宋協(xié)法， 邊 敏， 黃志濤， 董登攀

(中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003)

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電化學(xué)氧化法在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中去除氨氮和亞硝酸鹽效果研究*

宋協(xié)法， 邊 敏， 黃志濤， 董登攀

(中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003)

為研究電化學(xué)氧化法在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中用于去除氨氮和亞硝酸鹽的可行性，利用有效面積為20和32 cm2兩種規(guī)格的釕銥電極研究了電流密度、極板間距和氨氮初始濃度對(duì)模擬養(yǎng)殖污水中氨氮和亞硝酸鹽去除效果的影響。研究表明，當(dāng)電流密度小于75 mA/cm2時(shí)，增加電流密度可以顯著提升氨氮和亞硝酸鹽的去除率。通過正交實(shí)驗(yàn)確定了實(shí)驗(yàn)條件下2組電極的最佳反應(yīng)條件：電流密度62.5 mA/cm2、極板間距1 cm、反應(yīng)時(shí)間80 s，氨氮初始濃度2.7 mg/L。在上述實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)氨氮去除率達(dá)到90%以上時(shí)，大、小電極分別需要40和 60s的反應(yīng)時(shí)間；當(dāng)亞硝酸鹽去除率達(dá)到90%以上時(shí)，大、小電極分別需要40和80 s的反應(yīng)時(shí)間。在氨氮去除率達(dá)到90%時(shí)，小電極的平均反應(yīng)速度為327.24 mg/h，能耗為0.093 kW·h/t；大電極的平均反應(yīng)速度為503.82 mg/h，能耗為0.114 kW·h/t。

電化學(xué)氧化法； 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)； 氨氮； 亞硝酸鹽； 平均反應(yīng)速度； 能耗

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖對(duì)象的代謝產(chǎn)物、殘餌等含蛋白質(zhì)物質(zhì)的分解是造成氨氮積累的主要原因，氨氮和亞硝酸鹽含量過高會(huì)對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象產(chǎn)生毒害作用，一般認(rèn)為養(yǎng)殖對(duì)象可承受的范圍為：TAN<0.5 mg/L，NO2—N<0.5 mg/L[1]。目前循環(huán)水系統(tǒng)采用的生物濾器可使水中氨氮維持在2～3 mg/L[2]，傳統(tǒng)的生物濾器存在占地面積大，掛膜時(shí)間長(zhǎng)[3]及運(yùn)行不穩(wěn)定等問題[4]。此外，生物過濾作用處理海水效果相較淡水欠佳[1]，處理效果受溫度影響較大，在冷水魚養(yǎng)殖系統(tǒng)中表現(xiàn)不佳[5]。因此，有必要開發(fā)一種可替代生物濾器去除水體中含氮化合物的新技術(shù)，尤其是在海水循環(huán)水系統(tǒng)中。

電化學(xué)氧化法是近年來新興的一種水處理方法，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1)處理效果幾乎不受溫度、總氨氮濃度的影響；2)一步將氨氮轉(zhuǎn)換為N2；3)系統(tǒng)無需持續(xù)運(yùn)行，可隨意開關(guān)[6]。因此，電化學(xué)氧化法受到越來越多的關(guān)注。目前該領(lǐng)域的研究大多集中在操作條件(電極材料、電流密度、極板間距、循環(huán)流速等)[6-7]和水質(zhì)條件(溫度，pH、氯離子濃度、氨氮濃度)[7-8]對(duì)電化學(xué)去除效果的影響。研究集中在高濃度氨氮、亞硝酸鹽的廢水及制革廢水[9-10]、電廠廢水[11]、城市污水[12]、垃圾滲濾液[13]等高濃度氨氮廢水，而關(guān)于電化學(xué)氧化法在海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用的研究極少。

電化學(xué)氧化法在處理海水養(yǎng)殖污水時(shí)有天然的優(yōu)勢(shì)，海水的高鹽度、高氯離子濃度在降低能耗的同時(shí)又保證了較高的間接氧化效率，使電化學(xué)氧化法在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。本文分別研究了不同電流密度、極板間距和氨氮初始濃度等對(duì)模擬養(yǎng)殖污水的氨氮和亞硝酸鹽去除率的影響，并進(jìn)行了相關(guān)能耗分析，以期為電化學(xué)氧化法在海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模擬廢水配置

