微電流電解去除養(yǎng)殖海水中氨氮效果

葉章穎，裴洛偉，林孝昶，顧招兵，王　朔，朱松明，阮贇杰※（.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州30058；.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，昆明6500）

?

微電流電解去除養(yǎng)殖海水中氨氮效果

葉章穎1，裴洛偉1，林孝昶1，顧招兵2，王朔1，朱松明1，阮贇杰1※
（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310058；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，昆明650201）

摘要：為了探究微電流電解技術(shù)去除養(yǎng)殖水體中氨氮的效果，試驗(yàn)以鹽度為30‰（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）人造海水為對(duì)象，設(shè)置了循環(huán)水溫度、流速和電流密度3個(gè)參數(shù)以及對(duì)應(yīng)參數(shù)的3個(gè)水平，探究其對(duì)氨氮去除率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)設(shè)置的溫度（18、25、32℃）和流速（100、300、500 mL/min）條件下，循環(huán)水溫度和流速的變化對(duì)氨氮去除率影響并不明顯。試驗(yàn)設(shè)置的電流密度（20、40、60 A/m2）條件下，對(duì)氨氮去除率有明顯作用，且電流密度越大，單位時(shí)間內(nèi)氨氮去除速率越快。正交試驗(yàn)確定了最優(yōu)去除條件為電流密度、水溫和流速分別為40 A/m2、32℃、500 mL/min。通過(guò)能耗分析可知，在設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，不同溫度條件下最低能耗條件為電流密度40 A/m2、流速300 mL/min，最低的能耗為21.26 Wh/kg。研究結(jié)果可以為微電流電解在海水循環(huán)水養(yǎng)殖中氨氮降解提供參考。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖；電解；溫度；養(yǎng)殖海水；氨氮；流速；電流密度

葉章穎，裴洛偉，林孝昶，顧招兵，王朔，朱松明，阮贇杰.微電流電解去除養(yǎng)殖海水中氨氮效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（01）：212-217.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.030 http://www.tcsae.org

Ye Zhangying, Pei Luowei, Lin Xiaochang, Gu Zhaobing, Wang Shuo, Zhu Songming, Ruan Yunjie.Ammonia removal effect by using micro-current electrolysis in aquaculture saline water[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 212－217.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.030 http://www.tcsae.org

0　引言

在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖對(duì)象的代謝產(chǎn)物、餌料殘?jiān)群鞍踪|(zhì)的物質(zhì)不能及時(shí)分解，產(chǎn)生的氨氮是水體主要污染物來(lái)源[1]。很多研究表明，水體中的氨氮和亞硝酸鹽含量過(guò)高會(huì)對(duì)養(yǎng)殖生物造成毒害作用，氨氮含量超過(guò)1 mg/L時(shí)將會(huì)對(duì)魚類攝食行為產(chǎn)生影響，氨氮含量超過(guò)2 mg/L時(shí)將會(huì)引起養(yǎng)殖生物大量死亡[2-3]。為了避免系統(tǒng)中氨氮的積累，目前經(jīng)常采用生物硝化處理使水中氨氮降至2～3 mg/L[4]。然而，傳統(tǒng)的生物硝化反應(yīng)器存在著一些弊端。硝化細(xì)菌是自養(yǎng)型細(xì)菌，增殖時(shí)間較長(zhǎng)，15℃以下基本失去作用[5]，正因?yàn)槿绱讼趸磻?yīng)器受溫度的影響很大，另外生物填料的掛膜時(shí)間長(zhǎng)[6]，尤其是對(duì)于一些冷水性魚類養(yǎng)殖，硝化反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，一旦系統(tǒng)運(yùn)行失敗，硝化細(xì)菌菌落要很久才能恢復(fù)[7]，因此生物硝化需要結(jié)合一些新的氨氮去除技術(shù)來(lái)避免溫度波動(dòng)引起的生物硝化反應(yīng)器效率的降低[8]。

隨著電極制造技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)電化學(xué)氧化作為高級(jí)氧化技術(shù)在污水處理領(lǐng)域得到了人們的更多關(guān)注。目前對(duì)電化學(xué)去除氨氮的研究主要集中在對(duì)高濃度氨氮廢水的處理上，如垃圾滲濾液[9]、養(yǎng)豬場(chǎng)廢水[10]、污泥消化液[11]等，在低濃度氨氮情況下，尤其是在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中有關(guān)電化學(xué)氨氮的去除研究較少，同時(shí)循環(huán)水養(yǎng)殖中比較關(guān)鍵的一些參數(shù)如水溫、流速等對(duì)電解法降低氨氮濃度的影響更是未見報(bào)道。

