电凝聚序批式反应器用于实际养猪场废水的磷深度处理：电流波形、电极暴露、动力学及处理成本

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Electrocoagulation sequencing batch reactor for phosphorus polishing of real piggery wastewater: current waveform, electrode exposure, kinetics and treatment cost

　　

- 直流电（DC）下的表观磷去除率达到99.2%，而交流电（AC）条件下仅为38.2%
- 间歇实验获得的条件成功转化为周期性运行的EC-SBR
- 在两种实际养猪场出水中的应用中，EC-SBR均使出水TP保持低于5 mgP/L
- 总电流与电极面积体积比主导了EC-SBR的运行性能
- 末端出水抛光处理的处理成本估算为4.24 THB/m3

**引言**

养猪业仍是泰国畜牧业的重要组成部分，并持续产生大量需要有效管理的废水。《泰王国统计年鉴2025》报告称，2023年泰国的生猪存栏量为15,074,051头，证实了全国范围内生猪生产的庞大规模[29]。与此同时，泰国食品生产动物中的兽药抗生素使用情况相当可观：泰国在2019年报告的人畜单位（PCU）用量为336.3 mg，尽管在国家抗微生物药物耐药性（AMR）战略推动下，全国抗微生物药物用量已从2017年的658.7 mg/PCU下降至2020年的421.5 mg/PCU[22]。这些数据既凸显了养猪业的规模，也再次表明行业中含有养分和抗生素的废弃物流亟需改进的管理方式。

养猪场废水通常富含有机物、悬浮固体、营养物质和兽用药物。如果处理不当，这些排放可能恶化受纳水体水质、促进水体富营养化，并加剧抗生素抗性风险。Bunce等[5]强调，来自小规模处理系统的磷释放对环境（富营养化）的影响可能比既往认知更大，因为这类系统往往向敏感水体排放，且缺乏大型处理厂所具备的运行控制手段。抗生素在环境上同样值得关注，因为超过50%的施用抗生素可能未经代谢即被排出，Yan等[48]在其文献综述中指出地表水中的抗生素浓度可达16,216 ng/L。长期暴露会为抗性菌及抗性基因的选择提供条件。

在泰国，养猪场废水通常采用基于沼气的厌氧系统进行处理，经固液分离后进入塘式后处理，最后进行排放或有偿复用[38]、[6]。末端塘出水可根据农场管理与出水水质，进行排放或资源化利用。虽然厌氧消化可有效降低高有机负荷并回收沼气，但残余营养物质，特别是磷，仍可能留存并需进一步深度处理。

厌氧消化在养猪场中被广泛应用，因为它能高效削减高浓度有机负荷并产生沼气。然而，单靠厌氧处理并不能保证达到营养物限值，也无法消除抗生素相关风险。在满负荷的生猪废水消化器中，M. Zhang等[49]报告抗生素去除率为65.1%至98.1%，而抗性基因（ARGs）的去除率仅为3.5%至71.0%，可移动遗传元件的去除率为26.9%至77.2%；值得注意的是，在三座所考察消化器中，病原微生物均未得到有效去除。因此，即便厌氧处理实现了有机物的显著稳定化，针对磷控制与降低残余抗生素危害仍可能需要后处理或深度处理。

生物除磷是一种抛光选项，但其可靠性强烈依赖工艺条件。强化生物除磷依赖于交替的厌氧与好氧或兼性厌氧阶段的聚磷菌作用，其性能受易生物降解碳源影响。这对厌氧后的猪场出水具有现实意义，因为其中的此类碳源可能不足以保证磷的持续抛光。Izadi等[20]指出，由于微生物竞争和环境扰动可能使工艺失稳，磷去除不足在满负荷运行工厂中依然普遍。这些运行条件对分散式猪场应用而言可能难以满足。

电凝聚（EC）提供了一种替代的抛光路线，因为絮凝剂物种可由牺牲型金属电极原位生成。在铝基或铁基EC中，溶解的金属离子水解形成反应性氢氧化物物种，通过吸附、电荷中和、共沉淀、卷扫絮凝和浮选去除污染物。Moussa等[26]将EC描述为集成了絮凝、浮选与电化学反应，同时减少对外部化学添加的依赖。然而，EC的更广泛实施仍需要将实验室性能与工程应用更紧密地联系起来。Hakizimana等[17]强调了反应器建模与技术经济优化，而Tahreen等[44]指出工艺开发与放大仍是持续挑战。电极构型、钝化、污泥生成以及针对特定废物流的处理成本也仍是重要的实际问题[4]、[42]。

对于磷控制而言，EC具有吸引力，因为磷酸盐可与电生Al或Fe氢氧化物物种相互作用，并作为絮体固体从液相中分离出来。Irdemez等[19]在合成废水条件下证实了EC条件下磷酸盐去除的基本规律，Reza等[40]讨论了EC在家庭废水现场和小规模废水处理系统中的适用性。然而，对于厌氧后的猪场出水，磷的抛光必须在复杂的基质中实现，其中包括残余有机物、悬浮固体、碱度、盐分及竞争离子。这些基质组分可能影响絮凝剂需求量、电流效率、pH演变、污泥形成与处理成本。近期研究进一步表明，废水盐度和离子组成会影响Al的溶解和法拉第效率，而电极污损和钝化可能增加电阻并降低电化学反应活性[2]、[21]。因此，将EC作为猪场废水抛光工艺应用，需要针对真实出水和可转化为反应器运行的工况条件进行全面评估。

