濃度在反應(yīng)結(jié)束

圖 6-2 HEAC 體系中氨氮及其他污染物的氧化過程機(jī)制g.6-2 Removal mechanism of ammonia and other pollutants in HE的 HEAC 體系中氨氮首先由于沸石的吸附作用而被快沸石上的氨氮可被電化學(xué)產(chǎn)生的 HOCl/OCl-進(jìn)一步氧量增加沸石表面的活性位點(diǎn)逐漸空出，進(jìn)而再次強(qiáng)化溶之，系統(tǒng)中沸石粒子起到了快速吸附氨氮的作用。HEA

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本文編號(hào)：2797875