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鐵炭微電解法在廢水處理中的應用
1、鐵炭微電解的作用機理
1.1、微電解工作原理：
一般原理：鐵炭微電解是基于電化學(xué)中的原電池反應。當鐵和炭浸入電解質(zhì)溶液中時(shí)，由于Fe和C之間存在1.2V的電電位差，因而會(huì )形成無(wú)數的微電池系統，在其作用空間構成一個(gè)電場(chǎng)。陽(yáng)反應產(chǎn)生的新生態(tài)二價(jià)鐵離子具有較強的還原能力，可使某些有機物還原，也可使某些不飽和基團（如羧基—COOH、偶氮基-N＝N-）的雙鍵打開(kāi)，使部分難降解環(huán)狀和長(cháng)鏈有機物分解成易生物降解的小分子有機物而提高可生化性。此外，二價(jià)和三價(jià)鐵離子是良好的絮凝劑，特別是新生的二價(jià)鐵離子具有高的吸附-絮凝活性，調節廢水的pH可使鐵離子變成氫氧化物的絮狀沉淀，吸附污水中的懸浮或膠體態(tài)的微小顆粒及有機高分子，可進(jìn)一步降低廢水的色度，同時(shí)去除部分有機污染物質(zhì)使廢水得到凈化。陰反應產(chǎn)生大量新生態(tài)的【H】]和【O】，在偏酸性的條件下，這些活性成分均能與廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原反應，使有機大分子發(fā)生斷鏈降解，從而消除了有機廢水的色度，提高了廢水的可生化性。
1.1、微電解工作原理：
一般原理：鐵炭微電解是基于電化學(xué)中的原電池反應。當鐵和炭浸入電解質(zhì)溶液中時(shí)，由于Fe和C之間存在1.2V的電電位差，因而會(huì )形成無(wú)數的微電池系統，在其作用空間構成一個(gè)電場(chǎng)。陽(yáng)反應產(chǎn)生的新生態(tài)二價(jià)鐵離子具有較強的還原能力，可使某些有機物還原，也可使某些不飽和基團（如羧基—COOH、偶氮基-N＝N-）的雙鍵打開(kāi)，使部分難降解環(huán)狀和長(cháng)鏈有機物分解成易生物降解的小分子有機物而提高可生化性。此外，二價(jià)和三價(jià)鐵離子是良好的絮凝劑，特別是新生的二價(jià)鐵離子具有高的吸附-絮凝活性，調節廢水的pH可使鐵離子變成氫氧化物的絮狀沉淀，吸附污水中的懸浮或膠體態(tài)的微小顆粒及有機高分子，可進(jìn)一步降低廢水的色度，同時(shí)去除部分有機污染物質(zhì)使廢水得到凈化。陰反應產(chǎn)生大量新生態(tài)的【H】]和【O】，在偏酸性的條件下，這些活性成分均能與廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原反應，使有機大分子發(fā)生斷鏈降解，從而消除了有機廢水的色度，提高了廢水的可生化性。
鐵炭原電池反應：
陽(yáng)：Fe - 2e → Fe2+ E（Fe/Fe2+） = 0.44V
陰：2H+ + 2e → H2 E（H+/H2） = 0.00V
當有氧存在時(shí)，陰反應如下：
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O E（O2） = 1.23V
O2 + 2H2O + 4e → 4OH- E （O2/OH-） = 0.41V
1.2、一般微電解反應為：鐵原子與炭原子是緊挨著(zhù)或分開(kāi)而形成原電池反應。這種鐵炭接觸不利于電子的轉移，電荷效率較低，因此廢水中有機物的去除效率一般也較低。同時(shí)當鐵炭一旦分層將不利于有機物的去除。
1.3、鐵炭包容式微電解反應為：鐵原子與炭原子是相互包容組成架構而形成的原電池反應。這種鐵炭接觸不存在鐵與炭的分層問(wèn)題，因此有利于電子的轉移，電荷效率較高，廢水中有機物的去除效率也較高。
2、 鐵炭微電解技術(shù)在廢水處理中的應用進(jìn)展
2.1、在印染廢水處理中的應用
鐵炭微電解技術(shù)作為一種新的廢水處理手段初就是應用于印染廢水的處理，并取得良好的效果。印染廢水中的有機污染物主要來(lái)源于染料及染整添加劑，近年來(lái)由于印染技術(shù)的不斷進(jìn)步和有機合成染料新產(chǎn)品的不斷出現，使得印染廢水具有pH低，色澤深，毒性大，生物可降解性差等特點(diǎn)。因此，鐵炭微電解用于印染廢水的處理體現出了其他工藝不可比擬的優(yōu)勢。
