污水除氮磷高压脉冲放电技术

在自然水体中都存在含量有限的营养物质如氮、磷等物质，这些物质含量的高低，决定了植物生长和环境控制的主要因素。在一些正常的淡水中，氮、磷等物质的含量是比较有限的，随着我国产业化发展，湖泊和水库中的氮磷污染均有加重趋势，水体中藻类大量繁殖，且生存期长、覆盖面广、暴发次数多。20世纪80年代初太湖以中营养为主，80年代后期为中营养-中富营养，90年代中期大部分已为中富营养-富营养，目前中富营养化面积占75%左右，夏季富营养或重度富营养占全湖面积10%左右。水体富营养化指大量溶解性营养盐进入水体，导致异养微生物旺盛代谢活动，使得水体溶解氧含量急剧下降，水质出现恶化的现象。因此，加强对水体富营养化及污水脱氮除磷技术分析与应用，对缓解水体富营养化、促进水资源可利用性具有重要的现实意义。污水脱氮除磷的技术可分为物理法、化学法和生物法。化学处理法费用较高，产生的污泥量多而难于处理。物理处理法存在运行费用高，沉淀剂费用昂贵的问题。生物处理法流程复杂，脱氮除磷效果不稳定，产生大量难处理的污泥、易造成二次污染。因此，探索其他方法对污水进行处理极为必要。高压脉冲放电技术是集各种高级氧化技术于一身的新型水处理技术。高压脉冲放电技术是在特定的反应器内，利用外加电场向水中或水面之上的空间注入能量，产生非平衡等离子体，引发一系列复杂的物理、化学过程，达到机污染物最终矿化为CO2和H2O的目的。高压脉冲放电技术具有开发费用低，处理彻底，无二次污染等优点。

1、实验部分

1.1 试剂与仪器

ZnSO4（AR）、NaOH（AR）、HCl（98%）、酒石酸钾钠（AR）、K2S2O8（AR）、抗坏血酸（AR）、酒石酸锑氧钾（AR）、KH2PO4（AR）、钼酸铵（AR）。

EPM-A高压电脉冲发生器；SHZ-D循环水式真空泵；UV-1800PC紫外可见分光光度计。

1.2 实验方法

1.2.1 高压脉冲处理方法

采用高压电脉冲装置，阳极、阴极均选用石墨棒。取原水100mL于烧杯中，利用两个石墨电极调节电极间距，开启高压电脉冲发生器，设置脉冲时间、脉冲频率以及脉冲电压等实验数据，处理一定时间后，关闭脉冲发生器。取处理后水样10mL于50mL比色管中，加入相关实验试剂。

1.2.2 NH3-N的测定

在水样中加入KI和HgI2的强碱溶液（纳氏试剂），与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，此颜色在较宽的波长范围内具有强烈吸收。通常于410~425nm波长范围内测吸光度，利用标准曲线法求出水样中NH3-N的含量。

1.2.3 正磷酸盐的测定

用钼锑抗分光光度法测定磷。在一定酸度和锑离子存在的情况下，磷酸根与钼酸铵形成锑磷钼混合杂多酸，它在常温下可迅速被抗坏血酸还原为钼蓝，在700nm波长下测定。

2、结果与讨论

本文主要以生活污水中的氮、磷为目标去除物，考察脉冲放电条件对污水中NH3-N、正磷酸盐去除率的影响，得出处理氮、磷的最优工艺条件，最后利用最优工艺条件处理实际污水。分别采用纳氏试剂比色法和钼锑抗分光光度法来制作NH3-N和正磷酸盐的标准曲线。

2.1 峰值电压对NH3-N（正磷酸盐）去除率的影响

设定脉冲参数（放电频率：30Hz；电极间距：2cm；放电时间5min），分别在5~30kV的峰值电压下对污水进行电解，测定脉冲后溶液的吸光度，并计算氨氮（正磷酸盐）的去除率，考察峰值电压对正磷酸盐去除率的影响，结果见图1。

图1表明，NH3-N（正磷酸盐）去除率出现急剧增加后逐渐降低的趋势。当脉冲电压均为10kV时，NH3-N和正磷酸盐的最大去除率分别为39.05%和28.88%。随脉冲电压的升高，输入功率随之增大，在单位时间内产生的电荷数量就多，NH3-N（正磷酸盐）被氧化的机率增加能量随之提高，故NH3-N（正磷酸盐）去除率增大。但当继续升高电压时，则电晕放电向火花放电过渡，出现频繁击穿，能耗迅速增大，能量利用率下降，反使NH3-N（正磷酸盐）去除率降低。因此，NH3-N（正磷酸盐）去除的最佳脉冲电压为10kV。

