養(yǎng)殖水電化學(xué)同步脫氮響應(yīng)面優(yōu)化與驗(yàn)證*

張 鵬 張 龍 陳世波 朱建新

養(yǎng)殖水電化學(xué)同步脫氮響應(yīng)面優(yōu)化與驗(yàn)證*

張 鵬1,2張 龍1,2陳世波3朱建新2①

(1. 上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 上海 201306；2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071；3. 青島卓越海洋集團(tuán)有限公司 青島 266400)

本研究先通過(guò)單因子實(shí)驗(yàn)分析了電流密度、極板面積比、極板間距和初始pH對(duì)總氨氮(TAN)和硝態(tài)氮(NO3–-N)去除率的影響。采用Design-Expert軟件中Box-Behnken的中心組合原則設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，考察不同影響因子對(duì)脫氮效率的影響，并建立響應(yīng)面模型優(yōu)化反應(yīng)條件，最后對(duì)優(yōu)化的反應(yīng)條件進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，電流密度、極板面積比、極板間距和初始pH的變化對(duì)TAN去除影響不大，在所選反應(yīng)條件下，TAN去除率均高于80%，但反應(yīng)條件的改變顯著影響硝酸鹽(NO3-)的去除，NO3-去除率在29.8%~80.9%范圍內(nèi)變化。響應(yīng)面模型的回歸系數(shù)2為0.9340，校正系數(shù)2為0.8681，說(shuō)明該模型具有較好的準(zhǔn)確性。NO3-去除最優(yōu)反應(yīng)條件：電流密度為25.6 mA/cm2，陰陽(yáng)極板面積比為1.6∶1，極板間距為2.5 cm，初始pH為6.6，對(duì)該反應(yīng)條件下的脫氮效果展開(kāi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，TAN去除率為87.3%，NO3-去除率為81.5%。研究表明，電化學(xué)處理可實(shí)現(xiàn)對(duì)TAN和NO3–-N的同步去除，同時(shí)，響應(yīng)面模型的運(yùn)用有助于優(yōu)化電化學(xué)法在養(yǎng)殖水處理中的脫氮效率。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；電化學(xué)技術(shù)；同步脫氮；響應(yīng)面分析

水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中大量投喂高蛋白飼料是保障養(yǎng)殖對(duì)象快速生長(zhǎng)的關(guān)鍵，而投餌產(chǎn)生的殘餌、糞便以及生物代謝產(chǎn)物使水體中總氨氮(TAN)、亞硝酸鹽(NO2-)等指標(biāo)的快速升高(胡海燕等, 2004;傅雪軍, 2010)。傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式采用大換水的方式來(lái)降低養(yǎng)殖池中N污染物濃度，而循環(huán)水養(yǎng)殖主要通過(guò)亞硝化菌和硝化菌將水中TAN和NO2–轉(zhuǎn)化為相對(duì)無(wú)毒的硝酸鹽(NO3–) (Zhang, 2011; 朱建新等, 2014)，但水中NO3–可逐漸積累到≥500 mg/L。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，高濃度的NO3–導(dǎo)致養(yǎng)殖對(duì)象生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、代謝紊亂、肝脾受損、死亡率增加，同時(shí)，含NO3–污水的外排也對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響(Hondov, 1993; Chrisgj, 2012)。NO3–污染逐漸引起人們的關(guān)注，歐盟已將NO3–作為N污染源并限制其排放(Torno,2018; European Council Directive, 1998)。目前，我國(guó)海水養(yǎng)殖尾水一類排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無(wú)機(jī)氮(DIN)排放指標(biāo)為濃度低于0.5 mg/L，養(yǎng)殖水中DIN的主要成分為TAN、NO2–和NO3–，過(guò)去只重視對(duì)TAN和NO2-的去除，但對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖而言，水體中NO3-含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TAN和NO2-的含量，因此，同步脫除養(yǎng)殖水中的DIN是現(xiàn)階段需要解決的問(wèn)題。

目前，常用的脫氮技術(shù)主要有物理法(吹脫、氣提法)、化學(xué)法(折點(diǎn)氯化、離子交換法)及生物脫氮法(膜生物反應(yīng)器、生物濾池、人工濕地等) (Mook, 2012)。物化法通常需要添加其他化學(xué)試劑，易打亂水中離子平衡并產(chǎn)生二次污染；而生物脫氮對(duì)水力停留時(shí)間及操作環(huán)境(如溫度、鹽度、溶解氧、pH、凈化空間等)要求嚴(yán)格；采用生物脫氮法占地面積大、反應(yīng)速率慢、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本高(Ruan, 2016; 程海華, 2016)。

