關于鐵碳微電解法對沼液處理效果的探索
作者：鄭曉敏
鐵碳微電解技術被認為是有效、廉價、綠色的預處理技術，是大多數(shù)高濃度難降解廢水預處理的首選技術。微電解技術是將具有不同電極電位的金屬或非金屬直接浸泡在污染廢水中，發(fā)生電池效應而形成無數(shù)微小的腐蝕原電池，使廢水中的電解質污染物通過氧化還原反應，金屬陽極被腐蝕而消耗，同時電化學腐蝕反應又會引發(fā)一系列連帶協(xié)同作用：吸附、絮凝和沉淀作用，鐵碳微電解法去除污染物是多種作用綜合效應的結果。沼液中存在大量帶負電荷的膠體，由于碳酸鹽體系平衡的存在使其具有較強的緩沖性能，一般方法很難破壞其電荷平衡。然而，運用鐵碳微電解技術處理沼液的研究報道較少，其可行性有待研究。
根據(jù)以往學者的經驗，采用動態(tài)床鐵碳微電解處理技術有助于解決鐵屑結塊對反直床堵塞等問題，并可提高處理效率。本試驗采用曝氣振蕩的鐵碳微電解技術，研究活性炭對鐵碳微電解處理過程的影響及鐵碳微電解處理沼液的性能，探討對沼液NH3-N，COD，P043--P的去除效果，尋找最適試驗條件，為沼液達標排放的前端處理技術研究提供理論指導與實驗支撐。
1材料與方法
1.1試驗材料
供試沼液來自沈陽市某養(yǎng)殖場，靜置12 h后取上清液進行水質分析。試驗過程中分別以鐵粉和活性炭為電極原料。采用NaOH和HC1調節(jié)溶液的pH，所用藥劑均為分析純。沼液原液理化性質如表1所示。
1.2試驗裝置
采用水浴搖床振蕩并控制溫度，曝氣裝置控制曝氣量，在燒杯中進行模擬試驗，調節(jié)其pH值，通過微電解破壞膠體特性，進而達到分離的目的。鐵碳微電解裝置示意圖如圖1所示。
1.3試驗方法
鐵粉的預處理：將新購置的鐵粉分散鋪開置于烘箱中，120℃烘干3 h，放在實驗盤中，用保鮮膜密封保存，防止鐵粉被空氣氧化。
活性炭的預處理：將新購置的活性炭分散鋪開置于烘箱中，120℃烘干3h，放在實驗盤中，備用。
1.3.1活性炭對鐵碳微電解處理沼液的影響
取16個燒杯，平均分成2組，在每組燒杯中分別加入200 mL沼液原液和經稀釋一倍的沼液，然后將分別稱取的10 g預處理的生物炭加入到每個燒杯中，于20℃,120 r/min的水浴搖床中進行吸附平衡時間試驗(30，60，120，180，240，480，600，720 min)，待吸附到相應時間后，取出過濾，并測定濾液中污染物的濃度。計算活性炭對沼液污染物的去除率。
初始試驗條件：pH值為3；于120 r/min水浴搖床中控制溫度為20℃：反應時間為120 min;采取曝氣方式：Fe/C質量比為1:1.采用經過循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭，反應體系固液比為20 g 填料：200 mL沼液.對照試驗除不含鐵粉以外．其它與鐵碳微電解試驗條件相同，研究活性炭對鐵碳微電解處理沼液的影響。
1.3.2鐵碳微電解對沼液污染物的去除效果
在初始試驗條件基礎上，改變各影響因素的大小，計算鐵碳微電解對沼液污染物的去除率，從而確定各因素對鐵碳微電解工藝處理沼液的去除效果。
1.4分析方法
根據(jù)水和廢水監(jiān)測分析方法，采用鉬銻抗分光光度法測定P043--P：采用納氏試劑分光光度法測定NH3-N;采用玻璃電極法測定pH值；采用重鉻酸鉀法測定化學需氧量(COD)。
2結果與討論
2.1活性炭對鐵碳微電解處理沼液的影響
2.1.1活性炭對沼液的吸附
在鐵碳微電解填料加入燒杯的初期，活性炭的吸附起主要作用，當活性炭達到吸附飽和后，鐵碳微的電解成為主導作用。圖2~4為活性炭對沼液P043--P，NH3-N和COD吸附試驗的結果。
由圖可知，活性炭對不同濃度沼液的吸附作用存在一定的差異，相比PO43--P和NH3-N,活性炭對不同濃度沼液的COD都具有較高的吸附作用，COD最大去除率為25.3%。在NH3-N含量為510 mg/L沼液中，吸附量一直緩慢增加，在吸附時間為720 min時達到最大值4.349 8 mg/g，而在NH3-N含量為255 mg/L的稀釋一倍沼液中，隨反應時間的延長達到的最大吸附量為2.392 4 mg/g。對比兩種濃度沼液中NH3-N吸附量隨反應時間變化的曲線可得出，活性炭對低濃度的沼液具有較高的去除性。觀察圖2～4，隨著反應時間的不斷增加，活性炭對兩種濃度沼液中3種指標的吸附基本都在120 min達到了吸附平衡，這可能是由于活性炭表面活性吸附位的減少導致吸附作用減弱，即吸附作用基本達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
2 .1.2吸附穩(wěn)定的活性炭對鐵碳微電解處理沼液的影響
