高鹽高有機(jī)物腌制廢水電磁協(xié)同處理方法研究

程 義， 伊學(xué)農(nóng)， 付彩霞， 文世鵬， 孫黃卿

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

在化工和食品行業(yè)中，常常會(huì)排放出大量的含高鹽高有機(jī)物的難降解廢水，這些廢水中的高含鹽量直接影響了有機(jī)污染物的處理，使傳統(tǒng)生物處理方法無(wú)法有效地處理廢水中的有機(jī)污染物，其他物理化學(xué)方法均受到不同程度的影響，處理效果受到影響，運(yùn)行穩(wěn)定性差。針對(duì)該類廢水，傳統(tǒng)的處理方法有物化法、高級(jí)氧化法、電化學(xué)法及生化法等。這些傳統(tǒng)的處理方法有的處理效果不穩(wěn)定，對(duì)高濃度的廢水處理比較困難，有的工藝復(fù)雜、占地面積大、成本高。其中，電化學(xué)處理方法雖然適應(yīng)性比較廣泛，但存在耗能大、陽(yáng)極板易鈍化、成本高等問(wèn)題[1]，這在一定程度上阻礙了電化學(xué)方法在工業(yè)廢水處理中的大規(guī)模應(yīng)用[2-3]。為解決傳統(tǒng)工藝存在的缺陷，急需尋找一類高效、適應(yīng)性廣泛、工藝簡(jiǎn)單的處理方法來(lái)處理難降解廢水，以降低環(huán)境壓力和企業(yè)負(fù)擔(dān)。

本文采用電磁協(xié)同方法，組合運(yùn)用了電催化氧化、電絮凝和外加磁場(chǎng)，這是一種可以高效處理難降解高鹽高有機(jī)物廢水的新方法[4-6]。本文采用電磁協(xié)同方法處理實(shí)際腌制生產(chǎn)過(guò)程中的高鹽高有機(jī)物腌制廢水，探究電磁協(xié)同方法的影響因素和可行性，如pH、電場(chǎng)強(qiáng)度、反應(yīng)時(shí)間及磁場(chǎng)方向等因素的影響，確定較佳的運(yùn)行工藝參數(shù)，為提高難降解廢水的去除效率、降低能耗提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 電磁協(xié)同處理難降解廢水原理

電磁協(xié)同方法集合了電催化氧化、電絮凝和磁場(chǎng)磁化等基本理論和技術(shù)，以惰性極板為陰陽(yáng)極，通過(guò)電解反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基（· OH）、臭氧、氯氣等一系列的氧化劑將大分子難降解物質(zhì)或有毒物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)或直接炭化[7]。同時(shí)投加絮凝劑，在電場(chǎng)的作用下，增強(qiáng)絮凝效果，提高水中污染物質(zhì)的去除效果[8]。

磁場(chǎng)對(duì)于廢水的電化學(xué)和電絮凝具有強(qiáng)化作用，在外加磁場(chǎng)電解時(shí)，磁場(chǎng)的方向和電場(chǎng)方向垂直，廢水中的離子和有機(jī)物集團(tuán)同時(shí)受到電場(chǎng)力和洛倫磁力的作用，由于電場(chǎng)力和洛倫磁力方向不同，使離子和有機(jī)物集團(tuán)不再沿著單一方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜化，這增加了離子與離子、離子與有機(jī)物集團(tuán)之間碰撞的機(jī)會(huì)[9]，從而加強(qiáng)了電化學(xué)和電絮凝的效果，使?jié)獠顦O化降低，電解液的電導(dǎo)率增加，進(jìn)而減少了電解液歐姆電阻造成的電能損耗，提高了處理的效果，輔助電場(chǎng)處理廢水[10-11]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由電極板（釕、鈦極板）、永磁鐵、進(jìn)出水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、電解槽及直流電源等主體組成。陰、陽(yáng)兩極板均為100 mm×100 mm的網(wǎng)狀電極，其中，陰極為鈦極板，陽(yáng)極為釕極板，電極工作電流由恒流直流電源提供。磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置采用矩形永磁鐵。永磁鐵以架子固定在電解槽外側(cè)，形成相斥、相吸磁場(chǎng)，使廢水處于磁化狀態(tài)，輔助電場(chǎng)處理廢水。永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)效果平面圖如圖1所示。

