电化学氧化法在循环水养殖系统中去除氨氮和亚硝酸盐效果研究

电化学氧化法在循环水养殖系统中去除氨氮和亚硝酸盐效

果研究*

宋协法， 边 敏， 黄志涛， 董登攀

【摘 要】为研究电化学氧化法在循环水养殖系统中用于去除氨氮和亚硝酸盐的可行性，利用有效面积为20和32 cm2两种规格的钌铱电极研究了电流密度、极板间距和氨氮初始浓度对模拟养殖污水中氨氮和亚硝酸盐去除效果的影响。研究表明，当电流密度小于75 mA/cm2时，增加电流密度可以显著提升氨氮和亚硝酸盐的去除率。通过正交实验确定了实验条件下2组电极的最佳反应条件：电流密度62.5 mA/cm2、极板间距1 cm、反应时间80 s，氨氮初始浓度2.7 mg/L。在上述实验条件下，当氨氮去除率达到90%以上时，大、小电极分别需要40和 60s的反应时间；当亚硝酸盐去除率达到90%以上时，大、小电极分别需要40和80 s的反应时间。在氨氮去除率达到90%时，小电极的平均反应速度为327.24 mg/h，能耗为0.093 kW·h/t；大电极的平均反应速度为503.82 mg/h，能耗为0.114 kW·h/t。

【期刊名称】中国海洋大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2016(046)011 【总页数】9

【关键词】电化学氧化法； 循环水养殖系统； 氨氮； 亚硝酸盐； 平均反应速度； 能耗

循环水养殖系统中，养殖对象的代谢产物、残饵等含蛋白质物质的分解是造成氨氮积累的主要原因，氨氮和亚硝酸盐含量过高会对养殖对象产生毒害作用，一般认为养殖对象可承受的范围为：TAN<0.5 mg/L，NO2—N<0.5 mg/L[1]。

目前循环水系统采用的生物滤器可使水中氨氮维持在2～3 mg/L[2]，传统的生物滤器存在占地面积大，挂膜时间长[3]及运行不稳定等问题[4]。此外，生物过滤作用处理海水效果相较淡水欠佳[1]，处理效果受温度影响较大，在冷水鱼养殖系统中表现不佳[5]。因此，有必要开发一种可替代生物滤器去除水体中含氮化合物的新技术，尤其是在海水循环水系统中。

电化学氧化法是近年来新兴的一种水处理方法，具有独特的优势：1)处理效果几乎不受温度、总氨氮浓度的影响；2)一步将氨氮转换为N2；3)系统无需持续运行，可随意开关[6]。因此，电化学氧化法受到越来越多的关注。目前该领域的研究大多集中在操作条件(电极材料、电流密度、极板间距、循环流速等)[6-7]和水质条件(温度，pH、氯离子浓度、氨氮浓度)[7-8]对电化学去除效果的影响。研究集中在高浓度氨氮、亚硝酸盐的废水及制革废水[9-10]、电厂废水[11]、城市污水[12]、垃圾渗滤液[13]等高浓度氨氮废水，而关于电化学氧化法在海水循环水养殖系统中应用的研究极少。

电化学氧化法在处理海水养殖污水时有天然的优势，海水的高盐度、高氯离子浓度在降低能耗的同时又保证了较高的间接氧化效率，使电化学氧化法在循环水养殖系统中的应用成为可能。本文分别研究了不同电流密度、极板间距和氨氮初始浓度等对模拟养殖污水的氨氮和亚硝酸盐去除率的影响，并进行了相关能耗分析，以期为电化学氧化法在海水循环水养殖系统中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 模拟废水配置

本试验用水为模拟养殖污水，将氯化铵(NH4Cl)、亚硝酸钠(NaNO2)按比例溶解后加入青岛近海海水，水质指标[14]均值如下:温度16.40 ℃，电导率53.64

mS/cm，盐度33.62，溶氧6.14 mg/L，pH=8.27，氧化还原电位230.15，氨氮2.82 mg/L，亚硝酸盐2.76 mg/L。 1.2 实验装置及设备

实验装置由2L玻璃烧杯、电极板、磁力搅拌器、稳压直流电源组成(见图1)。电极采用迪诺拉电极(苏州)有限公司生产的钌铱电极板，电源为艾德克斯直流稳压电源(IT6721)以及磁力搅拌器(IKA)、秒表、UV-2100 紫外可见分光光度计(尤尼柯(上海)仪器有限公司)、YSI 556多功能水质测定仪(维赛仪器有限公司)和电子天平(Mettler Toledo)等。装置详细技术参数见表1。

(1.磁力搅拌器，2.烧杯，3.电极板，4.导线，5.直流电源。1.Magnetic bar-stirrer 2.Beaker 3.Electrodes 4.Wires 5.D.C.Power supply.) 图1 实验装置图

Fig.1 Experimental Setup 1.3 取样及数据测量

配制2 L模拟污水，并用磁力搅拌器搅拌3 min使溶液混合均匀。调节电流和极板间距开始实验，实验中电极板全部浸没在水中，间隔40 s从烧杯中部取样15 mL，每次实验取样5次，研究氨氮初始浓度和极板间距对氨氮及亚硝酸盐去除影响时，实验重复2次。样品保存在4 ℃冰箱，48 h内测定亚硝酸盐、氨氮。pH、氧化还原电位(Oxidation-reduction potential,ORP)、盐度、温度等在反应开始前测定。各水质指标测定方法均参照《海洋监测规范》(GB17378.4-2007)进行。-N采用次溴酸盐氧化法；-N采用萘乙二胺分光光度法；pH、氧化还原电位(ORP)、盐度、温度利用YSI多功能水质测定仪测定。氨氮的去除效果用去除率来表示：