近年來(lái)，電化學(xué)技術(shù)主要通過(guò)電解的方式來(lái)處理污水，其基本原理是污染物在電極表面發(fā)生直接或間接電化學(xué)反應(yīng)而得到轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)污染物的去除，具有簡(jiǎn)單可控、反應(yīng)條件溫和、工藝靈活等優(yōu)勢(shì)(Zhao, 2018)，可以有效去除水體中的有機(jī)物、TAN、PO42-、NO3-等污染物，因而在諸多領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用(Xing, 2011; Ye, 2017)。同步去除TAN和NO3-是充分利用電解過(guò)程陰、陽(yáng)極發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，陰極的NO3-得到電子被還原，隨后還原產(chǎn)物(主要是TAN)在陽(yáng)極失去電子被氧化成氮?dú)?，從而將TAN氧化與NO3-還原進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)N污染物的同步去除而不引入新的污染物(Ding, 2015)。雖然，電化學(xué)水處理技術(shù)對(duì)TAN和NO3-均有一定的去除效果，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要想實(shí)現(xiàn)同步去除則需要對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。本文通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，研究電化學(xué)水處理過(guò)程中反應(yīng)條件對(duì)N污染物去除效果的影響，再通過(guò)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)建立響應(yīng)面模型對(duì)電化學(xué)水處理同步脫氮的反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的反應(yīng)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將為水產(chǎn)養(yǎng)殖脫氮技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源(30 V, 5 A)、陰陽(yáng)極板(100 mm×30 mm×5 mm)、磁力攪拌器、沸石、2000 ml燒杯等組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水取自青島卓越海洋集團(tuán)循環(huán)水養(yǎng)殖車間，主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)指標(biāo)

Tab.1 Water quality indexes of experimental water

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制電流密度、極板間距、陰陽(yáng)極板面積比、初始pH的大小來(lái)研究反應(yīng)條件變化對(duì)TAN、NO3-去除的影響。采用磁力攪拌器加速水體攪拌混合效果，利用沸石進(jìn)一步吸附TAN，提高反應(yīng)體系的凈化效率。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)電源大小將電流密度設(shè)為3個(gè)不同梯度，1=10 mA/cm2、2=20 mA/cm2、3= 30 mA/cm2，調(diào)整極板位置控制極板間距1=1.0 cm、2= 2.5 cm、3=4.0 cm，實(shí)驗(yàn)中，陽(yáng)極板大小不變，采用同種材質(zhì)不同規(guī)格的陰極極板，調(diào)節(jié)陰陽(yáng)極板面積比為1=1∶1、2=1.5∶1、3=2∶1，研究極板面積比變化對(duì)TAN、NO3-去除的影響，運(yùn)用NaOH及HCl調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)用水初始pH分別為1=6、2=7、3=8。

在研究電流密度對(duì)TAN、NO3-去除的影響時(shí)，將其他3個(gè)因子分別控制2、2、2的水平。在研究極板間距對(duì)TAN、NO3-去除的影響時(shí)，將其他3個(gè)因子分別控制2、2、2的水平。在研究極板面積比對(duì)TAN、NO3-去除的影響時(shí)，將其他3個(gè)因子分別控制2、2、2的水平。在研究初始pH對(duì)TAN、NO3-去除的影響時(shí)，將其他3個(gè)因子分別控制2、2、2的水平，單獨(dú)研究某一條件變化對(duì)去除效果的影響。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將TAN、NO3-去除率作為建立響應(yīng)面模型的基準(zhǔn)，進(jìn)一步分析及優(yōu)化反應(yīng)條件對(duì)N污染物處理效果的影響，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證響應(yīng)面模型分析的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每10 min測(cè)定1次水中TAN、NO3-濃度，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 水質(zhì)分析方法

各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定均參照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB17378.4-2007)中的方法。其中，TAN的檢測(cè)采用靛酚藍(lán)分光光度法；NO2-采用萘乙二胺分光光度法；NO3-采用鋅鎘還原法；pH、溫度等參數(shù)采用YSI多功能水質(zhì)測(cè)定儀(美國(guó))測(cè)定。