本文主要研究了不同循環(huán)水流速、溫度和電流密度條件下，微電流電解對(duì)養(yǎng)殖海水中氨氮的處理效果，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各處理?xiàng)l件下的能耗進(jìn)行了分析，確定了最優(yōu)電解條件，以期為電解法應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖中的氨氮降解提供參考。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

Na2S2O3、酒石酸鉀鈉、醋酸、可溶性淀粉、NH4Cl、KI均為分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；海水晶購(gòu)于浙江海藍(lán)星有限公司。

鈦基鉑電極（陜西易萊德新材料科技有限公司，西安），APS3005D型穩(wěn)壓直流電源（南京國(guó)睿安泰信科技有限公司，南京），85-2型恒溫磁力攪拌器（杭州儀表電機(jī)有限公司，杭州），PRX-250B型人工智能氣候箱（寧波海曙賽福實(shí)驗(yàn)儀器廠，寧波）以及蠕動(dòng)泵（保定申辰泵業(yè)有限公司，保定），Cary 60型紫外可見分光光度計(jì)（Agilent Technologies Co.，上海），Seven-Multi型pH/氧化還原電位（available chlorine concentration, ORP）/電導(dǎo)率綜合測(cè)試儀（梅特勒-托利多儀器有限公司，上海），BSA822電子天平（賽多利斯股份公司）。

1.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由電解槽（材料為有機(jī)玻璃，體積為12.0 cm× 11.0 cm×13.0 cm），2片電極片（長(zhǎng)和寬分別為9.6 cm×6.0 cm），直流穩(wěn)壓電源，恒溫磁力攪拌器，人工智能氣候箱以及蠕動(dòng)泵和塑料軟管組成，水體溫度控制通過(guò)恒溫磁力攪拌器和人工氣候箱調(diào)節(jié)，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1　微電流電解試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Sketch of micro current electrolysis

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1模擬廢水配制

氨氮初始溶液：取優(yōu)級(jí)純氯化銨試劑3.819 g，加入純水定容至1 L，作為氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（1 000 mg/L）。取上述標(biāo)準(zhǔn)溶液20 mL，加入海水晶60 g，加純水定容至2 L，即初始溶液氨氮濃度為10 mg/L，鹽度30‰（即養(yǎng)殖海水的一般鹽度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

1.3.2取樣及數(shù)據(jù)測(cè)量

取上述初始溶液2 L，用恒溫磁力攪拌器對(duì)初始溶液進(jìn)行加熱，待溶液達(dá)到所設(shè)定的溫度時(shí)，將其倒入電解槽與1 L燒杯后，放入設(shè)定相同溫度的人工智能氣候箱中，開啟蠕動(dòng)泵，使得溶液在電解槽和燒杯中循環(huán)。當(dāng)其流速穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)電源電流，使得電流密度達(dá)到設(shè)定值后開始電解，每隔15 min從燒杯中的進(jìn)水口附近取5 mL樣品。電解完成后，對(duì)樣品進(jìn)行氨氮、pH值、氧化還原電位（ORP）和有效氯濃度等參數(shù)的測(cè)量，每組參數(shù)測(cè)量3次，取平均值。

pH值、ORP利用多功能pH計(jì)測(cè)定，余氯用碘量法測(cè)定[12]，氨氮濃度采用國(guó)標(biāo)方法[13]進(jìn)行測(cè)定。氨氮的去除效果用去除率來(lái)表示：

式中C0為氨氮初始濃度，mg/L；Ct為時(shí)間t時(shí)溶液中的氨氮濃度，mg/L。

1.3.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Origin軟件（Ver.8）進(jìn)行畫圖分析，應(yīng)用SPSS （Ver.18.0）進(jìn)行方差分析和正交分析，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2　結(jié)果與分析

2.1微電流電解去除氨氮效果

2.1.1流速對(duì)氨氮去除效果的影響

為探究流速對(duì)氨氮去除率的影響，設(shè)定電解的電流密度為40 A/m2、水體溫度為25℃，通過(guò)蠕動(dòng)泵控制水流速度分別為100、300、500 mL/min，處理時(shí)間為90 min。

