含氨氮廢水來源廣、排放量大，已納入環(huán)保部“十二五”規(guī)劃主要水污染物排放的約束性控制指標(biāo)。目前，國內(nèi)外氨氮廢水的處理方法主要有折點加氯法、鳥糞石結(jié)晶沉淀法、電化學(xué)氧化法、離子交換法、物理吸附法、氣浮法和生物脫氨法等。其中，電化學(xué)氧化法由于占地面積少、操作簡單、不用外加電解質(zhì)、不造成二次污染等優(yōu)點而引起廣泛關(guān)注，但其在氯離子存在下大多依靠陽極的間接氧化作用達(dá)到去除氨氮的目的，存在電流效率低、耗能大的缺點。

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與二維電極法相比，三維電極法由于其較大的電極表面積而具有反應(yīng)速度快、電流效率高等優(yōu)點。三維電極-電Fenton法是將三維電極法和電Fenton法相耦合的電化學(xué)氧化新技術(shù)，該方法引入粒子電極，提高了電流效率，大幅度地增加了反應(yīng)器的面體比，在一個反應(yīng)器內(nèi)同時進(jìn)行電解產(chǎn)生?OH和Fenton試劑法產(chǎn)生?OH的兩種反應(yīng)，從而使廢水達(dá)到良好的處理效果。該方法已經(jīng)在垃圾滲濾液、難處理有機(jī)工業(yè)等方面取得了良好的處理效果。在三維電極-電Fenton法反應(yīng)體系中，常用的填料有活性炭、PbO、泡沫顆粒上涂覆摻Sb的SnO2、涂覆RuO2或SnO2-Sb2O3的陶瓷顆粒、沉積有Pt和Ni陶瓷顆粒和石墨、負(fù)載SnO2-Sb的陶瓷片和活性炭負(fù)載CeO2-Sb2O3等。填料的功能是在電場中由于感應(yīng)而形成復(fù)極性粒子電極，因此三維電極的填料必須具備一定的導(dǎo)電性，但同時要避免反應(yīng)器中因填料直接接觸而引起的短路電流?？紤]到沸石對氨氮具有良好的吸附性能，筆者采用充填有沸石顆粒的電化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行氨氮廢水處理的研究，探討這種同時具有吸附和電化學(xué)反應(yīng)雙重功能的裝置對氨氮的處理效果。

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1實驗材料和方法

1.1實驗裝置
實驗裝置如圖1所示。

電解槽由有機(jī)玻璃制成，槽內(nèi)尺寸為60mm×80mm×120mm，有效容積為0.5L。陽陰極板都采用鐵板或不銹鋼板，極板尺寸為60mm×80mm×1.5mm。沸石顆粒填充在陰陽極板之間，填料底部均勻通入壓縮空氣，通過空氣壓縮機(jī)與流量計控制氣量。直流穩(wěn)壓電源可提供0~60V/0~15A的直流電。

1.2填料的預(yù)處理
市購的斜發(fā)沸石和絲光沸石為電解槽填料，粒徑20~40目（約0.90~0.45mm）。為了避免因沸石對氨氮的吸附而引起氨氮去除效率的計算誤差，研究先將沸石顆粒經(jīng)過氨氮廢水吸附飽和處理。為了提高沸石顆粒的導(dǎo)電性，對沸石顆粒進(jìn)行載鐵處理：在一定濃度的FeSO4溶液中浸泡24h后，用蒸餾水洗凈放于90℃的烘箱中烘干，使用前再進(jìn)行氨氮飽和吸附處理。

1.3實驗方法
采用（NH4）2SO4和去離子水配制成初始質(zhì)量濃度為20mg/L的模擬污水。實驗在相同條件下，通過改變單因素的方法來考察各影響因素對氨氮去除效果的影響。實驗過程中，每隔5min取樣一次，定型濾紙過濾后再進(jìn)行分析。反應(yīng)完成后，洗凈電極板浸泡在一定濃度的硫酸溶液中，沸石顆粒用水洗凈再進(jìn)行飽和處理。筆者文中所用沸石均為飽和沸石。

1.4分析方法
氨氮濃度用納氏試劑分光光度法測定，pH采用pHS-25C型酸度計測定。

1.5反應(yīng)機(jī)理
（1）直接電氧化作用。填充在兩極板之間的飽和沸石在外加電壓后成為粒子電極，當(dāng)主極板間外加電壓足夠高時，每一個粒子成為獨立的立體電極，吸附在沸石顆粒上的氨氮，由于粒子表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而達(dá)到去除的目的。

