高盐高有机物腌制废水电磁协同处理方法研究

程 义， 伊学农， 付彩霞， 文世鹏， 孙黄卿

（上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）

在化工和食品行业中，常常会排放出大量的含高盐高有机物的难降解废水，这些废水中的高含盐量直接影响了有机污染物的处理，使传统生物处理方法无法有效地处理废水中的有机污染物，其他物理化学方法均受到不同程度的影响，处理效果受到影响，运行稳定性差。针对该类废水，传统的处理方法有物化法、高级氧化法、电化学法及生化法等。这些传统的处理方法有的处理效果不稳定，对高浓度的废水处理比较困难，有的工艺复杂、占地面积大、成本高。其中，电化学处理方法虽然适应性比较广泛，但存在耗能大、阳极板易钝化、成本高等问题[1]，这在一定程度上阻碍了电化学方法在工业废水处理中的大规模应用[2-3]。为解决传统工艺存在的缺陷，急需寻找一类高效、适应性广泛、工艺简单的处理方法来处理难降解废水，以降低环境压力和企业负担。

本文采用电磁协同方法，组合运用了电催化氧化、电絮凝和外加磁场，这是一种可以高效处理难降解高盐高有机物废水的新方法[4-6]。本文采用电磁协同方法处理实际腌制生产过程中的高盐高有机物腌制废水，探究电磁协同方法的影响因素和可行性，如pH、电场强度、反应时间及磁场方向等因素的影响，确定较佳的运行工艺参数，为提高难降解废水的去除效率、降低能耗提供理论依据。

1 实 验

1.1 电磁协同处理难降解废水原理

电磁协同方法集合了电催化氧化、电絮凝和磁场磁化等基本理论和技术，以惰性极板为阴阳极，通过电解反应产生的羟基自由基（· OH）、臭氧、氯气等一系列的氧化剂将大分子难降解物质或有毒物质分解为小分子物质或直接炭化[7]。同时投加絮凝剂，在电场的作用下，增强絮凝效果，提高水中污染物质的去除效果[8]。

磁场对于废水的电化学和电絮凝具有强化作用，在外加磁场电解时，磁场的方向和电场方向垂直，废水中的离子和有机物集团同时受到电场力和洛伦磁力的作用，由于电场力和洛伦磁力方向不同，使离子和有机物集团不再沿着单一方向运动，其运动轨迹复杂化，这增加了离子与离子、离子与有机物集团之间碰撞的机会[9]，从而加强了电化学和电絮凝的效果，使浓差极化降低，电解液的电导率增加，进而减少了电解液欧姆电阻造成的电能损耗，提高了处理的效果，辅助电场处理废水[10-11]。

1.2 实验装置

实验装置由电极板（钌、钛极板）、永磁铁、进出水系统、曝气系统、电解槽及直流电源等主体组成。阴、阳两极板均为100 mm×100 mm的网状电极，其中，阴极为钛极板，阳极为钌极板，电极工作电流由恒流直流电源提供。磁场产生装置采用矩形永磁铁。永磁铁以架子固定在电解槽外侧，形成相斥、相吸磁场，使废水处于磁化状态，辅助电场处理废水。永磁铁产生的磁场效果平面图如图1所示。

图1 磁场效果平面图Fig.1 Plane map of the magnetic field effect

处理废水为桐乡市某榨菜有限公司的生产废水，废水的化学需氧量COD为63 100 mg/L，含盐量为15%。

1.3 实验方法

在相同条件下，相比于传统电处理废水方法，外加相斥磁场的电磁协同方法具有更好的去除效果。研究pH、电场强度、反应时间和磁场方向对处理效果的影响。将实验分成单因素实验和正交实验两大组。

a. 单因素实验。采用桐乡市某榨菜有限公司的生产废水，投加Fe2+，将电流、pH、反应时间和磁场方向这4个实验因素组成7个单因素实验组。

b. 正交试验。采用桐乡市某榨菜有限公司的生产废水，投加Fe2+，将电流、pH、反应时间和磁场方向这4个实验因素组成9个正交试验组，如表1所示。进行电磁协同处理高盐高有机物污水实验。

1.4 水质分析指标及方法

每组实验所得样品都进行COD、氨氮含量、总溶解固体TDS（total dissolved solids）和总有机碳TOC（total organic carbon）的测量。

废水COD采用国标GB/T 11914—89化学需氧量测定，废水氨氮含量采用纳氏试剂分光光度计法测量，废水TDS采用BECSCAN系列防水笔型多参数TDS计测定，废水TOC采用analytik jena TOC测定仪测定。

