氮类营养物污染带来的富营养化问题在全球日益突出,污水处理厂作为氮类污染物的主要来源之一,深度脱氮技术是当前研究的热点和重点。电化学工艺作为环境友好技术,已应用在多种废水的处理过程中。其中,电化学氧化氨氮工艺的研究主要集中在高浓度氨氮废水上,对低浓度氨氮废水处理关注较少;电还原硝酸盐技术日益受到关注,但将电还原硝酸盐技术应用到城市污水厂出水中的研究报道很少;而将电化学氧化和还原技术耦合用于处理污水厂二沉池出水中氮类污染物和消毒,以解决经济发达地区深度处理、寒冷地区冬季氨氮和总氮难以达标等问题的研究尚未见报道。本文提出了将阳极氧化氨氮和阴极还原硝酸盐结合的方式,全面分析了单独氧化、单独还原及联合作用的影响因素、反应机制及污染物去除动力学。为研究电化学反应机制及实现同步脱除氨氮、硝酸盐氮和消毒作用,对反应器的构造进行了改进,构建了单室体系、双室体系及内循环双室电化学体系,并研究它们各自的污染物去除率、水质条件影响程度、操作条件影响程度和氯元素的形态变化规律,进而考察了该技术应用到实际二沉池出水上的可行性和生物安全性,最后揭示电化学同步脱氮消毒作用的机制与反应动力学。研究结果表明,电化学单独氧化氨氮过程中,氨氮去除速率受氯离子浓度影响最大,Cl-/NH4+决定了反应的控速步骤,当氨氮初始浓度为20mg/L,Cl-/NH4+为0.8、2、4、6和8时,氨氮的去除速率常数分别为0.52、1.36、2.08、2.85和3.69L/A·h。该过程中氨氮去除受电流密度影响较小,基本不受低温影响(8~20℃)。在去除氨氮的同时,还可去除10%总有机碳和12%~75%有机氮。在氨氮氧化过程中,当氯离子浓度大于250mg/L,电量0.07Ah/L时还可同步实现完全灭菌。将电化学耦合吸附技术用于强化低氯条件下氨氮去除过程的研究发现,采用沸石作为粒子耦合电化学工艺中氨氮去除率(69%)优于活性炭粒子(25%)。在低氯环境下,该强化技术对氨氮、有机碳和无机碳的去除效果均优于单室电化学体系。在对电化学单独还原硝酸盐的研究中发现,阴极材料、反应器构造、阴极电极电位和阴离子浓度是影响硝酸盐氮还原的重要因素。不同阴极材料的硝酸盐氮还原能力和耐腐蚀能力均有不同,其中碳毡阴极上硝酸盐氮去除率最高(70%),其次为Cu90Ni10(58%)和Ti(8%),而碳毡和Ti阴极都表现出良好的耐腐蚀特性。双室电化学体系对硝酸盐氮的还原效果(70%)远优于单室体系(10%),说明阳离子隔膜对于屏蔽阴极还原和阳极氧化的相互作用至关重要。还原效率最优的阴极电极电位应为-1.8V,还原效率和还原产物都将随着阴极电极电位的变化而变化。同步脱氮消毒工艺的研究表明在适当的条件下,阳极氧化氨氮、阴极还原硝酸盐和消毒作用可在电化学体系内同时进行。在最优操作条件下,将该技术应用到二沉池出水中,在1.23Ah/L电量时可达到96%氨氮和36%硝酸盐氮的去除,在0.072Ah/L电量时可100%灭活粪大肠杆菌。细菌的消毒过程无需外加消毒剂,且消毒过程中所产生的副产物浓度较低,对周围环境的生物毒性极小。实验结果说明该电化学工艺可作为城市和工业污水厂二沉池出水深度脱氮消毒工艺,或作为确保氨氮、总氮在寒冷地区冬季达标排放的保障应急工艺。氨氮的阳极氧化过程通过间接氧化产生的游离余氯来实现,可用准一级反应动力学描述,拟合的反应动力学常数模型与实验值拟合度较好。硝酸盐氮的还原作用发生在阴极表面,存在两步还原机制,其去除动力学也可用准一级反应动力学描述。同步脱氮消毒是通过阳极区游离余氯的氧化作用和阴极区的电极直接还原作用来实现的。当硝酸盐氮出现时,氨氮的氧化动力学公式在准一级反应动力学的基础上用指数衰减公式进行修正,并取得了较好的模拟效果。本文的研究工艺可解决寒冷地区冬季污水厂总氮、氨氮达标困难的共性问题,兼具消毒杀菌功能,因此也可用作污水厂出水回用的深度处理方法,为污水厂总氮的减排任务提供新的思路和科学依据。