基于内循环微电解的电化学调控脱氮途径与机制研究

Conventional biological denitrification process is very difficult to treat the petro-chemical wastewater containing high nitrogen content and low of biodegradable organics, seriously impacting the security of water environment and drinking water quality. Therefore, the development of a new denitrification process with high efficiency and low cost is very urgent. Combining technological method of internal recycle iron-carbon microelectrolysis (IRIM) with traditional biological denitrification principle, an new IRIM process is proposed and its denitrification pathway and mechanism will be investigated under electrochemical regulation and control. The influence of the structure parameters, physic-chemical parameters and operating parameters on flow field of IRIM reactor will be determined by CFD software FLUENT, which is benefit to reveal the regularity of denitrification efficiency of IRIM reactor. The mathematical model between nitrogen removal efficiency and dominating factors will be developed. This pathway and mechanism of denirtification will be illuminated by the intermediate and final products detected with IC, GC, and GC-MS. The electrochemical regulation and control of IRIM high efficiency denitrification will be developed after the regulation law of electrochemial factors on denitrification pethway is obtained. In addition, a dynamical IRIM denitrification system will be developed and used to treat the pratical chemical wastewater contained high nitrigen. On base of the recults obtained, the mechenism and method of electrochemical regulation will be developed. The results obtained from this project will provide some information for the nitrogen removal and enrich the denitrification mechanism.

石化污水含氮量高，可生化降解有机物少，很难利用常规生物脱氮法处理，严重影响我国水环境和饮用水安全，亟需研发一种高效脱氮新方法。结合内循环微电解方法和脱氮的硝化反硝化原理，提出内循环微电解脱氮新方法，拟开展电化学调控下脱氮途径与机制研究。首先，利用CFD数值模拟方法分析内循环微电解反应器结构、物性和操作等参数对流场分布特征的影响，揭示内循环微电解脱氮效率的变化规律。其次，通过实验筛选主控因子，并建立脱氮效率的数学预测模型。采用离子色谱、气相色谱、GC-MS等检测手段分析脱氮过程的中间产物，明确脱氮途径与机制。最后，通过改变电位，揭示电化学因素对氮转化途径的影响规律，建立内循环微电解选择性脱氮的电化学调控方法。在此基础上，设计研发内循环微电解脱氮动态系统，通过实际工业污水脱氮研究，建立内循环微电解高效脱氮动态处理系统的调控理论与方法。本项目可为石化污水脱氮提供理论支撑，并丰富污水脱氮理论。

化工类废水往往具有低碳氮比特点，生物脱氮方法很难进行有效处理。本项目在开发的能够有效解决铁碳填料板结钝化的内循环反应器基础上提出了内循环微电解脱氮新方法，利用CFD数值模拟方法优化了反应器结构，利用实验设计的响应曲面法优化了实验条件并获得了数学模拟方程，开展了控制脱氮转化途径控制方法和脱氮微观机理研究，并将研究成果应用于实际焦化污水深度处理的应用研究，建立了内循环微电解脱氮的调控理论和方法。具体的创新性成果包括：1）建立了内循环反应器的数值模拟方法，结合UDF模型和溶解氧在反应器中的传值特点建立的模拟方法和实验获得的结果具有一致性，发现内循环反应器存在内循环管内部的氧化区域和内循环管外的还原区域，奠定了脱氮的理论基础，该研究成果的2篇文章分别发表于Chem. Eng. J. 和以封面文章发表于Chin. J. Chem. Eng.上；2）建立了内循环微电解的脱氮调控方法，提出了脱氮理论，通过调控pH和溶解氧可以实现污水中的氮朝着目标形态氮的转化，当pH=8.8，Fe/C=1：1，充气速率为30 L/min，有72%左右的氮朝着N2转化，有机氮也能在集氧化和还原于一体的内循环微电解反应中实现有效脱氮过程；该研究成果发表于J. Hazard. Mater.、Chin. J. Chem. Eng.、J. Water Process Eng.等杂志上；3）研究成果成功应用于实际焦化污水的深度处理小型中试试验，进水的COD浓度为120~250 mg/L，氨氮为15~25 mg/L，经过简单的内循环铁碳微电解处理后，COD能稳定在80 mg/L以下，氨氮能稳定在10 mg/L以下，由于反应器具有高效的传质传热特及流动特性，即使反应器连续运行4个月，并未出现填料板结钝化的现象，出水能够稳定达到现行的《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB16171-2012）要求。在本项目的资助下，共发表论文21篇，项目负责人晋升为教授，2名项目成员晋升为副教授，培养研究生3名，培养在读研究生3名。项目研究成果为低碳氮比的工业污水脱氮提供了理论和技术支撑，将推动污水脱氮工艺的发展，并丰富了脱氮理论，具有重要的科学意义。