本試驗(yàn)用水為模擬養(yǎng)殖污水，將氯化銨(NH4Cl)、亞硝酸鈉(NaNO2)按比例溶解后加入青島近海海水，水質(zhì)指標(biāo)[14]均值如下:溫度16.40 ℃，電導(dǎo)率53.64 mS/cm，鹽度33.62，溶氧6.14 mg/L，pH=8.27，氧化還原電位230.15，氨氮2.82 mg/L，亞硝酸鹽2.76 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置由2L玻璃燒杯、電極板、磁力攪拌器、穩(wěn)壓直流電源組成(見圖1)。電極采用迪諾拉電極(蘇州)有限公司生產(chǎn)的釕銥電極板，電源為艾德克斯直流穩(wěn)壓電源(IT6721)以及磁力攪拌器(IKA)、秒表、UV-2100 紫外可見分光光度計(jì)(尤尼柯(上海)儀器有限公司)、YSI 556多功能水質(zhì)測(cè)定儀(維賽儀器有限公司)和電子天平(Mettler Toledo)等。裝置詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

(1.磁力攪拌器，2.燒杯，3.電極板，4.導(dǎo)線，5.直流電源。1.Magnetic bar-stirrer 2.Beaker 3.Electrodes 4.Wires 5.D.C.Power supply.)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

Fig.1 Experimental Setup

1.3 取樣及數(shù)據(jù)測(cè)量

式中:C0為氨氮初始濃度；Ct為t時(shí)溶液中的氨氮濃度，單位為mg/L。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin(Pro 9.0)繪圖，SPSS(23)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)

①Beaker volume；②Electrodes material；③Effective surface of electrodes；④Effective surface of electrodes；⑤Output voltage range；⑥Output current range

2 結(jié)果

2.1 電流密度對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除效果的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)，極板間距為1 cm，反應(yīng)時(shí)間為160 s，間隔40 s取樣。設(shè)置不同的電流值達(dá)到所需電流密度。

2.1.1 電流密度對(duì)氨氮去除效果的影響 如圖2所示，氨氮去除率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，處理2 L的養(yǎng)殖污水，大、小電極氨氮去除率達(dá)到90%左右需要的最小電流密度分別為25、50 mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間均為80 s。當(dāng)電流密度小于75 mA/cm2，氨氮去除率隨電流密度的增大而顯著升高，電流密度大于75 mA/cm2時(shí)，氨氮去除率隨電流密度的增大幾乎不再增加。

圖2 不同電流密度對(duì)2種規(guī)格電極氨氮去除率的影響

2.1.2 電流密度對(duì)亞硝酸鹽去除效果的影響 如圖3所示，亞硝酸鹽去除率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高。處理2L的養(yǎng)殖污水，大、小電極亞硝酸鹽去除率達(dá)到90%左右需要的最小電流密度分別為25和50 mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間均為120 s。小電極電流密度小于125 mA/cm2時(shí)，增加電流密度，亞硝酸鹽去除率顯著增加；大電極電流密度小于75 mA/cm2，增加電流密度，亞硝酸鹽去除率顯著增加。

圖3 不同電流密度對(duì)2種規(guī)格電極亞硝酸鹽去除率的影響

2.2 極板間距對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除效果的影響

為研究極板間距對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除效果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)，電流密度為75 mA/cm2，極板間距分別為0.5、1和1.5 cm，反應(yīng)時(shí)間為160 s，間隔40 s取樣。

2.2.1 極板間距對(duì)氨氮去除效果的影響 如圖4所示，在80 s前大、小電極氨氮去除率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)迅速升高，80 s后不同極板間距下均達(dá)到90%左右，隨后趨于穩(wěn)定且接近100%。分別對(duì)大、小電極氨氮去除率進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果顯示，不同極板間距下，反應(yīng)40 s(P>0.05)和80s(P>0.05)，同一電極氨氮去除率無顯著差異。