1.5 參數(shù)計(jì)算

電流密度(mA/cm2)：=/

式中，為實(shí)驗(yàn)電流大小(A)，為極板面積(cm2)。

去除率=(C–C)/0×100%

式中，C為初始物質(zhì)濃度(mg/L)，C為電解分鐘時(shí)溶液中的剩余濃度(mg/L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 電流密度對(duì)總氨氮、硝酸鹽去除效率的影響

電流密度實(shí)驗(yàn)顯示，TAN、NO3-濃度均隨電流密度的上升和電解時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降，電解40 min后，1~3組TAN濃度由初始的2.4 mg/L分別降低到0.34、0.22、0.20 mg/L，其中，2、3組去除效果顯著好于1組(<0.05) (圖2)。由于電流密度的升高能加速電子遷移轉(zhuǎn)化的速率，使間接氧化反應(yīng)產(chǎn)生的HClO濃度不斷增加，同時(shí)，電極周圍產(chǎn)生的氣泡(N2)起到一定的混合作用，加速了TAN的去除(舒欣等, 2012; Cao, 2016)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，2、3的電流密度下TAN的去除效果基本相同，這可能是當(dāng)達(dá)到一定程度后，后續(xù)反應(yīng)中電流密度不再是限制污染物去除的主要因素，繼續(xù)增加電流密度只會(huì)加快副反應(yīng)的速率，導(dǎo)致電流效率的下降(葉舒帆等, 2011)。電解40 min后，1~3組NO3-濃度由初始值13.1 mg/L分別降為9.2、3.4、2.5 mg/L，去除率分別達(dá)到29.8%、74.0%、80.9%，各組間差異顯著(<0.05)(圖3)。李智等(2009)研究認(rèn)為，NO3-的還原需要H2參與(反應(yīng)1、2)，10 mA/cm2時(shí)反應(yīng)速率較慢，體系中沒(méi)有足量的H2供NO3-還原，這可能是1組去除率偏低的主要原因。電子遷移速度隨著的增加而加快，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的H2為NO3-還原提供了大量的電子供體，有助于NO3-去除率的提高(李智等, 2009)。

2NO3-+ 2H2→N2+2OH-+2H2O (1)

NO3-+2.5H2→NH4++2OH-(2)

2.1.2 極板面積比對(duì)總氨氮，硝酸鹽去除效率的影響

極板面積比實(shí)驗(yàn)顯示，隨著極板面積比的增加，TAN的去除速率逐漸下降，且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，TAN濃度均存在明顯差異(<0.05)。電解40 min后，1~3組TAN濃度分別降為0.21、0.31、0.38 mg/L (圖4)。由于去除TAN的反應(yīng)受到NO3-還原的影響，極板面積比增加時(shí)，陰極面積增大，NO3-還原速率加快，反而增加了水中TAN的濃度，不利于TAN去除效率的提高(朱艷, 2013)。極板面積大小影響污染物的去除是因?yàn)殡姌O反應(yīng)主要發(fā)生在極板表面，極板面積變大時(shí)，為TAN、NO3-提供更多吸附位點(diǎn)(鄭華均, 2018)，反應(yīng)過(guò)程中，NO3-濃度均呈先下降后上升的趨勢(shì)，極板面積比的增大有助于NO3-的去除，實(shí)驗(yàn)中1~3組NO3-濃度由14.6 mg/L分別降低到7.9、3.2、4.4 mg/L。2組條件下，NO3-去除效果顯著高于其他各組(<0.05) (圖5)。Reyter等(2010)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰、陽(yáng)極板面積比發(fā)生改變時(shí)，NO3-還原效率和產(chǎn)物也隨之變化，當(dāng)陰、陽(yáng)極板面積比為2.25時(shí)，NO3-先還原產(chǎn)生TAN，隨后TAN氧化生成N2，最終NO3-去除效果明顯提升。本研究中，陰、陽(yáng)極板面積比為1.5∶1時(shí)，NO3-去除效果明顯更好，且未觀察到明顯的TAN升高，這可能與實(shí)驗(yàn)中采用的電極材質(zhì)以及陰極電位等因素有關(guān)。本研究中，NO3-濃度較高，為實(shí)現(xiàn)同步脫氮效果，適當(dāng)增加陰極板面積更有利于NO3-的還原。

