在环境监测实验中电化学处理难生物降解废水

王亚林， 贾金平， 李 侃

(上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240)



在环境监测实验中电化学处理难生物降解废水

王亚林， 贾金平， 李 侃

(上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240)

随着印染纺织和制药工业的迅速发展，印染与制药废水已成为水系环境的重点污染源之一。电化学方法处理印染与制药废水，由于其设备小、占地少、运行管理简单、COD去除率高、脱色效果好及不产生二次污染等优点，日益受到人们的重视。电化学方法治理废水，实质是直接或间接地利用电解作用，把水中污染物去除或把有毒物质转化为无毒或低毒物质。该实验的目的在于让学生掌握电解法处理难生物降解废水的原理，同时监测改变电解时间，电压或电解质等条件废水的色度变化，优化最佳电解条件，通过监测COD及BOD5，求B/C，评价废水的可生化性。同时论文还介绍了该实验方法、内容和步骤，并讨论了该教学实验的可行性、存在的优点以及预期的教学效果。

电化学； 印染废水； 环境监测； 实验教学

0 引 言

在环境水体监测中，多项水质指标的检测方法，如色度、pH值、COD、BOD5、氨氮、总氮等，都是环境监测教学实验中需要学生必须掌握的基础技能[1-5]。然而，在传统的环境监测实验中，学生虽然学习了这些水质标准的检测方法，但并没有将其与实际的水处理过程结合起来，以至于在日后的研究与工作中面对实际应用不能很好的运用已有知识。在此情况下，在学生进行了上述基本水质指标的环境监测实验学习后，向其介绍一个既能联系实际将所学到的监测方法进行应用，同时又要保证良好的教学效果的学生实验是一件当务之急的环节。本文作者在自己多年从事电化学水处理的研究基础上，在自然科学基金《掺硼金刚石薄膜芯片复式电极电化学转盘的新方法研究》(No. 20477026)的研究过程中，提出了将该技术用于处理难生物降解废水作为大学环境监测教学实验这一新的教学想法。

随着印染纺织和制药工业的迅速发展，印染与制药废水已成为水系环境的重点污染源之一。该类废水的水质复杂，其特点为水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性和pH值变化大、盐度高、可生化性差[6-10]。电化学方法处理印染与制药废水，由于其设备小、占地少、运行管理简单、COD去除率高和脱色效果好及不产生二次污染等优点，日益受到人们的重视[11-16]。电化学方法治理废水，实质是直接或间接地利用电解作用，把水中污染物去除或把有毒物质转化为无毒或低毒物质。近几十年来，随着电化学科学和电力工业的发展，使处理成本大大降低，电化学已成为一类具有竞争力的废水处理方法。

该实验的目的在于让学生掌握电解法处理难生物降解废水的原理，同时监测改变电解时间，电压或电解质等条件废水的色度变化，优化最佳电解条件，通过监测COD及BOD5，求B/C，评价废水的可生化性。同时本文还介绍了该实验方法、内容和步骤，并讨论了该教学实验的可行性、存在的优点以及预期的教学效果。

1 实验条件、内容与步骤

1.1 实验仪器与试剂

铁片电极，石墨电极，电解槽，直流电源，紫外-可见分光光度计，COD消解仪，溶解氧瓶，恒温培养箱等。模拟废水采用日落黄染料溶液，电解质采用硫酸钠和氯化钠。

1.2 实验内容

在给定条件下，研究不同电解时间日落黄的色度去除率，研究不同电压/电流密度对废水处理结果的影响，电化学处理前后色度，COD、BOD5、B/C等的测定，对废水的可生化性进行评估。

1.3 实验步骤

(1) 日落黄配制浓度为100 mg/L的模拟染料废水为研究对象。

(2) 电化学处理日落黄的试验条件为：电压15 V，电极间距5 cm，硫酸钠0.01 mol/L，反应时间为40 min。

(3) 在电解10、15、20、25、30、35、40 min取样检测色度去除率、COD、BOD5。

(4) 加入0.005 mol/L的氯化钠代替硫酸钠作为电解质，重复以上实验，考察Cl-对电解效果的影响。

(5) 改变电极间距为10，15和20 cm，重复以上实验，考察不同电极间距对电解效果的影响。

(6) 改变电解电压为5、10、和20 V，重复以上实验，考察电解电压/电流密度对电解效果的影响。

(7) 改变电极材料，重复以上实验，考察电极材料的改变对电解效果的影响。

2 实验要求

2.1 学生预习

在试验开始前的1～2周时间内，让学生对该实验进行预习。通过查阅资料，了解电化学处理难降解废水的原理及国内外研究现状，印染及制药废水的特性及危害等。同时还需要学生自行设计一套实验的操作方案，包括对哪些影响因素进行测定等，发挥学生的主观能动性，培养学生的综合实验设计能力。

