在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中電化學(xué)處理難生物降解廢水

王亞林， 賈金平， 李 侃

(上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

?

在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中電化學(xué)處理難生物降解廢水

王亞林， 賈金平， 李 侃

(上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

隨著印染紡織和制藥工業(yè)的迅速發(fā)展，印染與制藥廢水已成為水系環(huán)境的重點(diǎn)污染源之一。電化學(xué)方法處理印染與制藥廢水，由于其設(shè)備小、占地少、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、COD去除率高、脫色效果好及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的重視。電化學(xué)方法治理廢水，實(shí)質(zhì)是直接或間接地利用電解作用，把水中污染物去除或把有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無(wú)毒或低毒物質(zhì)。該實(shí)驗(yàn)的目的在于讓學(xué)生掌握電解法處理難生物降解廢水的原理，同時(shí)監(jiān)測(cè)改變電解時(shí)間，電壓或電解質(zhì)等條件廢水的色度變化，優(yōu)化最佳電解條件，通過(guò)監(jiān)測(cè)COD及BOD5，求B/C，評(píng)價(jià)廢水的可生化性。同時(shí)論文還介紹了該實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容和步驟，并討論了該教學(xué)實(shí)驗(yàn)的可行性、存在的優(yōu)點(diǎn)以及預(yù)期的教學(xué)效果。

電化學(xué)； 印染廢水； 環(huán)境監(jiān)測(cè)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

在環(huán)境水體監(jiān)測(cè)中，多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)方法，如色度、pH值、COD、BOD5、氨氮、總氮等，都是環(huán)境監(jiān)測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)技能[1-5]。然而，在傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了這些水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法，但并沒(méi)有將其與實(shí)際的水處理過(guò)程結(jié)合起來(lái)，以至于在日后的研究與工作中面對(duì)實(shí)際應(yīng)用不能很好的運(yùn)用已有知識(shí)。在此情況下，在學(xué)生進(jìn)行了上述基本水質(zhì)指標(biāo)的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)后，向其介紹一個(gè)既能聯(lián)系實(shí)際將所學(xué)到的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)又要保證良好的教學(xué)效果的學(xué)生實(shí)驗(yàn)是一件當(dāng)務(wù)之急的環(huán)節(jié)。本文作者在自己多年從事電化學(xué)水處理的研究基礎(chǔ)上，在自然科學(xué)基金《摻硼金剛石薄膜芯片復(fù)式電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤(pán)的新方法研究》(No. 20477026)的研究過(guò)程中，提出了將該技術(shù)用于處理難生物降解廢水作為大學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)這一新的教學(xué)想法。

隨著印染紡織和制藥工業(yè)的迅速發(fā)展，印染與制藥廢水已成為水系環(huán)境的重點(diǎn)污染源之一。該類廢水的水質(zhì)復(fù)雜，其特點(diǎn)為水量大、有機(jī)污染物含量高、色度深、堿性和pH值變化大、鹽度高、可生化性差[6-10]。電化學(xué)方法處理印染與制藥廢水，由于其設(shè)備小、占地少、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、COD去除率高和脫色效果好及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的重視[11-16]。電化學(xué)方法治理廢水，實(shí)質(zhì)是直接或間接地利用電解作用，把水中污染物去除或把有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無(wú)毒或低毒物質(zhì)。近幾十年來(lái)，隨著電化學(xué)科學(xué)和電力工業(yè)的發(fā)展，使處理成本大大降低，電化學(xué)已成為一類具有競(jìng)爭(zhēng)力的廢水處理方法。

該實(shí)驗(yàn)的目的在于讓學(xué)生掌握電解法處理難生物降解廢水的原理，同時(shí)監(jiān)測(cè)改變電解時(shí)間，電壓或電解質(zhì)等條件廢水的色度變化，優(yōu)化最佳電解條件，通過(guò)監(jiān)測(cè)COD及BOD5，求B/C，評(píng)價(jià)廢水的可生化性。同時(shí)本文還介紹了該實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容和步驟，并討論了該教學(xué)實(shí)驗(yàn)的可行性、存在的優(yōu)點(diǎn)以及預(yù)期的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)條件、內(nèi)容與步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

