电化学法处理生活污水的性能研究

洛 阳 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文） 题目 电化学法处理生活污水的性能研究 姓 名 杨 振 宇 系 （部） 环境工程与化学系专 业 环 境 工 程 指导教师 吴 长 航 2013 年 6 月 2 日洛阳理工学院毕业设计（论文）I电化学法处理生活污水性能的研究摘 要鉴于生活污水处理存在设备复杂、残留物浓度过高等问题，采用电化学法对生活污水进行试验研究，分析了电化学法在水处理中的反应原理，以及其具有操作简单、自动化性强、环境兼容性好等优点。实验以 IrO2 - Pt / Ti 惰性电极为阳极，铜片为阴极，分别考察了电流密度、极板间距、氯离子浓度对污水中氨氮去除率的影响。实验得出当电流密度为 30 mA/cm2，极板间距为 2 cm，氯离子浓度为 200mg/L 时为最佳去除工况，这时氨氮的去除率最高，达到了国家要求的生活污水二级排放标准。同时提出了电化学法处理生活污水还需要解决能耗大、工业化应用等问题。关键词：电化学法，生活污水，去除率，氨氮洛阳理工学院毕业设计（论文）IIThe Research on Electrochemical Treatment of Sewage ABSTRACTAccording to the problem that the sewage treatment equipment complex and residue concentration is too high, experimental study of the sewage by electrochemical method, and analyzes the principle of electrochemical reaction in water treatment, and it has simple operation, automatic strong sex, as well as good environmental compatibility. As IrO2-Pt / Ti inert electrode is for anode, copper cathode, respectively investigates the current density, plate spacing, the chloride ion concentration of ammonia nitrogen removal rate in wastewater. Experiment when the current density of 30 mA/cm2, plate spacing is 2 cm, the chloride ion concentration of 200 mg/L when is the best working condition of removing, then ammonia nitrogen removal rate is highest, up to the national request of sewage secondary emission standards. Proposed the electrochemical method deal with sewage also need to solve the problem of large energy consumption, industrial application, etc. KEY WORDS: Electrochemical method, Sewage, Removal, NH4-N目 录洛阳理工学院毕业设计（论文）III前 言 .1第 1 章 概述 .31.1 生活污水的基本概念 .31.1.1 生活污水的来源 .31.1.2 生活污水的处理工艺及存在问题 .31.1.3 生活污水的环境危害 .41.2 电化学技术除污基本原理 .41.2.1 电化学法去除有机物的原理 .51.2.2 电化学法去除氨氮的原理 .51.3 电化学法较传统方法的优势 .6第 2 章 实验材料和方法 .72.1 实验试剂 .72.2 实验设备与装置 .72.2.1 电解设备与装置 .72.2.2 处理、检测仪器 .112.3 主要污染物的检测标准 .112.3.1 NH4-N 的检测方法 .112.4 试验流程 .122.4.1 NH4-N 标准曲线的绘制 .122.4.2 电流密度对 NH4-N 去除效果的研究 .122.4.3 