学术研究报告：电絮凝系统处理婆罗洲乡村Leptobarbus hoevenii养殖废水以实现可持续水循环
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究的主要作者为Nazeri Abdul Rahman，通讯作者为Calvin Jose Jol。研究团队主要来自马来西亚砂拉越大学（Universiti Malaysia Sarawak）的化学工程与能源可持续性系（Department of Chemical Engineering and Energy Sustainability），其他合作单位包括砂拉越大学的土木工程系、印度尼西亚Panca Bhakti大学工程学院以及马来亚大学化学工程系。
该研究以题为“Sustainable water circularity using electrocoagulation system for leptobarbus hoevenii aquaculture wastewater treatment in rural borneo”的论文形式，发表于《环境研究》（Environmental Research）期刊第302卷（2026年），文章识别码为124557，已于2026年4月22日在线发表。
二、 学术研究背景
本研究属于环境工程与可持续水产养殖交叉领域，聚焦于水产养殖废水处理技术。其背景源于全球水产养殖业的快速扩张，特别是热带地区，在满足食物蛋白需求的同时，也对水生态系统造成了巨大压力。未经处理的养殖废水（富含有机物、悬浮固体和营养物质）直接排放会导致水体富营养化、藻类爆发和生物多样性丧失。
具体到研究区域——位于婆罗洲岛的马来西亚砂拉越南部，这里是重要的水产养殖中心，尤其以养殖俗称“苏丹鱼”的Leptobarbus hoevenii闻名。该地区的小规模养殖户面临两大严峻挑战：一是直接将未经处理的养殖废水排入附近水体，造成环境污染；二是严重依赖不稳定的季节性降雨作为养殖水源，水资源供应不可持续。传统的废水处理方法（如活性污泥法、膜过滤）因成本高、技术复杂，不适合当地小规模养殖户应用。
因此，本研究旨在探索一种经济、高效且操作相对简单的替代技术——电絮凝（Electrocoagulation， EC）。电絮凝技术利用电流溶解牺牲性阳极（本研究使用铝电极），产生金属离子（如Al³⁺），进而水解形成氢氧化铝絮凝体，通过凝聚、吸附、絮凝和浮选等机制去除水中的污染物。尽管电絮凝在工业和市政废水处理中已有研究，但其在热带地区特定水产养殖品种（如Leptobrasbus hoevenii）废水处理中的应用，尤其是在实现处理后水安全回用、成本效益评估及絮体资源化潜力方面的系统性研究，在现有文献中尚属空白。
本研究的目标是：调查使用铝电极的电絮凝系统处理Leptobarbus hoevenii养殖废水的有效性，将其转化为可用于养殖作业的安全、经济的可回用水源。具体目标包括：(i) 优化电絮凝系统的电流、电压和停留时间，以有效去除废水中的藻华营养物质；(ii) 根据马来西亚国家水质标准（NWQS）评估处理后的水质；(iii) 评估电絮凝系统的能耗；(iv) 分析处理过程中产生的电絮凝絮体特性。
三、 详细研究流程
本研究遵循一个系统性的实验与分析流程，可分为以下几个关键步骤：
1. 现场表征与样品采集： 研究地点选在马来西亚砂拉越州Bau地区的Ee Horng水产养殖企业。选择了一个运行周期为12个月、养殖密度高（约35，000尾鱼）且当时有明显藻华的Leptobarbus hoevenii养殖池作为研究对象。在旱季收获前进行采样，以获取污染物负荷峰值。使用聚乙烯桶在0.3米深处采集亚表层水样，转移至高密度聚乙烯瓶中。随后，依据标准方法（文中引用了团队前期工作的方法）对原水水质进行表征，测定了包括色度、浊度、pH、化学需氧量（COD）、总悬浮固体（TSS）、总溶解固体（TDS）和总有机碳（TOC）在内的关键理化参数。