2.2 实验时间

实验时间为1天，其中半天时间用于电化学处理印染废水的试验，半天时间用于对其COD与BOD5进行测定。建议试验时可以多名学生合作完成全部试验内容。

2.3 试验前的准备工作

(1) 试验准备。实验前，助教先做好相应的试验准备。

(2) 学生讨论阶段。在开始实验前，另外给学生1个小时的时间，进行分组讨论。先不要告诉学生该实验的具体试验步骤与所考察的影响因素，让学生根据自己的预习情况对该实验提出自己的想法，包括可能的影响因素与考察该因素的具体步骤等，并且要求提出问题。教师根据这些问题进行作答，同时讲解该实验的试验步骤与所考察的影响因素，然后再开始进行实验。

2.4 学生实验阶段

在有限的教学时间和实验条件下，为了是实验教学取得更好的效果，在实验过程中应注意教师的引导作用，启发学生思考。针对实验过程中所出现的现象，对学生进行提问和讲解，包括电解装置的搭建，电解时间，电解电压，电极间距，电解质种类等因素对电流密度和脱色效果的影响等。COD与BOD5测定的过程中，对操作不标准的学生，要对其进行纠正并示范正确的实验操作。

2.5 实验报告

试验报告为论文的形式，包括前言、试验材料与方法、结果与讨论和结论四部分。同时，虽然本实验是多人合作完成，但每人应在实验后独立完成试验报告，实验数据需要共享，以便比较讨论。

2.6 学生自由实验

因为该实验开始之前要求学生进行预习，并提出了自己的试验设计方案。在实验结束后，可以开放中心实验室，感兴趣的学生可以在老师的指导下完成自己设计的试验方案。

3 讨 论

3.1 本实验的可行性

将电化学处理印染废水的实验作为本科生的环境监测教学实验是否合适，是一个相当重要并值得重视的问题。如果不具备可行性，则必然在教学过程中遇到很大的问题。本实验所采用的仪器比较常规，例如直流电源等其价格不高，不会在教学经费上产生较大的问题，并且可以配备多台供多组学生同时使用。利用分光光度计测定色度，COD及BOD5等实验都应是学生们在之前的实验教学中学习且操作过的内容，比较容易上手。同时，本文作者作为试验教学老师，也已经在本科生环境监测教学实验中开展了该实验教学内容，通过组内多名同学的相互协作，完全可以在半天的时间内完成电化学处理印染废水的试验内容，另外半天时间完成COD与BOD5的测定内容。同时，对于学生自行设计的试验内容，可以通过开放中心实验室，让感兴趣的学生在老师的指导下进行实验，培养学生的科学研究兴趣。

3.2 本实验的必要性及存在的优点

对于本科生的环境监测实验教学，不仅仅要求学生学会简单的水质指标，如色度、氨氮、总氮、COD与BOD5等的检测，同时还应该将这些水质指标的检测与实际应用想结合，使学生在实际废水处理的过程中也可以灵活的掌握这些指标的测定，为其今后的科研及工作打下良好的基础。然而，对于传统的环境监测实验教学，这部分内容是比较缺少的，因此将该实验作为环境监测教学实验的必要性是不言而喻的。通过该实验，首先，学生可以了解电化学这项新颖的废水处理技术，同时也会对废水处理有一定程度上的了解；其次，学生可以将之前环境监测实验教学中所学习到的各种水质指标检测的方法进行实际的应用，进一步巩固这些指标的检测方法；再次，这是一项半开放式的试验，学生可以发挥自己的想象力和创造力，自己设计实验并与教师进行探讨，培养学生的独立思考能力，同时试验报告以论文的形式提交，也可以锻炼学生查阅文献，撰写学术论文的能力。

4 结 语

本文向环境专业本科生介绍了一个新的环境监测教学实验，即电化学方法处理实际难生物降解废水，阐明了其试验方法、内容和步骤，并对该实验在教学实践中的可行性，必要性及存在的优点进行了分析。学生欢迎这种形式的实验课，收到良好的教学效果。

[1] 夏 新.浅谈强化环境监测质量管理体系建设[J].环境监测管理与技术，2012, 24(1): 1-4.

