程 義， 伊學農(nóng)， 付彩霞， 文世鵬， 孫黃卿

（上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093）

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

本文采用電磁協(xié)同方法，組合運用了電催化氧化、電絮凝和外加磁場，這是一種可以高效處理難降解高鹽高有機物廢水的新方法[4-6]。本文采用電磁協(xié)同方法處理實際腌制生產(chǎn)過程中的高鹽高有機物腌制廢水，探究電磁協(xié)同方法的影響因素和可行性，如pH、電場強度、反應時間及磁場方向等因素的影響，確定較佳的運行工藝參數(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 驗

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、電絮凝和磁場磁化等基本理論和技術(shù)，以惰性極板為陰陽極，通過電解反應產(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]。同時投加絮凝劑，在電場的作用下，增強絮凝效果，提高水中污染物質(zhì)的去除效果[8]。

磁場對于廢水的電化學和電絮凝具有強化作用，在外加磁場電解時，磁場的方向和電場方向垂直，廢水中的離子和有機物集團同時受到電場力和洛倫磁力的作用，由于電場力和洛倫磁力方向不同，使離子和有機物集團不再沿著單一方向運動，其運動軌跡復雜化，這增加了離子與離子、離子與有機物集團之間碰撞的機會[9]，從而加強了電化學和電絮凝的效果，使?jié)獠顦O化降低，電解液的電導率增加，進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，輔助電場處理廢水[10-11]。

1.2 實驗裝置

實驗裝置由電極板（釕、鈦極板）、永磁鐵、進出水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、電解槽及直流電源等主體組成。陰、陽兩極板均為100 mm×100 mm的網(wǎng)狀電極，其中，陰極為鈦極板，陽極為釕極板，電極工作電流由恒流直流電源提供。磁場產(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，使廢水處于磁化狀態(tài)，輔助電場處理廢水。永磁鐵產(chǎn)生的磁場效果平面圖如圖1所示。

圖1 磁場效果平面圖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，廢水的化學需氧量COD為63 100 mg/L，含鹽量為15%。

1.3 實驗方法

在相同條件下，相比于傳統(tǒng)電處理廢水方法，外加相斥磁場的電磁協(xié)同方法具有更好的去除效果。研究pH、電場強度、反應時間和磁場方向?qū)μ幚硇Ч挠绊?。將實驗分成單因素實驗和正交實驗兩大組。

a. 單因素實驗。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、反應時間和磁場方向這4個實驗因素組成7個單因素實驗組。

b. 正交試驗。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、反應時間和磁場方向這4個實驗因素組成9個正交試驗組，如表1所示。進行電磁協(xié)同處理高鹽高有機物污水實驗。

1.4 水質(zhì)分析指標及方法

每組實驗所得樣品都進行COD、氨氮含量、總?cè)芙夤腆wTDS（total dissolved solids）和總有機碳TOC（total organic carbon）的測量。

廢水COD采用國標GB/T 11914—89化學需氧量測定，廢水氨氮含量采用納氏試劑分光光度計法測量，廢水TDS采用BECSCAN系列防水筆型多參數(shù)TDS計測定，廢水TOC采用analytik jena TOC測定儀測定。

表1 正交試驗列表Tab.1 Orthogonal test list

2 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

2.1 pH對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，在相同反應時間里COD的去除效果越好；然而，pH越接近8，在相同的反應時間里氨氮的去除效果越好。因此，為了能同時有效去除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 電流密度和時間對COD和氨氮去除率的影響

由圖4和圖5可以看出，電流大小和反應時間對處理效果影響較大。COD和氨氮的去除率都隨著電流的增大而增大。對于廢水中的COD 含量，在2.5 h內(nèi)，反應時間越長，去除率越高。對于廢水中的氨氮含量，在2 h之內(nèi)，去除率隨著反應時間的增加而增大，而去除速率隨反應時間的增加而降低。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，此時繼續(xù)電解對氨氮的去除效果不明顯。

圖3 pH對氨氮去除率的影響（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 正交試驗中電流、pH、反應時間和磁場方向的影響分析

電流因素 1，2，3分別對應 6，9，12 A，pH因素1，2，3分別對應4，6，8，反應時間因素1，2，3分別對應30，60，120 min，磁場方向因素1，2，3分別對應相吸、相斥、無。

從表2（見下頁）可以看出，在4個因素中，首先，反應時間對COD去除率影響最大，時間越長，去除率越高；其次，磁場方向，在磁場方向為相斥時，COD的去除效果更好；再次，電流大小，電流越大，相同時間里COD去除率越高；最次，pH，pH越接近中性，相同時間里COD去除率越高。在相同條件下，磁場方向為相斥比無磁場的COD去除效果提高了約20%。

表2 正交試驗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，對氨氮去除率影響由大到小分別為：反應時間、電流大小、磁場方向、pH。反應時間、電流大小、磁場方向和pH對氨氮去除率的影響規(guī)律，和對COD去除率的影響規(guī)律相同，在相同條件下，磁場方向為相斥比無磁場的氨氮去除效果提高了約30%。

表3 正交試驗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

通過單因素實驗和正交實驗得出：在磁場相斥、pH為7，電流為12 A、時間為2 h時，去除率較高且運行成本較佳。相比于不外加磁場，外加相斥磁場的COD和氨氮去除效果分別提高了約20%和30%。

為了進一步了解電磁協(xié)同裝置的經(jīng)濟性能，需要從不同進水流量所對應的能耗數(shù)據(jù)變化來分析。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間越長，處理效果越好，但同時能耗也越大。由于磁場范圍的限制，電解槽的面積不宜過大，以防磁場強度不足[12]。

3 結(jié) 論

相比于普通電化學方法，采用電磁協(xié)同方法處理高鹽高有機物腌制廢水的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，進而降低了運行成本。磁場的加入不僅增加了有機物的去除效率，而且可以使水磁化，改變水的結(jié)構(gòu)、硬度與黏度，這相當于對進水進行了預處理。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)備對進水的要求，而且可以減少投加藥劑的使用量以節(jié)約運行成本。對電磁協(xié)同處理方法的研究可以為實際工程設(shè)計和運行提供一定的理論依據(jù)。

電磁協(xié)同處理廢水技術(shù)對進水有機物濃度、水量等要求低，受進水水質(zhì)影響波動小，可應用于高鹽高有機物廢水，應用范圍廣泛；電磁協(xié)同裝置操作管理簡單、節(jié)省勞動力，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，由于磁場范圍的限制，電解槽不宜過大，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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