四环素（TC）被选作模型抗生素，因为四环素类化合物与生猪生产密切相关，并在猪场废物流中曾被检出。Chan等[6]报告了泰国养猪系统中的兽药抗生素情况，而Noinumsai等[30]在泰国处理的生猪废水出水中检出了四环素类残留。TC在化学上适合于EC评估，因为其羟基、氨基、酰胺基和羧基可与金属氢氧化物表面通过吸附、络合和氢键相互作用[16]。四环素类抗生素已被EC去除，包括从水溶液中去除土霉素[28]，而铝基EC与通过电生氢氧化物絮体去除抗生素相关联[25]。因此，在主要评估磷抛光的同时，本研究纳入TC作为互补性模型污染物实验，以在受控条件下评估EC的抗生素去除潜力。

尽管EC在磷去除方面具有明显潜力，但从间歇实验获得的运行条件转化为针对真实猪场废水的周期性反应器运行，仍然存在重要的实践空白。尤其是废水基质、电流波形、电解时间、电极暴露、处理成本与放大参数的综合效应，尚未被充分整合到一个实用化的EC-SBR框架中。厌氧后出水与猪场末端出水在有机物、悬浮固体、碱度、电导率和竞争离子方面与合成废水存在差异，这些差异可能影响絮凝剂生成、磷去除、pH演变、污泥形成与处理成本。因此，在间歇条件下获得的EC工况转化为实用化抛光应用之前，需要在真实废水条件和周期性运行下进行验证。

因此，本研究开发了一种用于猪场废水磷抛光的电凝聚序批式反应器（EC-SBR）方法。间歇实验首先考察了在标准固液分离条件下，对合成废水、厌氧消化器出水和末端塘出水，在不同电流密度、电流波形、电解时间、初始TP浓度及电极浸没条件下的磷去除情况。随后，将所选运行条件应用于周期性EC-SBR运行中，评估真实猪场出水中的TP去除率、COD削减、运行稳定性、污泥特性以及实用权衡。同时开展动力学分析、处理成本估算并建立预测方程，以支持初步工程应用。与此同时，在合成废水中评估TC，作为互补模型抗生素，以评估受控条件下EC的更广泛污染物去除潜力。通过整合间歇实验得到的运行窗口、真实废水验证、周期性EC-SBR运行、处理成本与放大参数，本研究为分散式猪场废水抛光提供了一个从间歇到反应器的框架。

**章节片段**

**废水制备**

合成废水（SW）制备为两种类型：第一类为含磷合成废水（SWP），通过在水溶液中溶解磷酸二氢钾（KH?PO?，纯度99%，Kemaus）制备；第二类为含抗生素合成废水（SWTC），通过在水溶液中溶解医药级盐酸四环素（C??H??N?O?·HCl，Vesco Pharmaceutical）制备，浓度视各实验需要而定（见表格1）。在每份SW中加入氯化钠（NaCl，纯度>95%，Ajax Finechem）。

**电流密度对合成废水中表观磷去除的影响**

电流密度（J）为2.5、5、10 mA/cm2时，EC处理并采用标准GF/C固液分离后的表观磷去除率如图2和图3所示。图2的结果表明，提高J显著增强了表观磷去除效率。当采用直流电（DC）、处理时间为50分钟时，将J从2.5提升至10 mA/cm2，表观磷去除率由76.1%提高至99.2%，而交流电（AC）条件下则上升幅度……

**结论**

本研究验证了电凝聚作为一种紧凑型抛光工艺用于猪场废水磷控制的可行性，并实现了从间歇试验到周期性EC-SBR运行的转化。直流电运行效果显著优于交流电运行，所选EC工况在标准固液分离后能够将残余磷降至≤5 mgP/L。当迁移至EC-SBR运行时，这些条件使末端出水TP持续……

**未引用参考文献**

[3]

**CRediT作者贡献声明**

Sumate Chaiprapat：写作—审阅与编辑、指导、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。Suthatip Sinyoung：验证、资源、概念构思。Anuwat Prasertsit：指导、资源、概念构思。Missaba Siripattana：初稿写作、调查。

**关于在写作过程中使用生成式人工智能及AI辅助技术的声明**

在撰写本文过程中，作者使用了ChatGPT以提升稿件的可读性与语言质量。在使用该工具之后，作者对所生成的内容进行了审阅和必要的编辑，并对所发表文章的内容承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何已知可能对本研究产生影响的经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究由国家科学、研究与创新基金（NSRF）及宋卡王子大学资助（编号：ENG6701185S），宋卡王子大学研究生院与工程学院以及宋卡王子大学工程学院沼气与生物精炼实验室、宋卡王子大学能源系统研究院（PERIN）的研究设施支持，在此致以诚挚谢意。

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