鐵碳微電解材料在污水處理工程的應用
在難降解工業(yè)廢水的處理技術(shù)中，由于廢水的BOD5/CODcr低,且成分復雜，對微生物活性具有較強的抑制性，直接生化具有很大的難度,須進(jìn)行強化 預處理,改變原廢水的難生化性及分子結構,為此經(jīng)常會(huì )涉及到鐵碳微電解工藝及曝氣鐵碳微電解工藝進(jìn)行廢水的預處理,以提高廢水的可生化性,保證后繼生物工藝的進(jìn)行,保證出水達標。
1反應原理
微電解法是利用鐵屑和炭粒構成原電池，通過(guò)微電場(chǎng)作用使帶電膠粒脫穩聚集而沉降，并且新生態(tài)Fe2+和［H］與廢水中許多組分發(fā)生還原作用，破壞有機污染物的發(fā)色或助色基團而使廢水脫色，本質(zhì)利用金屬腐蝕原理,形成原電池對廢水進(jìn)行處理的良好工藝,又稱(chēng)為內電解法、零價(jià)鐵法、鐵屑過(guò)濾法、鐵碳法,是一項被廣泛研究與應用的廢水處理技術(shù)。因其工藝簡(jiǎn)單、操作方便且可達到“以廢治廢”的目的,近年來(lái)受到廣泛重，但是,大量研究結果表明,該法在應用中存在諸多缺陷；運行一段時(shí)間后由于鐵的腐蝕,容易出現結塊和溝流,使處理效果降低;同時(shí)鐵屑表面會(huì )生成一層金屬氧化物和氫氧化物膜,致使鐵屑鈍化,進(jìn)而導致微電解過(guò)程中斷,影響處理效果。
當將鐵屑和碳顆粒浸沒(méi)在酸性廢水中時(shí)，由于鐵和碳之間的電極電位差，廢水中會(huì )形成無(wú)數個(gè)微原電池。其中電位低的鐵成為陽(yáng)極，電位高的碳成為陰極，在酸性充氧條件下發(fā)生電化學(xué)反應，其反應過(guò)程如下：
陽(yáng)極(Fe): Fe- 2e→ Fe2+,
陰極(C) : 2H++2e→ 2[H]→H2,
從反應中看出，產(chǎn)生的了初生態(tài)的Fe2+和原子H，它們具有高化學(xué)活性, 能改變廢水中許多有機物的結構和特性, 使有機物發(fā)生斷鏈、開(kāi)環(huán)等作用。若有曝氣，即充氧和防止鐵屑板結。還會(huì )發(fā)生下面的反應：
O2+4H+ +4e→2H2O；
O2+ 2H2O+ 4e→4OH－；
2Fe2+ +O2+4H+→2H2O+ Fe3+。
反應中生成的OH－是出水pH值升高的原因，而由Fe2+氧化生成的Fe3+逐漸水解生成聚合度大的Fe(OH)3 膠體絮凝劑, 可以有效地吸附、凝聚水中的污染物, 從而增強對廢水的凈化效果。
2鐵碳微電解法的工藝特點(diǎn)
近年來(lái)，微電解法在許多行業(yè)的廢水處理中都有大量應用，工藝已日趨成熟。影響微電解處理效果的因素主要有廢水pH值、停留時(shí)間、處理負荷、鐵屑粒徑、鐵炭比、通氣量、微電解材料選擇及組合方式等，有的還會(huì )影響反應的機理。一般來(lái)說(shuō)：
1）入水pH值應選偏酸性，可控制到3-6.5，酸性過(guò)強雖能完善微電解的作用，但破壞了后續的絮凝體，且鐵的消耗量較大，后續處理負荷重，產(chǎn)生鐵泥多。隨著(zhù)微電解的進(jìn)行，廢水中的H+逐漸被消耗而導致pH值升高，從而使得微電解反應趨于緩和。
2）停留時(shí)間也是影響微電解處理效果的重要因素，其長(cháng)短直接關(guān)系到微電解反應的進(jìn)程。一般處理效果隨停留時(shí)間延長(cháng)而提高，但當到達規定時(shí)間后反應基本停止，且量停留時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )帶來(lái)鐵消耗量大，反色等不利因素，停留時(shí)間不足則反應不完整。不同的廢水其污染物不同，所需反應時(shí)間也差異很大。。因此，針對某種特定的廢水，其水力停留時(shí)間應通過(guò)試驗確定。
3）對填料進(jìn)行曝氣有利于某些物質(zhì)的氧化，也增加對鐵屑的攬動(dòng)，減少結塊，丑能及時(shí)去除鐵屑表面沉積的鈍化膜，還可增加出水的絮凝效果。但曝氣量過(guò)大也影響廢水與鐵屑的接觸時(shí)間， 使有機物去除率降低。而在中性條件下曝氣一方面供氧，改進(jìn)陽(yáng)極反應的進(jìn)行，另一方面也起到攪拌，震蕩的作用，減弱濃差極化，加速電極反應的進(jìn)行。
