基于电化学技术去除养殖废水中氮污染的研究

作     者：薛文博 

作者单位：大连海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁晓非;赵云

授予年度：2024年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：电化学技术 养殖废水处理 脱氮 工艺参数优化 

摘      要：随着我国水产养殖业的迅速发展,部分区域仍长期存在水体氮污染问题,威胁水产养殖业的可持续性并影响人类健康。电化学技术通过阴阳极的电解反应,能够有效去除养殖废水中的氮污染物,具有经济、高效、绿色环保的优点,并且操作简便,能耗较低,设备占用空间小。然而,电化学技术在水产养殖废水中氮污染的去除效果受到多种因素的影响,因此需深入研究并调控这些影响因素,以实现氮污染物的高效去除。为模拟实际水产养殖环境,本文搭建了一个电化学水处理循环装置,通过对影响因素的研究进行装置的工艺参数优化。首先本文选取了钛基镀钌铱（Ti-Ti/TiO-RuO-IrO）电极作为阳极材料,并通过极化曲线测试其电化学性能,确定了析氧和析氢电位分别为1.10V和1.32V。阴极材料选择了Ti,其极化曲线测试结果表明,Ti电极不易发生析氢反应,从而有利于硝酸盐和亚硝酸盐的还原。为提高装置的处理效率,选取氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐三种水产养殖业中常见的氮污染物的去除率作为评价指标,发现在初步确定的电解时间（60min）条件下,废水中氮污染物的去除率可达90%以上。进一步研究表明,电化学水处理装置对氮污染物的去除效率与电流密度大小呈正相关,随着电流密度从1.25m A/cm升高到25m A/cm,氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐的去除率显著提高。此外,极板间距和阴阳极板面积比也对硝酸盐的去除效率有一定的影响。为了提升装置对氮污染物的去除效率,利用响应面法设计正交实验,并对氨氮去除的工艺参数优化后进行实验分析,发现电化学水处理装置在处理氨氮废水的最优条件下（电流密度为22.9m A/cm,极板间距为4.5cm,极板面积比为1.1:1）,氨氮的去除机理主要是通过活性氯将氨氮直接氧化为N来实现,同时阳极表面生成的活性氯能够有效还原反应过程中产生的硝酸盐,进而提高去除效率。装置处理废水过程中未检测到硝酸盐和亚硝酸盐,说明Ti阴极板能有效地将其还原去除。根据反应过程中氨氮浓度的变化,将时间作为自变量,采用不同的动力学模型进行拟合,发现时间对氨氮去除在零级动力学模型下的拟合度最高,相关系数R达到0.946。针对养殖废水中硝酸盐的积累,通过响应面法优化得到装置对硝酸盐的最佳去除条件（电流密度为23.4m A/cm,极板间距为5.8cm,极板面积比为1.3:1）,在此条件下同时处理氨氮和硝酸盐废水,硝酸盐的去除率为89.5%,氨氮去除率达到99.7%,且不会积累中间产物亚硝酸盐,优化后的工艺参数使装置对氮污染物的整体去除效率得到了提升。