（2）間接電氧化作用。極板兩端同時發(fā)生電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)，陽極電解產(chǎn)生Fe2+，陰極在通入空氣的情況下反應(yīng)生成H2O2。Fe2+和H2O2混合生成?OH，與吸附在沸石電極上的氨氮發(fā)生氧化反應(yīng)，將氨氮氧化去除。

（3）填料的吸附作用。電氧化作用加速了未吸附飽和的沸石電極對處理液中氨氮的吸附，吸附成功的氨氮繼續(xù)被粒子電極兩端的反應(yīng)去除，在沸石表面形成一個氧化-吸附-再氧化-再吸附的循環(huán)過程，相關(guān)反應(yīng)過程如下〔7,8〕：

2結(jié)果與討論

2.1不同極板材料對氨氮去除效果的影響
由于極板材料對三維電極反應(yīng)器的性能和處理效果有直接的影響〔9〕，選擇鐵板和不銹鋼板作為極板材料，在極板間距3cm、電流密度8mA/cm2、電源電壓60V、pH=5、曝氣量為7L/min、填充200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應(yīng)時間40min下考察極板材料對氨氮去除效果的影響，結(jié)果如表1所示。

由表1可見，在相同實驗條件下，鐵極板和不銹鋼極板都能在20min內(nèi)將氨氮質(zhì)量濃度降到5mg/L左右，幾乎無差別，處理后出水可以達(dá)到國家城市污水處理廠一級A的排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918—2002）。但隨著反應(yīng)時間的延長，采用鐵板陽極的電解體系中污水的顏色由無色逐漸變成了紅褐色，且底部產(chǎn)生了較多的絮狀物，阻礙了反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，而不銹鋼腐蝕性較小、使用壽命較長，因此不銹鋼板更適合于作為電極板用于氨氮的處理。

2.2電流密度對氨氮去除效果的影響
電流密度為恒定電流與極板面積的比值，實驗極板的面積是固定的，電流可通過加入一定濃度的Na2SO4溶液來調(diào)節(jié)。在極板間距3cm、不銹鋼極板、電源電壓60V、pH=5、曝氣量7L/min、填充粒子為200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應(yīng)時間40min下考察不同電流密度對氨氮去除效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，電流密度過大或過小都不利于氨氮的去除。原因是電流密度過小時，所產(chǎn)生的電氧化作用較弱。電流密度過大時，過量的電子不經(jīng)過主電極和粒子電極，而直接進(jìn)入電解液，形成短路電流，并且容易發(fā)生副反應(yīng)（析氫、析氧反應(yīng)）〔10〕，造成電能損失，降低電流效率。當(dāng)電流密度在5~8mA/cm2時，氨氮的去除率隨電流密度增大而升高，電流密度為8mA/cm2、反應(yīng)時間為20min時，氨氮質(zhì)量濃度為5.3mg/L，氨氮的去除率達(dá)到76.6%，去除效果。

2.3電源電壓對氨氮去除效果的影響
電源電壓是電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)電解反應(yīng)的基礎(chǔ)，也是填充粒子復(fù)極化的動力。在極板間距3cm、不銹鋼極板、電流密度8mA/cm2、pH=5、曝氣量7L/min、填充粒子為200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應(yīng)時間40min下考察電源電壓對氨氮去除效果的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可見，反應(yīng)20min內(nèi)，電源電壓越高，氨氮的去除效果越好。當(dāng)電源電壓為60V時，去除效果，氨氮質(zhì)量濃度從22mg/L降到5.3mg/L，去除率達(dá)到75.9%。由于沸石本身導(dǎo)電性較差，因此需要較高的電壓將其復(fù)極化。而電源電壓較低時，沸石粒子極化不充分，導(dǎo)致氨氮去除效果不好。