結(jié)果如圖2所示，氨氮的去除率隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，在90 min時(shí)去除率分別達(dá)到92.38%、95.15%、93.27%；總體上看來(lái)循環(huán)流速越大，氨氮的去除率越高。

圖2　流速對(duì)氨氮去除率的影響Fig.2 Effect of velocity on ammonia removal rate

對(duì)不同流速條件下，60 min內(nèi)不同時(shí)間的氨氮去除率進(jìn)行單因素分析，分析結(jié)果表明，不同的流速條件下，經(jīng)過(guò)電解15（P＞0.05）、30（P＜0.05）、45（P＜0.05）和電解60 min （P＜0.05），15 min后氨氮的去除率差異較顯著，60 min后隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)低流速100 mL/min下氨氮的去除率出現(xiàn)顯著升高。

由于電化學(xué)去除氨氮的過(guò)程主要是間接電化學(xué)氧化，電解過(guò)程中游離氯的產(chǎn)生量可以間接反映氨氮的去除效果[14]。在電解槽結(jié)構(gòu)、輸出電流不變而且陽(yáng)極電流密度較大的情況下，陽(yáng)極的析氯過(guò)程主要受傳質(zhì)過(guò)程的控制。由電化學(xué)知識(shí)可知，陽(yáng)極過(guò)電位由以下公式表示[15]：

式中T絕對(duì)溫度，K；F是法拉第常數(shù)，96 485 C/mol；R氣體常數(shù)，J/（mol·K）；η陽(yáng)極過(guò)電位；D擴(kuò)散系數(shù)，m2/S；δ擴(kuò)散層厚度，m；i電流密度，A/m2；a電子遷移數(shù)。

在海水溫度不變的條件下，擴(kuò)散系數(shù)D可近似認(rèn)為不變。當(dāng)電解過(guò)程中海水流速發(fā)生變化時(shí)，主要影響擴(kuò)散層的厚度δ。當(dāng)海水流速增大時(shí)，δ減小，則陽(yáng)極的過(guò)電位也相應(yīng)地減小，因此，析氯反應(yīng)就更容易進(jìn)行，陽(yáng)極的電流效率增加。當(dāng)海水的流速過(guò)大時(shí)，電解液對(duì)管壁的沖擊力增大，水體振蕩加劇，電解產(chǎn)生的氯氣在海水中的溶解度降低，有效氯產(chǎn)率降低。此外，當(dāng)海水流速過(guò)大時(shí)，海水在電解槽中的電解時(shí)間變短，也會(huì)影響有效氯產(chǎn)率。根據(jù)陳佼驕的試驗(yàn)結(jié)果[15]可知，當(dāng)溫度一定、電流密度一定時(shí)，電流效率隨著流速增大呈先增大后降低的規(guī)律，且當(dāng)流速較大時(shí)，由于紊流使得Cl2的溶解度降低，水中的Cl2含量降低。而本試驗(yàn)中60 min后隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)低流速100 mL/min下氨氮的去除率出現(xiàn)顯著升高。這可能是由于高流速條件下水體振動(dòng)加劇，氯氣的溶解度降低，從而導(dǎo)致了單位時(shí)間內(nèi)氨氮去除率的升高低于較低流速條件。

在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，適宜流速的確定主要兼顧3方面，即動(dòng)物生長(zhǎng)速度較佳、水質(zhì)氮素較低、水循環(huán)動(dòng)力較省。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)流速的研究較少且研究?jī)?nèi)容差異較大，孫國(guó)祥等[16]研究發(fā)現(xiàn)大菱鲆特定的生長(zhǎng)速率隨流速增加表現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，與水質(zhì)氮素變化特征相吻合，但是隨著流速的繼續(xù)升高，水質(zhì)有害氮素未有進(jìn)一步減少，從而生長(zhǎng)性能表現(xiàn)出的差異不顯著。因此，在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中循環(huán)流速的確定要更多考慮流速對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象生長(zhǎng)的影響和水循環(huán)動(dòng)力等多個(gè)因素。

2.1.2溫度對(duì)氨氮去除效果的影響

為探究溫度對(duì)氨氮去除率的影響，設(shè)定電解的電流密度為40 A/m2、水流速度為300 mL/min，通過(guò)恒溫磁力攪拌器和人工氣候箱控制水溫分別為18、25、32℃（即一般養(yǎng)殖魚類的生長(zhǎng)溫度范圍），處理時(shí)間為90 min。