4) 向體系中加入催化劑(如金屬氧化物CuO，Mn02、A120，等)能改進(jìn)陰極的電極性能，提高其電化學(xué)活性，效果顯著(zhù)。鹽類(lèi)(婦氯化鈉，氯化氨)的存在由于提高了廢水的電導率也有助于電解反應的進(jìn)行。
5) 合適的填料鐵炭比例可使填料在廢水中形成的微電池數量**化，從而達到*佳處理效果。一般鐵炭質(zhì)量比可控制在規定范圍內．0.5-30:1之間，針對不同的生產(chǎn)廢水，合適的鐵炭質(zhì)量比能達到不同的處理效果。
6）填料粒徑越小，它的比表面積就越大，在廢水中形成的微電池數量也越多，微電解反應的速度就越快．對廢水的處理效果就越好。但在實(shí)際工程中，采用小的填料粒徑會(huì )導致更為嚴重的填料板結問(wèn)題，綜合考慮、**使用填料粒徑在10-20之間的鐵粉。經(jīng)一般鐵粉來(lái)源困難，廣泛使用的是工廠(chǎng)的廢鑄鐵屑。
7 ) 微電解出水的后處理中和沉降的pH值。一般微電解出水中不可避免會(huì )含有濃度的亞鐵離子，不僅干擾CODcr的測定，還會(huì )帶來(lái)反色等不利因索，故應設法除去。目前廣泛使用的加堿混凝法就是加入堿溶液使亞鐵離子沉淀為墨綠色的Fe(OH)2而除去。有資料報道，中和沉降適宜的pH值為8-8 5。理論計算亞鐵離子全部沉淀的pH值為8.95，一般應調節pH值為9以上。
8 ) 材料選擇,不同成分，不同雜質(zhì)的材料反應活性不同，故對應的處理效果差異較大。一般陽(yáng)極材料采用鑄鐵屑，小碎鐵塊、鑄鋁屑、鍋臺金等，陰極材料則采用焦炭、活性炭、石墨、煤粉等，故可進(jìn)行很多搭配。
3微電解工藝處理運用實(shí)例
由于微電解過(guò)程包含了氧化還原、電附集、物理吸附、絮凝沉降以及鐵作為催化劑的多種作用。而不同的廢水成分差異很大，不同的有機物其降解難易程度不同，因此對應的微電解工藝參數也差異很大。
下面列舉幾種微電解處理的運用實(shí)例：
1 ) 偶氮染料廢水
選用廣東某染料廠(chǎng)總排水口的廢水為實(shí)驗水樣。研究結果表明：經(jīng)微電解處理后，廢水色度去除率達95%，CODcr去除率達40%，并指出脫色機理主要是基于還原作用，使偶氮鍵-N=N-斷裂，從而破壞整個(gè)偶氮染料分子的共軛發(fā)色體系，到達脫色的目的。偶氮分子的結構對還原作用也有影響。
2）分散染料廢水
分散染料是疏水性較強的非離子型染料。這種廢水具有污染物濃度高、色度高、酸堿度高、毒性大的特點(diǎn)，因而處理難度大。福建某染料廠(chǎng)的分散芷青等6種廢水是由24股不同工序產(chǎn)生的廢水組成，COD高達1000mg/L，色度8000倍，BOD5/COD<0.18，不能直接生化處理，化學(xué)絮凝、化學(xué)氧化法不能有效處理。藍之綠環(huán)保采用微電解法對該廢水進(jìn)行處理。研究結果：高濃度分散染料廢水經(jīng)三級微電解處理后，廢水色度去除率達97.5%，CODcr去除率達64.4%，BOD5/COD上升為0.302，大大提高了可生化性。
3）印染廢水
通過(guò)對鐵屑進(jìn)行改性，并與其他一些活性填料助劑結合使用處理印染廢水，研究結果表明：該法可以大大提高鐵屑對廢水的處理效果。改性后的脫色率及COD去除率比單純的鐵屑提高20%—30%，延長(cháng)使用壽命1.5—1.8倍。
4）含酚廢水
對微電解法處理含酚廢水進(jìn)行了研究，分析了該法處理含酚廢水的原理和各種因素對處理效果的影響，廢水來(lái)自天津市化工廠(chǎng)苯酚車(chē)間蒸餾工段，為略帶渾濁的無(wú)色液體，pH值為6-7，酚的質(zhì)量分數為5%-10%。在*佳條件下，處理前酚濃度為285.6mg/L，處理后為0.625mg/L，脫色率達99.8%。對高質(zhì)量濃度的含酚廢水，微電解法處理能收到很佳的效果。
5）DDNP廢水
