王亞林， 賈金平， 李 侃

(上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

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在環(huán)境監(jiān)測實驗中電化學(xué)處理難生物降解廢水

王亞林， 賈金平， 李 侃

(上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

隨著印染紡織和制藥工業(yè)的迅速發(fā)展，印染與制藥廢水已成為水系環(huán)境的重點污染源之一。電化學(xué)方法處理印染與制藥廢水，由于其設(shè)備小、占地少、運行管理簡單、COD去除率高、脫色效果好及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，日益受到人們的重視。電化學(xué)方法治理廢水，實質(zhì)是直接或間接地利用電解作用，把水中污染物去除或把有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒或低毒物質(zhì)。該實驗的目的在于讓學(xué)生掌握電解法處理難生物降解廢水的原理，同時監(jiān)測改變電解時間，電壓或電解質(zhì)等條件廢水的色度變化，優(yōu)化最佳電解條件，通過監(jiān)測COD及BOD5，求B/C，評價廢水的可生化性。同時論文還介紹了該實驗方法、內(nèi)容和步驟，并討論了該教學(xué)實驗的可行性、存在的優(yōu)點以及預(yù)期的教學(xué)效果。

電化學(xué)； 印染廢水； 環(huán)境監(jiān)測； 實驗教學(xué)

0 引 言

在環(huán)境水體監(jiān)測中，多項水質(zhì)指標(biāo)的檢測方法，如色度、pH值、COD、BOD5、氨氮、總氮等，都是環(huán)境監(jiān)測教學(xué)實驗中需要學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)技能[1-5]。然而，在傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測實驗中，學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了這些水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法，但并沒有將其與實際的水處理過程結(jié)合起來，以至于在日后的研究與工作中面對實際應(yīng)用不能很好的運用已有知識。在此情況下，在學(xué)生進(jìn)行了上述基本水質(zhì)指標(biāo)的環(huán)境監(jiān)測實驗學(xué)習(xí)后，向其介紹一個既能聯(lián)系實際將所學(xué)到的監(jiān)測方法進(jìn)行應(yīng)用，同時又要保證良好的教學(xué)效果的學(xué)生實驗是一件當(dāng)務(wù)之急的環(huán)節(jié)。本文作者在自己多年從事電化學(xué)水處理的研究基礎(chǔ)上，在自然科學(xué)基金《摻硼金剛石薄膜芯片復(fù)式電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤的新方法研究》(No. 20477026)的研究過程中，提出了將該技術(shù)用于處理難生物降解廢水作為大學(xué)環(huán)境監(jiān)測教學(xué)實驗這一新的教學(xué)想法。

隨著印染紡織和制藥工業(yè)的迅速發(fā)展，印染與制藥廢水已成為水系環(huán)境的重點污染源之一。該類廢水的水質(zhì)復(fù)雜，其特點為水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性和pH值變化大、鹽度高、可生化性差[6-10]。電化學(xué)方法處理印染與制藥廢水，由于其設(shè)備小、占地少、運行管理簡單、COD去除率高和脫色效果好及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，日益受到人們的重視[11-16]。電化學(xué)方法治理廢水，實質(zhì)是直接或間接地利用電解作用，把水中污染物去除或把有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒或低毒物質(zhì)。近幾十年來，隨著電化學(xué)科學(xué)和電力工業(yè)的發(fā)展，使處理成本大大降低，電化學(xué)已成為一類具有競爭力的廢水處理方法。

該實驗的目的在于讓學(xué)生掌握電解法處理難生物降解廢水的原理，同時監(jiān)測改變電解時間，電壓或電解質(zhì)等條件廢水的色度變化，優(yōu)化最佳電解條件，通過監(jiān)測COD及BOD5，求B/C，評價廢水的可生化性。同時本文還介紹了該實驗方法、內(nèi)容和步驟，并討論了該教學(xué)實驗的可行性、存在的優(yōu)點以及預(yù)期的教學(xué)效果。

1 實驗條件、內(nèi)容與步驟

1.1 實驗儀器與試劑

鐵片電極，石墨電極，電解槽，直流電源，紫外-可見分光光度計，COD消解儀，溶解氧瓶，恒溫培養(yǎng)箱等。模擬廢水采用日落黃染料溶液，電解質(zhì)采用硫酸鈉和氯化鈉。

1.2 實驗內(nèi)容

在給定條件下，研究不同電解時間日落黃的色度去除率，研究不同電壓/電流密度對廢水處理結(jié)果的影響，電化學(xué)處理前后色度，COD、BOD5、B/C等的測定，對廢水的可生化性進(jìn)行評估。