結(jié)果如圖3所示，氨氮的去除率在60 min內(nèi)迅速升高，不同溫度下分別達(dá)到87.45%、88.78%、92.25%，隨后去除速率逐漸趨于穩(wěn)定，最終去除率都達(dá)到90%以上。

對(duì)不同溫度條件下，60 min內(nèi)的不同時(shí)間的氨氮去除率進(jìn)行單因素分析，分析結(jié)果表明，不同溫度條件下，經(jīng)過(guò)電解15（P＞0.05）、30（P＞0.05）、45（P＞0.05）和60 min（P＞0.05），氨氮去除率差異不明顯。

圖3　溫度對(duì)氨氮去除率的影響Fig.3 Effect of temperature on ammonia removal rate

由于電解析氯反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此升高溫度會(huì)促進(jìn)析氯反應(yīng)的發(fā)生，但溫度升高使得溶液中氯氣的溶解度降低，且會(huì)加快次氯酸鹽的分解[15]。所以提高循環(huán)水的溫度并不能簡(jiǎn)單的提高產(chǎn)氯反應(yīng)，從而不能簡(jiǎn)單的提高氨氮去除效率，因此本試驗(yàn)中設(shè)定的3組溫度的氨氮去除率區(qū)別不大。傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)因?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)受溫度影響較大，通常低溫條件下，脫氮效果會(huì)有明顯的降低，為了使水中氨氮維持在較低水平，硝化反應(yīng)器的體積要適當(dāng)增大，這樣就增加了系統(tǒng)的投入和運(yùn)行成本[17]。而從本試驗(yàn)的分析中可以看出，溫度對(duì)于電解脫氮的影響并不明顯，所以電化學(xué)處理氨氮技術(shù)可望解決冷水魚養(yǎng)殖過(guò)程中生物濾器處理效率不高的問(wèn)題。

2.1.3電流密度對(duì)氨氮去除效果的影響

為探究電流密度對(duì)氨氮去除率的影響，設(shè)定水溫為25℃、水流速度為300 mL/min，依據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源使電流密度分別為20、40、60 A/m2，處理時(shí)間為90 min。

結(jié)果如圖4所示，氨氮的去除率隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，在90 min時(shí)達(dá)到90%左右，電流密度為40 A/m2和60 A/m2時(shí)氨氮去除率差異不大（P＞0.05），且均在60 min左右基本達(dá)到穩(wěn)定，而電流密度為20 A/m2氨氮的去除率要明顯低于另外兩組電流密度，例如45 min時(shí)的去除率分別為46.88%、81.35%、84.01%。

圖4　電流密度對(duì)氨氮去除率的影響Fig.4 Effect of current density on ammonia removal rate

對(duì)不同電流密度條件下，60 min內(nèi)的不同時(shí)間的氨氮去除率進(jìn)行單因素分析，分析結(jié)果表明，不同電流密度條件下，經(jīng)過(guò)電解15（p＜0.05）、30（p＜0.01）、45（p＜0.01）和60 min（p＜0.01），氨氮去除率差異明顯。兩兩對(duì)比分析的結(jié)果表明，當(dāng)電解15 min時(shí)，僅20 A/m2和60 A/m2的氨氮去除率差異明顯；當(dāng)電解60 min時(shí)，僅40 A/m2和60 A/m2差異不明顯。其他時(shí)間段，不同電流密度之間的差異均明顯。

電流效率η（%）計(jì)算公式如下[18]：

式中I為電流大小，A；F為法拉利常數(shù)，96 485 C/mol；V為電解液體積，L；t為時(shí)間，min；14為氮的摩爾質(zhì)量；3為轉(zhuǎn)移的電子數(shù)。

圖5　不同電流密度對(duì)電化學(xué)氧化氨氮廢水過(guò)程中電流效率的影響Fig.5 Effect of current density on current efficiency during ammonia removal rate