2.2.2 極板間距對(duì)亞硝酸鹽去除效果的影響 如圖5所示，大、小電極亞硝酸鹽去除率在80 s內(nèi)迅速升高，不同極板間距下均達(dá)到100%。反應(yīng)40 s，不同極板間距下，大、小電極亞硝酸鹽的平均去除率分別為86.4%和24.82%。分別對(duì)大、小電極亞硝酸鹽去除率進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果顯示，不同極板間距下，反應(yīng)40 s(P>0.05)，同一電極亞硝酸鹽去除率無顯著差異。

圖4 不同極板間距對(duì)2種規(guī)格電極氨氮去除率的影響

2.3 不同氨氮初始濃度對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除效果的影響

探究不同氨氮初始濃度對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除率的影響，電流密度為75 mA/cm2、極板間距為1 cm，亞硝酸鹽的濃度為2.8 mg/L，設(shè)置不同氨氮初始濃度，分別為1.7、2.8、3.8 mg/L。

2.3.1 不同氨氮初始濃度對(duì)氨氮去除的影響 如圖6所示，不同初始濃度下，氨氮濃度在80 s內(nèi)顯著降低。分別對(duì)大、小電極反應(yīng)前80 s氨氮去除率進(jìn)行線性擬合，大、小電極氨氮初始濃度1.7、2.8和3.8 mg/L，氨氮去除率擬合曲線的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.807、0.895、0.871、0.943、0.903和0.999，對(duì)應(yīng)的去除速率k分別為0.024、0.038、0.047、0.019、0.032和0.042 mg·L-1·s-1。

圖5 不同極板間距對(duì)2種規(guī)格電極亞硝酸鹽去除率的影響

圖6 不同氨氮初始濃度對(duì)2種規(guī)格電極氨氮去除的影響

2.3.2 不同氨氮初始濃度對(duì)亞硝酸鹽去除效果的影響 如圖7所示，不同氨氮初始濃度下，大、小電極亞硝酸鹽去除率在80 s內(nèi)逐漸升高。反應(yīng)40 s時(shí)，大、小電極1.7、2.8和3.7 mg/L氨氮下的亞硝酸鹽去除率分別為：100%、79.83%、42.27%、40.43%、26.97%和25.14%。分別對(duì)大、小電極亞硝酸鹽去除率進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果顯示，不同氨氮初始濃度下，小電極反應(yīng)40 s(P<0.01)，亞硝酸鹽去除率差異極顯著；大電極反應(yīng)40 s(P<0.05)，亞硝酸鹽去除率差異顯著。兩兩對(duì)比分析結(jié)果表明，反應(yīng)40 s時(shí)，小電極1.7與2.8、3.8 mg/L的亞硝酸鹽去除率差異極顯著；大電極2.8與1.7、3.8 mg/L的亞硝酸鹽去除率差異顯著。

2.4 正交試驗(yàn)對(duì)影響因素的優(yōu)化

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)及結(jié)果選取正交試驗(yàn)的因素與水平。實(shí)驗(yàn)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間80 s，間隔20 s取樣；反應(yīng)時(shí)間120 s，間隔30 s取樣；反應(yīng)時(shí)間160 s，間隔40 s取樣。正交試驗(yàn)選取的因素和水平數(shù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、4所示。

2.4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為確定各因素對(duì)氨氮去除率的影響及實(shí)驗(yàn)條件下的最佳反應(yīng)參數(shù)，選取電流密度、極板間距、氨氮初始濃度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行正交試驗(yàn)。其中氨氮初始濃度和極板間距水平與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)相同，反應(yīng)時(shí)間為80、120和160 s，便于進(jìn)一步研究氨氮去除率隨時(shí)間的變化規(guī)律。前期實(shí)驗(yàn)確定的電流密度非最佳電流密度，在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化電流密度的梯度有利于尋找最佳電流密度，選取電流密度62.5和87.5 mA/cm2，由圖3A可知，當(dāng)電流密度大于100 mA/cm2，亞硝酸鹽去除率繼續(xù)升高，選取電流密度112.5 mA/cm2。

圖7 不同氨氮初始濃度對(duì)兩種規(guī)格電極亞硝酸鹽去除率的影響

水平LevelA極板間距Interelectrodesgap/cmB電流密度Currentdensity/mA·cm-2C反應(yīng)時(shí)間Retentiontime/sD氨氮初始濃度Ammoniaconcentration/mg·L-110．562．5801．72187．51202．731．5112．51603．8