圖1 磁場(chǎng)效果平面圖Fig.1 Plane map of the magnetic field effect

處理廢水為桐鄉(xiāng)市某榨菜有限公司的生產(chǎn)廢水，廢水的化學(xué)需氧量COD為63 100 mg/L，含鹽量為15%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在相同條件下，相比于傳統(tǒng)電處理廢水方法，外加相斥磁場(chǎng)的電磁協(xié)同方法具有更好的去除效果。研究pH、電場(chǎng)強(qiáng)度、反應(yīng)時(shí)間和磁場(chǎng)方向?qū)μ幚硇Ч挠绊?。將?shí)驗(yàn)分成單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)兩大組。

a. 單因素實(shí)驗(yàn)。采用桐鄉(xiāng)市某榨菜有限公司的生產(chǎn)廢水，投加Fe2+，將電流、pH、反應(yīng)時(shí)間和磁場(chǎng)方向這4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素組成7個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)組。

b. 正交試驗(yàn)。采用桐鄉(xiāng)市某榨菜有限公司的生產(chǎn)廢水，投加Fe2+，將電流、pH、反應(yīng)時(shí)間和磁場(chǎng)方向這4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素組成9個(gè)正交試驗(yàn)組，如表1所示。進(jìn)行電磁協(xié)同處理高鹽高有機(jī)物污水實(shí)驗(yàn)。

1.4 水質(zhì)分析指標(biāo)及方法

每組實(shí)驗(yàn)所得樣品都進(jìn)行COD、氨氮含量、總?cè)芙夤腆wTDS（total dissolved solids）和總有機(jī)碳TOC（total organic carbon）的測(cè)量。

廢水COD采用國(guó)標(biāo)GB/T 11914—89化學(xué)需氧量測(cè)定，廢水氨氮含量采用納氏試劑分光光度計(jì)法測(cè)量，廢水TDS采用BECSCAN系列防水筆型多參數(shù)TDS計(jì)測(cè)定，廢水TOC采用analytik jena TOC測(cè)定儀測(cè)定。

表1 正交試驗(yàn)列表Tab.1 Orthogonal test list

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

2.1 pH對(duì)COD和氨氮去除率的影響

由圖2和圖3可以看出，在相同的電流下，pH越接近中性，在相同反應(yīng)時(shí)間里COD的去除效果越好；然而，pH越接近8，在相同的反應(yīng)時(shí)間里氨氮的去除效果越好。因此，為了能同時(shí)有效去除COD和氨氮的含量，可以在中性條件下處理。

圖2 pH對(duì)COD去除率的影響（電流6 A）Fig.2 Effect of pH on the removal rate of COD (current 6 A)

2.2 電流密度和時(shí)間對(duì)COD和氨氮去除率的影響

由圖4和圖5可以看出，電流大小和反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果影響較大。COD和氨氮的去除率都隨著電流的增大而增大。對(duì)于廢水中的COD 含量，在2.5 h內(nèi)，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，去除率越高。對(duì)于廢水中的氨氮含量，在2 h之內(nèi)，去除率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增大，而去除速率隨反應(yīng)時(shí)間的增加而降低。2 h以后，由于水中的氨氮含量很低，使得電解的去除速率也降到很低，此時(shí)繼續(xù)電解對(duì)氨氮的去除效果不明顯。

圖3 pH對(duì)氨氮去除率的影響（電流6 A）Fig.3 Effect of pH on the removal rate of ammonia nitrogen(current 6 A)

圖4 電流大小對(duì)COD去除率的影響（pH中性）Fig.4 Effect of current size on the COD removal rate (pH neutral)

圖5 電流大小對(duì)氨氮去除率的影響（pH中性）Fig.5 Effect of current size on the removal rate of ammonia nitrogen (pH neutral)

2.3 正交試驗(yàn)中電流、pH、反應(yīng)時(shí)間和磁場(chǎng)方向的影響分析

電流因素 1，2，3分別對(duì)應(yīng) 6，9，12 A，pH因素1，2，3分別對(duì)應(yīng)4，6，8，反應(yīng)時(shí)間因素1，2，3分別對(duì)應(yīng)30，60，120 min，磁場(chǎng)方向因素1，2，3分別對(duì)應(yīng)相吸、相斥、無(wú)。

