低溫等離子體法提高廢水可生化性的可行性研究

陳瑞華，王艷華，2，高嬋娟

（1. 長安大學環境科學與工程學院，陜西 西安 710054； 2. 中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

隨著人類生產和生活活動范圍的不斷擴大，以及社會對環境問題的不夠重視，從而越來越嚴重的環境污染問題隨之產生。據統計，全世界三分之一以上死亡者的死因及八成以上的疾病來源都與水體污染相關，受污染水體中大量的污染物質嚴重威脅著人類的生存健康[1]。化學、物理、生物法等是常規的廢水處理技術，它們有著各自的適用對象、范圍以及優點，其中生物法因處理廢水既經濟又有效而得到廣泛的應用[2]。然而，這些傳統的污水處理方法對一些難降解的有毒有害廢水處理效果卻不理想[3]。因此，多種廢水處理高新技術隨之涌現出來。

低溫等離子體技術兼具高溫熱解、紫外光解、臭氧氧化及高能電子輻射等的協同降解作用，是近年新興的眾多廢水處理新技術之一，該技術不僅能有效去除廢水中的難降解物質，而且具有處理范圍廣泛、處理效果良好、無二次污染、降解速率快、可在常溫常壓下進行等一系列優點，尤其在難降解有毒廢水處理方面有著明顯的優越性，被譽為 21世紀最具發展前途的廢水處理新技術[3]。

等離子體是不同于物質固、液、氣三態的物質存在的第四種形態，其中含有激發態原子和分子，電子，離子以及自由基等[4]。等離子體是由大量具有相互作用的正離子、負離子、電子、自由基和各種活性基團等的帶電粒子所組成的具有宏觀時空尺度的體系，也就是電離率足夠大時的一種電離氣體[5]。其系統性質由帶電粒子決定，由于其中正電荷和負電荷電量相等，所以整個系統呈現電中性。目前，低溫等離子體技術已在氣體、水體的污染治理方面取得了一定進展。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

低溫等離子體技術是集聚臭氧氧化、光化學催化氧化以及高能電子輻射于一體的新型廢水處理新型技術[3]。各自方法的作用機理為[6-8]：(1)臭氧作用:臭氧在水中發揮氧化分解作用，可以氧化分解污染物，起到殺菌、除臭、脫色、病毒滅污以及除酚氰等有害物質的作用，可降解水中的COD 和BOD5；(2)紫外線作用：反應物分子先吸收光子轉為激發態，再通過化學反應消耗能量從而返回基態，與此同時，吸收的能量使有害物分子鍵斷裂，生成相應的離子或游離基，這些物質易與水分子或溶解氧反應生成新物質而被除去；(3)高能電子作用：與氣體分子碰撞產生大量的與有機物反應的臭氧、游離氧、自由基。

1.2 試劑和儀器

本實驗所用的主要試劑有硫酸，重鉻酸鉀，硫酸銀，硫酸亞鐵銨，硫酸亞鐵，氯化鉀，無水葡萄糖，磷酸氫二鈉，磷酸二氫鈉，L—谷氨酸，鹽酸及氫氧化鈉，均為分析純。

LBSP–1A型等離子體電源：藍寶石光電技術有限公司；FA2104電子分析天平：上海天平儀器廠；PB–10型PH計：sartorius ；LY—1型BOD快速測定儀：中國青島綠宇環保科技有限公司；5B—1型COD快速測定儀：蘭州連華環保科技有限公司。

1.3 廢水水質

直接桃紅染料廢水

1.4 實驗方法

（1）COD的測定

COD的測定采用重鉻酸鉀法。

1）測定原水的CODCr值。

2）分別改變電極間距，pH，濃度，厚度等因素中的一個，使廢水在低溫等離子體裝置中反應。反應時間分別取6，9，12，15，18，21 min。放電3 min休息2 min。

