農業有機廢水的三維電解試驗及參數優化

戴月珍，陳哲琪，于鎮偉，於海明

(1.江蘇宜興環境監測站，江蘇 宜興214200； 2.南京農業大學，江蘇 南京210031)

0 引言

當前農業有機廢水已成為制約農業生產綠色快速發展的重要阻礙，其主要來源有畜禽養殖過程中產生的糞便和作物種植過程中農藥化學品的殘留[1]。未處理的農業廢水會造成水體污染，對人類身體健康造成傷害[2-5]。某些廢水中含有大量污染物質，這種高濃度有機廢水會使水體因為富營養化而變黑發臭，破壞生物多樣性。有效處理農業有機廢水對農業生產發展具有重要意義[6-7]。

傳統的廢水處理方法有吸附法、過濾法、混凝沉降法和化學氧化法[8-10]。胡文云等[11]對中性紅廢水采用PAC和PAM進行混凝處理，探討溫度、pH值、攪拌時間和混凝劑投加量等因素對廢水COD和色度的去除影響。陳董根等[12]對二級生化出水進行深度處理，采用O3催化氧化法降解廢水中的有機物。研究發現單純依靠這種物化處理方法并不能達到預期效果且成本較高。因此，常采用生化法進行處理，通過厭氧和好氧處理，可以去除有機廢水中的大部分污染物，經濟性好，但流程復雜、周期長[13-15]。

試驗采用電化學技術來處理廢水，比較了鐵碳微電解法、電絮凝法和電催化氧化法，最終選擇以Fe2O3-GAC為三維電極的三維電極法進行有機廢水處理，根據廢水處理標準中的COD去除率和脫色率來評價不同條件參數下的處理效果，以選擇出處理有機廢水的最優參數組合[16-19]。

1 試驗材料與方法

1.1試驗材料與儀器

試驗所用的試驗試劑主要有亞甲基藍、硫酸亞鐵銨、重鉻酸鉀、硫酸銀、鄰菲羅啉、硫酸亞鐵、濃硫酸、氫氧化鈉和鹽酸，其中除重鉻酸鉀試劑的純度規格為優級純外，其余試劑純度規格均為分析純。

1.2試驗裝置

試驗采用試驗室自制的小型三維電極反應器，填充粒子為制備好的Fe2O3-GAC，相比其他金屬氧化物，Fe2O3-GAC能兼顧具有高強度穩定性和良好的電催化性能。試驗裝置主要由反應池、陰陽極板、空氣泵、流量計和高頻直流電源等組成，反應池底部有多孔隔板，防止活性炭泄漏，內部設置卡槽，便于極板位置的調節與安裝。極板上安裝導線接口，與整流器相連，整流器輸出高頻直流電流。試驗裝置如圖1所示。

1.3試驗方法

1.3.1填充電極預處理

為消除Fe2O3-GAC的吸附性對有機廢水電解效果的影響，在進行電解亞甲基藍廢水試驗前，必須將Fe2O3-GAC放在亞甲基藍溶液中進行浸泡預處理，在Fe2O3-GAC達到吸附飽和之后才能進行試驗。具體方法：將制備好的Fe2O3-GAC放入100 mgL的亞甲基藍溶液中浸泡2 h，再倒掉濾液，重新加入100 mgL的亞甲基藍，反復操作幾次，直至亞甲基藍溶液色度不再發生變化即可。

1.3.2試驗處理方法

完成單因素試驗后采用正交試驗來驗證試驗結果的合理性和準確性，對影響COD去除率和脫色率的因素進行主次排序。設計一組正交試驗，由于COD去除率和脫色率具有相同的變化屬性，因此本試驗只考察脫色率的變化。選定的3因素分別為電解時間、電流密度和pH值，正交試驗設計如表1所示。

表1 正交試驗設計

1.3.3COD含量測定

有機廢水處理效果的評價指標可由化學需氧量(COD)表示，試驗用重鉻酸鉀法進行測量[20-21]。

具體步驟：量取20 mL亞甲基藍溶液到錐形瓶，加入5 mL重鉻酸鉀(0.75 molL)，將其放在自動消解回流儀上，連接好瓶口，向冷凝口緩慢加入26 mL硫酸銀溶液，加熱2 h后冷卻至室溫，從冷凝口加入70 mL蒸餾水后將錐形瓶取出，滴入2～4滴試亞鐵靈指示劑，再用0.1 molL硫酸亞鐵銨標準溶液滴定至紅褐色終點，消耗的體積記為V1，再量取20 mL蒸餾水，重復以上過程，記錄消耗的0.1 molL硫酸亞鐵銨標準溶液的體積為V0，則COD可如式(1)計算。

(1)