2. 批次电絮凝实验设计： 研究采用单极并联的批次电絮凝反应器。反应器由圆柱形聚丙烯容器制成，内部平行排列22块铝板电极（尺寸：150 mm × 300 mm × 0.5 mm；纯度99.5%），极板间距为0.5厘米。每次实验向反应器中加入8升养殖废水。 实验系统地操纵三个关键操作参数：施加电压（5， 10， 20 V）、电流（1至5 A，以1 A递增）和停留时间（10至60分钟）。每个参数组合的实验均重复三次以减少随机误差。使用Tenma直流稳压电源供电。通过监测处理前后水样的色度、浊度、pH、COD、TSS、TDS和TOC浓度，计算各污染物的去除效率（公式：(Ct - Co)/Co × 100%，其中Co为初始浓度，Ct为处理后浓度）。
3. 基于国家水质标准的水质评估： 将电絮凝处理后的出水水质与马来西亚国家水质标准（NWQS）进行比对。研究重点关注I类和II类水质标准，因为这两类标准涉及对敏感用途（如饮用水源、生态系统保护）的水质要求，可作为评估处理水是否适合环境排放或养殖回用的基准。对比参数包括色度、浊度、COD和TSS的限值。
4. 能源运行成本分析： 为评估电絮凝系统的经济可行性，研究进行了能源运行成本分析。计算了两个主要成本组成部分： * 特定电能消耗：根据公式 SEEc = (V × I × t) / Q 计算，其中V为电压，I为电流，t为停留时间（小时），Q为处理水量（立方米），单位是kWh/m³。 * 电极材料消耗：根据法拉第电解定律计算，公式为 EMc = (I × t × M) / (z × F × Q)，其中M为铝的摩尔质量，z为电子转移数（对Al为3），F为法拉第常数，单位是kg/m³。 最终，结合当地电价（0.24 RM/kWh）和铝价（18.38 RM/kg），计算总能源运行成本：EOC (RM/m³) = α(SEEc) + β(EMc)。
5. 电絮凝絮体的元素表征： 为了解污染物去除机制并探索絮体的潜在资源化价值，研究使用能量色散X射线光谱仪（EDX）分析了电絮凝过程中产生的絮体的元素组成。在不同停留时间（10至60分钟）后收集絮体样本，在50°C下烘干25小时，研磨后制备用于EDX分析。使用配备Bruker Quantax EDX探测器的Hitachi TM 4000 Plus扫描电子显微镜，在15 keV加速电压和10 μA束流下进行分析，以确定絮体中各元素（如Al， O， C， N， P， K等）的重量百分比。
四、 主要研究结果
1. 原水水质特征： 对Leptobrasbus hoevenii养殖池废水的分析显示，其污染负荷极高。色度（1746 TCU）、浊度（203 NTU）、COD（135 mg/L）和TSS（207 mg/L）均大幅超过马来西亚NWQS II类水标准限值（分别为150 TCU， 50 NTU， 25 mg/L， 50 mg/L）。TOC为30 mg/L（虽然NWQS无标准，但远高于美国环保局对处理水的建议值2 mg/L）。高TSS和有机负荷表明，该废水以颗粒物和有机物污染为主，溶解性固体（TDS为61 mg/L）含量相对较低，这凸显了对其进行有效固体和有机物去除处理的紧迫性。
2. 操作参数优化结果： * 电压的影响：在60分钟停留时间内，施加电压从5 V增至20 V，对所有污染物的去除效率均有显著提升。在20 V条件下，取得了最佳去除效果：色度去除率94.08%，浊度去除率81.28%，COD去除率66.67%，TSS去除率显著，TOC去除率65%。pH从初始的6.54适度升高至7.60，有利于铝氢氧化物絮体的形成。结果表明，较高电压能促进阳极铝的溶解和絮凝剂的生成，从而增强污染物去除。 * 电流的影响：在固定电压20 V下，增大电流（1 A至5 A）能加速处理进程。在5 A电流下处理50分钟，污染物去除效率大幅提高：色度去除率98%，浊度去除率91.6%，COD去除率91.8%，TSS去除率97.1%，TDS去除率86.9%，TOC去除率95.3%。电流的增加直接提高了铝离子的释放速率（遵循法拉第定律），从而更快地形成具有高吸附活性的氢氧化铝絮体，实现对胶体颗粒、藻类碎片和溶解性污染物的高效网捕絮凝。 * 停留时间与成本效益权衡：研究详细分析了停留时间对处理效率和运行成本的影响。随着停留时间从10分钟延长至60分钟，特定电能消耗（SEEc）和电极材料消耗（EMc）线性增加，导致能源运行成本（EOC）从0.80 RM/m³上升至4.78 RM/m³。然而，污染物去除效率在30至50分钟内迅速提升，之后增长趋于平缓。在50分钟时，系统在达到高去除率（如色度98.74%， COD 91.85%）的同时，将成本控制在3.98 RM/m³（约0.90 USD/m³），实现了处理效果与经济性的最佳平衡。