2.4pH對氨氮去除效果的影響
從反應(yīng)機(jī)理可知，pH對反應(yīng)過程中?OH和H2O2的形成具有一定的影響。在極板間距3cm、不銹鋼電極、電源電壓60V、電流密度8mA/cm2、曝氣量7L/min、填充粒子為200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應(yīng)時間40min下，通過一定濃度的NaOH溶液和H2SO4溶液來調(diào)節(jié)模擬污水的pH，考察pH對氨氮去除效果的影響，結(jié)果表明：酸性條件比堿性條件更有利于去除氨氮，原因是在酸性條件下?OH和H2O2更容易生成，電氧化作用更大。當(dāng)pH繼續(xù)降低時，氨氮去除效果變差，原因是?OH的多少取決于Fe2+和H2O2的濃度，適當(dāng)?shù)卦龃驠e2+和H2O2濃度有利于Fenton試劑的形成，促進(jìn)氨氮的去除。但當(dāng)廢水的pH降低，溶液中Fe2+和H2O2濃度過大時，根據(jù)反應(yīng)式（6）、式（7）可得，F(xiàn)e2+和H2O2會成為?OH的捕獲劑，從而阻礙氨氮的去除。

2.5填充粒子種類對氨氮去除效果的影響
分別采用經(jīng)吸附飽和處理后的斜發(fā)沸石、載鐵斜發(fā)沸石、絲光沸石和載鐵絲光沸石進(jìn)行研究。在極板間距3cm、不銹鋼電極、電源電壓60V、電流密度為8mA/cm2、曝氣量為7L/min、pH=5、粒子填充量為200g/L、反應(yīng)時間40min下改變填充粒子種類，考察其對氨氮去除效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，斜發(fā)沸石對氨氮的處理效果遠(yuǎn)好于絲光沸石。反應(yīng)初期，電氧化作用使得氨氮濃度下降，但在40min時，填充絲光沸石的反應(yīng)出現(xiàn)氨氮濃度比初始濃度高的現(xiàn)象，可能是由于經(jīng)飽和吸附處理過的絲光沸石出現(xiàn)氨氮脫附的情況。載鐵斜發(fā)沸石對氨氮的去除效果好于不載鐵的斜發(fā)沸石，原因可能是載鐵后斜發(fā)沸石導(dǎo)電性增強(qiáng)，直接氧化能力提高。此外，適量的二價鐵離子濃度有利于H2O2在其催化下通過Fenton反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的?OH，使氨氮得到去除。

2.6曝氣對氨氮去除效果的影響
氧化作用有利于氨氮的去除，而曝氣有助于增強(qiáng)氧化作用。在極板間距3cm、不銹鋼電極、電源電壓60V、電流密度8mA/cm2、pH=5、填充粒子為200g/L的載鐵斜發(fā)沸石、反應(yīng)時間40min下，考察曝氣對氨氮去除效果的影響，結(jié)果如表3所示。

由表3可見，在相同的條件下，曝氣可以明顯提高氨氮的去除率，達(dá)到較好的去除效果。這是因為曝氣不僅可以產(chǎn)生更多的強(qiáng)氧化性?OH，而且起到攪拌的效果，使廢水與粒子電極充分接觸，有效氧化氨氮。

考察不同曝氣量對氨氮去除效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，氨氮去除*隨曝氣量的增大而增大，但當(dāng)曝氣量增大至7L/min后，繼續(xù)增大曝氣量，氨氮去除率反而略有下降。這是由于曝氣量過大時，氧氣在污水中的溶解度達(dá)到飽和，盡管有利于陰極生成H2O2，但過量氧氣也會降低陽極所產(chǎn)生的Fe2+濃度，從而減少強(qiáng)氧化性?OH的形成，降低氨氮的去除率。

3結(jié)論
（1）采用的電化學(xué)反應(yīng)器，在能產(chǎn)生Fe2+的陽極板和能產(chǎn)生H2O2的陰極板之間充填一種對氨氮具有良好吸附特性的沸石顆粒，其去除氨氮的機(jī)理主要基于電化學(xué)作用所形成的強(qiáng)氧化性?OH、沸石的吸附功能和電化學(xué)再生吸附飽和后的沸石。（2）對氨氮質(zhì)量濃度為20mg/L模擬廢水的處理結(jié)果表明：在一定條件下，出水中氨氮質(zhì)量濃度能降到5mg/L左右，達(dá)到國家城市污水處理廠的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918—2002）。運行條件：不銹鋼為陰陽極板、電流密度8mA/cm2、電源電壓60V、pH=5、200g/L載鐵斜發(fā)沸石作為填料，曝氣量為7L/min，反應(yīng)時間20min。（3）該反應(yīng)器可以有效處理低濃度氨氮廢水，操作簡單，占地面積小，無需投加藥劑，填料無需另外再生處理。因此，填充沸石的電化學(xué)反應(yīng)器在氨氮污水處理方面將具有廣闊的應(yīng)用前景。