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生活污水中氮(N)磷(P)的排放是引起湖泊水体富营养化的主要原因之一,而生活污水中的氮磷主要来自人们排放的尿液。本论文以在源分离生态排水系统中耦合尿液的电化学脱氮除磷技术作为研究目标,研究了工艺参数条件对源分离尿液电化学脱氮除磷的影响,并对电絮凝除磷污泥的资源化利用进行了研究。
针对源分离尿液的除磷需求,研究了初始pH、电流密度、极水比、稀释倍数、极板间距离、尿液水解与否等工艺条件分别对铁电极或铝电极电絮凝去除模拟源分离尿液中磷的影响。结果发现,使用铁电极或铝电极均能较好得去除源分离尿液中的磷,且使用铁电极时运行成本更低。利用铁电极除磷时,较合适的反应条件如下:初始pH为6.0左右,电流密度为40 mA·cm2、电解时间为30 min,极水比为160 cm2·L-1,极板间距离为5.0 mm,此时对水解尿液其除磷效率可达到99.57%,合计单位除磷运行成本约34.11元·kg-1对未水解尿液其除磷效率可达到99.41%,合计单位除磷运行成本约16.14元·kg-1。
针对源分离尿液的脱氮需求,研究了初始pH、电流密度、极水比、稀释倍数、食盐投加量等工艺条件对钌铱化合物涂层钛电极(Ru02-lr02-Ti02/Ti)电催化氧化脱氮的影响。结果发现,当电流密度为50 mA·cm-2、电解时间为180 min、极水比为160 cm2·L-1、极板间距离为5.0 mm时,对模拟水解后尿液中的NH4+-N去除率达到23.14%,相应除氨氮单位电耗Zi为40.29 kWh·kg-l,合计成本约32.23元.kg-1,而相同条件下,对模拟未水解尿液中的总氮(TN)去除率仅到35.71%,相应除总氮单位电耗Zi为32.39kWh·kg-1,合计成本约25.91元·kg-1。此外,研究发现未水解尿液的TN去除以及水解尿液的NH4+-N去除均符合一级动力学模型。
由于单一的电絮凝技术只能脱除尿液中的磷,而单一的电催化氧化技术只能脱除尿液中的氮,因此根据前文的初步结果,将电催化氧化与电絮凝进行组合,并研究了贮存时间与食盐投加量对组合技术去除水冲式源分离尿液与干式源分离尿液的影响。结果表明,对两种代表性尿液来说,贮存时间的延长会引起总磷(TP)去除率的降低,而对于NH4+-N与TN来说,在贮存时间为10--30 d内时其去除率会达到一个峰值;此外,随着食盐投加量的增加,其TP、TN和NH4+-N去除率随之增加,同时单位体积尿液处理成本下降。在合适的食盐投加量下,电化学技术对水冲式未水解尿液的TP、TN和NH4+-N去除率最高分别可达94.64%,59.45%和84.02%,而对于干式水解后尿液,相应的去除率最高分别可达91.90%,63.29%和57.28%。
最后,对尿液的铁电极电絮凝除磷污泥的资源化进行了研究。采用酸溶解一双氧水氧化-调节成分-沉淀的方法将污泥进行合成,并通过XRD、TG/DTG/DTA等手段对合成产物进行了检验,结果表明,将尿液的电絮凝除磷污泥合成回收价值高的FeP04·2H20是可行的,可以以此补偿尿液电化学脱氮除磷的运行成本。