鐵碳微電解預處理工業廢水研究進程范文

本站小編為你精心準備了鐵碳微電解預處理工業廢水研究進程參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

［摘要］鐵碳微電解作為一種高效率、普適性強、可提高難降解污染物可生化性等特點的低能耗、低成本廢水預處理技術，應用前景廣泛。闡述了鐵碳微電解反應機理，綜述了包括微電解pH、停留時間、曝氣量、鐵碳比、鐵水比等工藝優化研究現狀，對其超聲耦合、Fenton耦合等改進技術和在焦化、染料、制藥、石油和造紙廢水中的應用情況進行了分析，并指出了鐵碳微電解存在的易板結等方面問題及該技術在理論、與其他技術耦合聯用等方面需重點研究的發展趨勢。

［關鍵詞］鐵碳微電解；Fenton技術；廢水處理

鐵碳微電解法又稱內電解法、零價鐵法〔1-2〕等，是最近30多年來興起的廢水處理方法〔3-4〕。微電解法利用鐵和碳在反應中形成具有較強還原能力的亞鐵離子，去還原某些氧化態的有機物，并使得部分有機物開環裂解，從而達到提高廢水可生化性的目的。當前，鐵碳微電解技術仍存在鐵屑結塊、填料鈍化、活性衰減導致的處理成本偏高等技術難題，筆者就鐵碳微電解技術的基本原理，重點對鐵碳微電解工藝優化、新技術的研發和應用進展進行簡述，并對其發展方向提出了展望。

1原理

鐵碳微電解技術是基于金屬腐蝕電化學的基本原理，將具有不同電化學電位的金屬和非金屬置于導電性較好的廢水中，利用低電位的Fe和高電位的C在廢水中所產生的電位差，形成無數的原電池，由此引起一系列作用并用于工業廢水處理。目前微電解技術處理污染物的主要反應涉及到電極反應、鐵還原作用以及吸附和絮凝作用等〔5-6〕。微電解產生的新生態Fe2+具有較強的還原能力，可破壞發色基團的結構而降低色度，并且使部分難降解環狀和長鏈有機物分解成易生物降解的小分子有機物，從而提高廢水的可生化性〔7-8〕；同時通過電極反應得到的新生態H+也具有較強的活性，也可改變有機物發色基團和助色基團的分子結構，如使偶氮鍵破裂、大分子分解為小分子、硝基化合物還原為氨基化合物，從而達到脫色的目的〔9-10〕。在有氧和接近中性條件下時，Fe2+和Fe3+與水中的OH-結合形成Fe（OH）2和Fe（OH）3，新生態的Fe（OH）2和Fe（OH）3具有較強的吸附能力，能吸附廢水中的懸浮物顆粒、部分有色物質以及微電解產生的部分不溶物，絮凝成團后沉淀，起到了較好的絮凝作用。再對微電解出水進行Fenton處理，可提高對廢水中有機物的去除效果〔11〕。

2影響因子

當前，對鐵碳微電解技術預處理廢水效果的影響因子的研究主要包括停留時間、廢水pH、鐵碳體積比和鐵水質量比等。

2.1停留時間

停留時間是影響鐵碳微電解處理效果的最重要因素之一，且不同工業廢水對停留時間的要求也各不相同，差距較大，短則30min，長則3h以上。劉娟娟〔12〕在研究微電解-Fenton組合工藝處理亞麻廢水的實驗結果表明，單獨采用微電解法時，控制鐵碳比為1∶1，進水pH=3，采用曝氣方式，停留時間選取1、2、3、4、5h，其COD去除率分別為10.0%、19.8%、23.0%、19.7%、18.8%，說明停留時間并非越長越好，一般來說，延長停留時間可增加鐵的溶解量，而溶液中Fe2+、Fe3+量的增加將有助于有機物的降解和絮凝效果的增強；但延長停留時間過長將導致鐵屑表面鈍化，在鐵的表面形成一層致密的氧化膜，阻礙了鐵碳微電解的繼續進行，表現為COD的去除率穩定在一定范圍內，甚至出現下降。