[2] 刘卫先.我国现行环境监测体制述评[J].中国环境监测，2009, 25(3): 5-10.

[3] 但德忠.我国环境监测技术的现状与发展[J].中国测试技术，2005, 31(5): 1-5.

[4] 李国刚，万本太.中国环境监测科技发展需求分析[J].中国环境监测，2004, 20(6): 5-8.

[5] 万本太，蒋火华.论中国环境监测发展战略[J].中国环境监测，2005, 21(1): 1-3.

[6] 戴日成，张 统，郭 茜，等.印染废水水质特征及处理技术综述[J].给水排水，2000, 10(26): 33-36.

[7] 郑冀鲁，范 娟，阮复昌.印染废水脱色技术与理论述评[J].环境污染治理技术与设备，2000, 1(5): 29-35.

[8] 李风亭，陆雪非，张冰如.印染废水脱色方法[J].水处理技术，2003, 29(1): 12-14.

[9] 李亚峰，高 颖.制药废水处理技术研究进展[J].水处理技术，2014, 40(5): 1-4.

[10] 李宇庆，马 楫，钱国恩.制药废水处理技术进展[J].工业水处理，2009, 29(12): 5-7.

[11] 冯玉杰，崔玉虹，孙丽欣，等.电化学废水处理技术及高效电催化电极的研究与进展[J].哈尔滨工业大学学报，2004, 36(4): 450-455.

[12] 龙 萍，许立坤，李庆芬，等.钛基钌镧氧化物涂层结构对电化学活性的影响[J].稀有金属材料与工程，2013, 42(6): 1185-1189.

[13] 刘爱萍，朱嘉琦，韩杰才.纳米金增强掺磷四面体非晶碳膜的电化学活性[J].新型炭材料，2010, 25(5): 363-369.

[14] 张国芳，肖书虎，肖宏康，等.黄连素制药废水的电化学预处理试验[J].环境科学研究，2011, 24(1): 79-84.

[15] 肖宏康，肖书虎，张国芳，等.电化学氧化法处理模拟黄连素制药废水的研究[J].环境工程学报，2011, 5(5): 987-991.

[16] 肖书虎，张国芳，宋永会，等.电化学双极法处理高浓度含铜黄连素制药废水[J].环境工程技术学报，2011(4): 295-299.

·名人名言·

科学实验室科学理论的源泉,是自然科学的根本,也是工程技术的基础。

——张文裕

Electrochemical Treatment of Non-biodegradable Wastewater in Environmental Monitoring Experiment

WANGYa-lin,JIAJin-ping,LIKan

(School of Environmental Science & Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

With the development of textile and pharmacy industrial, textile and pharmacy wastewater has become a kind of most polluted water. Electrochemical wastewater treatment has the advantages of small equipment, small area, simple operation and management, high COD and color removal efficiency, no second pollution generation, hence it has been paid more and more attention. The main process for electrochemical wastewater treatment is to degrade high toxic compounds to low or no toxic other compounds through electrolysis. The purpose of this experiment is to make the students grasp the electrochemical principle, optimize electrochemical conditions, such as voltage, time and electrolyte concentration, and evaluate the biodegradable of the wastewater through determine the COD, BOD5and B/C. The experimental method, content and process were introduced in this paper. Some issues of teaching experiment, including feasibility, necessity, existent advantages and prospective teaching effect, were also discussed.

electrochemical; textile wastewater; environmental monitoring; experimental teaching

2014-10-27

国家自然科学基金项目(20477026)

王亚林(1962-)，女，安徽淮北人，硕士，高级工程师，主要从事环境监测教学及实验方面的研究工作。

Tel.：13391371087; E-mail: ylwf@sjtu.edu.cn

G 642.0；X 832

A

1006-7167(2015)10-0157-03