采用經過循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭與鐵粉構成微電解反應體系，采用1.3.1中的初始試驗條件。對照試驗除不含鐵粉以外，其他條件相同。分別測定3組試驗對沼液中P043--P，NH3-N和COD的去除效果，試驗結果見圖5。
由圖5的對比試驗可知，經過循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭對沼液的去除效果很弱，去除率均小于3%，可看成是測量誤差，忽略不計，而沼液原液及稀釋一倍的沼液的去除率是其11～24倍。當循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭與鐵粉構成微電解體系時，對沼液污染物的去除效果明顯上升。相對于沼液原液，鐵碳微電解體系對稀釋一倍的沼液處理效果更顯著，當沼液原液中的NH3-N去除率為20.85%時，稀釋一倍的沼液中的NH3-N去除率則為33.74%。這說明鐵碳微電解對低濃度的沼液具有較強的去除效果。
2.2鐵碳微電解對沼液污染物的去除效果
2.2.1溫度對鐵碳微電解處理性能的影響
圖6、圖7給出了不同溫度(15，20，20C)對鐵碳微電解去除沼液污染物的影響。試驗條件：采用經過循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭，除溫度外，其他同初始試驗條件，反應完后靜置至室溫．絮凝沉淀30 min．取上清液測定其成分，比較溫度變化對沼液處理效果的影響。
由圖可以看出，隨著溫度的升高，，鐵碳微電解對COD的去除率先升再下降，在20℃達到吸附濃度的最大值432.790 6 mg/L，此時的去豫率為30.98%。NH3-N的吸附濃度隨溫度的升高緩慢增加，在25℃時去除率最大為12.65%，對應的吸附濃度為64.515 2 mg/L。與NH3-N的去除效果不同的是，P043--P隨著溫度的升高略呈降低趨勢，在15 0C時處理效果最好，吸附濃度為39.771 4mg/L，去除率達62.24%。PO43--P的去除率略有降低的原因可能是由于隨著溫度的升高，沼液中布朗運動加快，阻礙鐵碳微電解中微小腐蝕原電池的形成，從而降低了去除率。溫度升高，溶解度降低，鐵碳微電解還原的N2從沼液中溢出，進而提高了NH3-N的去除率。
2.2.2反應時間對鐵碳微電解處理性能的影響
圖8、圖9給出了不同反應時間(30，60，90，120，150，180，210，240 min)對鐵碳微電解去除沼液污染物的影響。試驗條件：采用經過循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭，除反應時間外，其他同初始試驗條件．反應完后靜置至室溫，絮凝沉淀30min．取上清液測定其成分．比較反應時間的變化對沼液處理效果的影響。
由圖8、圖9可知，隨著反應時間的增加，鐵碳微電解對沼液污染物的去除效果影響不大。整個試驗過程中對COD，NH3-N的去除效果都略有上升趨勢，對P043--P的去除效果存在小幅度上下波動。在0～120 min，隨著反應時間的增加，COD的去除率明顯增加，而NH3-N的去除率增長緩慢，在120 min時COD去除濃度達到464.921 6mg/L，去除率為33.28%，此時NH3-N去除濃度為66.861 4 mg/L，去除率為13.11%；反應時間為120—150 min時,COD去除率保持穩(wěn)定不變，NH3-N去除率也基本保持穩(wěn)定。隨著反應時間的繼續(xù)增加，COD和NH3-N的去除率均增長緩慢。原因可能在于．試驗開始時生成更多的原電池，鐵碳微電解反應速度相對較快，在120 min時微電解反應基本完成；反應時間越長，反應越充分，但反應時間過長，會溶出更多的亞鐵離子影響測定過程。對于本試驗處理沼液，鐵碳微電解體系在去除P043--P 30 min后會發(fā)生處理能力下降的情況，到90 min時去除能力又陸續(xù)回升，120 min之后60 min內去除率增長極為緩慢，基本已達到平衡狀態(tài)。鐵碳微電解工藝對PO43--P的去除率相對較高，去除濃度高達37.899 1 mg/L，去除率高達59.31%。
2.2.3 pH對鐵碳微電解處理性能的影響
圖10、圖11給出了不同pH(l，2，3，4，5，6，7)對鐵碳微電解去除沼液污染物的影響。試驗條件：采用經過循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭，除pH外，其他同初始試驗條件，反應完后靜置至室溫，絮凝沉淀30 min，取上清液測定其成分，比較pH變化對沼液處理效果的影響。
由圖10、圖11可知，pH對鐵碳微電解處理沼液性能有較大的影響，在pH=3時，P043 --P，