2.2廢水pH

趙美霞〔13〕對精制棉廢水（廢水與鐵屑的體積比為3∶1、停留時間30min、廢水初始pH分別為1、3、5、7、9）的鐵碳微電解處理效果的對比研究結果表明，隨著pH的增加，COD去除效果逐漸降低，在pH=1時去除效果最佳，綜合考慮，選擇廢水初始pH=3為佳。張博〔14〕對不同pH條件下的高濃度有機廢水鐵碳微電解處理效果也進行過類似研究，在反應時間為45min、鐵水比1∶6、鐵碳比1∶1的條件下，設計了pH分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0共9個梯度的對比試驗，其結果表明，以pH=3.5處理效果最優，COD去除率達到62%。

2.3鐵碳體積比

鐵碳比相近，能形成的原電池數量更多，電勢增加有利于微電解反應的進行?，F有開展鐵碳體積比對廢水處理效果影響的研究報道大多選擇以1∶1為較優。其中，杜海霞〔15〕采用Fenton-微電解耦合技術處理酰胺類廢水，在DMF質量濃度為1000mg/L、pH=3、停留時間60min、采用海綿鐵和活性炭時，設定鐵碳比3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，其COD去除率依次為27%、32%、40%、36%、33%，較優鐵碳比為1∶1。李海松等〔16〕對Fenton-微電解耦合技術在造紙廢水處理中的應用進行了研究，pH為3、停留時間60min、固液比1∶10時，鐵碳比分別為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，COD去除率依次為61%、61%、66%、69%、65%、61%、61%。

2.4鐵水質量比

鐵水質量比高低直接關系到在酸性條件下溶出Fe2+在微電解反應體系中的濃度，而反應體系中Fe2+濃度是影響微電解反應速率以及降解率的主要參數。筆者曾應用動態微電解技術對初始COD為21240mg/L的竹材熱處理廢水進行過初步比較試驗，初始廢水pH=4.2，停留時間60min，鐵碳體積比1∶1，選擇鐵水比分別為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶6，對出水調節至pH=9，COD去除率分別為52.07%、35.77%、33.85%、29.06%、17.56%，由于當水剛好浸沒鐵碳時鐵水比為2∶1，所以無法做到鐵水比為3∶1的數值，故竹材熱處理廢水微電解處理的優化鐵水比為2∶1。

2.5曝氣量

曝氣能夠增加廢水中的溶解氧含量，同時增加鐵屑與碳粒的充分接觸，有利于微電解反應的進行，能提高COD去除率，減少鐵碳的板結現象〔17〕。楊玉峰〔18〕應用鐵碳微電解工藝對制藥廢水預處理進行了曝氣與不曝氣處理效果對比試驗，在其他工藝參數相同的條件下，不采用曝氣時，COD從最初的82573mg/L下降至38058mg/L，去除率為53.9%；采用曝氣時，COD下降到26870mg/L，去除率為67.5%，說明曝氣對微電解處理效果有良好的促進作用。徐根良〔19〕在處理分散染料廢水的研究中，pH選取1、3、5，鐵投加質量濃度5、10、30g/L，曝氣量0.054、0.22、0.48G（G表示含氣率）的正交試驗結果表明，影響色度去除效果的因素作用大小順序為：pH＞通氣量＞反應時間＞鐵屑投加量；影響COD去除效果的因素作用大小順序為：反應時間＞pH＞通氣量>鐵屑投加量。

3鐵碳微電解的改進技術

近年來，微電解新技術研發及其與Fenton法、超聲法和生物法等聯合技術的應用廣受關注，并已在一定程度上改善了鐵碳微電解法存在的鐵碳易板結、污水處理不徹底等不足，促進了微電解技術在工業廢水中的廣泛應用。

3.1新技術

在微電解技術改進方面，主要是通過改變填料結構或者改變微電解的電極，優化工藝設計等方式。如SuqingWu等〔20〕對傳統的微電解填料進行改裝，陰極由60%的干污泥和40%的黏土在缺氧條件下燒結而成，陽極由40%的鐵和60%的黏土在400℃缺氧條件下焙燒得到。填料密度略高于水，不易吸水，易移動，且有利于反沖洗，克服了傳統填料易板結的缺點。趙懷穎等〔21〕利用倒極微電解廢水處理裝置，通過在鐵碳填料兩端添加微弱電壓并且不斷變換正負電極，利用外加電壓產生的雜散電流減緩鐵碳填料的鈍化速度，用該方法處理染料廢水在很大程度上提高了染料的脫色率，同時也將酸洗周期延長3倍。

