鎂陽極-活性炭-不銹鋼電極體系電解豬場廢水研究

雷澤宇，許裕良，韓志英

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058）

養(yǎng)殖廢水污染問題是制約畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，而磷酸銨鎂沉淀是一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有效的緩釋肥。將養(yǎng)殖廢水作為電解液，將鎂合金作為犧牲陽極，電解釋放的鎂離子能和廢水中的銨根離子和磷酸根離子反應(yīng)產(chǎn)生磷酸銨鎂沉淀，該電化學(xué)反應(yīng)迅速高效，在處理廢水的同時，實現(xiàn)氮磷植物養(yǎng)分的回收。

活性炭具有多孔結(jié)構(gòu)，性質(zhì)穩(wěn)定，能較好地吸附沼液中的COD和氨氮等?；钚蕴咳S電化學(xué)反應(yīng)器具有反應(yīng)效率高、成本低等優(yōu)點，可以強(qiáng)化廢水電解法中無機(jī)物和有機(jī)物的去除。然而，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀收集需要改進(jìn)方式，且鮮有文獻(xiàn)探討電極體系的長效性。本研究利用活性炭電極強(qiáng)化處理氮磷廢水，通過試驗考察活性炭添加量對鎂犧牲陽極三維電極體系去除磷及鎂殘留的影響，確定優(yōu)化的電極體系，同時探索三維電極體系強(qiáng)化處理實際豬場廢水的效果。

1 試驗材料與方法

1.1 電解試驗裝置、材料與電解液

電解試驗裝置包括三維電極電化學(xué)反應(yīng)器（有機(jī)玻璃反應(yīng)器）、直流電源（JS3010D，無錫安奈斯電子科技有限公司，中國）、pH計（PHS-2F，上海雷磁儀器有限公司，中國）、電動攪拌器（JJ-IA，金壇區(qū)白塔新寶儀器廠，中國）。主要材料有WE43鎂合金陽極板和SS304不銹鋼板陰極板（WE43和SS304，蘇州川茂金屬材料有限公司，中國）、活性炭（椰殼木質(zhì)柱狀，粒徑6 mm，河南美源環(huán)保新材料有限公司，中國）。電解液分為合成廢水和豬場廢水。

合成廢水由NHCl（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，中國）、NaHPO·2HO（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，中國）和水配制，氨氮（NH-N）和磷酸根（PO-P）濃度分別為600 mg/L和60 mg/L。

實際豬場廢水水質(zhì)如表1所示，主要監(jiān)測指標(biāo)有pH、電導(dǎo)率、COD、總氮（TN）、總磷（TP）、NH-N和PO-P?？扇苄訬H-N和PO-P的濃度比約為10∶1，和合成廢水氮磷濃度比一致，但由于實際豬場廢水濃度約為合成廢水濃度的兩倍，因此電解前應(yīng)稀釋原始的豬場廢水，即豬場廢水電解液的氨氮濃度為500～700 mg/L，磷濃度為60～70 mg/L。

表1 實際豬場廢水水質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

固定陰極板與陽極板，保持極板間距3 cm，在恒定電流0.39 A（電流密度9.33 mA/cm）條件下，采用單因素試驗方法考察不同添加量活性炭顆粒（0 g、15 g、30 g、45 g）電解過程中廢水的磷去除率和鎂離子濃度的變化規(guī)律。每種活性炭添加量進(jìn)行3批次電解試驗（每批次試驗開始前氮磷廢水濃度均一致）。試驗期間對電解產(chǎn)生的沉淀進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析。

豬場廢水和合成廢水電解液體積均為1 L。試驗采用優(yōu)化后的電極體系，以序批式方式運(yùn)行，共進(jìn)行10個周期，每個工作周期為60 min。記錄電解開始（0 min）和電解結(jié)束（60 min）磷、氨氮、COD等指標(biāo)變化情況。

1.3 分析方法

COD采用哈希COD消解儀和分光光度計進(jìn)行測定；電導(dǎo)率采用數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定，TN采用哈希總氮試劑法測定，TP采用哈?？偭自噭┓y定；NH-N采用陽離子色譜法測定。利用紫外分光光度計，按照鉬銻抗分光光度法測定溶解性磷，通過原子吸收光譜法測定Mg。收集電解過程中產(chǎn)生的沉淀物，待沉淀完全干燥后，通過X射線衍射儀測定沉淀物，并通過MDI Jade6軟件分析衍射峰。