圖3 電流密度對(duì)硝酸鹽去除的影響

圖4 極板面積比對(duì)總氨氮去除的影響

圖5 極板面積比對(duì)硝酸鹽去除的影響

2.1.3 極板間距對(duì)總氨氮、硝酸鹽去除效率的影響

極板間距實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電解40 min后，1~3組TAN由2.54 mg/L分別降低到0.23、023、0.24 mg/L，各組間無(wú)顯著差異(>0.05) (圖6)。宋協(xié)法等(2016)在利用釕銥電極處理含N養(yǎng)殖廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，極板間距的改變不影響TAN的去除，與本研究結(jié)果基本一致。朱艷(2013)研究表明，極板間距不是影響TAN去除的主因，極板距離的遠(yuǎn)近主要決定電子遷移速率，進(jìn)而影響TAN的去除效果。極板間距較小時(shí)反應(yīng)速率快，產(chǎn)生的HClO多，而隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)體系中HClO充足，極板間距不再是影響TAN去除的主要因素，因此，各組去除率基本相同(陳金鑾, 2008)。隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，不同間距的NO3-去除效果存在顯著差異，1~3組NO3-濃度分別降低到8.3、4.3、6.8 mg/L (<0.05) (圖7)。姚利軍(2015)研究發(fā)現(xiàn)，極板間距增加，NO3-去除率由32%提高到77.2%，去除率不斷增加。而本研究中，極板間距為2.5 cm時(shí)，NO3-去除效果最為理想，增大或減小極板間距均不利于污染物的去除，這主要因?yàn)楫?dāng)極板兩側(cè)在電壓不變條件下，極板距離的增加會(huì)增大電極間電阻，使電子轉(zhuǎn)移速率降低，進(jìn)而影響去除效果；當(dāng)極板間距過(guò)小時(shí)，由于液體粘滯作用導(dǎo)致NO3-轉(zhuǎn)移過(guò)程受阻，同時(shí)，板間電壓導(dǎo)致極板表面發(fā)生鈍化，因此，增大或減小板間距都會(huì)影響NO3-還原的效率(Brylev, 2007; 葉舒帆等, 2011)。

圖6 極板間距對(duì)總氨氮去除的影響

圖7 極板間距對(duì)硝酸鹽去除的影響

2.1.4 初始pH對(duì)總氨氮、硝酸鹽去除效率的影響

初始pH實(shí)驗(yàn)顯示，初始pH的升高不利于TAN和NO3-的去除，電解40 min后，1~3組TAN濃度分別降為0.18、0.25、0.36 mg/L(圖8)，1~3組NO3-濃度由14.6 mg/L分別降低到3.2、4.7、5.5 mg/L(圖9)，各組間差異顯著(<0.05)。Gendel等(2012)研究表明，pH通過(guò)影響水中游離氯的存在形式進(jìn)而影響TAN的去除(反應(yīng)式3)，當(dāng)pH<7時(shí)，水中游離氯主要以HClO形式存在，pH>7時(shí)，水中游離氯主要以O(shè)Cl-存在，HClO的氧化性要明顯好于OCl-，因此，酸性環(huán)境有助于加速TAN的去除，pH較低時(shí)有助于NO3-的去除，這主要是因?yàn)樗嵝詶l件下水中H+濃度高，產(chǎn)生的H2可作為電子供體直接參與到NO3-還原中，因此，有助于提高NO3-的還原效率(李智等, 2009)。

從單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，電化學(xué)水處理對(duì)TAN的去除率在實(shí)驗(yàn)條件下都能達(dá)到80%以上，但不同反應(yīng)條件下，NO3-的去除效果差別很大，NO3-去除率不高，限制了TAN、NO3-的同步去除，為實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水同步脫氮的效果，采用響應(yīng)面分析模型對(duì)NO3-去除的條件進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 初始pH對(duì)總氨氮去除的影響

圖9 初始pH對(duì)硝酸鹽去除的影響

2.2 響應(yīng)面分析硝酸鹽的去除率

2.2.1 模型建立及顯著性分析 本研究在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 8.0.6軟件內(nèi)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，以電流密度、極板間距、極板面積比，初始pH共4個(gè)影響因子為響應(yīng)變量，以NO3-去除效率為響應(yīng)面，進(jìn)行四因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼見(jiàn)表2(郜玉楠等, 2018)。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子及水平