由圖5可以看出，在電流密度為40 A/m2和60 A/m2條件下電解前30 min電流效率迅速升高，30 min之后電流效率逐漸降低，因此氨氮的去除速率也趨于穩(wěn)定，然而電流密度為20 A/m2條件下電流效率持續(xù)保持升高。這是由于開始時(shí)氨氮濃度較高，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)氨氮濃度逐漸降低，導(dǎo)致電流效率的降低。但是當(dāng)電流密度越大時(shí)，所能提供的電子越多，產(chǎn)生氯氣的效率則越高。因此當(dāng)流速和溫度條件不變的情況下，一定的電流密度范圍之內(nèi)，電流密度越大時(shí)，氨氮的去除率則越高。但同時(shí)也需要注意若電流密度超出范圍，則電流密度越大，能量消耗越大，能量效率越低，且副反應(yīng)會(huì)增多[15]。隨著電化學(xué)氧化的過(guò)程發(fā)生，電解過(guò)程中會(huì)逐漸的產(chǎn)生副產(chǎn)物[19]。養(yǎng)殖水經(jīng)過(guò)處理后仍然需要通過(guò)循環(huán)進(jìn)入養(yǎng)殖系統(tǒng)，所以盡管溶液產(chǎn)生的副產(chǎn)物如三鹵甲烷（THMs）的總含量并不多，但仍然需要利用其他手段例如加入活性炭或曝氣來(lái)去除副產(chǎn)物，從而避免其對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象造成毒害[20]。所以實(shí)際循環(huán)水養(yǎng)殖中，不能僅靠提高電流密度來(lái)提高氨氮的去除率，否則2次處理所帶來(lái)的成本將會(huì)有一定提高。

2.1.4電流密度、流速、溫度對(duì)氨氮去除效果的正交分析

為了探究電流密度、流速、溫度對(duì)氨氮去除的影響，對(duì)不同條件下60 min時(shí)氨氮的去除率進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平見表1：

表1　因素水平表Table 1　 Table of factor level

表2　試驗(yàn)結(jié)果及其直觀分析Table 2 Experimental results and analysis

由表2可以看出電流密度是影響氨氮去除率的主要因素，最后確定去除氨氮的最優(yōu)條件為電流密度40 A/m2、32℃、500 mL/min。

對(duì)最優(yōu)電解條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果如下：

由圖6可以看出在電流密度40 A/m2、溫度32℃、流速500 mL/min條件下，60 min時(shí)氨氮去除率達(dá)到94.37%，之后保持緩慢升高，90 min時(shí)達(dá)到97.41%。

圖6　最優(yōu)電解條件下氨氮去除效果Fig.6 Removaleffectofammoniaunderoptimalelectrolysiscondition

2.2電解過(guò)程能耗分析

去除單位質(zhì)量氨氮所消耗的電能是考慮處理氨氮廢水成本的主要參數(shù),能耗計(jì)算公式如下：

式中E為氨氮去除率達(dá)到90%左右時(shí)的能耗，kWh/kg；U為電壓值；V，I為電流值，A；t為時(shí)間，h；m為氨氮去除量，kg。

在忽略控制流速和溫度的能耗，僅考慮電源電解帶來(lái)的能耗的條件下，對(duì)所有條件下氨氮去除率達(dá)90%左右時(shí)進(jìn)行能耗分析，結(jié)果如下：

表3　不同條件下去除氨氮的能耗分析Table 3 Energy consumption of ammonia removal under different condition（kWh/kg）

1）當(dāng)循環(huán)水溫度為18℃時(shí)，電流密度40 A/m2、流速300 mL/min的條件下，去除率達(dá)90%左右最低能耗為21.26 kWh/kg，且如圖3所示去除時(shí)間約為45 min。

2）當(dāng)循環(huán)水溫度為25℃時(shí)，則電流密度40 A/m2、流速300 mL/min的條件下，去除率達(dá)90%左右最低能耗為23.17 kWh/kg。雖然電流密度為20 A/m2時(shí)能耗更低，但是如圖4所示去除時(shí)間需要達(dá)到90 min。

3）當(dāng)循環(huán)水溫度為32℃時(shí)，則電流密度40 A/m2、流速300 mL/min的條件下，去除率達(dá)90%左右最低能耗為25.40 kWh/kg，如圖3所示需要時(shí)間約為60 min。雖然電流密度為20 A/m2時(shí)能耗更低，但是去除時(shí)間同樣相對(duì)更長(zhǎng)。

