三維電極法處理農村生活污水的研究
——以甘肅省為例

高雅彬

（蘭州交通大學博文學院，甘肅 蘭州 730101）

2018年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳發布實施《農村人居環境整治三年行動方案》，其核心思想是改善農村人居環境，建設美麗宜居鄉村［1］。近年來，我國各地區認真貫徹黨中央決策部署，大力推進農村環境治理，且已取得顯著成效。但農村環境狀況仍不平衡，如甘肅省各農村地區農戶相對分散、經濟較為落后，農村水污染控制相對較弱，農村地區的水污染問題已成為環境整治的關鍵［2］。因此，如何研究一種低成本、低能耗、高效率、易維護的污水處理技術顯得非常重要。本文就農村生活污水處理技術進行研究，旨在減少生活污水對農村生態環境的影響，為甘肅省農村生活污水處理提供可行性對策，以減少污水排放量，創建宜居鄉村環境。

1 甘肅省農村生活污水處理現狀

目前，甘肅省生活污水處理應用最廣泛的工藝是生物處理法，其主要是利用微生物的氧化分解作用，將污水中的有機污染物轉化為簡單的無機物，從而使水質得到凈化。根據生物脫氮原理，脫氮是在微生物的作用下，將有機氮和氨氮（NH3-N）轉化為氮氣（N2）和氮氧化物（NXO）氣體（即硝化和反硝化作用）從而去除的過程，而污水生物脫氮的前提是污水中要具備充足的碳源［3］。但目前農村生活污水中氮源含量較低，生物脫氮過程中的反硝化作用不能順利完成，從而導致出水效果不理想，超標的氮磷排入水體將直接導致水體富營養化乃至產生黑臭水體。本研究探討三維電極法處理生活污水，是適合甘肅省農村生活污水處理的新方法。

2 三維電極法概述

三維電極是在傳統的二維電極（電解槽）間填充不同形狀的粒子材料作為第三電極，填充的電極材料即稱為三維電極［4］。三維電極技術是采用氧化污水處理的技術，也可稱為填充床電氧化技術，這種方法通過添加一些填充材料，增加處理的表面積，強化傳質過程，提高電流效率，從而加快污水中有機物的降解。其對環境要求低，在常溫常壓下即可進行，無須或僅少量添加化學藥劑即可，不會產生二次污染，且設備占地面積小、操作簡單，適合農村地區采用。三維電極法既可以單獨處理污水，也可與其他污水處理工藝相結合，被稱為“環境友好”技術。三維電極法處理生活污水的主要原理是，利用陰陽電極發生氧化還原反應分解有機物，或利用電解過程中產生的過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）等強氧化物降解有機物［5］，具體反應機理見表1。

表1 三維電極處理生活污水反應機理

3 試驗方法及結果分析

3.1 試驗方法

本試驗為三維電極法處理農村生活污水的初探，因此只針對農村生活污水中常見的2 種污染物化學需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）進行研究。通過對甘肅省農村生活污水污染物的含量進行調研，根據本地區生活污水水質情況（COD 選擇數據為400 mg/L，NH3-N 選取數據為20 mg/L 作為研究對象），采用人工配水模擬實際情況。人工配水時，COD含量以葡萄糖替代，NH3-N以氯化銨替代。三維電極的試驗裝置，外形為不銹鋼圓筒制作，不銹鋼筒壁作為陰極；在圓筒中央放置一根石墨棒作為陽極；中間空隙部分用1～2 mm 的活性炭填充，作為第三極。人工模擬生活污水下進上出，保持水流連續，每天進行取樣測定，試驗進行15 d。

3.2 試驗結果與分析

經過15 d 連續取樣測定COD 和NH3-N 的濃度，變化曲線如圖1 所示。由圖1 可以看出，COD 和NH3-N 的濃度變化趨勢相似。在反應初期，活性炭的吸附能力很強，吸附速率快，污染物濃度下降得很快；八九天后，活性炭表面已吸附大量污染物，可利用的吸附表面積減少，污染物分解速率逐漸降低；十一二天后，吸附劑表面污染物與試驗污水中污染物的濃度基本相同，不產生吸附作用力，因而COD 和NH3-N 的濃度基本不變，即可認為反應已達到平衡狀態。通過本次試驗可以發現，COD 和NH3-N 的濃度會隨著時間的增長而逐漸下降，前期污染物濃度下降速率快，后期下降速率緩慢甚至不變，最佳吸附分解時間是八九天，COD、NH3-N的去除率分別可達74.5%、69.5%。

4 結論及建議

本次試驗采用三維電極法，由于填充了第三粒子電極，使得污染物與電極的接觸表面積增大，加快了反應速率。在反應初期，污水中的COD 濃度很高，濃度梯度很大，吸附作用力大，COD 能快遞擴散到電極表面，發生反應而去除，污染物濃度下降速率較快。隨著時間的增長，污染物COD 濃度逐漸降低，濃度梯度減小，反應速度逐漸變慢，十一二天后COD 濃度基本不再降低，反應達到平衡。NH3-N 的濃度變化曲線與COD 基本一致，NH3-N的去除主要是在陽極上通過氧化反應而降解，有直接氧化和間接氧化作用共同完成。NH3-N 在陽極的氧化反應中，最主要的途徑是80%～90%的NH3-N 在陽極表面失電子被氧化為氮氣（N2），10%以下的NH3-N 會在強氧化劑·OH 的間接氧化作用下生成亞硝態氮（NO2-N）和硝態氮（NO3-N）等高價態化合物，還有極少量的游離氨會直接轉化為氨氣逸散。

本研究僅利用小型試驗裝置對COD、NH3-N2種農村常見目標污染物進行模擬研究，確定三維電極法處理生活污水的可行性。本試驗中采用的是模擬廢水，而實際的甘肅省農村生活污水，由于收集、排放設施的不完善，污水成分會相對復雜，因此后期應針對甘肅省農村實際生活污水進行進一步深入研究。除了生活污水水質外，還應針對電解時間、電壓大小、電解質種類不同、電解質濃度不同、粒子電極的填充高度等試驗條件的變化進一步進行詳細研究，以進行合理配置，減少電能消耗，得到最優農村污水處理方案。

圖1 COD和NH3-N的濃度變化曲線圖