腈綸廢水屬于難降解有毒工業廢水，對該廢水的處理是石油化工污染治理和控制的一個重要方面，但其處理技術目前在國內仍不成熟。腈綸廢水具有污染物濃度高、N/C 高、毒性高以及B/C 低的“三高一低”特點〔1〕，為此，如何采取適宜的措施對腈綸廢水進行預處理，降低其中對生化處理有害的污染物濃度或提高有機污染物的降解效果，保證后續處理的高效進行，成為腈綸廢水處理的研究熱點之一〔2, 3〕。
三維電極是在常規二維電極的陰、陽極間填充均勻混合的導電顆粒和絕緣顆粒而構成。三維電極技術將電解過程和吸附過程相結合，電解時，當主電極間所施加的電壓足夠高，使導電顆粒沿電場方向兩端的電位降超過陰極和陽極反應的可逆電位時，導電顆粒表面帶電，成為新的極（第三極）〔4, 5〕；同時通過在電極板之間填充活性炭等混合填料，使其不但發揮了填料的吸附功能，又能利用填料顆粒增加電極表面，這樣，在吸附過程中，電解也在同時進行，使活性炭吸附表面不斷更新，在宏觀上沒有產生再生“時間段”，從而實現了吸附過程的連續。三維電極技術具有較為廣泛的應用前景〔6〕。
本試驗以三維電極技術作為腈綸廢水的預處理方案，通過單因素和正交試驗討論了電解電壓、反應時間和廢水pH 等因素對處理效果及反應能耗的影響，并得出處理腈綸廢水的最佳工藝條件，以期為此類廢水的治理提供科學依據。
1 廢水來源和水質
試驗所用廢水均來自吉林化纖污水處理場調節池，其水質：COD 550~810 mg/L，BOD5170~220 mg/L，TN 160 ~350 mg/L，NH3-N 70 ~135 mg/L，TOC 200 ~330 mg/L，pH 7~8，丙烯腈1~21 mg/L，二甲基乙酰胺（DMAC） 25~160 mg/L。該廢水B/C 約為0.25～0.28，可生化性較低，且水中含有DMAC、丙烯腈等有毒物質，難以通過生物方法直接處理。
2 試驗材料和方法
2.1 試驗材料及其預處理
試驗采用銥釕涂層鈦合金作為陽極材料，鈦合金作為陰極材料。根據復極性反應器的原理，粒子群電極的理想條件是粒子的電阻遠小于溶液的電阻，以利于形成高梯度電場，便于粒子復極化； 另一方面，為了使粒子復極化，又要防止粒子之間相互接觸，即要求粒子之間彼此絕緣〔7, 8〕。因此，在活性炭填料中加入了一定量的石英砂，實現對活性炭粒子群電極的絕緣作用，以便更好地達到復極性電解池的效果〔8〕。混合填料經過長期運行，使填料吸附性和電解的催化氧化性達到一個相對的平衡狀態，以排除填料單純吸附作用的干擾。
2.2 試驗裝置及方法
2.2.1 試驗裝置
試驗裝置如圖 1 所示。電極反應器由有機玻璃板制成，尺寸為30 cm×20 cm×20 cm。陰陽極板尺寸為20 cm×15 cm，電極間距為3 cm。填料由在廢水中吸附飽和的2.36 mm×4.75 mm 活性炭和相同粒徑的石英砂按質量比4∶1 混合而成。
圖 1 三維電極反應裝置
2.2.2 試驗方法
試驗采用靜態間歇方式進行操作，具體過程如下：在水槽中裝入18 L 腈綸廢水，調節其pH，利用小型潛水泵使廢水不斷地循環從而能夠均勻地與電極接觸，同時利用直流電源輸出一定額度的電壓，經過一段時間后，從取樣口取樣進行相關指標的測定。
2.3 測定方法
COD 的測定采用重鉻酸鉀法；BOD5采用OxiTopIS12 BOD 分析儀（德國WTW 公司）進行測定；NH3-N 的測定采用納氏試劑分光光度法（ 雷磁UV-9600 分光光度計，上海精科公司）；TN、TOC 采用TOC-VCPH 型總有機碳總氮分析儀（日本島津公司）進行測定；DMAC、丙烯腈采用液相色譜/質譜聯用儀（ 美國Agilent 公司） 進行測定；pH 采用雷磁pHS-3C 型酸堿計（上海精科公司）進行測定。
3 試驗結果及討論
3.1 二維電極和三維電極處理效果對比
在20 V 電壓下，進行二維電極與三維電極處理效果的比較。其中，二維電極反應器中未填加填料，三維電極反應器中填加填料，廢水處理體積為18 L。二維電極法與三維電極法的處理效果如圖 2 所示。
圖 2 二維電極和三維電極對廢水處理效果比較
由圖 2可知，三維電極反應器對廢水COD 的去除率明顯高于二維電極反應器。這是由于與傳統平板電極法相比，三維電極法有機地結合了吸附、面催化、氧化還原等多種過程，并極大地增加了單位體積的電極表面積，從而大大提高了廢水的處理效果。
3.2 電壓的影響
