铁电极电解除磷技术的实验研究

Experimental Study on Phosphorous Removal by Electrolytic Process with Iron Electrode

摘要: 本文在前期调研及实验的基础上，选择污水进水pH = 7，电解电流0.5 A，极板间距5 cm的初始条件，构建双铁电极电解除磷实验装置，对初始磷浓度5 mg/L的模拟污水进行处理研究。实验结果表明：经过1 h的电解反应，可以将总磷含量去除至0.5 mg/L以下，达到一级A标的出水要求。

Abstract: The phosphate wastewater of 5 mg/L was treated by electrolytic process with iron electrode. The initial conditions are: wastewater PH = 7, electrolytic current 0.5 A, plate spacing 5 cm. The ex-perimental results show that the total phosphorous removal effect was better, and the phosphorous concentration dropped from 5 mg/L to 0.5 mg/L after electrolyzation for 1 h, meeting the level 1 A discharge standards.

1. 引言

生活污水中磷主要来源于人畜粪便和含磷洗涤剂等，它不但会引起水体富营养化，还会产生大量的泡沫。水体富营养化常导致水生生态系统紊乱、水生生物种类减少、多样性受到破坏。污水除磷方法通常是生物法和化学沉淀法及其联合工艺。电解法是一种高效的污水处理方法，该法综合了沉淀、絮凝和气浮等多种过程，对磷的去除有很明显的效果。电解除磷技术除磷率较高、性能稳定、选择性更强、同时便于日常维护。以铁电极为例：在电解过程中，阳极释放的Fe²⁺和溶液中的Fe³⁺会与以磷酸根形式存在的磷发生反应生成难溶性铁盐。另外，部分Fe²⁺和Fe³⁺在一定的pH范围内与溶液中的OH⁻反应生成难溶性的铁的羟基化合物，这些含铁的羟基络合物能发生胶体絮凝，从而达到处理水质的作用。主要反应如下 [1] [2] [3] [4] ：

阳极：

$\text{Fe}-{\text{2e}}^{-}={\text{Fe}}^{\text{2}+}$ ; (1)

阴极：

${\text{2H}}^{+}+{\text{2e}}^{-}={\text{H}}_{\text{2}}$ ; (2)

在溶液中：

${\text{4Fe}}^{\text{2}+}+{\text{2H}}_{\text{2}}\text{O}+{\text{O}}_{\text{2}}={\text{4Fe}}^{\text{3}+}+{\text{4OH}}^{-}$ (3)

${\text{Fe}}^{\text{3}+}+{\text{PO}}_4^{3-}={\text{FePO}}_{\text{4}}\downarrow$ (4)

${\text{3Fe}}^{\text{2}+}+{\text{2PO}}_4^{3-}={\text{Fe}}_{\text{3}}{\left({\text{PO}}_{\text{4}}\right)}_{\text{2}}\downarrow$ (5)

${\text{Fe}}^{\text{2}+}+{\text{2OH}}^{-}=\text{Fe}{\left(\text{OH}\right)}_{\text{2}}\downarrow$ (6)

$\text{4Fe}{\left(\text{OH}\right)}_{\text{2}}+{\text{O}}_{\text{2}}+{\text{2H}}_{\text{2}}\text{O}=\text{4Fe}{\left(\text{OH}\right)}_{\text{3}}\downarrow$ (7)

本文在前期调研及实验的基础上，选择污水进水pH = 7，电解电流0.5 A，极板间距5 cm的初始条件，构建双铁电极电解除磷实验装置，对初始磷浓度5 mg/L的模拟污水进行处理研究。

2. 实验方法

2.1. 配制含磷废水

用磷酸二氢钾(KH₂PO₄)和去离子水制备模拟废水，配置浓度为5.0 g/L (以P计)的浓液250 ml，实验时再将其稀释到5.0 mg/L (以P计)，药剂配制如表1所示。

2.2. 实验物资

实验物资如表2所示：

Table 1. The reagent preparation form

表1. 药剂配制记录表

Table 2. List of experimental materials

表2. 实验物资清单

2.3. 实验步骤

实验装置如图1所示，每次实验用水量为1.8 L，实验前，将铁片用磨砂纸打磨干净，放入含磷溶液中并调整极板间距为5 cm。电极浸在溶液中的有效尺寸为40 mm × 40 mm × 1 mm，阴极和阳极的极板面积比是1:1。添加NaCl以维持溶液初始电导率在9.0~10.0 ms/cm范围内，用1% NaOH和1% HCl来调整溶液pH =7。按照图1连接好装置，调节电解电流为0.5 A，为保证实验用水充分混合，实验过程中保持搅拌。

Figure 1. Diagram of experimental device

图1. 实验装置图

3. 实验结果

3.1. 电解除磷结果

电解电流为0.5 A，极板间距为5 cm，调节原水pH为7，经过4 h电解反应，溶液中磷的浓度和去除率如图2、图3所示。

Figure 2. Phosphorus concentration

图2. 磷的浓度

Figure 3. Phosphorus removal rate

图3. 磷的去除率

如图2、图3所示，随着电解时间的增加，磷的去除率成上升趋势，经过30 min的电解，磷浓度从5 mg/L去除到0.6 mg/L以下，去除效果明显。经过1 h的电解反应，可以将总磷含量去除至0.5 mg/L以下，达到一级A标的出水要求。

3.2. 电解反应出水

电解反应过程中的溶液如图4、图5所示，随着电解反应的进行，溶液颜色逐渐变黄，而且随着时间的增加，溶液越来越浑浊，影响出水色度及感官。

Figure 4. Solution of electrolytic reaction process

图4. 电解反应过程溶液

Figure 5. Electrolytic test sample

图5. 电解实验样品

4. 结论及分析

从上述数据分析可得出以下结论：在初始磷浓度5 mg/L、pH = 7、电解电流0.5 A、极板间距为5 cm的初始条件下，电解过程中保持搅拌，随着电解时间增加，磷的去除率成上升趋势。经过1 h的电解反应，可以将总磷含量去除至0.5 mg/L以下，达到一级A标的出水要求。

由于电解除磷出水浑浊，在实际应用时建议在电解除磷装置后加一级沉淀装置。

NOTES

^*通讯作者。