2.4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果 由表3可知，4個(gè)因素對(duì)小電極氨氮去除率影響的順序?yàn)椋喊钡跏紳舛?反應(yīng)時(shí)間>極板間距>電流密度。最優(yōu)組合為A1B3C3D2(極板間距0.5 cm，電流密度112.5 mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間160 s，氨氮初始濃度2.7 mg/L)。綜合前期靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)極板間距小于1 cm，容易在陰極上形成附著物而影響反應(yīng)效率，將極板間距設(shè)定為1 cm。此外，電流密度從62.5增加到112.5 mA/cm2，氨氮去除率從95%增加到99%。對(duì)于處理養(yǎng)殖污水而言，電流密度62.5 mA/cm2下的氨氮去除率即可滿足需求，將電流密度確定為62.5 mA/cm2。反應(yīng)時(shí)間從80 s增加到160 s僅使氨氮的去除率從95%提升到98%，考慮能耗和經(jīng)濟(jì)因素，反應(yīng)時(shí)間定為80 s。綜上所述，實(shí)驗(yàn)條件下小電極反應(yīng)的最優(yōu)組合為A2B1C1D2。

表3 小電極正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及直觀分析

由表4可知，4個(gè)因素對(duì)大電極氨氮去除率的影響順序?yàn)椋弘娏髅芏?反應(yīng)時(shí)間>氨氮初始濃度>極板間距。最優(yōu)組合為A3B3C3D2(極板間距1.5 cm，電流密度為112.5 mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間160 s，氨氮初始濃度為2.7 mg/L)。通過前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，極板間距對(duì)氨氮去除率無影響，將極板間距定為1 cm。電流密度從62.5增加到112.5 mA/cm2、反應(yīng)時(shí)間從80 s增加到160 s氨氮去除率升高不明顯，反而顯著增加了能耗，因此電流密度定為62.5 mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間為80 s。綜上所述，實(shí)驗(yàn)條件下小電極反應(yīng)的最優(yōu)組合為A2B1C1D2。

表4 大電極正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及直觀分析

Note：①Experiment；②Inter electrodes gap；③Current density；④Retention time；⑤Ammonia concentration；⑥Ammonia removal

2.4.3 正交試驗(yàn)最優(yōu)組合與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)比 結(jié)果如表5所示，大、小電極最優(yōu)組合與不同電流密度實(shí)驗(yàn)組對(duì)比，平均反應(yīng)速度和能耗都有明顯的優(yōu)勢(shì)。相同電流密度下，大規(guī)格電極的能耗高于小電極。因?yàn)榇?、小電極若要維持相同的電流密度，大電極需要的電流更大，因此大電極的能耗要高于小電極的。2種規(guī)格電極最優(yōu)組合能耗相差不大，但是平均反應(yīng)速度相差非常大，而且氨氮去除率達(dá)到90%的時(shí)間也相差20 s(總反應(yīng)時(shí)間為80 s)，說明電極存在放大效應(yīng)，即電極越大，在實(shí)際應(yīng)用中的效果越好，可顯著提升去除效果和降低水處理能耗，通過楊慧敏等[15]和何緒文等[16]實(shí)驗(yàn)可以得到證明。

3 討論

3.1 電流密度對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除的影響

電流密度是影響氨氮去除率的關(guān)鍵因子[17]，增加電流密度可以一定程度提升氨氮去除率[6，9，18-19]、亞硝酸鹽去除率[1，7]。因?yàn)樵黾与娏髅芏龋涌炝巳芤褐新葰猱a(chǎn)生的速度，進(jìn)而加快了溶液中氧化劑次氯酸的生成速度，涉及到的反應(yīng)[1，7]如下：

表5 大、小電極正交實(shí)驗(yàn)最優(yōu)組合與靜態(tài)試驗(yàn)對(duì)比

Note：①Experiment category；②Ammonia removal reach 90% time；③Average ammonia elimination speed；④Energy consumption