Tab.2 Factors and levels for Box-Behnken design

通過(guò)Design-Expert軟件進(jìn)行多元二次回歸獲得的擬合方程：1=0.81+0.073′+0.011′+0.033′– 0.009′–0.025′′+0.003′10-3′′–0.024′′+ 0.0046′B′C–0.006′′–0.003×′–0.076′A2–0.100′2–0.075′2–0.038′2。對(duì)模型進(jìn)行方差分析，所得結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，模型<0.0001，說(shuō)明所得回歸方程差異極顯著，失擬項(xiàng)P=0.1179，P>0.05說(shuō)明失擬不顯著，實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的回歸方程效果理想，故可用此模型對(duì)不同參數(shù)條件下的NO3?去除效果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。模型的回歸系數(shù)R2=0.9340，校正系數(shù)R2= 0.8681，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值吻合度較高(林建原等, 2013)，從表3可以看出，電流密度及極板面積比對(duì)NO3?去除的影響極顯著(P<0.0001)；電流密度和初始pH的交互作用也顯著影響NO3?的去除(P<0.05)；此外，模型中二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對(duì)NO3?處理效率影響也達(dá)到極顯著水平。

表3 回歸方程方差分析

Tab.3 Analysis of variance for regression equation

注：為回歸方程與實(shí)際值的擬合程度；值為該因素的影響顯著性程度，*為影響顯著

Note:is the fitting degree between the regression equation and the actual value;is the significance degree of the influence of this factor, * is the significance degree of the influence

2.2.2 兩因子間交互作用分析 為進(jìn)一步考察各因子的交互效應(yīng)對(duì)NO3-去除率影響，同時(shí)，獲得最佳反應(yīng)條件，固定其中2個(gè)條件不變，獲得任意2個(gè)因素交互作用對(duì)NO3-去除影響的響應(yīng)面3D效果圖(圖10)。

圖10 因素交互作用對(duì)對(duì)硝酸鹽去除效率影響的響應(yīng)面

從圖10可以看出，等高線的形狀以及曲線坡度反映了交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，等高線呈橢圓形且坡度越陡說(shuō)明交互作用越顯著；反之為交互作用不顯著(張洋等, 2018; 楊晶晶等, 2018)。電流密度與初始pH之間交互作用最為明顯。通過(guò)NO3-去除率曲面還可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)條件中，電流密度對(duì)NO3-去除效率影響最大，其次是極板面積比，這也印證了表3中方差分析的結(jié)果。響應(yīng)面呈現(xiàn)折疊的曲面，表明各因素與響應(yīng)結(jié)果之間的關(guān)系比較復(fù)雜，無(wú)法用一次線性方程解釋，但所得響應(yīng)面均為開(kāi)口向下(圖10)，說(shuō)明4個(gè)因素的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)均存在最佳值(王周利等, 2014)。通過(guò)對(duì)模型回歸方程的優(yōu)化求解，獲得了NO3-最佳去除率為83.4%，此時(shí)的反應(yīng)條件：=25.6 mA/cm2，極板間距為2.5 cm，極板面積比為1.6∶1，初始pH為6.6。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在模型優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件下開(kāi)展3次重復(fù)試驗(yàn)，用于驗(yàn)證養(yǎng)殖廢水的脫氮效果見(jiàn)圖11。從圖11可以看出，實(shí)驗(yàn)中TAN濃度由2.28 mg/L降為0.29 mg/L，平均去除率達(dá)到87.3%；NO3-濃度由13.5 mg/L降為2.5 mg/L，平均去除率達(dá)到81.5%。而響應(yīng)面模型優(yōu)化后NO3-去除率的預(yù)估值為83.4%，二者間誤差為1.9%，此外，對(duì)實(shí)驗(yàn)中間產(chǎn)物NO2-濃度分析后發(fā)現(xiàn)，盡管實(shí)驗(yàn)過(guò)程中NO3-濃度大幅度上升，但一段時(shí)間后其濃度逐漸下降，且不存在較高濃度NO2?積累的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用響應(yīng)面模型對(duì)電化學(xué)水處理反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，有助于養(yǎng)殖廢水脫氮效率的提高。

圖11 最佳反應(yīng)條件下的脫氮效果

3 結(jié)論

單因素實(shí)驗(yàn)表明，電流密度、極板間距、極板面積比和初始pH的改變對(duì)TAN的去除影響較小，在給定的反應(yīng)條件下，各組TAN的去除率達(dá)到80%以上；而電流密度、極板間距、極板面積比和初始pH的改變顯著影響NO3-的去除，為實(shí)現(xiàn)TAN和NO3-的同步去除，須對(duì)NO3-反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。