极板间距对 NH4-N 去除效果的研究 .132.4.4 氯离子浓度对 NH4-N 去除效果的研究 .132.4.5 最佳工况的确定 .13第 3 章 结果与讨论 .143.1 电流密度的影响 .143.2 极板间距对电解效果的影响 .153.3 氯离子浓度对电解效果的影响 .163.4 电解时间的影响 .163.5 最佳工况下 NH4-N 的去除效果 .16洛阳理工学院毕业设计（论文）IV结 论 .18谢 辞 .19外文资料翻译 .22洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言未经处理的生活污水随意排放会对生态环境造成严重危害，直接影响人们的身体健康和经济的可持续发展。电化学法处理生活污水的性能研究正越来越受到人们的重视，电化学法处理生活污水具有高灵活性、无污染或污染小、经济性强、容易控制等优良特点，具有难以比拟的优越性和现实意义 1。电化学法是污水净化处理中的一个重要发展方向，有较高的经济性和选择性等，必能为电化学在污水处理应用中开拓出更加广泛的前景。生活污水中含有大量的氨氮，其中氨氮以水中游离氨( NH3) 和铵离子( NH4+) 形式存在的氮为主。氨氮主要来源于微生物分解生活污水中含氮有机物，化工合成氨等工业废水，以及农业排水等。目前，国内外氨氮废水处理方法主要有沸石脱氨法、吹脱法、电渗析法、膜分离法、MAP 沉淀法、折点氯化法、生物脱氨法，电化学处理法等。其中电化学处理技术具有应用简单，处理效率高、二次污染小、设备不复杂等特点，所以这里采取电化学试验方法对生活污水中氨氮进行了脱氮处理。电化学法是利用电能去除水中污染物的一种方法。在电解过程中电能转变为化学能从而实现物质的转化。阴极发生粒子与电子结合的还原反应，阳极发生粒子失去电子的氧化反应，其中氧化反应过程中释放的电子通过回路流向电源的正极。在 20 世纪 40 年代国外就已经开始应用电化学法处理废水，但由于刚起步需要的投资较大，电量不足，运行成本较高，所以发展一直很缓慢。直到 20 世纪60 年代，此时电力工业得到大力发展，电化学法才得以实际应用于废水处理。我国在 80 年代开始有关生活污水分散处理技术的论证和研究工作，这期间开发出了许多低能耗、除污能力高的装置，但由于分散技术在实际应用中还存在很多问题，因此无法得到广泛应用。这项技术的突出缺点集中表现在生物处理尤其是氮磷的去除率较低，氮磷含量过高是引起水体富营养化的罪魁祸首，如何不能有效去除氮磷则这项技术的现实应用就成了大问题。另外，目前的分散污水处理只集中在分散污水的收集、处理和排放阶段，远未实现污水的就地处理和就地回用，洛阳理工学院毕业设计（论文）2实现污水资源化的真正目的再利用 2-3（Reuse） 。随着生活污水处理问题的日益严重，人们正在采取积极的措施防治其危害。近年来，我国一些发达省份在经济发展到一定阶段后已经逐渐感受到生活污水处理面临的严重考验，并开始着手建设一些合理、适用、能耗低和运行费用低的设施来处理生活污水。电化学氧化技术中都存在着一些共同的问题，如电解效率低、电能消耗大，从而导致经济成本付出太大。为解决这些难题，目前，国内外科学家主要采取改进阳极材料、电化学反应器、电化学组合工艺、生物膜电极等，进而发挥出电化学技术在处理生活污水方面的巨大潜力。电化学方法作为现今很有前景的一种水处理方法，在实际应用中有许多优势，但也存在一些缺点。因此，如何减少反应的能耗，提高其反应的稳定性已成为电化学水处理技术的关键。随着技术人员的努力，相信电化学处理技术将能得到长足发展 4。目前污水处理技术的首要要求是节能环保，因而此次研究的指导思想就以节能环保为前提研究电化学氧化技术在处理生活污水中的最佳运行工况（在一定条件下，既能有效降低污水中污染物的含量，使其满足排放标准，又能够最大限度的减少电能的消耗，最终达到节能和保护环境的目的） 。本文采用电化学氧化法处理模拟生活污水，通过测定电流密度、极板间距、电解时间、氯离子浓度对水样中氨氮的去除率的影响，绘制出相应的函数曲线，再结合实际情况得出电解的最佳运行工况，并在最佳工况下，测定氨氮去除率的情况。在实验条件的限制的情况下，本次试验研究的范围只考察了电流密度、极板间距、电解时间、氯离子浓度对氨氮的去除率的影响，其它一些因素如原水浓度、阳极材料等对实验结果的影响不做考虑，因此本次实验结果得出的是最佳工况是一个限制性成果，仍然需要进一步开展研究。在本次实验过程中进一步了解了电化学处理生活污水的优点和缺点，并为该技术的应用范围以及与其它技术相结合的可能性提供了一个重要的参考。