铁碳微电解与双阴极电芬顿工艺耦合在畜禽废水处理中的效率优化与经济性评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Efficiency optimization and Economic Evaluation of Iron-carbon Micro-Electrolysis Coupled with Dual Cathode Electro-Fenton Processes for Livestock and Poultry Wastewater Treatment

畜禽养殖废水处理采用铁碳微电解与双阴极电解协同工艺，通过调节池→微电解→双阴极电解→絮凝沉淀的串联流程，实现COD、TN、TP分别85%、78%、92%的高效去除，色度降低90%，氨氮去除75%，系统运行成本24.51元/立方米，较传统Fenton法降低80.19%。

　　

周俊奇|徐家怡|张慧敏|张萌

江西省生态环境科学与规划研究院，南昌，江西，330039，中国

摘要

高级氧化处理方法是处理高有机物浓度畜禽废水的有效方法。传统的均相芬顿技术存在过氧化氢供应成本/利用率高和产生铁污泥的问题。本研究提出了一种新型微电解串联双电极电解系统用于畜禽废水处理。工艺流程包括废水进入均衡池，然后依次通过铁碳微电解池、电解池（配备浮动空气电极和涂有FeOCl催化剂的第二个电极）以及混凝沉淀池。该系统首先通过Fe/C微电解去除部分有机污染物，提高废水流动性/降低色度，并提供Fe²⁺/Fe³⁺以进行后续芬顿氧化。随后，在双电极部分，浮动空气电极高效生成H₂O₂，然后通过FeOCl/GF（石墨毡）复合电极激活生成·OH以实现氧化。最后通过混凝沉淀去除悬浮固体。整个过程无需辅助设备，产生的产物环保且无二次污染。通过调整pH值、铁碳用量和反应时间确定了铁碳微电解段的最佳参数，而双电极段则通过调整pH值、电流密度和反应器设计进行优化。经过效率优化后，在放大规模的反应器中处理畜禽废水的过程在3小时内运行稳定，化学需氧量（COD）去除率为85%，总氮（TN）去除率为78%，总磷（TP）去除率为92%，色度降低90%，氨氮去除率为75%。对核心关键部分的成本评估表明，其成本仅为24.51元/立方米，比传统芬顿工艺降低了80.19%。本研究为畜禽废水处理提供了一种经济高效的解决方案。

引言

畜禽养殖不仅是中国的水污染主要来源，也是全球的主要污染源[1]、[2]、[3]、[4]。据统计，畜禽养殖废水在化学需氧量（COD）方面占农业污染物排放总量的近40%，在总氮（TN）方面占30%，在总磷（TP）方面占40%以上，某些关键流域的比例甚至更高[5]、[6]。在许多国家，特别是采用集约化动物生产系统的国家（如美国、巴西、印度和欧盟国家），未经处理或处理不合格的废水排放导致水体富营养化、地下水污染和公共卫生风险[7]、[8]、[9]。因此，开发高效、经济且可持续的畜禽养殖废水处理技术尤为重要。

目前，畜禽养殖废水的处理方法主要包括物理方法、化学方法、生物方法及其组合工艺。物理方法（如筛滤和沉淀）可以去除部分悬浮固体，但在去除溶解污染物方面效果有限[10]。化学方法，尤其是高级氧化技术，由于其强氧化性和高效率，在处理高浓度有机废水方面具有巨大潜力[11]、[12]。然而，传统的先进氧化技术（如芬顿法）面临过氧化氢（H₂O₂）供应成本高、产生大量铁污泥以及能耗高的问题，限制了其大规模应用[13]、[14]。虽然生物方法具有环保和运行成本低等优点，但在处理高浓度有机废水时容易出现微生物活性抑制和处理效率下降的问题[15]。

近年来，由于电化学方法独特的优势[16]、[17]，在有机废水处理领域受到了广泛关注。电化学高级氧化工艺（EAOPs），特别是电芬顿工艺，通过原位生成H₂O₂并通过电化学作用激活生成羟基自由基（·OH）[18]、[19]、[20]，实现了有机污染物的有效降解。然而，传统的电芬顿工艺仍面临H₂O₂供应成本高[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、电流效率低以及产生大量铁污泥的问题[26]、[27]。为了解决这些问题，研究人员不断探索新型电极材料、优化反应器设计，并开发耦合工艺以实现更高效和经济的废水处理。

在此背景下，本研究提出了一种基于铁碳微电解与双电极电芬顿工艺耦合的新型畜禽养殖废水处理技术。该工艺首先通过铁碳微电解单元去除部分有机物并生成Fe²⁺，为后续电芬顿反应提供必要的铁源。同时，利用双电极系统（浮动空气电极和FeOCl/石墨毡电极）实现H₂O₂的原位高效生成和激活，产生大量·OH自由基进一步降解废水中的有机污染物[28]、[29]。本研究旨在通过这种创新的耦合工艺解决传统电芬顿工艺的高成本和能耗问题，同时提高处理效率，实现畜禽养殖废水的高效经济处理。

本研究的创新主要体现在以下几个方面：首先，首次将铁碳微电解与双电极电芬顿工艺结合，形成了一种新的、高效且低成本的废水处理方法；其次，通过优化电极材料和反应器设计，实现了H₂O₂的原位高效生成和激活，显著降低了运行成本；第三，该工艺不仅适用于畜禽养殖废水处理，还可扩展到其他高浓度有机废水处理领域，具有广泛的应用前景。与现有研究相比，本研究在工艺设计、电极材料选择和处理效率提升方面具有显著优势，为畜禽养殖废水处理提供了全新的解决方案。

材料

硫酸银（Ag₂SO₄）、重铬酸钾（K₂Cr₂O₇）、无水硫酸铈（Ce(SO₄)₂、硫酸汞（Hg₂SO₄）和六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）由中国国家化学试剂有限公司购买。浓硫酸（H₂SO₄）（1.84 g/mL）、浓盐酸（HCl）（1.19 g/mL）和浓磷酸（H₃PO₄）（1.70 g/mL）由新华药业化学试剂有限公司购买。炭黑（30 nm）和聚四氟乙烯（PTFE）也用于实验。

铁碳微电解段处理效率的优化

本研究采用铁碳微电解对实际畜禽废水进行预处理，研究了进水pH值对污染物去除效率的影响。使用250 mL烧杯作为反应容器，每个容器装有100 mL废水样品。通过稀硫酸和NaOH将废水pH值调整为四个梯度（2、3、4、5）。每个系统加入35 g铁碳填料（高温烧结，铁碳质量比为3:1，制成小球状）。

结论

本研究开发了一种基于自氧化原位过氧化氢-FeOCl双电极系统的高效畜禽废水处理工艺。通过“调节池→铁碳微电解→双电极电解池→混凝沉淀池”的集成流程，实现了多种污染物的高度协同去除。在最佳条件下，连续运行3小时后，COD、TN和废水色度的去除率显著提高。

CRediT作者贡献声明

周俊奇：撰写 – 审稿与编辑、可视化、数据分析。张慧敏：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。徐家怡：可视化、验证、方法学研究、数据分析。张萌：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了江西省重点研究项目（编号20242BAB26030、20243BBH81034）、江西省自然科学基金（编号20224BAB213032）和中国国家自然科学基金（编号51768019）的支持。