1.3 實驗步驟

(1) 日落黃配制濃度為100 mg/L的模擬染料廢水為研究對象。

(2) 電化學(xué)處理日落黃的試驗條件為：電壓15 V，電極間距5 cm，硫酸鈉0.01 mol/L，反應(yīng)時間為40 min。

(3) 在電解10、15、20、25、30、35、40 min取樣檢測色度去除率、COD、BOD5。

(4) 加入0.005 mol/L的氯化鈉代替硫酸鈉作為電解質(zhì)，重復(fù)以上實驗，考察Cl-對電解效果的影響。

(5) 改變電極間距為10，15和20 cm，重復(fù)以上實驗，考察不同電極間距對電解效果的影響。

(6) 改變電解電壓為5、10、和20 V，重復(fù)以上實驗，考察電解電壓/電流密度對電解效果的影響。

(7) 改變電極材料，重復(fù)以上實驗，考察電極材料的改變對電解效果的影響。

2 實驗要求

2.1 學(xué)生預(yù)習(xí)

在試驗開始前的1～2周時間內(nèi)，讓學(xué)生對該實驗進(jìn)行預(yù)習(xí)。通過查閱資料，了解電化學(xué)處理難降解廢水的原理及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，印染及制藥廢水的特性及危害等。同時還需要學(xué)生自行設(shè)計一套實驗的操作方案，包括對哪些影響因素進(jìn)行測定等，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗設(shè)計能力。

2.2 實驗時間

實驗時間為1天，其中半天時間用于電化學(xué)處理印染廢水的試驗，半天時間用于對其COD與BOD5進(jìn)行測定。建議試驗時可以多名學(xué)生合作完成全部試驗內(nèi)容。

2.3 試驗前的準(zhǔn)備工作

(1) 試驗準(zhǔn)備。實驗前，助教先做好相應(yīng)的試驗準(zhǔn)備。

(2) 學(xué)生討論階段。在開始實驗前，另外給學(xué)生1個小時的時間，進(jìn)行分組討論。先不要告訴學(xué)生該實驗的具體試驗步驟與所考察的影響因素，讓學(xué)生根據(jù)自己的預(yù)習(xí)情況對該實驗提出自己的想法，包括可能的影響因素與考察該因素的具體步驟等，并且要求提出問題。教師根據(jù)這些問題進(jìn)行作答，同時講解該實驗的試驗步驟與所考察的影響因素，然后再開始進(jìn)行實驗。

2.4 學(xué)生實驗階段

在有限的教學(xué)時間和實驗條件下，為了是實驗教學(xué)取得更好的效果，在實驗過程中應(yīng)注意教師的引導(dǎo)作用，啟發(fā)學(xué)生思考。針對實驗過程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象，對學(xué)生進(jìn)行提問和講解，包括電解裝置的搭建，電解時間，電解電壓，電極間距，電解質(zhì)種類等因素對電流密度和脫色效果的影響等。COD與BOD5測定的過程中，對操作不標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生，要對其進(jìn)行糾正并示范正確的實驗操作。

2.5 實驗報告

試驗報告為論文的形式，包括前言、試驗材料與方法、結(jié)果與討論和結(jié)論四部分。同時，雖然本實驗是多人合作完成，但每人應(yīng)在實驗后獨立完成試驗報告，實驗數(shù)據(jù)需要共享，以便比較討論。

2.6 學(xué)生自由實驗

因為該實驗開始之前要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，并提出了自己的試驗設(shè)計方案。在實驗結(jié)束后，可以開放中心實驗室，感興趣的學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下完成自己設(shè)計的試驗方案。

3 討 論

3.1 本實驗的可行性

將電化學(xué)處理印染廢水的實驗作為本科生的環(huán)境監(jiān)測教學(xué)實驗是否合適，是一個相當(dāng)重要并值得重視的問題。如果不具備可行性，則必然在教學(xué)過程中遇到很大的問題。本實驗所采用的儀器比較常規(guī)，例如直流電源等其價格不高，不會在教學(xué)經(jīng)費上產(chǎn)生較大的問題，并且可以配備多臺供多組學(xué)生同時使用。利用分光光度計測定色度，COD及BOD5等實驗都應(yīng)是學(xué)生們在之前的實驗教學(xué)中學(xué)習(xí)且操作過的內(nèi)容，比較容易上手。同時，本文作者作為試驗教學(xué)老師，也已經(jīng)在本科生環(huán)境監(jiān)測教學(xué)實驗中開展了該實驗教學(xué)內(nèi)容，通過組內(nèi)多名同學(xué)的相互協(xié)作，完全可以在半天的時間內(nèi)完成電化學(xué)處理印染廢水的試驗內(nèi)容，另外半天時間完成COD與BOD5的測定內(nèi)容。同時，對于學(xué)生自行設(shè)計的試驗內(nèi)容，可以通過開放中心實驗室，讓感興趣的學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行實驗，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究興趣。