表1 正交试验列表Tab.1 Orthogonal test list

2 实验数据统计及分析

2.1 pH对COD和氨氮去除率的影响

由图2和图3可以看出，在相同的电流下，pH越接近中性，在相同反应时间里COD的去除效果越好；然而，pH越接近8，在相同的反应时间里氨氮的去除效果越好。因此，为了能同时有效去除COD和氨氮的含量，可以在中性条件下处理。

图2 pH对COD去除率的影响（电流6 A）Fig.2 Effect of pH on the removal rate of COD (current 6 A)

2.2 电流密度和时间对COD和氨氮去除率的影响

由图4和图5可以看出，电流大小和反应时间对处理效果影响较大。COD和氨氮的去除率都随着电流的增大而增大。对于废水中的COD 含量，在2.5 h内，反应时间越长，去除率越高。对于废水中的氨氮含量，在2 h之内，去除率随着反应时间的增加而增大，而去除速率随反应时间的增加而降低。2 h以后，由于水中的氨氮含量很低，使得电解的去除速率也降到很低，此时继续电解对氨氮的去除效果不明显。

图3 pH对氨氮去除率的影响（电流6 A）Fig.3 Effect of pH on the removal rate of ammonia nitrogen(current 6 A)

图4 电流大小对COD去除率的影响（pH中性）Fig.4 Effect of current size on the COD removal rate (pH neutral)

图5 电流大小对氨氮去除率的影响（pH中性）Fig.5 Effect of current size on the removal rate of ammonia nitrogen (pH neutral)

2.3 正交试验中电流、pH、反应时间和磁场方向的影响分析

电流因素 1，2，3分别对应 6，9，12 A，pH因素1，2，3分别对应4，6，8，反应时间因素1，2，3分别对应30，60，120 min，磁场方向因素1，2，3分别对应相吸、相斥、无。

从表2（见下页）可以看出，在4个因素中，首先，反应时间对COD去除率影响最大，时间越长，去除率越高；其次，磁场方向，在磁场方向为相斥时，COD的去除效果更好；再次，电流大小，电流越大，相同时间里COD去除率越高；最次，pH，pH越接近中性，相同时间里COD去除率越高。在相同条件下，磁场方向为相斥比无磁场的COD去除效果提高了约20%。

表2 正交试验COD去除率条件直观分析Tab.2 Intuitionistic analysis of the condition of the COD removal rate in orthogonal tests

从表3可以看出，对氨氮去除率影响由大到小分别为：反应时间、电流大小、磁场方向、pH。反应时间、电流大小、磁场方向和pH对氨氮去除率的影响规律，和对COD去除率的影响规律相同，在相同条件下，磁场方向为相斥比无磁场的氨氮去除效果提高了约30%。

表3 正交试验氨氮去除率条件直观分析Tab.3 Intuitionistic analysis on the condition of the ammonia nitrogen removal rate in orthogonal tests

2.4 最优组合参数的确定

通过单因素实验和正交实验得出：在磁场相斥、pH为7，电流为12 A、时间为2 h时，去除率较高且运行成本较佳。相比于不外加磁场，外加相斥磁场的COD和氨氮去除效果分别提高了约20%和30%。

为了进一步了解电磁协同装置的经济性能，需要从不同进水流量所对应的能耗数据变化来分析。电磁协同装置处理的水量越小，污染物去除效率越高，即电极表面和污水的接触时间越长，处理效果越好，但同时能耗也越大。由于磁场范围的限制，电解槽的面积不宜过大，以防磁场强度不足[12]。

3 结 论

相比于普通电化学方法，采用电磁协同方法处理高盐高有机物腌制废水的COD和氨氮去除效果分别提高了约20%和30%，且电能的使用效率得到了提高，进而降低了运行成本。磁场的加入不仅增加了有机物的去除效率，而且可以使水磁化，改变水的结构、硬度与黏度，这相当于对进水进行了预处理。相比以往传统的电催化氧化处理废水方法，电磁协同方法不仅降低了设备对进水的要求，而且可以减少投加药剂的使用量以节约运行成本。对电磁协同处理方法的研究可以为实际工程设计和运行提供一定的理论依据。

电磁协同处理废水技术对进水有机物浓度、水量等要求低，受进水水质影响波动小，可应用于高盐高有机物废水，应用范围广泛；电磁协同装置操作管理简单、节省劳动力，且可以避免由于人工加药不规范而引起的不良后果。但是，由于磁场范围的限制，电解槽不宜过大，因此，电磁协同处理技术适用于一些中小型的废水处理。

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