3. 处理后水质与标准符合性： 在优化条件（20 V， 5 A， 50分钟）下，电絮凝处理后的出水水质完全满足马来西亚NWQS II类水的所有相关标准：色度（22 TCU）< 150 TCU；浊度（17 NTU）< 50 NTU；COD（11 mg/L）< 25 mg/L；TSS（6 mg/L）< 50 mg/L；TDS（8 mg/L）< 1000 mg/L；pH（8.89）在6-9范围内。这表明处理后的水可以安全地排放到自然水体中，或者更重要的，可以循环回用于Leptobrasbus hoevenii养殖池，而不会对鱼类或环境造成压力。
4. 电絮凝絮体特性与资源化潜力： EDX分析揭示了电絮凝絮体的元素组成随时间的变化。随着停留时间从10分钟增加到60分钟，絮体中铝（Al）和氧（O）的含量显著增加（Al从24.16%升至32.29%， O从45.61%升至53.57%），这证实了氢氧化铝（Al(OH)₃）是絮体的主要成分，也是污染物去除的关键活性物质。同时，碳（C）含量也从10.73%增至15.71%，表明絮体有效吸附并截留了废水中的有机污染物。此外，絮体中还检测到一定浓度的营养元素，如氮（N， 2.85%）、磷（P， 0.38%）和钾（K， 0.47%）。这一发现表明，电絮凝过程不仅去除了污染物，还将废水中的营养物质浓缩到了絮体中，使得这些絮体具有作为土壤改良剂或缓释肥料回收利用的潜在价值，体现了循环经济理念。
五、 研究结论与价值
本研究系统论证了采用铝电极的电絮凝系统处理马来西亚砂拉越乡村地区Leptobarbus hoevenii养殖废水的有效性、经济性和可持续性。
主要结论如下： 1. 高效处理：在优化条件（20 V， 5 A， 50分钟停留时间）下，电絮凝系统能高效去除养殖废水中的多种污染物，去除率分别为：色度98.74%、浊度91.63%、COD 91.85%、TSS 97.10%、TDS 86.89%、TOC 95.33%。 2. 水质达标与回用可行性：处理后的出水完全符合马来西亚国家水质标准（NWQS）II类水要求，证明其可用于安全的环境排放或直接回用于养殖池塘，为解决当地水资源短缺和污染问题提供了切实方案。 3. 成本效益：该处理系统的运行成本约为3.98 RM/m³（0.90 USD/m³），对于小规模养殖户而言是一个经济可行的选择。 4. 资源回收潜力：电絮凝过程中产生的富含Al(OH)₃的絮体，不仅去除了90%以上的污染物，还富集了氮、磷、钾等营养元素，具备作为农业肥料再利用的潜力，实现了从“废物处理”到“资源回收”的转变。
研究的价值体现在： * 科学价值：填补了电絮凝技术在热带地区特定水产养殖废水处理及回用方面系统性研究的空白，提供了详细的参数优化数据、机理阐释（通过絮体EDX分析）以及全面的技术-经济-环境绩效评估框架。 * 应用价值：为砂拉越乃至类似热带乡村地区的小规模水产养殖户提供了一种操作相对简单、无需添加化学药剂、且能实现水资源循环和潜在养分回收的实用型废水处理技术方案，有助于推动水产养殖业的可持续发展。 * 政策意义：研究结果支持全球向安全废水回用、提高用水效率和循环水管理方向的政策转变，为相关标准的制定和推广提供了案例支持。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
本研究在讨论部分，将自身成果与近期其他水产养殖废水处理研究（如电氧化、电絮凝-电氧化联用、电絮凝-膜生物反应器组合等）进行了对比（见表7）。通过对比指出，虽然一些混合工艺在特定污染物（如氮素）去除上表现出色，但本研究展示的单级电絮凝系统在实现多参数水质全面达标、满足法规要求、评估成本以及考虑絮体再利用潜力方面，提供了一个更简单、更易于农村地区小规模操作且综合性更强的解决方案。这进一步凸显了本研究工作的创新性和实用价值。此外，作者也指出未来研究方向可包括集成可再生能源（如太阳能）以进一步降低运行成本。