從上述分析中可以知道，從能耗和電解后水質(zhì)參數(shù)變化角度出發(fā)，不同溫度下，最佳的氨氮去除條件均為電流密度40 A/m2、流速300 mL/min。隨著溫度升高，去除90%氨氮的時(shí)間越長(zhǎng)，能耗越高。Lahav O[21]等對(duì)海水養(yǎng)殖水進(jìn)行非直接電解氧化，在電流密度為0.625 kA/m2和1.25 kA/m2時(shí)，其能耗分別為47.7 kWh/kg和76.0 kWh/kg。而當(dāng)Lahav O[22]利用電解和離子交換膜的方法處理豬場(chǎng)廢水時(shí)，能耗僅為16.6k Wh/kg。由此對(duì)比分析看來(lái)，本試驗(yàn)的水體對(duì)象中，Cl-濃度和鹽度都較高，因此本試驗(yàn)的能耗會(huì)比他們低，而如果能夠?qū)㈦x子交換膜應(yīng)用于本試驗(yàn)，則有可能進(jìn)一步降低能耗。

3　結(jié)論

1）本試驗(yàn)設(shè)定的流速、溫度和電流密度條件下對(duì)模擬海水進(jìn)行90 min的電解試驗(yàn)，均能使得初始氨氮濃度為10 mg/L的溶液經(jīng)電解后氨氮去除率達(dá)到90%以上，最終的氨氮濃度在1 mg/L之下，即對(duì)大部分養(yǎng)殖對(duì)象有害的濃度之下。

2）試驗(yàn)設(shè)定的循環(huán)水流速（100、300、500 mL/min）和循環(huán)水的溫度（18、25、32℃）參數(shù)對(duì)于微電流電解去除氨氮的影響并不明顯；電流密度（20、40、60 A/m2）對(duì)于氨氮去除率有明顯作用。

3）正交試驗(yàn)結(jié)果表明影響氨氮去除效率的主要因素為電流密度，且電流與溫度、電流與流速之間交互作用不明顯，最后確定去除氨氮的最優(yōu)條件為電流密度40 A/m2、32℃、500 mL/min。

4）對(duì)所有試驗(yàn)條件下的組別進(jìn)行能耗分析（忽略流速和溫度控制的能耗，僅考慮電解帶來(lái)的能耗），不同溫度下的最佳條件均為40 A/m2、300 mL/min，最低能耗21.26 kWh/kg。

[參考文獻(xiàn)]

[1] ASGARD T, SHEARED K D.Dietary phosphorus requirement of juvenile Atlantic salmon , Salmo salar L[J].Aquaculture Nutrition,1997（3）:17-23.

[2]臧淑梅.氨氮在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的產(chǎn)生、危害及控制[J].黑龍江水產(chǎn)，2012（2）：38-39.

[3]曹廣斌，韓世成，程啟云，等.冷水魚循環(huán)水養(yǎng)殖中的低溫氨氮處理技術(shù)研究[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2014，41（5）：17-20.Cao Guangbin, Han Shicheng, Cheng Qiyun.Research on treatment of ammonia in lower temperature for cold water fish recirculating aquaculture system[J].Modern aquaculture, 2014, 41（5）: 17-20.（in Chinese with English abstract）

[4] Eddy F B.Ammonia in estuaries and effects on fish[J].Journal of Fish Biology, 2005, 67（6）: 1495-1513.

[5]陳中祥，曹廣斌，劉永，等.低溫工廠化養(yǎng)殖水體氨氮處理微生物的初步研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（8）：132-136.Chen Zhongxiang, Cao Guangbin, Liu Yong, et al.Preliminary study on ammonia nitrogen treatment of microorganism in industrialized culture water at cold temperature[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of CSAE）, 2005, 21（8）: 132-136.（in Chinese with English abstract）

[6]張正，王印庚，曹磊，等.海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生物膜快速掛膜試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，（15）：158-163.Zhang Zheng, Wang Yingeng, Cao Lei, et al.Pilot-scale test for biofilm rapid formation in biofilter of recirculating mariculture system[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2012, 28（15）: 157-162.（in Chinese with English abstract）

[7] Gendel Y, Lahav O.A novel approach for ammonia removal from fresh-water recirculated aquaculture systems, comprising ion exchange and electrochemical regeneration[J].Aquacultural engineering, 2013, 52: 27-38.

