淺談鐵碳微電解法預處理豬場沼液中氨氮的研究論文
0 引言
鐵碳微電解法是一種主要利用電化學腐蝕原理及一系列協同作用去除污染物的技術，其原理主要利用具有不同電極電位的金屬在污染廢水中形成無數微小的腐蝕原電池，使廢水中的電解質污染物通過氧化還原反應以及吸附、絮凝、沉淀等作用去除污染物。該技術近年來逐漸被引入到處理印染、制藥、造紙、焦化等高濃度有機廢水的預處理當中。
豬場沼液即規模養豬場污水經厭氧消化預處理后得到的廢液，屬于高濃度有機廢水，國內外對沼液的處理工藝進行了大量的研究，其處理方法可歸納為: 資源性利用技術，自然生態凈化技術，工業化處理技術，這些技術普遍存在占地廣、耗時長和投資大等缺點。近年來，引入鐵碳微電解法處理難降解厭氧沼液的研究較少，其對沼液的氨氮去除效果和影響因素及運行參數都有待完善。本研究采用鐵碳微電解法預處理豬場沼液，探究進氣方式、溫度等因素對沼液中氨氮處理效果的影響，并分析探求最佳組合工藝，對工程實踐具有一定的指導作用。
1 材料與方法
1. 1 實驗材料與儀器
活性炭粉( 活性炭粉磨細后過80 目篩) 、鐵粉( 成都金山化學試劑有限公司，分析純) 、經過預處理的活性炭顆粒( 重慶茂業化學試劑有限公司，分析純) 、經過預處理的活性炭顆粒( 重慶茂業化學試劑有限公司，分析純) 、預處理后的鐵屑( 成都理工大學金工實習基地的金屬廢料) 、豬場沼液( 成都周邊某規模化養豬場沼氣池的出水) 。實驗裝置為自制，如圖1 所示，數據分析采用Origin8. 0 軟件。
1. 2 實驗方法
1. 2. 1 預備實驗
將沼液取回實驗室后，對經過紗布過濾后的沼液樣品進行水質分析。根據前期進行的等溫吸附實驗結果，將鐵粉、活性炭粉、鐵屑和活性炭顆粒在豬場沼液中分開浸泡24 h，使其達到吸附飽和，以消除微電解反應中鐵和炭吸附作用的影響。
1. 2. 2 單因素實驗
本實驗在鐵碳微電解反應器中進行，考察進氣方式等6 種單因素對鐵碳混合材料對豬場沼液中氨氮去除效果的影響。初始實驗條件: pH 值為3; 溫度控制為( 20 ± 1) ℃; 反應時間240 min; 鐵屑與活性炭顆粒質量比為1∶ 1; 采取曝氣方式( 通氣量為8 m/m·h) ; 反應體系固液比為10 g 填料∶100 mL 溶液。在初始條件基礎上，取沼液100 mL，改變單個影響因素的'大小，反應結束后，絮凝沉淀30 min，取上清液，采用納氏試劑比色法測定其氨氮，用玻璃電極法測定其pH 值。
1. 2. 3 正交試驗
在單因素實驗的基礎上，在不同溫度條件下，考察pH 值、反應時間、鐵碳比對鐵碳微電解處理效能的綜合影響。對正交試驗所得數據采用極差分析法，找出不同溫度下影響鐵碳微電解去除氨氮效果最顯著的因素，從而得出最佳運行條件。根據試驗條件采用L9( 34 ) 正交表。
2 結果與討論
2. 1 單因素實驗
2. 1. 1 進氣方式的影響
分別控制各燒杯進氣方式為無，攪拌無曝氣，水浴搖床無曝氣，曝氣，其余條件為初始實驗條件。反應完后，絮凝沉淀30 min，取上清液測定其氨氮及pH 值。
結果表明，攪拌與曝氣的方式可有效提高鐵碳微電解對氨氮的去除率，原因是廢液中溶解氧增加，鐵碳填料與廢水中污染物的接觸增多，反應更徹底。而曝氣時氨氮的去除率比攪拌時稍低，原因可能是由于較大的曝氣量使鐵碳微電解作用增強，將NO2 -和NO3 - 或其他形態的氮轉化成為氨氮。
2. 1. 2 溫度的影響
采用水浴搖床分別控制各燒杯溫度為( 20 ±1) ℃，( 30 ± 1) ℃，( 40 ± 1) ℃，其余條件為初始實驗條件。反應完后靜置至室溫，絮凝沉淀30 min，取上清液測其氨氮濃度及pH 值。隨著溫度的升高，鐵碳微電解對氨氮的去除率升高，從13. 64%升高到19. 1%，去除率增加了近6 個百分點。分析其原因，可能是鐵碳微電解將NO2 - 和NO3 - 的氮素還原轉變為N2氣體，從廢水中溢出，隨著溫度的升高，N2氣體在溶液中的溶解性降低，進而加快了N2氣體逸出的速率，從而提高了氨氮的去除率。并且對反應完之后的pH 值影響不大，均在5 ～ 6 之間。
2. 1. 3 反應時間的影響