NH3-N去除效果最佳，去除率分別可達68.06%，20.41%；在pH=4時，COD去除效果最佳，去除率為30.54%。P043--P和COD去除效果隨pH的增大先明顯增強，PO43-P去除效果在pH>3后緩慢降低，而COD去除效果在pH>4后先由小幅度降低最終轉變?yōu)榧眲〗档�。NH3-N去除率在pH=2～3時快速增加，而后又明顯下降。這是由于P043--P的去除，是通過化學沉淀形成磷酸鐵的沉淀去除，pH較低，為防止破壞絮凝體而抑制其生成。而且pH過高不利于產生鐵離子和亞鐵離子，阻礙電極反應，故去除效果較低�？偟膩碚f，過高或過低的pH值，鐵碳微電解去除COD，P043--P，NH3-N的效果都很不理想，當pH=3時，3者的去除率相對處于最佳狀態(tài)。
2.2.4 Fe/C質量比對鐵碳微電解處理性能的影響
圖12、圖13給出了不同F(xiàn)e/C質量比(1：1，1：2，1:3，2:1，3:1)對鐵碳微電解去除沼液污染物的影響。試驗條件：采用經過循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭，除Fe/C質量比，其他同初始試驗條件，反應完后靜置至室溫，絮凝沉淀30 min，取上清液測定其成分，比較Fe/C質量比變化對沼液處理效果的影響。
由圖12、圖13可知，F(xiàn)e/C質量比隨著活性炭質量的增大，鐵碳微電解體系對沼液PO43--P，
COD和NH3-N去除濃度效果的影響都比較大。Fe/C質量比為1：1時，P043 --P去除率高達
63.19%，F(xiàn)e/C質量比為1:2時，去除率下降到46.59%。當Fe/C質量比為1:1時，NH3N的去除濃度最高達104.091 1 mg/L，去除率為20.41%，而其他Fe/C質量比對NH3-N去除效果均較差，僅為9%~11%。這可能是因為在Fe/C質量比為1:1時，反應體系中構成的氧化還原反應恰好能達到平衡狀態(tài)，鐵粉被最高效的氧化成鐵離子，同時氮元素也被充分還原成N2，從而使去除效果較好。COD的去除率在Fe/C質量比為1:3時最低，僅為18.26%,去除濃度為213.182 2 mg/L，當Fe/C質量比為3:1時，去除率最高達35.06%，去除濃度為489.788 2 mg/L。原因可能在于，F(xiàn)e/C質量比過低會導致鐵碳微電解反應處理沼液負荷過大，從而造成處理COD的效果低下。
3結論
本試驗通過鐵碳微電解處理沼液技術，研究了活性炭的吸附作用在鐵碳微電解中的影響及鐵碳微電解處理沼液的性能。試驗結果表明：活性炭對沼液中NH3-N，COD和PO43--P有一定的吸附作用，在吸附時間為720 min時，對沼液原液NH3-N的吸附量最高可達4.349 8 mg/g；經過循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭對沼液的去除效果很弱，去除率均小于3%，對試驗的影響可忽略不計；相較于沼液原液，鐵碳微電解對稀釋一倍的沼液COD，NH3-N和P043--P具有較強的去除效果：鐵碳微電解對COD，NH3-N和P043--P的去除率分別在20，25，15℃達到吸附濃度的最大值，對應的數(shù)值為432.790 6，64.515 2，39.771 4 mg/L；鐵碳微電解對沼液的去除效果隨著反直時間的變化影響不大；基本均在反應120 min時達到穩(wěn)定狀態(tài)：pH變化對鐵碳微電解處理沼液性能有較大的影響，過高或過低的PH值,鐵碳微電解去除COD，
Po43--P和NH3-N的效果都很不理想，當pH值為3時．3者的去除率相對處于最佳狀態(tài)：Fe/C質量比為1:1時，P043 --P和NH3-N去除率分別高達63.19%和20.41%，當Fe/C質量比為3:1時，COD去除率最高達35.06%。
4摘要：
通過曝氣振蕩的鐵碳微電解試驗，研究活性炭對鐵碳微電解處理過程的影響及鐵碳微電解處理沼液的性能，以期確定體系最佳運行參數(shù)，探討對沼液NH3-N，COD，P043--P的去除效果。試驗結果表明：活性炭對低濃度沼液有一定的吸附性能，但經循環(huán)吸附達到吸附穩(wěn)定的活性炭在鐵碳微電解體系中對沼液的去除效果很弱，去除率均小于35%，其影響可忽略不計；相較于沼液原液，鐵碳微電解對稀釋一倍沼液的COD,NH，-N，P043--P具有較強的去除效果；分別在20，25，15℃時對沼液原液COD，NH3-N，P043--P的去除率達到吸附濃度
的最大值；反應基本均在120 min達到穩(wěn)定狀態(tài)；pH值為3時.COD，NH3-N，PO43--P的去除率相對處于最佳狀態(tài)：Fe/C質量比為1：1時，P043--P和NH3-N去除率分別高達63.19%,和20.41%，當Fe/C為3：1時,COD去除率高達35.06%。