式中C——硫酸亞鐵銨溶液的濃度，molL

綜上所述，相較于使用X線片診斷，使用單層螺旋CT診斷急性闌尾炎方法簡便，易于操作，安全程度高，診斷真確率高，總體來說效果良好更為可靠，值得臨床廣泛推廣。

V0——滴定空白(蒸餾水)時所消耗的硫酸亞鐵銨的體積，mL

V1——滴定檢測試樣時所需要的硫酸亞鐵銨的體積，mL

V——所取廢水水樣的體積，mL

根據計算出的廢水COD，可由式(2)計算亞甲基藍模擬廢水的COD去除率。

CODr=(1-CODeCODj)×100%

(2)

式中CODr——COD去除率

CODe——電解后COD值

CODi——未處理COD值

有機廢水處理過程中除考慮COD含量指標外還需考慮其脫色率。測定方法：打開紫外分光度計初始化30 min，由于亞甲基藍的最大吸收波長為664 nm，設置波長為664 nm，將蒸餾水作為對照，加入光程10 nm的比色皿，測量吸光度；用滴管滴入一定量的亞甲基藍溶液，再次測量吸光度，記為A1，分別測量不同電解工藝條件下的樣本吸光度，記為Ai，根據廢水前后吸光度的變化可以計算出脫色率S，計算方法如式(3)所示。

(3)

1.4數據處理

利用SPSS和Origin軟件對單因素試驗和正交試驗的結果進行分析，根據結果對比得出能獲得最佳處理效果的參數組合。

2 試驗結果

2.1單因素試驗

2.1.1電解時間對有機廢水處理效果的影響

對亞甲基藍模擬廢水進行電解時，在不同時間下取樣分析，廢水的COD去除率和脫色率變化如圖2所示。

從圖2可以看出，由于廢水中染色分子沒有被完全礦化，所以脫色率高于COD去除率。圖中顯示，隨著通電時間的增加，廢水的COD去除率和脫色率都有了明顯提高，在反應的開始階段增長迅速，這是由于反應一開始大量有機物迅速被降解，有機物的量逐漸減少，傳質效率下降，所以增加逐漸緩慢。在電解時間為30 min時，廢水COD去除率達到59.7%，脫色率達到88.5%，如圖3所示，30 min后二者幾乎沒有明顯變化，而且會提高能耗，增加成本，所以電解時間為30 min時是合理的選擇。

2.1.2電流密度對有機廢水處理效果的影響

以單位面積上的電流大小(電流密度)作為自變量，考察不同電流密度下廢水的COD去除率和脫色率的變化，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著電流密度的逐漸增大，廢水COD去除率和脫色率都在同時提高。當電流密度為8 mAcm2時，廢水的COD去除率和脫色率都達到較好的處理水平，分別是56.7%和82.9%，電解前后如圖5所示。電流密度在8 mAcm2之前，隨著電流密度的增加，二者的增長率是先高后低，這是因為電流密度逐漸增大，增大了粒子間吸引有機物附著的驅動力，有利于羥基自由基的產生，從而加速有機物的降解。當電流密度>8 mAcm2時，廢水處理效果上升緩慢，這是由于電流增大，水溫升高，填充粒子活性降低，水中副反應增多，降低電流利用效率，能耗增加，所以合理的電流密度應該為8 mAcm2。

2.1.3pH值對有機廢水處理效果的影響

電解不同pH值的廢水，其COD去除率和脫色率的變化如圖6所示。

2.2正交試驗

由單因素試驗結果可知，電解時間、電流密度和pH值對有機廢水處理效果有一定影響，這3個因素對處理效果的聯合作用，如表2所示。

表2 正交試驗結果

表2中的K1、K2和K3分別表示各因素在1、2和3水平上的平均脫色率。由表2可知，A因素(電解時間)在水平3上的平均脫色率最大，即電解時間為30 min時為最佳條件；B因素(電流密度)在水平2上的平均脫色率最大，即電流密度為8 mAcm2時為最佳反應條件；C因素(pH值)在水平2上的平均脫色率最大，即pH值為6時為最佳反應條件。因此，最佳的工藝參數組合為A3B2C2。方差分析如表3所示，由表3可知，電解時間、電流密度和pH值均對廢水處理效果有顯著影響，且在影響程度上，方差分析和極差分析均顯示，電解時間>電流密度>pH值。

表3 正交試驗方差分析

3 結論

單因素試驗和正交試驗結果均表明，在以Fe2O3-GAC為三維電極的電解試驗中，當電解時間為30 min、電流密度為8 mAcm2和pH值為6時，可以獲得最好的有機廢水處理效果。正交試驗結果還顯示，3個因素中，影響廢水降解效果的主次順序依次是電解時間、電流密度和pH值，這一結果驗證了前述單因素試驗最優參數的合理性。在以最優參數組合對試驗室實際的有機廢水進行試驗后，廢水COD去除率達到59.7%，脫色率達到88.5%，廢水處理效果非常顯著。