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浅谈铁碳微电解法预处理猪场沼液中氨氮的研究论文

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浅谈铁碳微电解法预处理猪场沼液中氨氮的研究论文

0 引言

铁碳微电解法是一种主要利用电化学腐蚀原理及一系列协同作用去除污染物的技术，其原理主要利用具有不同电极电位的金属在污染废水中形成无数微小的腐蚀原电池，使废水中的电解质污染物通过氧化还原反应以及吸附、絮凝、沉淀等作用去除污染物。该技术近年来逐渐被引入到处理印染、制药、造纸、焦化等高浓度有机废水的预处理当中。

猪场沼液即规模养猪场污水经厌氧消化预处理后得到的废液，属于高浓度有机废水，国内外对沼液的处理工艺进行了大量的研究，其处理方法可归纳为: 资源性利用技术，自然生态净化技术，工业化处理技术，这些技术普遍存在占地广、耗时长和投资大等缺点。近年来，引入铁碳微电解法处理难降解厌氧沼液的研究较少，其对沼液的氨氮去除效果和影响因素及运行参数都有待完善。本研究采用铁碳微电解法预处理猪场沼液，探究进气方式、温度等因素对沼液中氨氮处理效果的影响，并分析探求最佳组合工艺，对工程实践具有一定的指导作用。

1 材料与方法

1. 1 实验材料与仪器

活性炭粉( 活性炭粉磨细后过80 目筛) 、铁粉( 成都金山化学试剂有限公司，分析纯) 、经过预处理的活性炭颗粒( 重庆茂业化学试剂有限公司，分析纯) 、经过预处理的活性炭颗粒( 重庆茂业化学试剂有限公司，分析纯) 、预处理后的铁屑( 成都理工大学金工实习基地的金属废料) 、猪场沼液( 成都周边某规模化养猪场沼气池的出水) 。实验装置为自制，如图1 所示，数据分析采用Origin8. 0 软件。

1. 2 实验方法

1. 2. 1 预备实验

将沼液取回实验室后，对经过纱布过滤后的沼液样品进行水质分析。根据前期进行的等温吸附实验结果，将铁粉、活性炭粉、铁屑和活性炭颗粒在猪场沼液中分开浸泡24 h，使其达到吸附饱和，以消除微电解反应中铁和炭吸附作用的影响。

1. 2. 2 单因素实验

本实验在铁碳微电解反应器中进行，考察进气方式等6 种单因素对铁碳混合材料对猪场沼液中氨氮去除效果的影响。初始实验条件: pH 值为3; 温度控制为( 20 ± 1) ℃; 反应时间240 min; 铁屑与活性炭颗粒质量比为1∶ 1; 采取曝气方式( 通气量为8 m/m·h) ; 反应体系固液比为10 g 填料∶100 mL 溶液。在初始条件基础上，取沼液100 mL，改变单个影响因素的'大小，反应结束后，絮凝沉淀30 min，取上清液，采用纳氏试剂比色法测定其氨氮，用玻璃电极法测定其pH 值。

1. 2. 3 正交试验

在单因素实验的基础上，在不同温度条件下，考察pH 值、反应时间、铁碳比对铁碳微电解处理效能的综合影响。对正交试验所得数据采用极差分析法，找出不同温度下影响铁碳微电解去除氨氮效果最显著的因素，从而得出最佳运行条件。根据试验条件采用L9( 34 ) 正交表。

2 结果与讨论

2. 1 单因素实验

2. 1. 1 进气方式的影响

分别控制各烧杯进气方式为无，搅拌无曝气，水浴摇床无曝气，曝气，其余条件为初始实验条件。反应完后，絮凝沉淀30 min，取上清液测定其氨氮及pH 值。

结果表明，搅拌与曝气的方式可有效提高铁碳微电解对氨氮的去除率，原因是废液中溶解氧增加，铁碳填料与废水中污染物的接触增多，反应更彻底。而曝气时氨氮的去除率比搅拌时稍低，原因可能是由于较大的曝气量使铁碳微电解作用增强，将NO2 -和NO3 - 或其他形态的氮转化成为氨氮。

2. 1. 2 温度的影响

采用水浴摇床分别控制各烧杯温度为( 20 ±1) ℃，( 30 ± 1) ℃，( 40 ± 1) ℃，其余条件为初始实验条件。反应完后静置至室温，絮凝沉淀30 min，取上清液测其氨氮浓度及pH 值。随着温度的升高，铁碳微电解对氨氮的去除率升高，从13. 64%升高到19. 1%，去除率增加了近6 个百分点。分析其原因，可能是铁碳微电解将NO2 - 和NO3 - 的氮素还原转变为N2气体，从废水中溢出，随着温度的升高，N2气体在溶液中的溶解性降低，进而加快了N2气体逸出的速率，从而提高了氨氮的去除率。并且对反应完之后的pH 值影响不大，均在5 ～ 6 之间。