3.2 本實驗的必要性及存在的優(yōu)點

對于本科生的環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)，不僅僅要求學(xué)生學(xué)會簡單的水質(zhì)指標(biāo)，如色度、氨氮、總氮、COD與BOD5等的檢測，同時還應(yīng)該將這些水質(zhì)指標(biāo)的檢測與實際應(yīng)用想結(jié)合，使學(xué)生在實際廢水處理的過程中也可以靈活的掌握這些指標(biāo)的測定，為其今后的科研及工作打下良好的基礎(chǔ)。然而，對于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)，這部分內(nèi)容是比較缺少的，因此將該實驗作為環(huán)境監(jiān)測教學(xué)實驗的必要性是不言而喻的。通過該實驗，首先，學(xué)生可以了解電化學(xué)這項新穎的廢水處理技術(shù)，同時也會對廢水處理有一定程度上的了解；其次，學(xué)生可以將之前環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)中所學(xué)習(xí)到的各種水質(zhì)指標(biāo)檢測的方法進(jìn)行實際的應(yīng)用，進(jìn)一步鞏固這些指標(biāo)的檢測方法；再次，這是一項半開放式的試驗，學(xué)生可以發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，自己設(shè)計實驗并與教師進(jìn)行探討，培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力，同時試驗報告以論文的形式提交，也可以鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)，撰寫學(xué)術(shù)論文的能力。

4 結(jié) 語

本文向環(huán)境專業(yè)本科生介紹了一個新的環(huán)境監(jiān)測教學(xué)實驗，即電化學(xué)方法處理實際難生物降解廢水，闡明了其試驗方法、內(nèi)容和步驟，并對該實驗在教學(xué)實踐中的可行性，必要性及存在的優(yōu)點進(jìn)行了分析。學(xué)生歡迎這種形式的實驗課，收到良好的教學(xué)效果。

[1] 夏 新.淺談強化環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理體系建設(shè)[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2012, 24(1): 1-4.

[2] 劉衛(wèi)先.我國現(xiàn)行環(huán)境監(jiān)測體制述評[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2009, 25(3): 5-10.

[3] 但德忠.我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國測試技術(shù)，2005, 31(5): 1-5.

[4] 李國剛，萬本太.中國環(huán)境監(jiān)測科技發(fā)展需求分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2004, 20(6): 5-8.

[5] 萬本太，蔣火華.論中國環(huán)境監(jiān)測發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2005, 21(1): 1-3.

[6] 戴日成，張 統(tǒng)，郭 茜，等.印染廢水水質(zhì)特征及處理技術(shù)綜述[J].給水排水，2000, 10(26): 33-36.

[7] 鄭冀魯，范 娟，阮復(fù)昌.印染廢水脫色技術(shù)與理論述評[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2000, 1(5): 29-35.

[8] 李風(fēng)亭，陸雪非，張冰如.印染廢水脫色方法[J].水處理技術(shù)，2003, 29(1): 12-14.

[9] 李亞峰，高 穎.制藥廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù)，2014, 40(5): 1-4.

[10] 李宇慶，馬 楫，錢國恩.制藥廢水處理技術(shù)進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2009, 29(12): 5-7.

[11] 馮玉杰，崔玉虹，孫麗欣，等.電化學(xué)廢水處理技術(shù)及高效電催化電極的研究與進(jìn)展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004, 36(4): 450-455.

[12] 龍 萍，許立坤，李慶芬，等.鈦基釕鑭氧化物涂層結(jié)構(gòu)對電化學(xué)活性的影響[J].稀有金屬材料與工程，2013, 42(6): 1185-1189.

[13] 劉愛萍，朱嘉琦，韓杰才.納米金增強摻磷四面體非晶碳膜的電化學(xué)活性[J].新型炭材料，2010, 25(5): 363-369.

[14] 張國芳，肖書虎，肖宏康，等.黃連素制藥廢水的電化學(xué)預(yù)處理試驗[J].環(huán)境科學(xué)研究，2011, 24(1): 79-84.

[15] 肖宏康，肖書虎，張國芳，等.電化學(xué)氧化法處理模擬黃連素制藥廢水的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2011, 5(5): 987-991.

[16] 肖書虎，張國芳，宋永會，等.電化學(xué)雙極法處理高濃度含銅黃連素制藥廢水[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2011(4): 295-299.

·名人名言·

科學(xué)實驗室科學(xué)理論的源泉,是自然科學(xué)的根本,也是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。

——張文裕

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

國家自然科學(xué)基金項目(20477026)

王亞林(1962-)，女，安徽淮北人，碩士，高級工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測教學(xué)及實驗方面的研究工作。

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

G 642.0；X 832

A

1006-7167(2015)10-0157-03