鐵片電極，石墨電極，電解槽，直流電源，紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，COD消解儀，溶解氧瓶，恒溫培養(yǎng)箱等。模擬廢水采用日落黃染料溶液，電解質(zhì)采用硫酸鈉和氯化鈉。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在給定條件下，研究不同電解時(shí)間日落黃的色度去除率，研究不同電壓/電流密度對(duì)廢水處理結(jié)果的影響，電化學(xué)處理前后色度，COD、BOD5、B/C等的測(cè)定，對(duì)廢水的可生化性進(jìn)行評(píng)估。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 日落黃配制濃度為100 mg/L的模擬染料廢水為研究對(duì)象。

(2) 電化學(xué)處理日落黃的試驗(yàn)條件為：電壓15 V，電極間距5 cm，硫酸鈉0.01 mol/L，反應(yīng)時(shí)間為40 min。

(3) 在電解10、15、20、25、30、35、40 min取樣檢測(cè)色度去除率、COD、BOD5。

(4) 加入0.005 mol/L的氯化鈉代替硫酸鈉作為電解質(zhì)，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，考察Cl-對(duì)電解效果的影響。

(5) 改變電極間距為10，15和20 cm，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，考察不同電極間距對(duì)電解效果的影響。

(6) 改變電解電壓為5、10、和20 V，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，考察電解電壓/電流密度對(duì)電解效果的影響。

(7) 改變電極材料，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，考察電極材料的改變對(duì)電解效果的影響。

2 實(shí)驗(yàn)要求

2.1 學(xué)生預(yù)習(xí)

在試驗(yàn)開(kāi)始前的1～2周時(shí)間內(nèi)，讓學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)。通過(guò)查閱資料，了解電化學(xué)處理難降解廢水的原理及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，印染及制藥廢水的特性及危害等。同時(shí)還需要學(xué)生自行設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)的操作方案，包括對(duì)哪些影響因素進(jìn)行測(cè)定等，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)時(shí)間

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1天，其中半天時(shí)間用于電化學(xué)處理印染廢水的試驗(yàn)，半天時(shí)間用于對(duì)其COD與BOD5進(jìn)行測(cè)定。建議試驗(yàn)時(shí)可以多名學(xué)生合作完成全部試驗(yàn)內(nèi)容。

2.3 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

(1) 試驗(yàn)準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)前，助教先做好相應(yīng)的試驗(yàn)準(zhǔn)備。

(2) 學(xué)生討論階段。在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，另外給學(xué)生1個(gè)小時(shí)的時(shí)間，進(jìn)行分組討論。先不要告訴學(xué)生該實(shí)驗(yàn)的具體試驗(yàn)步驟與所考察的影響因素，讓學(xué)生根據(jù)自己的預(yù)習(xí)情況對(duì)該實(shí)驗(yàn)提出自己的想法，包括可能的影響因素與考察該因素的具體步驟等，并且要求提出問(wèn)題。教師根據(jù)這些問(wèn)題進(jìn)行作答，同時(shí)講解該實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)步驟與所考察的影響因素，然后再開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.4 學(xué)生實(shí)驗(yàn)階段

在有限的教學(xué)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件下，為了是實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得更好的效果，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意教師的引導(dǎo)作用，啟發(fā)學(xué)生思考。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象，對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)和講解，包括電解裝置的搭建，電解時(shí)間，電解電壓，電極間距，電解質(zhì)種類等因素對(duì)電流密度和脫色效果的影響等。COD與BOD5測(cè)定的過(guò)程中，對(duì)操作不標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生，要對(duì)其進(jìn)行糾正并示范正確的實(shí)驗(yàn)操作。