從表2（見下頁(yè)）可以看出，在4個(gè)因素中，首先，反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率影響最大，時(shí)間越長(zhǎng)，去除率越高；其次，磁場(chǎng)方向，在磁場(chǎng)方向?yàn)橄喑鈺r(shí)，COD的去除效果更好；再次，電流大小，電流越大，相同時(shí)間里COD去除率越高；最次，pH，pH越接近中性，相同時(shí)間里COD去除率越高。在相同條件下，磁場(chǎng)方向?yàn)橄喑獗葻o(wú)磁場(chǎng)的COD去除效果提高了約20%。

表2 正交試驗(yàn)COD去除率條件直觀分析Tab.2 Intuitionistic analysis of the condition of the COD removal rate in orthogonal tests

從表3可以看出，對(duì)氨氮去除率影響由大到小分別為：反應(yīng)時(shí)間、電流大小、磁場(chǎng)方向、pH。反應(yīng)時(shí)間、電流大小、磁場(chǎng)方向和pH對(duì)氨氮去除率的影響規(guī)律，和對(duì)COD去除率的影響規(guī)律相同，在相同條件下，磁場(chǎng)方向?yàn)橄喑獗葻o(wú)磁場(chǎng)的氨氮去除效果提高了約30%。

表3 正交試驗(yàn)氨氮去除率條件直觀分析Tab.3 Intuitionistic analysis on the condition of the ammonia nitrogen removal rate in orthogonal tests

2.4 最優(yōu)組合參數(shù)的確定

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)得出：在磁場(chǎng)相斥、pH為7，電流為12 A、時(shí)間為2 h時(shí)，去除率較高且運(yùn)行成本較佳。相比于不外加磁場(chǎng)，外加相斥磁場(chǎng)的COD和氨氮去除效果分別提高了約20%和30%。

為了進(jìn)一步了解電磁協(xié)同裝置的經(jīng)濟(jì)性能，需要從不同進(jìn)水流量所對(duì)應(yīng)的能耗數(shù)據(jù)變化來(lái)分析。電磁協(xié)同裝置處理的水量越小，污染物去除效率越高，即電極表面和污水的接觸時(shí)間越長(zhǎng)，處理效果越好，但同時(shí)能耗也越大。由于磁場(chǎng)范圍的限制，電解槽的面積不宜過(guò)大，以防磁場(chǎng)強(qiáng)度不足[12]。

3 結(jié) 論

相比于普通電化學(xué)方法，采用電磁協(xié)同方法處理高鹽高有機(jī)物腌制廢水的COD和氨氮去除效果分別提高了約20%和30%，且電能的使用效率得到了提高，進(jìn)而降低了運(yùn)行成本。磁場(chǎng)的加入不僅增加了有機(jī)物的去除效率，而且可以使水磁化，改變水的結(jié)構(gòu)、硬度與黏度，這相當(dāng)于對(duì)進(jìn)水進(jìn)行了預(yù)處理。相比以往傳統(tǒng)的電催化氧化處理廢水方法，電磁協(xié)同方法不僅降低了設(shè)備對(duì)進(jìn)水的要求，而且可以減少投加藥劑的使用量以節(jié)約運(yùn)行成本。對(duì)電磁協(xié)同處理方法的研究可以為實(shí)際工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供一定的理論依據(jù)。

電磁協(xié)同處理廢水技術(shù)對(duì)進(jìn)水有機(jī)物濃度、水量等要求低，受進(jìn)水水質(zhì)影響波動(dòng)小，可應(yīng)用于高鹽高有機(jī)物廢水，應(yīng)用范圍廣泛；電磁協(xié)同裝置操作管理簡(jiǎn)單、節(jié)省勞動(dòng)力，且可以避免由于人工加藥不規(guī)范而引起的不良后果。但是，由于磁場(chǎng)范圍的限制，電解槽不宜過(guò)大，因此，電磁協(xié)同處理技術(shù)適用于一些中小型的廢水處理。

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