[8]周游，黃濱，宋協(xié)法，等.臭氧前后置工藝變化對(duì)循環(huán)水半滑舌鰨養(yǎng)殖系統(tǒng)水環(huán)境的影響[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39（6）：5-9.Zhou You, Huang Bin, Song Xiefa, et al.Effect of ozone dosing location changed on water quality in enclosed recirculating aquaculture system for tongue sole（Cynoglossus semilaevis）[J].Fishery Modernization, 2012, 39（6）: 5-9.（in Chinese with English abstract）

[9]李庭剛，陳堅(jiān).電化學(xué)氧化法處理高濃度垃圾滲濾液的研究[J].上海環(huán)境科學(xué)，2004，22（12）: 892-897.Li Tinggang, Chen Jian.Study on treatment of high concentrated landfill leachate by electrochemical oxidation process [J].Shanghai Environmental Sciences, 2004, 22（12）: 892-897.（in Chinese with English abstract）

[10]歐陽(yáng)超，尚曉，王欣澤，等.電化學(xué)氧化法去除養(yǎng)豬廢水中氨氮的研究[J].水處理技術(shù)，2010，36（6）: 111-115.OuYang Chao, Shang Xiao, Wang Xieze, et al.Study of ammonia nitrogen removal in swine wastewater by electrochemical oxidation process[J].Technology of water treatment, 2010, 36（6）: 111-115.（in Chinese with English abstract）

[11]林海波，費(fèi)建民，徐紅，等.電催化氧化法處理化肥廠外排廢水的研究[J].工業(yè)水處理，2004，24（4）：36-38.Lin Haibo, Fei Jianmin, Xu Hong, et al.Investigation on electrocatalytic oxidation treatment of the effluent wastewater in a fertilizerplant[J].Industrial Water Treatment, 2004, 24（4）: 36-38.（in Chinese with English abstract）

[12]張鐵垣.化驗(yàn)員手冊(cè)：第2版[M].北京：中國(guó)電力出版社，1996：133-350.

[13] HJ 535-2009.水質(zhì)氨氮的測(cè)定納氏試劑分光光度法[S].

[14] Díaz V, Ibá?ez R, Gómez P, et al.Kinetics of electro-oxidation of ammonia-N, nitrites and COD from a recirculating aquaculture saline water system using BDD anodes[J].Water research, 2011, 45（1）: 125-134.

[15]陳佼驕.電解海水防污系統(tǒng)中有效氯的研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)化工學(xué)院，2006.Chen Jiaojiao.Research of the Chlorine in the Seawater Electrolysis Antifouling System[D].Qingdao: College of chemical engineering, Ocean University of China, 2006.（in Chinese with English abstract）

[16]孫國(guó)祥，李勇，田喆，等.流速對(duì)封閉循環(huán)水養(yǎng)殖大菱鲆生長(zhǎng)，攝食及水質(zhì)氮素的影響[J].海洋科學(xué)，2011，35（5）：53-60.Sun Guoxiang, Li Yong, Tian Zhe, et al.Effects of flow rate on the growth, feed intake and water nitrogen in a closed recirculation aquaculture system of turbots（Scophthatmus maximus L.）[J].Marines Sciences, 2011, 35（5）: 53 -60.（in Chinese with English abstract）

[17]李娟英,趙慶祥.氨氮生物硝化過(guò)程影響因素研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 35（1）：120-124.Li Juanying, Zhao Qingxiang.Study of factors influencing ammonia nitrification[J].Journal of China University of Mining &.Technology, 2006, 35（1）: 120－124.（in Chinese with English abstract）

[18]李璇.循環(huán)電解槽電化學(xué)氧化法處理氨氮廢水的實(shí)驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2013.Li Xuan.Research on Removal of Ammonia in Wastewater by Electrochemical Oxidation Based on Circulated Electrolytic Cell [D].Changsha: College of environmental science and engineering, Hunan University, 2013.（in Chinese with English abstract）

[19] Oh B S, Oh S G, Hwang Y Y, et al.Formation of hazardous inorganic by-products during electrolysis of seawater as a disinfection process for desalination[J].Science of the total environment, 2010, 408（23）: 5958-5965.

[20] Yeh S P, Hsia L F, Liu C H.Usage of electrolytic water system in the giant freshwater prawn, Macrobrachium rosenbergii（de Man）larval hatchery system[J].Aquaculture Research, 2013, 44 （5）: 713-727.

[21] Lahav O, Schwartz Y, Nativ P, et al.Sustainable removal of ammonia from anaerobic-lagoon swine waste effluents using an electrochemically regenerated ion exchange process[J].Chemical Engineering Journal, 2013, 218（4）: 214－222.

