一種光電化學技術去除水中氨氮的方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及環境工程領域的污水處理技術，具體是一種光電化學技術去除水中氨 氮的方法和裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著全球工業化的迅速發展及城市規模的不斷擴大，生活和生產過程中所排放出 來的污染物對水體環境的污染日趨嚴重，其中不同來源的含氮化合物已成為水體環境的重 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物的分解，焦化、合成氨等工業 廢水，農田排水及自然界過程等。據統計，我國主要湖泊中因氮、磷污染而處于富營養化狀 態的已占統計湖泊總量的56%之多。大量的氮化合物進入水體環境，造成水體質量惡化， 影響漁業、農業和城鎮環境質量，進而影響人體健康。污水中氮以氨氮、有機氮、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物，水中氨氮量的大小，是衡量 水體污染程度的指標。
[0003] 傳統的污水脫氮技術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，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向氣相轉移，達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物分解成N 2，從而達到脫氮的目的。
[0009] 該方法反應速度快，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，對反應條件、設備等要求嚴格，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，在此狀態下的氯化稱為折點氯化，廢水中的氨氮被氧化成氮氣 而被脫去。具體反應過程如下： 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) 該方法反應速度快，需要設備少，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生裝置代替液氯，盡管較為安全，運行費用可以有所下降，但裝 置價格昂貴。
[0011] E.化學沉淀法：化學沉淀法的主要是通過向廢水中投加某種化學藥劑，使之與廢 水中的含氮有機或無機物發生反應，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 行調整。產生的污泥難處理。
[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 氮還原成對環境無害的氮氣的過程。因其具有反應速度快、不改變飲用水的原成分、不產生 二次污染以及反應裝置結構簡單的優點而被認為是最有發展前景脫氮技術之一。
[0013] 該方法清潔無二次污染，反應速度快，能適應不同反應條件，易于運行管理。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 界能量或化學位差為推動力實現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。但易出現膜污染，穩定性 差、運行成本高，只能處理低濃度廢水，組分復雜廢水需要預處理。
[0016] (2)生物法脫氮技術： 目前主要采用的污水生物脫氮技術是通過反應器和控制手段實現時間或空間上的好 氧、缺氧環境，達到硝化反硝化脫氮的目的。硝化作用即在好氧條件小，自養型硝化細菌將 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）還原為氮氣的過程。目前，污水生物脫氮最通用的方法就是聯合 硝化反應和反硝化反應兩個過程。第一步包括兩種作用，首先由亞硝酸細菌將氨氧化為亞 硝酸鹽，然后再由硝化細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 有機物為電子供體，先將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽進而還原為氮氣釋放出來，達到脫氮的目 的。根據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 反應如下： 2NH； :變變>2MT+ 4/Γ t2H1O (8)
反硝化反應是指在無氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮氣的過 程，其反應如下：
生物法對環境友好，高效低價，減少二次污染。但傳統的生物脫氮技術主要也存在如下 問題：硝化細菌是自養細菌，生長緩慢；硝化細菌對水質水量沖擊尤其是毒物沖擊非常敏 感，出水水質易波動；硝化和反硝化過程難以在時間和空間上統一，脫氮效率低；一些工業 廢水必須通過外加碳源才能進行生物脫氮。
[0017] 目前電化學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 鋼為陰極的電化學氧化法對垃圾滲透液進行處理，利用SPR陽極電解處理垃圾滲透液、采 用電化學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%或總氮去除率達到87. 35%。經以上電化學法處理后的氨氮溶液，處理產物 為N2、N02_或NO 3_，生成N02_或NO 3_后，還需進一步進行反硝化反應以使最終反應產物轉變 為N2從而降低水中總氮濃度。
[0018] 從現有的電化學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化為NCV或NO y還需要進一步結合其他技術 進行反硝化反應以便降低總氮含量，工藝較為復雜。
【發明內容】
本發明提供一種光電化學技術去除水中氨氮的方法和裝置，以解決現有物化法存在的 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、產生難處理 的污泥以及易出現膜污染以及生物法細菌生長緩慢、抗水質水量沖擊性差、出水不穩定以 及現有電化學法所需處理時間較長、易將氨氮轉化為NCV或NO ^等技術問題。
[0019] 本發明的技術方案是：一種光電化學技術去除水中氨氮的方法，其特征在于，包括 以下步驟： (1) 調節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；如水中溶解氧含量低于2mg/l，則向水中鼓氣，調節水中溶解氧含量 =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 區域； (3) HC10、次氯酸鈉及臭氧分解：采用單波長紫外燈進行照射，將HC10、次氯酸鈉及臭 氧進行分解，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出紫外線的波長為254nm。
[0025] -種實施權利要求1所述的光電化學技術去除水中氨氮的方法的裝置，其特征在 于，包括污水調節箱、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 水調節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水 口連接，處理后的污水從設在該HClO及臭氧分解箱上部的出水口流出；在所述的污水調節 箱內設有曝氣管和攪拌器；在該電解/雙波長紫外線原位照射箱內裝有電解電極，在電解 電極的陰極與陽極縫隙一側豎直設置雙波長紫外線燈；在所述的HC10、次氯酸鈉及臭氧分 解箱內裝有單波長紫外燈。
[0026] 所述的雙波長紫外線燈能夠發出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。
[0028] 本發明的技術效果是：電解含有一定鹽度的污水產生次氯酸(或次氯酸鈉)、雙波 長紫外線（185nm+254nm)原位照射、單波長紫外線（254nm)照射進一步氧化并取出剩余臭 氧的光電化學方法，利用HC10、次氯酸鈉、03、· OH以及[0]等主要反應氧化物質將水中氨 氮轉化為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 與其他電化學法相比，具有處理時間短，氨氮去除率高等