2.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)報(bào)告為論文的形式，包括前言、試驗(yàn)材料與方法、結(jié)果與討論和結(jié)論四部分。同時(shí)，雖然本實(shí)驗(yàn)是多人合作完成，但每人應(yīng)在實(shí)驗(yàn)后獨(dú)立完成試驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要共享，以便比較討論。

2.6 學(xué)生自由實(shí)驗(yàn)

因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)開(kāi)始之前要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，并提出了自己的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可以開(kāi)放中心實(shí)驗(yàn)室，感興趣的學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下完成自己設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案。

3 討 論

3.1 本實(shí)驗(yàn)的可行性

將電化學(xué)處理印染廢水的實(shí)驗(yàn)作為本科生的環(huán)境監(jiān)測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)是否合適，是一個(gè)相當(dāng)重要并值得重視的問(wèn)題。如果不具備可行性，則必然在教學(xué)過(guò)程中遇到很大的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)所采用的儀器比較常規(guī)，例如直流電源等其價(jià)格不高，不會(huì)在教學(xué)經(jīng)費(fèi)上產(chǎn)生較大的問(wèn)題，并且可以配備多臺(tái)供多組學(xué)生同時(shí)使用。利用分光光度計(jì)測(cè)定色度，COD及BOD5等實(shí)驗(yàn)都應(yīng)是學(xué)生們?cè)谥暗膶?shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)習(xí)且操作過(guò)的內(nèi)容，比較容易上手。同時(shí)，本文作者作為試驗(yàn)教學(xué)老師，也已經(jīng)在本科生環(huán)境監(jiān)測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展了該實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)組內(nèi)多名同學(xué)的相互協(xié)作，完全可以在半天的時(shí)間內(nèi)完成電化學(xué)處理印染廢水的試驗(yàn)內(nèi)容，另外半天時(shí)間完成COD與BOD5的測(cè)定內(nèi)容。同時(shí)，對(duì)于學(xué)生自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)內(nèi)容，可以通過(guò)開(kāi)放中心實(shí)驗(yàn)室，讓感興趣的學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究興趣。

3.2 本實(shí)驗(yàn)的必要性及存在的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于本科生的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅僅要求學(xué)生學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單的水質(zhì)指標(biāo)，如色度、氨氮、總氮、COD與BOD5等的檢測(cè)，同時(shí)還應(yīng)該將這些水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)與實(shí)際應(yīng)用想結(jié)合，使學(xué)生在實(shí)際廢水處理的過(guò)程中也可以靈活的掌握這些指標(biāo)的測(cè)定，為其今后的科研及工作打下良好的基礎(chǔ)。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這部分內(nèi)容是比較缺少的，因此將該實(shí)驗(yàn)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的必要性是不言而喻的。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，首先，學(xué)生可以了解電化學(xué)這項(xiàng)新穎的廢水處理技術(shù)，同時(shí)也會(huì)對(duì)廢水處理有一定程度上的了解；其次，學(xué)生可以將之前環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所學(xué)習(xí)到的各種水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)的方法進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用，進(jìn)一步鞏固這些指標(biāo)的檢測(cè)方法；再次，這是一項(xiàng)半開(kāi)放式的試驗(yàn)，學(xué)生可以發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并與教師進(jìn)行探討，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，同時(shí)試驗(yàn)報(bào)告以論文的形式提交，也可以鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)，撰寫(xiě)學(xué)術(shù)論文的能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文向環(huán)境專業(yè)本科生介紹了一個(gè)新的環(huán)境監(jiān)測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，即電化學(xué)方法處理實(shí)際難生物降解廢水，闡明了其試驗(yàn)方法、內(nèi)容和步驟，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中的可行性，必要性及存在的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。學(xué)生歡迎這種形式的實(shí)驗(yàn)課，收到良好的教學(xué)效果。

[1] 夏 新.淺談強(qiáng)化環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理體系建設(shè)[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2012, 24(1): 1-4.