3.2聯合技術

鐵碳微電解在實際應用聯合技術方面，其與超聲法、Fenton法、沉淀法、生物法等技術的耦合〔22〕，提高了廢水處理效果。HainingLiu等〔23〕在鐵碳微電解基礎上采用超聲輔助手段降解偶氮染料酸性橙7（AO7）的試驗結果表明，超聲-鐵碳微電解處理染料廢水的色度、TOC去除率分別達到80%、57%，而單獨采用微電解法色度、COD去除率僅34%、28%，超聲單獨處理則無明顯變化，說明超聲波與鐵碳微電解耦合具有明顯的協同效應。段寧等〔24〕利用鐵碳微電解—絮凝沉淀復合工藝來處理原始COD為14689mg/L、BOD5為2729mg/L的高濃度化工廢水，總COD去除率達72%，其中第一步微電解處理的COD去除率為45%，第二步絮凝沉淀處理的COD去除率為49%，廢水的可生化性從原來的0.18提高到0.38。張樂觀等〔25〕利用Fenton法和鐵碳微電解耦合法處理初始COD為6000mg/L的難生化降解土霉素廢水，結果表明，單一鐵碳微電解處理廢水COD去除率為40%；微電解后的出水投加220mg/LH2O2經Fenton法深度處理50min，其廢水COD去除率可以達到75%。XiaoyiYang等〔26〕利用活性污泥與微電解聯合工藝對紡織廢水進行處理，結果表明，該工藝與傳統的活性污泥法和微電解法相比具有很多優點，如COD去除率高、處理污染物的種類多，同時大范圍的pH變化對該工藝的影響也較小。

4鐵碳微電解技術的應用

微電解工藝因具有投入低、操作簡單、占地面積小、普適性強等特點，現已應用于焦化、染料、制藥、石油、造紙等多個產業領域的廢水處理，并已取得了較好的效果〔27〕。

4.1焦化廢水

賴鵬等〔28〕采用鐵碳微電解技術處理焦化廢水，在活性炭、鐵屑、NaCl投加質量濃度分別為10、30、0.2g/L的條件下，不調節原焦化廢水生化出水的pH，反應240min，其COD去除率為30%～40%，BOD5/COD從0.08提高到0.53，大大提升了其可生化性，且在酸性條件下可以進一步提高COD去除率。鄭寶生等〔29〕采用曝氣循環微電解方式處理焦化廢水，在曝氣量為5m3/h、循環時間4h、進水pH=3、循環流速1L/min的條件下，焦化廢水的色度、COD去除率分別達到100%、77.6%，廢水的B/C從0.18上升至0.38。

4.2染料廢水

董歲明等〔30〕采用靜態和動態兩種模式的鐵碳微電解處理難生化染料廢水，分別探討了廢水pH、反應時間、鐵碳投加量對處理效果的影響，在靜態模式下，當pH=4，鐵碳投加質量濃度為450g/L，反應時間1.5h，COD去除率可以達到77%，色度去除率可以達到79%；在動態條件下，鐵碳投加質量濃度為700g/L，反應時間100min，COD去除率可達89%，色度去除率可達98.7%。XinchaoRuan等〔31〕將臭氧通入微電解反應裝置中處理活性艷紅X-3B染料模擬廢水，結果表明：與臭氧和微電解技術單獨處理模擬廢水比較，臭氧和微電解技術具有協同作用，二者耦合處理效果均優于單獨使用的處理效果，最佳條件下模擬廢水色度、COD、TOC去除率分別達到99%、85%、59%。

4.3制藥廢水

黃燕萍等〔32〕采用鐵碳微電解/水解酸化/MBR組合工藝對制藥廢水進行預處理試驗，其結果表明，當鐵碳投加質量濃度為400g/L，鐵碳質量比為4∶5，停留時間為3h，pH=4，曝氣量為3L/min時，處理效果較好，COD去除率達47.5%，可生化性由0.23提高至0.38，有利于后續工藝處理。何小霞等〔33〕采用微電解-Fenton法-A/O組合工藝處理COD在12850~16780mg/L的高濃度制藥廢水，調節pH≈3.5，停留時間3h，再加入一定量的H2O2到二級Fenton試劑氧化反應罐中，停留時間為3h，出水COD去除率在50%~60%，B/C從0.09提高到0.3以上，再經過生化處理，其出水COD小于100mg/L，BOD小于20mg/L，滿足《污水綜合排放標準》（GB/T8978—1996）中的三級標準。

