高铁酸钾对水产养殖废水净化作用的研究

高铁酸钾对水产养殖废水净化作用的研究

摘要：通过分析高铁酸钾（K2FeO4）对养殖废水中菌落总数、化学需氧量（COD）、浊度、硫化物、亚硝酸盐和氨氮总量的去除效果，以探明K2FeO4作为净化剂对养殖水体的净化效果。结果表明，K2FeO4对养殖水体中菌落总数、COD、浊度和硫化物的去除效果良好，当K2FeO4使用量为8 mg/L时，菌落总数的去除率为98.80%、COD去除率为92.16%、硫化物去除率为98.78%、浊度的去除率为98.42%；对亚硝酸盐和氨氮总量也有一定的去除效果，亚硝酸盐在K2FeO4使用量为12 mg/L时的去除率最大，为44.61%，氨氮总量在K2FeO4使用量为16 mg/L时的去除率最大，为24.87%。

关键词：高铁酸钾；水产养殖；废水；净化

随着人们生活水平的提高，中国对水产品的需求日益增大，促使集约化水产养殖迅猛发展，中国的水产养殖量已占到世界水产养殖总量的60%左右[1]。但是在水产养殖过程中也会产生大量的污染物，如残饵和粪便等，对生态环境提出了新的挑战[2]。然而，目前在中国，水产养殖中的水仍然是以大引大排的方式为主[3]，这种方式在一定程度上加剧了日益严峻的水资源短缺，并且由于这种方式没有对养殖水体进行净化处理，使得在水产养殖过程中投放的饲料残余（在养殖过程中，75%～80%的投喂饲料无法被养殖生物消化吸收）以及养殖水产动物生长过程中产生的水体污染物不能得到及时的去除，增加了养殖水体的富营养化程度，加速了池塘底泥的污染程度，对周边水域和生态环境产生了严重危害[4，5]。

此外，在集约化水产养殖过程中，防治水产动物病害也是应当注意的问题。在实际生产过程中，常用化学消毒剂对养殖水体进行杀菌、消毒。但是，在消毒作用过程中有一些化学消毒剂的分解产物对养殖动物具有致突变、致癌的效应，从而对人体健康产生严重危害[6]。而高铁酸钾（K2FeO4）具有比氯系氧化剂更强的氧化性能，使用K2FeO4作为养殖废水处理剂兼具杀菌、消毒的作用，且其本身及其在应用过程中并不产生致癌、致突变性副产物，具有高度的生物安全性[7，8]。

笔者近年研究表明，K2FeO4对造纸工业废水[9]、制革工业废水及一般工业废水的处理作用[10]均具有非常好的效果。在此基础上，进一步研究K2FeO4对养殖水体的净化效果，旨在为K2FeO4在处理养殖废水中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验水样于2011年10月取自西安市未央区某养鱼池（机械增氧前），取回的水样经24 h沉降后倾倒出上层液体，以分离其中大颗粒物质，后转移至20 L 广口玻璃瓶中测试水样原始情况。水样情况：菌落总数为3.6×104 CUF/L、化学需氧量（COD）为452.04 mg/L、亚硝酸盐为8.43 mg/L、硫化物为0.48 mg/L、氨氮总量为3.46 mg/L，浊度920 NTU。

1.2 供试试剂及仪器

试剂：K2FeO4，纯度98%，购自西安易灵工贸有限公司；重铬酸钾（K2Cr2O7）、硫酸汞（HgSO4）、硫酸亚铁（FeSO4）、乙酸锌（C4H6O4Zn）、盐酸（HCl）、可溶性淀粉、碘（I）、碘化钾（KI）、硝酸银（AgNO3）、硫酸亚铁铵[（NH4）2SO4·FeSO4]、硫酸银（Ag2SO4）、氢氧化钠（NaOH）、溴百里酚蓝、硫酸铁铵[NH4Fe（SO4）2]、草酸钠（C2O4Na2），均为分析纯试剂。

仪器：pHS-3C型酸度计（上海雷磁仪器厂）、721型分光光度计（上海光学仪器厂）、2100N型浊度仪（上海恒奇仪器仪表有限公司）。

1.3 方法

K2FeO4在整个pH范围内都具有强氧化性[11]，在酸性溶液中其标准电极电位为2.20 V，在碱性溶液中为0.72 V。虽然K2FeO4在酸性溶液中具有很强的氧化性，但是其发挥氧化作用后所生成的Fe3+在酸性条件下不能够发生有效的絮凝作用，在废水处理过程中需要将水体pH调节到弱碱性进行絮凝沉淀，操作较为繁琐，且增加了使用成本。试验中所采集的养殖废水pH为弱碱性，考虑到在养殖废水处理过程中的便利性，因此试验过程中未调节试验水体的pH，而是直接使用K2FeO4进行处理。试验采用烧杯混凝试验方法[9]，分别称取不同剂量的K2FeO4（调节终浓度分别为1、2、4、8、12、16、20 mg/L）加入到盛有水产养殖废水的烧杯中，快速搅拌（200 r/min）2 min后慢速搅拌（40 r/min）15 min，沉降1 h。在上清液面下3 mm处吸取上清液，测其菌落总数、COD、硫化物、亚硝酸盐、氨氮、浊度。