依次控制各燒杯反應時間為30，60，90，120，180， 240 min，其余條件為初始實驗條件。反應完后絮凝沉淀30 min，取上清液測定其氨氮濃度及pH值，隨著反應時間的增加，鐵碳微電解對氨氮的去除率略有增加，在180 min 后增長緩慢; pH隨著反應時間的增加，其值越接近于7。出現這一現象的原因可能是: 隨著反應時間不斷增加，溶液中逐漸生成更多的原電池，起到更好的去除效果; 反應時間繼續增加，pH 值上升，鐵屑表面能生成鈍化膜，Fe2 + 和Fe3 + 大量生成，產生一定絮凝沉淀，減少了鐵屑表面的原電池生成，影響實驗中鐵碳微電解的去除效率。故反應時間選取120 min 比較合理，既能達到良好的去除效果，又能防止鐵屑表面生成鈍化膜，從而影響原電池的生產，降低去除率
2. 1. 4 不同鐵碳粒徑組合的影響
控制各燒杯中分別為樣1( 5 g 碳粒+ 2. 5 g 鐵粉+ 2. 5 g 鐵粒) 、樣2( 5 g 碳粒+ 5 g 鐵粉) 、樣3( 5g 碳粉+ 5 g 鐵粉) 、樣4( 5 g 碳粉+ 5 g 鐵粒) ，其余條件為初始實驗條件。反應完后，絮凝沉淀30 min，取上清液測定其氨氮濃度及pH 值，結果見圖5。結果表明，對于不同粒徑的鐵碳填料組合，其對氨氮的去除率影響較小。其中樣4 對氨氮的去除效果最佳，去除率為44. 69%，原因可能是活性炭粉的比表面積大于活性炭顆粒，雖然經過了去吸附處理，但仍保留了一定的吸附能力。反應后的pH 值都在5 ～6之間。
2. 1. 5 沼液初始pH 值的影響
分別調節各燒杯pH 值為1. 5，2，3，4，5，6，7，其余條件為初始實驗條件。反應完后靜置沉淀30min，取上清液測其氨氮濃度及pH 值，結果見圖6。結果表明，pH 值對鐵碳微電解反應具有較大的影響，pH 值小于3 或大于5 時，對氨的去除效果不理想，因為過酸會破壞生成的絮凝體，而酸性不足又影響鐵碳微電解系統的活性。當pH 值為3 時，鐵碳微電解處理氨氮的去除率較高，原因是在酸性環境下，鐵屑的電化學腐蝕過程加劇，原電池數量增加，極大促進氨氮的去除。
2. 1. 6 不同鐵碳質量比的影響
控制各反應器鐵屑和活性炭顆粒質量比分別為1∶ 1，1∶ 2，1∶ 3，1∶ 4，2∶ 1，3∶ 1，4∶ 1，其余條件為初始實驗條件。反應完后絮凝沉淀30 min，取上清液測其氨氮濃度及pH 值，結果見圖7。結果表明，當鐵碳比為1∶ 1 時，氨氮去除效率最高，為34. 01%，而其他鐵碳比對氨氮去除效果很差，僅為15% ～17%，分析其原因，可能是當鐵碳比為1∶ 1時，溶液中鐵和碳形成的原電池數量合適，使足夠的Fe2 + 和Fe3 + 氧化NH3 - N，又使過多的NO2 - 和NO3 - 的氮素被還原轉變為N2，達到某種平衡，故氨氮的去除率高于其他鐵碳比情況。由此可以看出，鐵碳比不僅影響原電池產生數量，還會影響其兩級間的反應速率，從而影響鐵碳微電解的降解能力。
2. 2 正交試驗
本試驗選取3 因素、3 水平的正試實驗，在20℃的溫度下，一共進行了9 組實驗方案，實驗結果如表由表2 和表3 可知，當溫度為( 20 ± 1) ℃時，反應條件為A3、B3、C2 即鐵碳質量比為1∶ 1，pH 值為3，反應時間為60 min 的去除效果最好，氨氮的去除率為34. 01%。
3 結論
( 1) 通過單因素實驗，研究進氣方式與攪拌、溫度、反應時間、不同粒徑組合、pH 值、鐵碳質量比對鐵碳微電解法去除氨氮效果的影響。攪拌、曝氣的方式可有效提高對氨氮的去除率; 隨著溫度的升高，鐵碳微電解對氨氮的去除率升高; 隨著時間的增加，鐵碳微電解對氨氮的去除率略有增加，在180 min后基本達到平衡; 對于不同粒徑的鐵碳填料組合，其對氨氮的去除率的影響較小; pH 值為3 時對氨氮的去除率明顯增強; 當鐵碳質量比為1∶ 1 時，氨氮去除效率最高，其去除率為34. 01%。
( 2) 通過正交試驗，考察pH 值、反應時間、鐵碳比對鐵碳微電解處理效能的綜合影響。對正交試驗所得數據采用極差分析法，得到當溫度為( 20 ±1) ℃，鐵碳質量比為1∶ 1，pH 值為3，反應時間為60 min 時，對氨氮的去除效果最佳，為34. 01%。
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