2. 1. 3 反应时间的影响

依次控制各烧杯反应时间为30，60，90，120，180， 240 min，其余条件为初始实验条件。反应完后絮凝沉淀30 min，取上清液测定其氨氮浓度及pH值，随着反应时间的增加，铁碳微电解对氨氮的去除率略有增加，在180 min 后增长缓慢; pH随着反应时间的增加，其值越接近于7。出现这一现象的原因可能是: 随着反应时间不断增加，溶液中逐渐生成更多的原电池，起到更好的去除效果; 反应时间继续增加，pH 值上升，铁屑表面能生成钝化膜，Fe2 + 和Fe3 + 大量生成，产生一定絮凝沉淀，减少了铁屑表面的原电池生成，影响实验中铁碳微电解的去除效率。故反应时间选取120 min 比较合理，既能达到良好的去除效果，又能防止铁屑表面生成钝化膜，从而影响原电池的生产，降低去除率

2. 1. 4 不同铁碳粒径组合的影响

控制各烧杯中分别为样1( 5 g 碳粒+ 2. 5 g 铁粉+ 2. 5 g 铁粒) 、样2( 5 g 碳粒+ 5 g 铁粉) 、样3( 5g 碳粉+ 5 g 铁粉) 、样4( 5 g 碳粉+ 5 g 铁粒) ，其余条件为初始实验条件。反应完后，絮凝沉淀30 min，取上清液测定其氨氮浓度及pH 值，结果见图5。结果表明，对于不同粒径的铁碳填料组合，其对氨氮的去除率影响较小。其中样4 对氨氮的去除效果最佳，去除率为44. 69%，原因可能是活性炭粉的比表面积大于活性炭颗粒，虽然经过了去吸附处理，但仍保留了一定的吸附能力。反应后的pH 值都在5 ～6之间。

2. 1. 5 沼液初始pH 值的影响

分别调节各烧杯pH 值为1. 5，2，3，4，5，6，7，其余条件为初始实验条件。反应完后静置沉淀30min，取上清液测其氨氮浓度及pH 值，结果见图6。结果表明，pH 值对铁碳微电解反应具有较大的影响，pH 值小于3 或大于5 时，对氨的去除效果不理想，因为过酸会破坏生成的絮凝体，而酸性不足又影响铁碳微电解系统的活性。当pH 值为3 时，铁碳微电解处理氨氮的去除率较高，原因是在酸性环境下，铁屑的电化学腐蚀过程加剧，原电池数量增加，极大促进氨氮的去除。

2. 1. 6 不同铁碳质量比的影响

控制各反应器铁屑和活性炭颗粒质量比分别为1∶ 1，1∶ 2，1∶ 3，1∶ 4，2∶ 1，3∶ 1，4∶ 1，其余条件为初始实验条件。反应完后絮凝沉淀30 min，取上清液测其氨氮浓度及pH 值，结果见图7。结果表明，当铁碳比为1∶ 1 时，氨氮去除效率最高，为34. 01%，而其他铁碳比对氨氮去除效果很差，仅为15% ～17%，分析其原因，可能是当铁碳比为1∶ 1时，溶液中铁和碳形成的原电池数量合适，使足够的Fe2 + 和Fe3 + 氧化NH3 - N，又使过多的NO2 - 和NO3 - 的氮素被还原转变为N2，达到某种平衡，故氨氮的去除率高于其他铁碳比情况。由此可以看出，铁碳比不仅影响原电池产生数量，还会影响其两级间的反应速率，从而影响铁碳微电解的降解能力。

2. 2 正交试验

本试验选取3 因素、3 水平的正试实验，在20℃的温度下，一共进行了9 组实验方案，实验结果如表由表2 和表3 可知，当温度为( 20 ± 1) ℃时，反应条件为A3、B3、C2 即铁碳质量比为1∶ 1，pH 值为3，反应时间为60 min 的去除效果最好，氨氮的去除率为34. 01%。

3 结论

( 1) 通过单因素实验，研究进气方式与搅拌、温度、反应时间、不同粒径组合、pH 值、铁碳质量比对铁碳微电解法去除氨氮效果的影响。搅拌、曝气的方式可有效提高对氨氮的去除率; 随着温度的升高，铁碳微电解对氨氮的去除率升高; 随着时间的增加，铁碳微电解对氨氮的去除率略有增加，在180 min后基本达到平衡; 对于不同粒径的铁碳填料组合，其对氨氮的去除率的影响较小; pH 值为3 时对氨氮的去除率明显增强; 当铁碳质量比为1∶ 1 时，氨氮去除效率最高，其去除率为34. 01%。

( 2) 通过正交试验，考察pH 值、反应时间、铁碳比对铁碳微电解处理效能的综合影响。对正交试验所得数据采用极差分析法，得到当温度为( 20 ±1) ℃，铁碳质量比为1∶ 1，pH 值为3，反应时间为60 min 时，对氨氮的去除效果最佳，为34. 01%。

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