DDNP廢水中主要污染物是二硝基重氮酚，它作為主要的起爆炸藥而廣泛應用于各種火工行業(yè)，這種廢水染色深，成分復雜。藍之綠環(huán)保采用微電解對DDNP廢水進(jìn)行脫色處理，大量實(shí)驗表明：廢水起始pH控制在2.5左右，脫色率達95%以上，該法優(yōu)于絮凝法和吸附法，投資少，設備簡(jiǎn)單，運行費用低。
6）制藥廢水
應用微電解法處理四環(huán)素制藥廢水時(shí)，向Fe-C體系中加入的Mn2+、Zn2+，其原理是Mn2+、Zn2+吸附在活性炭表面上，可能有催化氧化有機物作用，有利于產(chǎn)生絮凝作用。與水解-生化治理工藝比較，該法投資較少、效益較高、切實(shí)可行。藍之綠環(huán)保運用鑄鐵屑處理廣州某制藥有限公司無(wú)環(huán)鳥(niǎo)苷、肌苷及病毒唑三者的生產(chǎn)混合廢水，原水COD高達6000-8000mg/L，BOD5/COD可進(jìn)一步提高到0.9。
7）竺麻廢水
作為紡織印染工業(yè)常見(jiàn)的廢水，傳統的處理工藝效果差、投資大。利用微電解法對某工業(yè)集團公司的苧麻生產(chǎn)廢水進(jìn)行了預處理研究。結果表明：*佳工藝條件下（起始pH值為2-3，停留時(shí)間40min），COD去除率大于32%，脫色率達47%-60%，并且發(fā)現適量金屬氧化物加入鐵炭填料后（如CuO、MnO2、Al2O3）均能使廢水COD去除率提高至48%以上。并通過(guò)正交對比提出微電解影響因子的影響大小依次為：pH值>反應溫度>通氣量>停留時(shí)間。
8）含氰廢水
氰化物是一種劇毒物質(zhì)，在電鍍、農藥、染料中間體等工業(yè)廢水中都含大量的CN-,對人和其它動(dòng)物造成很大的威脅。對含氰廢水處理方法進(jìn)行系統的評述，目前通常使用化學(xué)法，過(guò)氧化無(wú)法，O3處理法和電化學(xué)氧化法。微電解反應能分解CN-，而去除其污染，電極反應為：CN-+2OH--2e=CNO-+H2O，2CNO-+4OH--6e=2CO2+N2+2H2O 該法不僅可以通過(guò)絮凝共沉淀法處理，而且不需提供外加電源，節約大量電能。此外，微電解法在屠宰場(chǎng)廢水，木薯酒槽廢水、醫院廢水、化纖廢水、高濃度毛發(fā)廢水、農藥中間體廢水等眾多廢水的治理中有著(zhù)廣泛應用前景。
4結語(yǔ)
(1)目前，微電解工藝的研究重點(diǎn)在于如何提高微電解過(guò)程中的各種去污作用如絮凝、吸附及沉降等的處理能力，以及各種催化劑及助劑的選用與配比研究等。
(2)在微電解進(jìn)水中加入投加少量的H2O2，有助于提高微電解處理效果。其原理是在微電解進(jìn)水中加入的H2O2，利用微電解反應過(guò)程中產(chǎn)生的初生態(tài)的Fe2+與其構成Fenton試劑從而與微電解作用協(xié)同提高有機物去除效果。
實(shí)際應用方面，微電解的**優(yōu)點(diǎn)在于不需要外加電壓，投資少、處理成本低。當前研究的重點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)：
1）鐵屑的活化、改性處理后藥劑的選擇、工藝要求、各種催化劑及助劑的選用與配比研究。
2）選用不同鐵屑時(shí)*佳pH值、停留時(shí)間、溫度的確定。防止鐵屑結塊及出現溝流現象進(jìn)行活化激活。
3）微電解中中試規模實(shí)驗的開(kāi)展，達到實(shí)際運用規模時(shí)相關(guān)工藝問(wèn)題的解決。
4）微電解與其他處理工藝連接的*佳處理流程的研究。
總之，鐵炭微電解法是一種很好的廢水預處理方法，其流程短，設備簡(jiǎn)單、去除率高，在運行過(guò)程中僅消耗少量的酸和鐵屑，費用很低，故該方法具有推廣的實(shí)用價(jià)值。做好傳統微電解工藝的改進(jìn)工作必將使微電解法得到更大發(fā)展，有助于在廢水處理中取得較好的處理效果。
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