電流密度12.5、25和50 mA/cm2時(shí)反應(yīng)時(shí)間40 s時(shí)亞硝酸鹽去除率很低，是因?yàn)殡娀瘜W(xué)氧化法去除氨氮時(shí)，先生成了一部分亞硝酸鹽，從而嚴(yán)重減緩了反應(yīng)前期亞硝酸鹽的去除率。綜合考慮氨氮及亞硝酸鹽去除率和能耗，將后續(xù)實(shí)驗(yàn)電流密度設(shè)為75 mA/cm2，保證在研究其它因素對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除率的影響時(shí)電流密度不會(huì)成為限制因子，而且較高的去除率可顯著減少反應(yīng)時(shí)間進(jìn)而降低能耗。本實(shí)驗(yàn)處理的水為化學(xué)試劑配置，有機(jī)物含量很少，在處理實(shí)際養(yǎng)殖污水時(shí)，由于有機(jī)物會(huì)消耗一部分活性氯(Cl2、HOCl和OCl-)。會(huì)一定程度地增加去除氨氮的時(shí)間，而且活性氯會(huì)和有機(jī)物反應(yīng)生成少量的三鹵甲烷，過量的氯氣和三鹵甲烷對(duì)水生生物有害，需要用活性氯等進(jìn)一步去除[20]。

此外，電流密度是影響氨氮及亞硝酸鹽去除的重要因素，而實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)整電流密度方便可行，在實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)氨氮濃度調(diào)整電流密度。反應(yīng)后期當(dāng)溶液中氨氮濃度較低時(shí)，適當(dāng)降低電流密度可以提高電流效率并且降低反應(yīng)的能耗。因?yàn)椋S著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中氨氮的濃度逐漸降低而氧化劑濃度逐漸升高，此時(shí)降低電流密度或者關(guān)閉電源，利用溶液中積累的氧化劑可以去除剩余的氨氮及亞硝酸鹽。一方面可以降低反應(yīng)能耗，另一方面也可以降低反應(yīng)之后溶液中氧化劑殘留現(xiàn)象。

3.2 極板間距對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除的影響

方差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)極板間距對(duì)2種規(guī)格電極的氨氮及亞硝酸鹽去除率均無顯著影響。與何緒文等研究結(jié)果有所不同，其研究表明：隨著極板間距的增加，電極處理效率下降，氨氮和總氮的去除率下降[16]。初步分析可能是本實(shí)驗(yàn)氨氮及亞硝酸鹽濃度過低造成的，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)污染物濃度過低，反應(yīng)時(shí)間較短，容易在取樣時(shí)放大實(shí)驗(yàn)誤差。極板間距主要影響反應(yīng)能耗[21]，極板間距越小，維持相同電流密度所需的電壓也越小[16]，反應(yīng)能耗越低。小電極極板間距為0.5和1.5 cm時(shí)，維持75 mA/cm2的電流密度所需電壓分別為4.72和6.23 V，由此可見，極板間距顯著影響電解過程的能耗。實(shí)驗(yàn)中觀察到極板間距小于1 cm后，陰極表面易產(chǎn)生附著物(氫氧化鎂，氫氧化鈣)[22]，附著物會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)能耗的增加以及電極的鈍化，不利于后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行[23]。此外，極板間距過小，在實(shí)際應(yīng)用中不利于導(dǎo)線的連接以及極板的維護(hù)。綜合考慮能耗、反應(yīng)效率以及在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，極板間距1 cm較為合適。

3.3 不同氨氮初始濃度對(duì)氨氮及亞硝酸鹽去除的影響

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著氨氮濃度的增加，氨氮去除速率隨之增加。不同于Liu等發(fā)現(xiàn)氨氮的氧化速率不受濃度的影響[8]。初步分析可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)氨氮初始量過低而去除速率較高造成的，氨氮濃度為1.7和2.8 mg/L時(shí)，較低的氨氮濃度一定程度限制了氨氮去除速率。所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)氨氮去除速率隨著氨氮濃度的升高而加快。此外，氨氮在濃度較高時(shí)容易去除，當(dāng)濃度為0.3 mg/L左右時(shí)，去除變得困難。而Liu等實(shí)驗(yàn)的氨氮濃度分別為10、32、51和103 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本實(shí)驗(yàn)，可能是造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的原因。