[2] 劉衛(wèi)先.我國(guó)現(xiàn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)體制述評(píng)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2009, 25(3): 5-10.

[3] 但德忠.我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2005, 31(5): 1-5.

[4] 李國(guó)剛，萬(wàn)本太.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)科技發(fā)展需求分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2004, 20(6): 5-8.

[5] 萬(wàn)本太，蔣火華.論中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2005, 21(1): 1-3.

[6] 戴日成，張 統(tǒng)，郭 茜，等.印染廢水水質(zhì)特征及處理技術(shù)綜述[J].給水排水，2000, 10(26): 33-36.

[7] 鄭冀魯，范 娟，阮復(fù)昌.印染廢水脫色技術(shù)與理論述評(píng)[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2000, 1(5): 29-35.

[8] 李風(fēng)亭，陸雪非，張冰如.印染廢水脫色方法[J].水處理技術(shù)，2003, 29(1): 12-14.

[9] 李亞峰，高 穎.制藥廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù)，2014, 40(5): 1-4.

[10] 李宇慶，馬 楫，錢國(guó)恩.制藥廢水處理技術(shù)進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2009, 29(12): 5-7.

[11] 馮玉杰，崔玉虹，孫麗欣，等.電化學(xué)廢水處理技術(shù)及高效電催化電極的研究與進(jìn)展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004, 36(4): 450-455.

[12] 龍 萍，許立坤，李慶芬，等.鈦基釕鑭氧化物涂層結(jié)構(gòu)對(duì)電化學(xué)活性的影響[J].稀有金屬材料與工程，2013, 42(6): 1185-1189.

[13] 劉愛(ài)萍，朱嘉琦，韓杰才.納米金增強(qiáng)摻磷四面體非晶碳膜的電化學(xué)活性[J].新型炭材料，2010, 25(5): 363-369.

[14] 張國(guó)芳，肖書(shū)虎，肖宏康，等.黃連素制藥廢水的電化學(xué)預(yù)處理試驗(yàn)[J].環(huán)境科學(xué)研究，2011, 24(1): 79-84.

[15] 肖宏康，肖書(shū)虎，張國(guó)芳，等.電化學(xué)氧化法處理模擬黃連素制藥廢水的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011, 5(5): 987-991.

[16] 肖書(shū)虎，張國(guó)芳，宋永會(huì)，等.電化學(xué)雙極法處理高濃度含銅黃連素制藥廢水[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2011(4): 295-299.

·名人名言·

科學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)理論的源泉,是自然科學(xué)的根本,也是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。

——張文裕

Electrochemical Treatment of Non-biodegradable Wastewater in Environmental Monitoring Experiment

WANGYa-lin,JIAJin-ping,LIKan

(School of Environmental Science & Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

With the development of textile and pharmacy industrial, textile and pharmacy wastewater has become a kind of most polluted water. Electrochemical wastewater treatment has the advantages of small equipment, small area, simple operation and management, high COD and color removal efficiency, no second pollution generation, hence it has been paid more and more attention. The main process for electrochemical wastewater treatment is to degrade high toxic compounds to low or no toxic other compounds through electrolysis. The purpose of this experiment is to make the students grasp the electrochemical principle, optimize electrochemical conditions, such as voltage, time and electrolyte concentration, and evaluate the biodegradable of the wastewater through determine the COD, BOD5and B/C. The experimental method, content and process were introduced in this paper. Some issues of teaching experiment, including feasibility, necessity, existent advantages and prospective teaching effect, were also discussed.

electrochemical; textile wastewater; environmental monitoring; experimental teaching

2014-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20477026)

王亞林(1962-)，女，安徽淮北人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)方面的研究工作。

Tel.：13391371087; E-mail: ylwf@sjtu.edu.cn

G 642.0；X 832

A

1006-7167(2015)10-0157-03