3）測定反應后的CODCr值。

（2）BOD的測定

采用BOD快速測定儀進行BOD的測定。

取最佳（電極間距、初始濃度、水樣厚度、pH）條件下的一組水樣，將其在低溫等離子體裝置中處理，將取得的6組樣在BOD快速測定儀上進行測定。

1.5 分析方法

用BOD/COD值判斷廢水的可生化性是否提高。

2 結果與討論

2.1 pH對COD降解率的影響

從圖 1(a)中可看出取一相同的時間段（15～21 min），pH=7時的COD降解程度最大，因而其最佳pH在7左右。

2.2 濃度對COD降解率的影響

從圖 1(b)中可看出取一相同的時間段（15～21 min），C=2 g/L時的COD降解程度最大，因而其最佳濃度在2 g/L左右。

2.3 間距對COD降解率的影響

從圖 1c中可看出取一相同的時間段（15～21 min），H=5 mm時的COD降解程度最大，因而其最佳濃度在5 mm左右。

2.4 液面厚度對COD降解率的影響

從圖 1d中可看出取一相同的時間段（15～21 min），D=9 mm時的COD降解程度最大，因而其最佳濃度在9 mm左右。

圖1 pH、濃度、間距、液面厚度對COD降解率的影響Fig.1 Effects of pH, concentration, spacing, surface thickness on the degradation rate of COD

總結上述4組實驗結果知，在不同條件下，隨 放電時間的加長，在低溫等離子體中的高能電子、臭氧及紫外線共同作用下，COD值總體呈下降趨勢，但個別地方卻出現不降反增現象，這是因有機物中的隱性COD被釋放出來，導致COD測量結果在一定范圍內增大。

2.5 最佳條件下的BOD值變化

由圖2可見，最佳條件下，隨放電時間的加長，BOD值從放點開始起一直增大，這是由于低溫等離子體中高能電子、臭氧及紫外線共同作用導致的結果。

圖2 最佳條件下的BOD值變化Fig.2 The changes of BOD value under the optimum conditions

2.6 pH對可生化性的影響

從圖 3(a)可以看出不同 pH條件下的可生化性都有所提高。放電15 min后提高的速率較快。

2.7 間距對可生化性的影響

從圖 3(b)可以看出不同間距條件下的可生化性都有所提高。放電15 min后提高的速率較快。

2.8 濃度對可生化性的影響

從圖 3(c)可以看出不同濃度條件下的可生化性都有所提高。放電15 min后提高的速率較快。

2.9 液面厚度對可生化性的影響

從圖 3(d)可以看出不同液面厚度條件下的可生化性都有所提高。放電15 min后提高的速率較快。

由上述四組實驗結果知，在不同條件下經低溫等離子體裝置處理的廢水，由于BOD升高而COD降低，所以可生化性均有所提高，這是因為低溫等離子體中高能電子、臭氧及紫外線共同作用導致。由此可知，低溫的離子體提高廢水可生化性是可行的。

圖3 pH、間距、濃度、液面厚度對可生化性的影響Fig.3 Effects of pH, spacing, concentration, liquid thickness on biodegradability

3 結 論

本論文以直接桃紅模擬廢水為處理對象，研究了低溫等離子體技術對它的處理效果，可生化性提高機理，得到如下研究結果。

通過改變間距、pH、濃度、液面厚度、放電時間等參數，對直接桃紅染料廢水進行低溫等離子體處理。以廢水 BOD/COD為指標，考察低溫等離子體對直接桃紅染料廢水的處理效果。

結果表明，低溫等離子體處理染料廢水在間距5 mm，pH為7，液面厚度9 mm，濃度為2 g/L的條件下，對直接桃紅溶液COD降解率達到最好。

［1］ 楊永華．生存的憂患[M]. 深圳：海天出版社，2000：120-123．

［2］ 蔣展鵬．環境工程學 [M]. 北京：高等教育出版社，1992：168-170．

［3］ 朱元右．等離子體技術在廢水處理中的應用[J]. 工業水處理，2004，2 (9) ：13-16．

［4］ 李天鳴，閆光緒，郭紹輝. 低溫等離子體技術在環境污染物治理中的應用研究進展 [J]. 科技咨詢導報，2007(8) ：4．

［5］ 曹根華．光催化氧化法處理染料廢水的研究[J]. 河北工業大學化工學院，2003(1)：29-30．

［6］ 楊偉生，李曉，李洪．等離子體技術在環境領域的研究狀況[J]. 資源節約與環保，2009(2) ：41-44．

［7］ 李曉菁，陳杰，王容等．低溫等離子體技術在化工中的應用[J]. 河南化工，2003(5) ：7-9.

［8］ 吳向陽，仰榴青，儲金宇．低溫等離子體處理廢液技術[J]. 化工環保，2002(2) ：111-114．