2種規(guī)格電極40 s時(shí)不同氨氮濃度下的亞硝酸鹽去除率差異均顯著，說明氨氮濃度影響亞硝酸鹽的去除。造成大、小電極反應(yīng)40 s兩兩比較結(jié)果不同的主要原因是前期綜合考慮氨氮及亞硝酸鹽去除率、反應(yīng)能耗等確定電流密度為75 mA/cm2時(shí)，小電極亞硝酸鹽去除率較低。因此在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)時(shí)，不僅氨氮濃度對(duì)小電極亞硝酸鹽去除率有影響，且電流密度也一定程度限制了亞硝酸鹽的去除。此外，氨氮和亞硝酸鹽同時(shí)存在時(shí)，優(yōu)先去除氨氮，當(dāng)溶液中氨氮濃度降低后，亞硝酸鹽去除率開始迅速升高。

4 結(jié)語(yǔ)

電流密度小于75 mA/cm2時(shí)，氨氮去除率隨電流密度的增加而顯著升高；電流密度大于75 mA/cm2時(shí)，氨氮去除率隨電流密度的增加幾乎不再升高。綜合考慮靜態(tài)試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，確定了實(shí)驗(yàn)條件下大、小電極的最佳運(yùn)行參數(shù)為：電流密度62.5 mA/cm2、極板間距1 cm，反應(yīng)時(shí)間80s，氨氮初始濃度2.7 mg/L。對(duì)比大、小電極最優(yōu)組合與其不同電流密度下氨氮去除效果，驗(yàn)證了大、小電極最優(yōu)組合。大、小電極最優(yōu)組合平均去除氨氮速度分別為503.82和327.24 mg/h，去除率達(dá)到90%的能耗分別為0.114和0.093 kW·h/t。

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責(zé)任編輯 朱寶象

Studies of the Ammonia and Nitrite Removal by Electrochemical Oxidation in Recirculating Aquaculture System

SONG Xie-Fa, BIAN Min, HUANG Zhi-Tao, DONG Deng-Pan

(College of Fisheries, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

To determine the possibility of using electrochemical oxidation to remove ammonia and nitrite in recirculating aquaculture system, we carried out this sudsy by using seawater simulated wastewater and two different sizes of Ti/RuO2-TiO2-IrO2electrodes which have 20 and 32 cm2effective surface, respectively. The electrodes were used to investigate how various experimental conditions determine their effects on the degradation of ammonia and nitrite. The studied included applied current density, inter-electrodes gap and initial ammonia concentration. The results showed that ammonia and nitrite removal rate increased with applied current density within 75 mA/cm2. The optimal experimental condition was 62.5 mA/cm2of applied current density, 1cm inter-electrodes gap, 80s retention time and 2.7 mg/L of initial ammonia concentration as was established through orthogonal analysis. In order to achieve 90% ammonia removal rate under the optimal condition, the retention time needed for little electrodes was 60s and the bigger electrodes was 40s. For the nitrite removal rate over 90%, the retention time needed for little electrodes was 80s and the bigger electrodes was 40s. The average elimination of ammonia speed and energy consumption were calculated when ammonia removal rate reached 90% and the average elimination speed and energy consumption of little and bigger electrodes were 327.24 mg/h, 0.093 kW·h/t and 503.82 mg/h, 0.114 kW·h/t, respectively.

indirect oxidation; recirculating aquaculture system; ammonia nitrogen; nitrite; average elimination speed; energy consumption

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD13B04)資助

2016-07-29;

2016-09-18

宋協(xié)法(1964-) ，男，博士，教授，主要從事設(shè)施漁業(yè)和養(yǎng)殖污水處理研究工作。E-mail: yuchuan@ouc.edu.cn

S959； S969.38

A

1672-5174(2016)11-127-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160271

宋協(xié)法， 邊敏， 黃志濤， 等. 電化學(xué)氧化法在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中去除氨氮和亞硝酸鹽效果研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(11)： 127-135.

SONG Xie-Fa, BIAN Min, HUANG Zhi-Tao, et al. Studies of the ammonia and nitrite removal by electrochemical oxidation in recirculating aquaculture system[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(11)： 127-135.

Supported by the National Key Technology R&D Program(2011BAD13B04)