[发明专利]一种深度去除水中微量硝酸盐的电解技术

说明书

技术领域

本发明属于水体深度净化及水污染防治技术领域，尤其涉及一种去除水中微量硝酸盐的电解技术方法，具体是基于以多层透过性Fe-Si滤层电极和脉冲电源为特征的电解装置来实现水中硝酸根的电化学催化还原降解。

背景技术

近年来，随着工农业生产的快速发展，化肥的大量生产使用，养殖业的大规模发展，以及工业废水和城市污水的大量排放，越来越多的硝酸盐污染物进入河流、湖泊和地下水体，对饮水安全和生态环境构成威胁。

目前，去除污废水中硝酸盐的比较经济常用的方法是生物反硝化法，废水处理厂通常采用生物反硝化法处理硝酸盐，采用生物反硝化法将硝酸盐浓度降低至30mg/L左右比较容易，但很难将硝酸盐浓度降低至10mg/L以下的水平。硝酸盐浓度在30mg/L左右的中水，可以无公害排放，但若用作城市景观用水比较容易引发水华，需要将硝酸盐浓度降低至10mg/L以下的水平，以保证中水资源化利用的安全性。物理脱硝法和化学还原法虽然也能用于水体中硝酸盐的去除，但用于污废水处理的费用较高，不经济，不实用。

电化学还原脱硝法，以电子为还原剂，无须投加催化剂，无二次污染，反应条件温和，设备简单，日益引起人们的广泛关注。

中国专利CN 101774670A提出一种可快速去除水体中超标卤酸盐的滤层材料，该滤层材料是铁硅碳合金粉体、镁铝合金粉体以及颗粒状活性炭或颗粒状无烟煤的混合物。将含过量卤酸盐的水体以3～20m/h的流速经过厚度为20～50cm该滤层材料后，水体中的卤酸盐浓度即可被大幅度降低。

中国专利CN 1868913提出使用Fe-Si/Mg-Al粉体材料还原去除水体中微量含氯有机物，将Fe-Si合金粉体与活泼金属Mg-Al合金偶合大幅度提高降解脱氯速率，避免了铁离子溶出的现象，处理后水质能够满足饮用水质量标准，尤其适用于饮用水中微量氯化消毒副产物的去除。这说明Fe-Si粉体材料在足够负的电位下具有很强的催化还原能力，可以尝试将其用于水体中硝酸盐的还原去除。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电化学快速深度去除水体中硝酸根的电解技术方法，用于深度去除中水中较难用生物法去除的微量硝酸盐氮，促进中水的资源化利用。

本发明的电解技术方法，利用以多层透过性Fe-Si滤层电极为阴极的电解装置及脉冲电源来实现。

本发明所述的电解装置以透过性Fe-Si滤层电极由铁硅合金粉体和作为支撑集流体的网状电极所组成，其中铁硅合金粉体具有稳定电催化活性、便宜耐蚀、易加工的特性，其化学组成为：Fe 35～90wt％，Si 8～60wt％，C 0.5～5wt％，粒径为0.1～8mm，最佳为0.5～4mm；网状电极为网状钛电极或网状钛镀铱电极或网状钛镀钌电极。将铁硅合金粉体放在网状电极之上构成Fe-Si滤层电极，其厚度可根据需要调整。

本发明所述的电解装置的阳极可以为网状钛电极或网状钛镀铱电极或网状钛镀钌电极。

本发明所述的电解装置结构如图1所示，它由两层以上的透过性Fe-Si滤层电极所组成，上层复合电极接电源的正极，下层复合电极接电源的负极。工作运行时水流自下而上流动，也可以自上而下流动通过，定时进行反冲洗，每层透过性Fe-Si滤层电极的Fe-Si粉体厚度控制在5～30cm为宜。

本发明所述的电解装置采用双电位周期供电方式，其特点是，长时段低电压微电流富集，短时段高电压冲击电流电解。双电位周期电解装置所涉及的电源分为直流电源和脉冲电源两种，其中脉冲电源为长时段低电压与短时段高电压的叠加，这样可以最大限度地降低水的无效电解，提高电化学催化降解效率。脉冲电源周期设计10～30秒可调，其中高压短时段为0.1～1.0秒可调；低压-0.5～1.0V可调，高压0～10.0V可调；最大冲击电流10A。电流密度范围在1～50mA/cm²。

本发明所述的水体中硝酸盐电解技术所涉及的反应如下：

(1)阴极：硝酸根或亚硝酸根向氮气或氨氮的还原转化：

NO₃^-+6H⁺+5e^-→1/2N₂+3H₂O

NO₃^-+2H⁺+2e^-→NO₂^-+H₂O