2.2 放电频率对NH3-N（正磷酸盐）去除率的影响

设定脉冲参数（峰值电压：10kV；电极间距：2cm；放电时间5min），分别在10~110Hz的脉冲频率下对污水进行电解，测定电解后溶液的吸光度，并计算氨氮（正磷酸盐）去除率，考察脉冲频率对NH3-N（正磷酸盐）去除率的影响，结果见图2。

由图2可知，NH3-N和正磷酸盐去除率出现先增加后降低的趋势。脉冲频率为70Hz时，NH3-N和正磷酸盐最大去除率分别为37.34%和28.48%；随脉冲频率的增大，越来越多的高能电子随之产生，进而产生更多的•OH、O3、活性氧等强氧化剂，使NH3-N（正磷酸盐）的去除率不断提高。若频率过高，旋转火花开关受机械性能的限制，性能变坏，能耗增大。故脉冲频率受电源性能的影响，并非越高越好，随脉冲频率的增大，越来越多的能量被消耗，使NH3-N（正磷酸盐）去除率逐渐降低。所以在本实验中NH3-N（正磷酸盐）去除的最佳脉冲频率为70Hz。

2.3 电极间距对NH3-N（正磷酸盐）去除率的影响

设定脉冲参数（峰值电压：10kV；脉冲频率：70Hz；放电时间5min），分别在1~6cm的电极间距条件下对污水进行电解，测定电解后溶液的吸光度，并计算氨氮（正磷酸盐）去除率，结果见图3。

由图3可知，NH3-N去除率出现先增后逐渐下降的趋势。电极间距为2cm时，NH3-N最大去除率38.33%；电极间距为4cm时，正磷酸盐最大去除率28.09%。极板间距越大，极板间等效电阻越大，放电击穿变困难，能量和能量注入效率不断减小，能量利用率低，相同时间内氨氮（正磷酸盐）去除率不断减小。极板间距越小，电流密度就越大，在相同的电解时间下，在阴极消耗H+进而产生和释放H2就越多，溶液中就会产生更多的OH-因而随着极板间距的减少，溶液的pH值依次增高，因此，溶液中的NH3-N（正磷酸盐）去除率逐渐增加。所以认为NH3-N去除的最佳电极间距为2cm；正磷酸盐去除的最佳电极间距为4cm。

2.4 放电时间对NH3-N（正磷酸盐）去除率的影响

设定脉冲参数（峰值电压：10kV；脉冲频率：70Hz；电极间距：2cm（4cm）），分别在5~30min的放电时间下对污水进行电解，测量电解后溶液的吸光度，并计算NH3-N（正磷酸盐）去除率。见图4。

由图4可知，NH3-N（正磷酸盐）去除率呈现逐渐增加后降低的趋势。当脉冲放电时间为25min时，NH3-N和正磷酸盐的去除率分别为38.32%和28.81%，延长脉冲时间NH3-N去除率不再增加，并稍有下降。这是因为，NH3-N（正磷酸盐）的去除率随脉冲放电时间的延长而逐渐趋于稳定。在反应起始阶段，高浓度的NH3-N（正磷酸盐）能较快地扩散到电极表面并发生反应，时间增加可增加NH3-N（正磷酸盐）去除率；但是随时间的延长，反应物和中间物在电极表面的吸附使电流效率降低，单位时间内扩散到电极表面的NH3-N（正磷酸盐）减少，使NH3-N（正磷酸盐）去除率开始降低。此数据说明，延长脉冲时间可以增加NH3-N（正磷酸盐）的去除率，但时间不必过长，否则对去除率和节能不利。因此，从反应时间对去除率的影响和实验的经济性考虑，选择25min为最适宜的脉冲时间。

3、结论

本论文考察了高压脉冲电场放电条件对生活污水中NH3-N及正磷酸盐去除率的影响，并优化得处理氮磷的最优工艺条件。通过对以上实验结果的分析和讨论，得出了以下结论：

（1）采用高压脉冲放电技术处理生活污水中氮磷，通过优化脉冲放电条件对其NH3-N去除的参数设置为峰值电压10kV，频率70Hz，脉冲时间25min，电极间距2cm；对正磷酸盐去除的参数设置为峰值电压10kV，频率70Hz，脉冲时间25min，电极间距4cm。

（2）综合两种工艺，从节能角度出发选择方案为：峰值电压10kV，频率70Hz，脉冲时间25min，电极间距2cm。在最优脉冲放电方案下对实际污水中氮磷的进行降解处理，最终氨氮去除率为38.35%，正磷酸盐去除率为28.96%。（来源：东北石油大学 化学化工学院，大庆石化公司 炼油厂）