2 结果与分析

2.1 K2FeO4对菌落总数的去除效果

K2FeO4在养殖水体环境中，Fe6+发生氧化作用，强氧化性有效破坏细菌的细胞壁、细胞膜以及细胞结构中的酶，抑制蛋白质及核酸的合成，阻碍菌体的生长和繁殖，进而对水体中的菌落起到去除作用。K2FeO4对菌落总数去除效果如图1所示。由图1可知，当K2FeO4的投入量小于8 mg/L时，养殖废水中菌落总数去除率随着K2FeO4使用量的增加快速增加；当K2FeO4投入量达到8 mg/L 时，菌落总数去除率达到最大，为98.80%；继续增加K2FeO4的投入量，菌落总数去除率几乎不变。因此，针对菌落总数的去除，K2FeO4的最佳投入量选择为8 mg/L。

2.2 K2FeO4对COD和浊度的去除效果

在水处理过程中，K2FeO4首先发挥强的氧化作用，氧化养殖水体中易于被氧化的COD来源的小分子物质，尤其是小分子的有机化合物，再利用新生成Fe3+的絮凝沉降作用除去一些高分子的有机化合物，进而有效地降低COD。同时，

Fe3+的絮凝作用能够沉降水体中悬浮的物质，对浊度具有非常好的改善作用[12]。K2FeO4对COD和浊度的去除效果如图2所示。由图2可知，图2中曲线与图1曲线具有相似的规律，当K2FeO4投入量达到8 mg/L时，对养殖废水中COD的去除率达到92.16%，对浊度去除率达到98.42%。继续增加K2FeO4的投入量，COD和浊度的去除率变化较小。结合K2FeO4对养殖水体中菌落总数的去除规律，对COD和浊度的去除选择K2FeO4投入量为8 mg/L。

2.3 K2FeO4对养殖水体中硫化物的去除效果

在集约化的水产养殖过程中，水体中各种有机和无机肥料、水生生物的排泄物和尸体共同处于同一水体中，产生有毒害的硫化物，从而对养殖水体产生污染，严重影响水体的自净化能力[13]。为此，研究K2FeO4对养殖水体中硫化物的去除效果具有重要的意义。在试验养殖水体pH条件下，K2FeO4发挥氧化作用后形成Fe3+，可与S2-形成Fe2S3的胶体沉淀[14]，借助于Fe3+在此时形成的多核羟基络合物的网捕作用能达到很好的除硫效果。

K2FeO4对养殖水体中硫化物的去除效果如图3所示。由图3可知，当K2FeO4投入量为4 mg/L时，对养殖废水中硫化物的去除率为96.16%；投入量为8 mg/L时，对养殖废水中硫化物的去除率达98.78%，当K2FeO4的投入量为12 mg/L时，对养殖废水中硫化物的去除率可达99.00%，继续增大投入量，去除率基本不变。综合上述K2FeO4对菌落总数、COD和浊度的去除效果，对硫化物的去除选择K2FeO4投入量为8 mg/L，可满足大多数养殖废水处理要求。

2.4 K2FeO4对养殖水体中氨氮的去除效果

氨氮浓度也是衡量水产养殖中水体污染的重要指标[15]，氨氮中非离子氨对水生生物产生重要的危害，非离子氨进入水生生物体内后对生物体内的酶水解反应和膜稳定性产生明显影响，严重时可导致养殖生物大批死亡，造成经济损失[14]。K2FeO4对氨氮去除效果如图4所示。由图4可知，K2FeO4对养殖水体中氨氮的去除率随着K2FeO4投入量的增加逐渐增大，且当K2FeO4投入量达到16 mg/L时达到最大去除率，为24.87%。继续增加K2FeO4的投入量，水体中氨氮的去除率不再增大，去除效果不理想。造成K2FeO4对水体中氨氮去除效果不好的原因可能与K2FeO4对氨氮的作用机理有关。K2FeO4在水体中依靠其强氧化性与氨氮发生反应，产生氮气[16]，达到去除氨氮的目的。但是这个氧化所需的时间较长，导致大量的K2FeO4在一定时间内不能够对氨氮实行有效的氧化，而与水中其他的还原剂[10]发生了氧化还原反应。

2.5 K2FeO4对养殖水体中亚硝酸盐的去除效果

在集约化的水产养殖中，一个普遍存在的问题就是亚硝酸盐的去除。过量的亚硝酸盐会引起水生生物血液携氧不足，引起生物体体质下降，严重的可导致中毒症状[17]。K2FeO4对亚硝酸盐去除效果如图5所示。亚硝酸盐属于还原性物质，在水体中与K2FeO4发生氧化还原反应，将NO2-氧化成NO3-，进而起到去除作用[18]。由图5可知，K2FeO4对养殖水体中亚硝酸盐的去除率随着K2FeO4