取18 L 廢水，調節pH 為5.0，采用三維電極反應器分別在5、10、15、20、25、30 V 電壓下電解90 min，考察電解電壓對COD 去除率及能耗的影響，結果見圖 3。
圖 3 電解電壓對COD 去除率和能耗的影響
由圖 3 可知，隨著電壓的增高，COD 去除率逐漸增大，當電壓達到20 V 后，COD 去除率的上升變緩。其原因可能是由于在電壓由低到高的過程中，填充粒子不斷被激活，使有效電極面積不斷增大，從而提高了COD 去除率；而當外加電壓超過一定值時可能造成反應器內部填充粒子間的短路，降低了電解效率。同時，隨著電壓的升高能耗迅速增大，若電壓過大可能造成極板擊穿。綜合考慮，最佳電壓為20 V。
3.3 電解時間的影響
取18 L 廢水，調節pH 為5.0，保持電壓為20 V，采用三維電極反應器分別處理30、60、90、120、150、180 min，考察電解時間對COD 去除率及能耗的影響，結果如圖 4 所示。
圖 4 電解時間對COD 去除率和能耗的影響
由圖 4 可以看出，在電解的前60 min，COD 去除率迅速增大至27%； 之后隨著電解時間的延長，COD 去除率的增長逐漸趨于平緩，這可能是由于電解初期吸附在填充粒子表面上的部分有機物經電解作用后分解成小分子有機物溶解在水溶液中，使廢水COD 增高，從而使COD 去除率增加緩慢〔8〕；同時隨著電解時間的增加，電解能耗迅速增大。出于經濟成本的考慮，確定最佳電解時間為60 min。
3.4 廢水pH 的影響
由于三維電極在酸性條件下對有機物的處理效果較堿性條件下好，因此，取18 L 廢水，分別調節pH 為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0，在20 V 電壓下電解60 min，考察pH 對COD 去除率及能耗的影響，結果如圖 5 所示。
圖 5 pH 對COD 去除率和能耗的影響
由圖 5 可以看出，當pH 為5.0 時，COD 去除率最高；同時隨著pH 的升高，反應能耗略有減小，說明pH 的變化對能耗的影響很小。考慮到在實際工程應用中應盡量降低經濟成本和減少操作條件，因此確定最佳pH 為5.0。
3.5 基于單因素試驗的正交試驗
在前期試驗基礎上，以電解電壓（A）、電解時間（B）和pH（C）作為影響因素，以COD 為評價指標，按L9（33）進行正交試驗，通過正交試驗進一步科學地確定三維電極法處理腈綸廢水的最佳因素水平。正交試驗因素水平及結果如表 1、表 2 所示。
由表 2 可知，影響COD 處理效果的因素主次順序為B>A>C，即電解時間>電壓>pH，最優水平組合為A2B3C2，因此最佳反應條件為電壓20 V，電解時間90 min，進水pH=5.0。
由3.3 可知，當電壓為20 V，進水pH 為5.0 時，電解60 min 和90 min 的能耗分別為1.33 kW·h/m3和1.99 kW·h/m3，而COD 去除率分別為27.0%和27.2%，綜合以上兩方面考慮，選用60 min 為最優反應時間。通過單因素和正交試驗以及對電解能耗的綜合分析，得出三維電極法處理腈綸廢水的最優條件：電解時間為60 min，電壓為20 V，pH 為5.0。
3.6 優化條件下的處理效果以及對廢水可生化性的影響
在最優條件下，對18 L 廢水進行重復試驗，結果如表 3 所示。
由表 3 可知，三維電極法對腈綸廢水的COD、NH3-N、TN、TOC 均有一定的去除能力，但整體效果不是很好；對特征污染物DMAC 和丙烯腈的去除率分別為91.3%和98.7%；廢水的B/C 則由0.28 提高到0.41。另外，試驗中測得反應能耗為1.33 kW·h/m3 左右。綜上所述，三維電極法作為腈綸廢水的一種預處理方案，可使該廢水的可生化性得到很大的提高，為后續的生物處理提供了較好的條件。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
4 結論
（1）三維電極法處理腈綸廢水的最優條件：電解時間為60 min，電壓為20 V，pH 為5.0，在此條件下，COD 去除率達到29%左右，氨氮去除率達到12%左右，特征污染物DMAC 和丙烯腈的去除率分別達到91.3%和98.7%，處理1 噸該廢水所需能耗為1.33 kW·h 左右。
（2）三維電極法作為腈綸廢水的預處理工藝，可將廢水的可生化性由0.28 提高到0.41，為后續的生物處理提供了較好的條件。