[22] Lahav O, Asher R B, Gendel Y.Potential applications of indirect electrochemical ammonia oxidation within the operation of freshwater and saline-water recirculating aquaculture systems[J].Aquacultural Engineering, 2015, 65（2）: 55－64.

Ammonia removal effect by using micro-current electrolysis in aquaculture saline water

Ye Zhangying1, Pei Luowei1, Lin Xiaochang1, Gu Zhaobing2, Wang Shuo1, Zhu Songming1, Ruan Yunjie1※
（1.College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Key Laboratory of Equipment and Informatization in Environment Controlled Agriculture, Ministry of Agriculture, Hangzhou 310058, China; 2.College of Animal Science and Technology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China）

Abstract:In recirculating aquaculture system（RAS）, the metabolites and residual feed of fish are the main sources of ammonia nitrogen.The biological filter is widely used to avoid the accumulation of ammonia nitrogen.Autotrophic nitrification plays an important role in biological filter.However, the proliferation period of autotrophic nitrification is relatively long, and susceptible to temperature; once the system fails to run, it takes a long time for nitrifying bacterial colony to recovery.In recent years, electrochemical oxidation technology has been applied to remove ammonia nitrogen.In this paper, the removal rates of ammonia nitrogen under different flow velocities, temperatures and current densities were investigated.The artificial wastewater with added ammonia nitrogen was used in this study.The salinity of wastewater was 30‰, and the initial concentration of ammonia nitrogen was 10 mg/L.The microcurrent electrolysis system was placed in a climatic cabinet to obtain a desirable temperature.The prepared wastewater of 2 L was poured into a beaker and heated by a constant temperature magnetic stirrer.The wastewater was circulated between electrolysis cell and beaker using a peristaltic pump, and then the power supply was enabled 10 min later.Various values of flow velocity（100, 300 and 500 mL/min）, temperature（18, 25 and 32℃）and current density（20, 40 and 60 A/m2）were used in the experiments, and the ammonia nitrogen concentration was measured every 15 min.Moreover, the optimal electrolytic condition was established by the orthogonal analysis.The energy consumption of removing ammonia nitrogen was also calculated.The results showed that the removal rates of ammonia nitrogen after 90 min with different flow velocity of 100, 300 and 500 mL/min reached 92.38%, 95.15% and 93.27% respectively under the condition of 25℃and 40 A/m2.Single factor analysis showed that the flow velocity had no significant effect on the removal rate.When the current density was 40 A/m2, the flow velocity was 300 mL/min, the removal rates of ammonia nitrogen reached 87.45% , 88.78% and 92.25% respectively after 60 min with different temperature of 18, 25 and 32℃.Single factor analysis showed that the temperature had no significant effect on the removal rate.When the temperature was 25℃, the flow velocity was 300 mL/min, the removal rates of ammonia nitrogen reached 59.32%, 87.89% and 89.01% respectively after 60 min with different current density of 20, 40 and 60 A/m2.Single factor analysis showed that the current density had significant effect on the removal rate, and the removal rate of ammonia nitrogen increased with the current density.The orthogonal analysis showed that the current density was the main influence factor of ammonia removal rate, and the optimum conditions were the current density of 40 A/m2and the flow rate of 300 mL/min, which resulted in the lowest energy consumption of 21.26 Wh/kg.Therefore, the micro-current electrolysis technology has good effect on the removal of ammonia nitrogen, the removal efficiency is relatively higher, and the energy consumption is relatively lower.The micro-current electrolysis technology has a great potential for application compared with the traditional biological filter.

Keywords:aquaculture; temperature; electrolysis; aquaculture seawater; ammonia nitrogen; flow rate; current density

通信作者：※阮贇杰（1983-），男，浙江杭州，博士，助研，從事水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理與裝備研究。杭州浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，310058。Email：ruanyj@zju.edu.cn農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：葉章穎（E041200613S）

作者簡(jiǎn)介：葉章穎（1982-），男，安徽廣德人，副教授，博導(dǎo)，從事設(shè)施養(yǎng)殖消毒新技術(shù)及裝備研究。杭州浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，310058。Email：yzyzju@zju.edu.cn。

基金項(xiàng)目：十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD08B09）；國(guó)家自然科學(xué)基金（31402348）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（No．2015QNA6006）

收稿日期：2015-10-08

修訂日期：2015-10-18

中圖分類號(hào)：S

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6819（2016）-01-0212-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.030