2 結(jié)果與討論

2.1 3批次電解合成廢水效果

不同活性炭添加量體系下，三維電極體系連續(xù)處理3批次合成廢水的磷去除率變化如圖1所示。每批次試驗開始時，磷濃度一致均為60 mg/L左右。由圖1可知，活性炭添加量為30 g時，裝置連續(xù)運(yùn)行3批次，各相同電解時刻，磷去除率標(biāo)準(zhǔn)差在較小的范圍內(nèi)，除磷效果較穩(wěn)定。綜合來看，活性炭添加量主要影響電解過程前3批次中磷的去除率，但在電解裝置運(yùn)行結(jié)束（第60 min、120 min、180 min），磷去除率較高，均超過98.6%，效果較好。

圖1 不同活性炭添加量電極體系3批次試驗的磷去除率變化

在電解過程中，合成廢水中殘留鎂濃度變化如圖2所示。其中，添加量為30 g的電極體系殘留鎂濃度曲線基本處于其他3條殘留鎂濃度曲線下方，即活性炭添加量為30 g時，電解裝置連續(xù)運(yùn)行3批次，控制鎂殘留的效果較為穩(wěn)定。試驗發(fā)現(xiàn)，電解合成廢水過程中產(chǎn)生了大量白色結(jié)晶沉淀物。白色結(jié)晶沉淀物的XRD檢測結(jié)果如圖3所示，經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)磷酸銨鎂晶體（分析純，上海賢鼎生物科技有限公司，中國）XRD圖譜比對，不同活性炭添加量的電極體系下回收得到的沉淀均為磷酸銨鎂。

圖2 不同活性炭添加量電極體系3批次試驗的殘留鎂濃度變化

圖3 不同活性炭添加量電極體系反應(yīng)后生成沉淀的XRD圖

2.2 10批次電解處理實際豬場廢水的運(yùn)行效果

采用WE43-活性炭-SS304三維電極體系，分10批次電解實際豬場廢水，磷濃度變化如圖4所示。電解開始時（0 min），初始磷濃度為63.4～71.9 mg/L，電解結(jié)束時（60 min），磷濃度下降，為9.9～21.4 mg/L，豬場廢水的磷去除率為68.5%～85.7%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.1%。氨氮濃度變化如圖5所示，電解開始時，初始氨氮濃度為563.6～628.3 mg/L，電解結(jié)束時，氨氮濃度下降，為224.6～337.1 mg/L，去除率為42.7%～59.5%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.5%。COD濃度變化如圖6所示，電解開始時，初始COD濃度為1 261～1 665 mg/L，電解結(jié)束時，COD濃度下降，為425～674 mg/L，去除率為58.8%～66.3%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.6%。由此可知，豬場廢水的磷、COD和氨氮得到有效降解。同時，對電解豬場廢水后的沉淀進(jìn)行XRD分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉淀物為磷酸銨鎂晶體。

圖4 10批次電解處理豬場廢水的磷濃度變化

圖5 10批次電解處理豬場廢水的氨氮濃度變化

圖6 10批次電解處理豬場廢水的COD濃度變化

3 結(jié)論

4種不同活性炭添加量的電極體系下，磷去除效果總體較好，每個批次磷去除率均能在電解40 min時大于88%；在連續(xù)3個批次的電解試驗中，30 g活性炭添加量電極體系的溶液殘留鎂濃度低于其他添加量體系；回收的沉淀進(jìn)行XRD分析，結(jié)果表明，其為磷酸銨鎂。WE43-活性炭-SS304三維電極體系電解豬場廢水，經(jīng)10批次電解處理，豬場廢水中磷的去除率為68.5%～85.7%，氨氮去除率為42.7%～59.5%，COD去除率為58.8%～66.3%，電解后的豬場廢水仍需要進(jìn)一步處理才能排放或回用，同時電解豬場廢水獲得了試驗?zāi)繕?biāo)產(chǎn)物磷酸銨鎂沉淀。