4.4石油類有機廢水

徐之寅等〔34〕采用蒸發脫鹽-微電解-Fenton氧化預處理工藝對含吡啶有機廢水進行處理，在蒸發脫鹽階段COD去除率62.77%；微電解階段，控制pH=4，反應時間為2.5h，COD去除率達24.49%；Fenton法氧化階段COD去除率達30.41%；聯合處理后廢水B/C從0.075上升至0.48，3種特征吡啶的總去除率均達到95%以上。林小英等〔35〕用微電解-Fenton氧化組合工藝處理COD為59600mg/L、BOD為7748mg/L的高濃度難降解有機廢水，在鐵碳質量比為1∶1、H2O2投加量為4mL/L、pH=3時，COD去除率達到80.0%，可生化性從0.13提高到0.32。

4.5造紙廢水

李長?！?6〕在強化微電解預處理再生造紙廢水實驗研究中采用H2O2-微電解/MnO2工藝處理造紙廢水，研究了pH、鐵碳用量、鐵碳比、反應時間、MnO2投加量、H2O2投加量等因素對處理效果的影響，其結果表明，在pH=3，鐵碳總投加質量濃度為20g/L，MnO2投加質量濃度為2.50g/L，H2O2的投加質量濃度為0.55g/L，鐵碳物質的量比為1∶1，反應時間為50min，造紙廢水的COD、SS、氨氮、總磷、BOD去除率依次為88%、98.4%、85%、98%、52%，其可生化性從0.32提高到0.81。還有研究者將超聲技術加入到處理造紙污水中，楊文瀾等〔37〕用超聲強化鐵碳微電解處理制漿廢水，其單獨用微電解時，控制pH=4，鐵碳質量比為10，反應時間為120min，其最高COD去除率為60.6%；在相同的條件下，將燒瓶放入超聲發生器中，反應10min，COD的去除率達90%以上，色度去除率達97.3%，這說明超聲強化微電解作用對處理制漿造紙廢水有明顯的協同作用。

5結語與展望

5.1存在問題

鐵碳微電解技術與其他污水處理技術相比，具有處理效率高、運行成本低、操作簡便等優點，同時還能利用生產中剩余的鐵屑材料實現以廢治廢的目的，具有廣闊的應用前景。但由于針對不同工業廢水所采用的處理工藝差異較大，且大部分研究還處在實驗室研究階段，目前鐵碳微電解技術主要面臨以下四大難題。（1）對于微電解技術如何降解廢水中的有機污染物的機理還有待明確。（2）鐵碳顆粒易板結以及鐵屑的表面鈍化問題。鐵碳微電解裝置經過長時間的運行處理后，其內部的鐵屑與碳粒易板結成塊，且鐵碳微電解填料裝置越高，其結塊效應越明顯，同時可能出現溝流現象。此外，鐵屑在溶液中因氧化還原導致其表面鈍化，降低微電解效果。（3）鐵碳微電解處理出水的鐵離子含量較高問題。由于微電解裝置大部分都是在弱酸性條件下進行的反應，所以其溶出的總鐵離子濃度較高，增加了后續處理難度和固體廢棄物數量。（4）只能在酸性條件下才能發揮較好的作用。鐵碳微電解技術幾乎只有在酸性條件下才能發揮作用，所以在處理堿性廢水時需要投加大量的酸，會造成處理成本過高等問題。

5.2展望

為了能突破鐵碳微電解技術難點，拓寬其應用領域，還需對微電解技術進行深入研究，力爭在以下3個方面取得突破性進展。（1）對鐵碳微電解反應機理進行深入探究，利用相關技術，對微電解的復雜機理進行剖析和探究，尋找其動力方程式，為揭示鐵碳微電解技術的機理提供更多的理論依據。（2）改進鐵碳微電解裝置的內部結構和操作方式，使得微電解反應體系的廢水處理效率更加穩定，減弱鐵碳填料的結塊效應。（3）將微電解技術同其他技術耦合聯用起來。單一的微電解技術在處理廢水方面還有一些不足，需要和其他廢水處理技術相結合，比如超聲技術、Fenton技術等，提高廢水的處理效果，同時降低處理成本。（4）尋找替代鐵的材料，使得微電解技術在中性或偏堿性廢水中得到應用，降低處理成本。

作者：周偉1；莊曉偉2；陳順偉2；劉力1；潘炘2 單位：1.浙江農林大學工程學院，2.浙江省林業科學研究院