農(nóng)業(yè)有機(jī)廢水的三維電解試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化

戴月珍，陳哲琪，于鎮(zhèn)偉，於海明

(1.江蘇宜興環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 宜興214200； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京210031)

0 引言

當(dāng)前農(nóng)業(yè)有機(jī)廢水已成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色快速發(fā)展的重要阻礙，其主要來(lái)源有畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的糞便和作物種植過(guò)程中農(nóng)藥化學(xué)品的殘留[1]。未處理的農(nóng)業(yè)廢水會(huì)造成水體污染，對(duì)人類(lèi)身體健康造成傷害[2-5]。某些廢水中含有大量污染物質(zhì)，這種高濃度有機(jī)廢水會(huì)使水體因?yàn)楦粻I(yíng)養(yǎng)化而變黑發(fā)臭，破壞生物多樣性。有效處理農(nóng)業(yè)有機(jī)廢水對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義[6-7]。

傳統(tǒng)的廢水處理方法有吸附法、過(guò)濾法、混凝沉降法和化學(xué)氧化法[8-10]。胡文云等[11]對(duì)中性紅廢水采用PAC和PAM進(jìn)行混凝處理，探討溫度、pH值、攪拌時(shí)間和混凝劑投加量等因素對(duì)廢水COD和色度的去除影響。陳董根等[12]對(duì)二級(jí)生化出水進(jìn)行深度處理，采用O3催化氧化法降解廢水中的有機(jī)物。研究發(fā)現(xiàn)單純依靠這種物化處理方法并不能達(dá)到預(yù)期效果且成本較高。因此，常采用生化法進(jìn)行處理，通過(guò)厭氧和好氧處理，可以去除有機(jī)廢水中的大部分污染物，經(jīng)濟(jì)性好，但流程復(fù)雜、周期長(zhǎng)[13-15]。

試驗(yàn)采用電化學(xué)技術(shù)來(lái)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(jìn)行有機(jī)廢水處理，根據(jù)廢水處理標(biāo)準(zhǔn)中的COD去除率和脫色率來(lái)評(píng)價(jià)不同條件參數(shù)下的處理效果，以選擇出處理有機(jī)廢水的最優(yōu)參數(shù)組合[16-19]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)所用的試驗(yàn)試劑主要有亞甲基藍(lán)、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(guī)格為優(yōu)級(jí)純外，其余試劑純度規(guī)格均為分析純。

1.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用試驗(yàn)室自制的小型三維電極反應(yīng)器，填充粒子為制備好的Fe2O3-GAC，相比其他金屬氧化物，F(xiàn)e2O3-GAC能兼顧具有高強(qiáng)度穩(wěn)定性和良好的電催化性能。試驗(yàn)裝置主要由反應(yīng)池、陰陽(yáng)極板、空氣泵、流量計(jì)和高頻直流電源等組成，反應(yīng)池底部有多孔隔板，防止活性炭泄漏，內(nèi)部設(shè)置卡槽，便于極板位置的調(diào)節(jié)與安裝。極板上安裝導(dǎo)線接口，與整流器相連，整流器輸出高頻直流電流。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1填充電極預(yù)處理

為消除Fe2O3-GAC的吸附性對(duì)有機(jī)廢水電解效果的影響，在進(jìn)行電解亞甲基藍(lán)廢水試驗(yàn)前，必須將Fe2O3-GAC放在亞甲基藍(lán)溶液中進(jìn)行浸泡預(yù)處理，在Fe2O3-GAC達(dá)到吸附飽和之后才能進(jìn)行試驗(yàn)。具體方法：將制備好的Fe2O3-GAC放入100 mgL的亞甲基藍(lán)溶液中浸泡2 h，再倒掉濾液，重新加入100 mgL的亞甲基藍(lán)，反復(fù)操作幾次，直至亞甲基藍(lán)溶液色度不再發(fā)生變化即可。

1.3.2試驗(yàn)處理方法

完成單因素試驗(yàn)后采用正交試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性，對(duì)影響COD去除率和脫色率的因素進(jìn)行主次排序。設(shè)計(jì)一組正交試驗(yàn)，由于COD去除率和脫色率具有相同的變化屬性，因此本試驗(yàn)只考察脫色率的變化。選定的3因素分別為電解時(shí)間、電流密度和pH值，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.3COD含量測(cè)定

有機(jī)廢水處理效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)可由化學(xué)需氧量(COD)表示，試驗(yàn)用重鉻酸鉀法進(jìn)行測(cè)量[20-21]。

