污水深度脱氮脉冲电吸附技术

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1、污水深度脱氮脉冲电吸附技术近年来，电吸附即电容去离子法(CDI)因其环境友好、低能耗、操作简洁等优点，被广泛应用在海水淡化、苦咸水净化等净水领域。电容去离子法吸引了国内外众多学者的目光，有对吸附材料碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯的研究，和新型反应器微生物燃料电池与CDI的联用、流淌电极CDI等的研究当今城市污水处理的方向应朝着高效节能低碳、深度脱氮除磷(或回收)、资源化再利用、易于掌握管理等方向发展。城市污水处理厂的二沉池出水经过生化处理后，几乎没有可利用的碳源，针对此出水中的NH4-N，NO3-N等污指标，使其达到城市污水处理厂一级A标准(5mg/L或当水温低于12℃时的8mg/

2、L)，是目前我国污水处理厂提标改造急需解决的技术难题之一。电吸附可去除水中NH4-N，NO3-N等呈离子态的污染物，因而可尝试将CDI应用到污水处理中。传统电吸附法采用直流稳压电源供应外电场，该方法处理7较高质量浓度含盐废水时，效果尚佳，反应速度快，能耗也较低。但当处理低质量浓度废水时，例如氨氮质量浓度为20~30mg/L的某城市污水处理厂的出水，去除率不高。从理论上分析，废水中作为溶剂的H2O分子是极性分子，其固有偶极距的排列方向是随机的，但在外电场作用下，偶极距会发生取向极化效应，使偶极距沿电场方向排列。当阴、阳离子在电场力作用下，向电极板迁移时，已定向排列的水分子偶极距会

3、在离子的诱导下，通过静电作用与离子结合，使离子形成稳定的水化层，从而增大迁移过程的阻力。而脉冲开关电源产生的脉冲电流具有独特的高频率通-断电特性，使通电时间比水分子极化时间更短，便可避免水分子偶极距取向极化效应的发生，减弱了离子水化层的厚度，从而降低迁移传质过程的阻力。因此，在低浓度离子的吸附中，脉冲开关电源相比直流电源，理应更具优势。本研究采用脉冲开关电源代替直流稳压电源，给电吸附装置供应外电场，制备了活性炭电极并构建了CDI装置，以NO3-N的去除率为指标，考察了脉冲开关电源的占空比、频率、电压和电流对去除率的影响。1、试验材料和方法1.1电极制备将切割好的小块金属钛板在1

4、mol/L的NaOH溶液中于90℃水浴2h，去除表面油污，用去离子水洗去表面残留的碱液，之后于90℃水浴2h，去除钛板表面形成的氧化膜，再用去离子水反复冲洗表面，测定冲洗水的pH，直至冲洗水呈中性，晾干后，用砂纸将钛板表面打磨光亮，得到钛集流板备用，如图1a所示7将活性炭粉末、黏结剂PVDF和导电剂石墨粉按8∶1∶1的配比，共30g溶于100mL二甲基乙酰胺中，在磁力搅拌器上搅拌12h，在充分搅拌混合匀称后，采用涂覆法将涂层浆液匀称地涂在处理好的钛板上。将涂层钛板放入45℃的真空烘箱中，先在常压下烘4h，再在真空条件下烘4h，以确保去除残留的二甲基乙酰胺。去除涂层钛板在室温下放

5、凉，得到涂层电极板。称取涂层前后的钛板质量，差值为活性炭涂层的质量，约为0.5g，如图1b所示。1.2脉冲电吸附试验脉冲电吸附试验装置如图2所示，将模拟废水通过蠕动泵以一定的速度用循环进出水的方式，从储水池中抽出，流入CDI模块，再流回储水池。当水流循环后开头计时，到规定的吸附时长后，关停蠕动泵，打开CDI模块底部的阀门，待废水全部流回储水池后，关闭脉冲电源，此时完成了吸附阶段。用蠕动泵将另一个储水池中的洗脱液抽入CDI模块，采取一定的脱附方式(断电、反接或短接)，待电极吸附的离子脱落至洗脱液后，关闭蠕动泵，打开CDI模块底部的阀门，洗脱液全部流回储水池，完成脱附阶段。吸附阶段

6、和脱附阶段合并组成脉冲电吸附的一个循环，本文中每次脉冲电吸附试验由3~5个循环组成。在吸附阶段，每5min采集水样一次，用于水质分析。在吸附阶段，利用功率仪监控每个吸附阶段的能耗，用于计算脉冲电吸附的能耗和成本。每次脉冲电吸附试验所用的涂层电极都是重新配制的，以保证初始条件相同。试验用的模拟废水均为按浓度要求自行配制的。实际废水水样采自沈阳某污水处理厂。2、结果与争论2.1脉冲电源的占空比对去除率的影响7掌握正、负极板间电压为1.5V，恒速向CDI模块中进水，固定脉冲频率为104Hz，比较不同占空比(20%，50%，80%)的电吸附去除率，ρNO-3随时间的变化如图3所示。由图

7、3可知，在60min的吸附时间内，处理初始浓度质量为40mg/L的NO3-N模拟废水，占空比为20%，50%，80%的三组试验对应的60min硝酸盐氮质量浓度依次降为15.12，12.24，19.4mg/L，过高或过低的占空比都不利于离子的去除。频率均为104Hz时，每组试验的周期相同，均为0.01s，对比不同的占空比及相同通电周期T内的不同通电时长下的处理效率。当占空比为20%时，在一个脉冲周期内20%的时间用于电吸附，而另外80%的时间发生断电脱附，周期内通电时长仅为0.002s，通电周