洛阳理工学院毕业设计（论文）3第 1 章 概述1.1 生活污水的基本概念1.1.1 生活污水的来源生活污水是指城市机关、学校和居民在日常生活中产生的废水，包括厕所粪尿、洗衣洗澡水、厨房等家庭排水以及商业、医院和游乐场所的排水等。人们日常生活产生的污水已经成为水体污染的重要组成部分。生活污水中一般含有大量有机物（糖类、纤维素、脂肪、蛋白质等）和无机盐类化合物（氯化物、磷酸盐、碳酸盐等） 。但总体来说还是含氮、含硫和含磷量较高,这些物质在细菌的作用下会分解出对水中生物有害的毒素，严重威胁水体生态系统的平衡 5。1.1.2 生活污水的处理工艺及存在问题随着人们生活水平的逐渐提高，生活污水的排放量和污水中污染物含量也越来越大。这样就逼迫生活污水处理工艺也必须不断改进来满足现实需要。目前一些最新的污水处理工艺流程有如曝气生物滤池、A/O 生物滤池污水处理工艺、化学强化生物除磷污水处理工艺、循环间歇曝气污水处理工艺、旋转接触氧化污水处理工艺、旋转接触氧化污水处理工艺、SPR 高浊度污水处理技术等。从总体上可以看出，我国在污水处理方面正在由产业规模小、处理水平低、处理能力单一转向规模化、高水平、综合性。由过去的污水处理能力严重不能满足需求发展到现在的具有相当规模和水平，已经能初步满足国民经济的发展要求，污水处理技术的发展也在逐步增强。我国在污水处理方面还存在诸多问题，如目前的污水处理能力还跟不上用水和排水规模的急速扩张，而且管网布置、污泥后续处理等配套设施的建设严重滞后。我国在污水处理能力上与发达国家相比，还存在着明显的差距，并且已建成处理设施的处理量较低，在污水处理政策法规的完善，监管体制的建立，污水处理收费体系的编排等方面还有待完善。国内的污水处理行业是一个新兴产业，因此推进污水处理行业的产业化和市场化十分必要，我国将在“十一五”期间投资 3000 亿元用来推进城市污水的处理和利用，相信污水处理洛阳理工学院毕业设计（论文）4行业将由此迎来高速发展期 6。1.1.3 生活污水的环境危害生活污水中含有大量病原体，直接排入水体会危害人类健康。病原体一般具有数量大、分布广、存活时间较长、繁殖速度快、难以消灭的特性，所以经传统的二级生化污水处理及加氯消毒后一些病原体仍能大量存活，这些病原体会通过多种途径进入人体，并在人体内生存繁殖，引起疾病。有机物在进入水体后，首先通过微生物的生物化学作用分解为简单有机物然后进一步分解成为无机物。微生物在分解的过程中会大量消耗水中的溶解氧，导致水体缺氧，在缺氧条件下污染物就会发生腐败分解引起水质恶化。水体中有机物越多，分解过程中耗氧也会越多，最后水质也会越差，最后导致水体生态系统崩溃。近年来日益严重的水体富营养化 7问题已经引起人们的广泛关注，其是排放水体中氮、磷等植物营养物质含量过多而引起的水质污染现象。水体恶臭是一种普遍的污染现象， 恶臭对人体的危害尤其明显，如妨碍呼吸功能，使人精神烦躁不安，造成嗅觉障碍，最终损伤中枢神经、大脑皮层的兴奋和调节功能等。人们日常排放的生活污水往往不会呈现中性，而酸性或碱性污染都会使水体的 pH 发生变化，有时还会抑制微生物的生长，最终妨碍水体自净功能。有毒物质污染也是水体污染中特别重要的一大类别，会对动植物生存产生严重威胁。1.2 电化学技术除污基本原理电化学技术是指在特定的电化学反应装置内，通过发生的电极反应或由此引起的一系列的化学反应、电化学过程或者物理过程，从而使污染物达到降解转化的目的。选用适当的电极材料在直流电流作用下使电能转变成化学能。当生活污水流经电化学处理槽时，在阳极和阴极分别发生电化学氧化和还原反应，使污染物得以去除。 电化学系统对设备要求相对简单，占地面积不大，操作维护费用比较低，能有效避免产生二次污染，而且反应过程中可控程度很高，有利于实现工业自动化，被称为“环境友好” 8技术。与生化处理方法不同，电化学技术一般不会受到生物毒性的影响，所以其可以作为具有高毒性、高腐蚀性有机物的处理方法。电化学技术也可以用作生化方法的预处理环节，使大分子有机物转化成为小分子有机物，以提高其生化性，便于进一步的生化处理。 电化学法以自由洛阳理工学院毕业设计（论文）5电子为反应剂，以电场能作为反应动力，所以在处理过程中一般不需要添加化学试剂，可以避免由此引发的二次污染。在整个反应阶段，仅需要控制电压和电流保持在合适值，对温度、气流等没有严格的限制，与热解、光解相比具有较高的转化效率，并能有效去除一些有色废水中的色素。目前该方法已被广泛应用于铬处理，EDTA 降解，电镀废水，垃圾渗滤液，酚类化合物，氯化有机物，硝基苯等。近年来，电化学方法在环境水污染治理领域的研究也在日益增多。刘永峰 9提出生活污水的电化学处理基本包括四个过程：电