具體步驟：量取20 mL亞甲基藍(lán)溶液到錐形瓶，加入5 mL重鉻酸鉀(0.75 molL)，將其放在自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至紅褐色終點(diǎn)，消耗的體積記為V1，再量取20 mL蒸餾水，重復(fù)以上過(guò)程，記錄消耗的0.1 molL硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積為V0，則COD可如式(1)計(jì)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(jiǎn)便，易于操作，安全程度高，診斷真確率高，總體來(lái)說(shuō)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(shí)所消耗的硫酸亞鐵銨的體積，mL

V1——滴定檢測(cè)試樣時(shí)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(jù)計(jì)算出的廢水COD，可由式(2)計(jì)算亞甲基藍(lán)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(jī)廢水處理過(guò)程中除考慮COD含量指標(biāo)外還需考慮其脫色率。測(cè)定方法：打開(kāi)紫外分光度計(jì)初始化30 min，由于亞甲基藍(lán)的最大吸收波長(zhǎng)為664 nm，設(shè)置波長(zhǎng)為664 nm，將蒸餾水作為對(duì)照，加入光程10 nm的比色皿，測(cè)量吸光度；用滴管滴入一定量的亞甲基藍(lán)溶液，再次測(cè)量吸光度，記為A1，分別測(cè)量不同電解工藝條件下的樣本吸光度，記為Ai，根據(jù)廢水前后吸光度的變化可以計(jì)算出脫色率S，計(jì)算方法如式(3)所示。

(3)

1.4數(shù)據(jù)處理

利用SPSS和Origin軟件對(duì)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果對(duì)比得出能獲得最佳處理效果的參數(shù)組合。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1單因素試驗(yàn)

2.1.1電解時(shí)間對(duì)有機(jī)廢水處理效果的影響

對(duì)亞甲基藍(lán)模擬廢水進(jìn)行電解時(shí)，在不同時(shí)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(méi)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(shí)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(yīng)的開(kāi)始階段增長(zhǎng)迅速，這是由于反應(yīng)一開(kāi)始大量有機(jī)物迅速被降解，有機(jī)物的量逐漸減少，傳質(zhì)效率下降，所以增加逐漸緩慢。在電解時(shí)間為30 min時(shí)，廢水COD去除率達(dá)到59.7%，脫色率達(dá)到88.5%，如圖3所示，30 min后二者幾乎沒(méi)有明顯變化，而且會(huì)提高能耗，增加成本，所以電解時(shí)間為30 min時(shí)是合理的選擇。

2.1.2電流密度對(duì)有機(jī)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(jié)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(shí)提高。當(dāng)電流密度為8 mAcm2時(shí)，廢水的COD去除率和脫色率都達(dá)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(zhǎng)率是先高后低，這是因?yàn)殡娏髅芏戎饾u增大，增大了粒子間吸引有機(jī)物附著的驅(qū)動(dòng)力，有利于羥基自由基的產(chǎn)生，從而加速有機(jī)物的降解。當(dāng)電流密度>8 mAcm2時(shí)，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(yīng)增多，降低電流利用效率，能耗增加，所以合理的電流密度應(yīng)該為8 mAcm2。

2.1.3pH值對(duì)有機(jī)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(yàn)

由單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，電解時(shí)間、電流密度和pH值對(duì)有機(jī)廢水處理效果有一定影響，這3個(gè)因素對(duì)處理效果的聯(lián)合作用，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)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(shí)間)在水平3上的平均脫色率最大，即電解時(shí)間為30 min時(shí)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(shí)為最佳反應(yīng)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(shí)為最佳反應(yīng)條件。因此，最佳的工藝參數(shù)組合為A3B2C2。方差分析如表3所示，由表3可知，電解時(shí)間、電流密度和pH值均對(duì)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(shí)間>電流密度>pH值。

表3 正交試驗(yàn)方差分析

3 結(jié)論

單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果均表明，在以Fe2O3-GAC為三維電極的電解試驗(yàn)中，當(dāng)電解時(shí)間為30 min、電流密度為8 mAcm2和pH值為6時(shí)，可以獲得最好的有機(jī)廢水處理效果。正交試驗(yàn)結(jié)果還顯示，3個(gè)因素中，影響廢水降解效果的主次順序依次是電解時(shí)間、電流密度和pH值，這一結(jié)果驗(yàn)證了前述單因素試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)的合理性。在以最優(yōu)參數(shù)組合對(duì)試驗(yàn)室實(shí)際的有機(jī)廢水進(jìn)行試驗(yàn)后，廢水COD去除率達(dá)到59.7%，脫色率達(dá)到88.5%，廢水處理效果非常顯著。