以電流密度、極板間距、極板面積比、初始pH為影響因子，以NO3-去除率為響應(yīng)值建立響應(yīng)面模型，通過(guò)對(duì)回歸方程求解獲得去除NO3-的最佳反應(yīng)條件：電流密度為25.6 mA/cm2，極板間距為2.5 cm，極板面積比為1.6∶1，初始pH為6.6，此時(shí)，NO3-去除率為83.4%。

在響應(yīng)面優(yōu)化反應(yīng)條件下開(kāi)展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到TAN去除率為87.3%，NO3-去除率為81.5%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用響應(yīng)面模型對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化有助于養(yǎng)殖廢水脫氮效率的提高。

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Optimization and Validation of Electrochemical Technology for Simultaneous Nitrogen Removal in Aquaculture by Using Response Surface Methodology

ZHANG Peng1,2, ZHANG Long1,2, CHEN Shibo3, ZHU Jianxin2①

(1. National Demonstration Center for Experimental Fisheries Science Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306; 2. Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Qingdao 266071; 3. Qingdao Excellent Ocean Group Co., Ltd., Qingdao 266400)

The simultaneous removal of ammonia and nitrate nitrogen is a challenging process in the treatment of recirculating aquaculture systems.This study first analyzed the effects of current density, plate area ratio, plate spacing, and initial pH on the removal rates of ammonia and nitrate nitrogen by a single-factor experiment. To understand the effects of different influencing factors on the efficiency of nitrogen removal, four-factor and three-level response surface experiments were designed on the basis of the central combination principle of Box-Behnken in Design-Expert software. Subsequently, the reaction conditions for the simultaneous removal of ammonia and nitrate nitrogen were optimized using a response surface model. Finally, the optimized reaction conditions were evaluated using verification experiments. In the single-factor experiments,we found that the changes in the current density, plate area ratio, plate spacing, and initial pH had little effect on ammonia and nitrate nitrogen removal. The removal rate of ammonia is always > 80% in the given reaction conditions, whereas the changes in reaction conditions significantly affected the removal rate of nitrate nitrogen,which ranges from 29.8% to 80.9%. The constructed response surface model showed that the regression coefficient (2) was 0.9340 and the correction coefficient (2) was 0.8681, which showed that the model has good accuracy. We obtained the optimal reaction conditions using the response surface model: current density was 25.6 mA/cm2, plate area ratio between cathode and anode was 1.6:1, plate spacing was 2.5 cm, and initial pH was 6.6. Experimental verification under the reaction conditions proved that the removal rate of nitrate nitrogen could reach up to 81.5% and the removal rate of ammonia up to 87.3%.This experiment showed that electrochemical treatment can effectively achieve the simultaneous removal of ammonia and nitrate nitrogen and that application of the response surface model can improve the nitrogen removal efficiency of electrochemical treatment in aquaculture wastewater.

Aquaculture; Electrochemical technology; Simultaneous nitrogen removal; Response surface methodology

X703.1

A

2095-9869(2020)01-0066-09

10.19663/j.issn2095-9869.20181112001

* 科技部重點(diǎn)專項(xiàng)(2017YFD0701700)和山東省藍(lán)色產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才團(tuán)隊(duì)支撐計(jì)劃共同資助 [This work was supported by the Important Special Program of the Ministry of Science and Technology, China (2017YFD0701700), and Blue Industry Leading Talent Team Support Program of Shandong Province]. 張 鵬，E-mail: zp921345@163.com

朱建新，研究員，E-mail: zhujx@ysfri.ac.cn

2018-11-12,

2018-12-03

http://www.yykxjz.cn/

張鵬, 張龍, 陳世波, 朱建新. 養(yǎng)殖水電化學(xué)同步脫氮響應(yīng)面優(yōu)化與驗(yàn)證. 漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展, 2020, 41(1): 66–74

Zhang P, Zhang L, Chen SB, Zhu JX. Optimization and validation of electrochemical technology for simultaneous nitrogen removal in aquaculture by using response surface methodology. Progress in Fishery Sciences, 2020, 41(1): 66–74

ZHU Jianxin, E-mail: zhujx@ysfri.ac.cn

(編輯 陳 嚴(yán))