經(jīng)過(guò)試驗分別對色度300倍，COD為602mg/L，pH為9.76和色度700倍，COD為1223mg/L，pH為5.76 的兩種不同的印染廢水進(jìn)行處理，研究發(fā)現，當鐵炭體積比為1：1，pH為3.0左右，反應時(shí)間20～30 min時(shí)，對色度的去除率能夠達到95%以上，同時(shí)COD的去除率能也能夠達到60~70%。
用鐵炭微電解法對印染廢水進(jìn)行處理，結果表明pH為3，接觸時(shí)間20～30 min，色度的去除率都能達到90%以上，COD去除率也能達到60%左右。
對于COD很高或者出水要求較高的印染，單純的用鐵炭微電解工藝處理并不能達到出水要求，常使之與其他的高級氧化處理工藝相結合，作為生物處理的預處理。對原水COD為11000mg/L，pH為6，色度為8000倍的印染廢水采用鐵炭微電解法進(jìn)行預處理，當鐵粉粒徑為18目，焦炭粒徑為2～4mm，鐵粉和焦炭比為1：1，水里停留時(shí)間為60～90min時(shí)，脫色率達到了90%以上，BOD/ COD 值從原來(lái)的0.23 提高到0. 59，大大提高了后續生物處理的COD去除率。
2.2、在造紙廢水處理中的應用
造紙廢水主要來(lái)源于制漿過(guò)程中的蒸煮、清洗、篩分、漂白。廢水中含有大量的木質(zhì)素等難以生物降解的物質(zhì)，許多的造紙企業(yè)在經(jīng)過(guò)一級物化、二級生化處理后出水的CODCr、色度等各項排放指標都不能達到國家造紙工業(yè)水污染物排放一級標準。
針對用白腐菌-厭氧-好氧生物法處理造紙黑液的出水色度過(guò)高，而COD也不能達標的現象，利用鐵炭微電解反應柱對出水進(jìn)行脫色與去除COD的研究，發(fā)現在常溫下，鐵炭質(zhì)量比2:1，初始pH值4.5~5.5 之間，反應時(shí)間為30~40min，終色度與COD 的去除率分別達到94.2%與68.9%，出水達到了行業(yè)排放標準。
采用強化的鐵炭微電解對制漿造紙二級出水進(jìn)行深度處理，在鐵炭微電解反應體系中加入適量的H2O2，使電解產(chǎn)生的Fe2+與H2O2形成Fenton試劑，與鐵炭微電解協(xié)同作用，強化微電解反應后用Ca（OH）2調節出水的pH值至中性，并與電解液中的Fe2+和Fe3+生成Fe（OH）2和Fe（OH）3絮體，進(jìn)一步網(wǎng)捕水中的CODCr并去除了水中的Fe2+和Fe3以及SO42+等離子，使溶液的色度進(jìn)一步得到改善。研究結果表明，當溶液初始pH 值為3.0 、活性炭投加量8.0g/L、鑄鐵屑40.0g/L 、H2O2 7.17mmol/L 以及反應時(shí)間60min，用Ca（OH）2的投入量為8.0g/L時(shí)，總CODCr和色度去除率分別達到75%和95%，達到了國家造紙工業(yè)水污染物排放一級標準（GB3544—2001）。
2.3、在焦化廢水處理中的應用
目前我國對焦化廢水主要的處理工藝主要是A/O和A-A/O工藝，但是由于出水中含有高濃度的氨氮、高毒性的CN和以及難以生物降解的有機物等，對微生物均有抑制作用。因此，有人利用微電解技術(shù)對A2/O進(jìn)水或者出水分別進(jìn)行預處理和深度處理，后使出水達到了國家一級排放標準。利用鐵炭微電解和Fenton試劑聯(lián)合氧化法對焦化廢水進(jìn)行預處理的試驗研究，通過(guò)單因素實(shí)驗法確定了好工藝條件，在鐵炭比為4，用量分別為300mg/L和75mg/L，H2O2的用量為1000mg/L，pH值為3，反應時(shí)間為20min時(shí)，COD、NH3-N和CN-的去除率分別為61.2%、74%、56.2%和74.3%。B/C比由0.189提高到0.387，大大降低了后續生物處理的有機負荷并提高了生物處理的效率。
2.4、在制藥廢水處理中的應用
目前，制藥廢水處理面臨的主要問(wèn)題是污染物種類(lèi)多、濃度高且成分復雜，沖擊負荷大，部分廢水中抗生素的存在抑制生化處理時(shí)微生物的生長(cháng)，可生化性差，色度高等特點(diǎn)。
工程實(shí)踐表明，鐵炭微電解法對各種成分的制藥廢水COD、色度都具有較好的去除效果，同時(shí)B/C有所提高。
陽(yáng)：Fe - 2e → Fe2+ E（Fe/Fe2+） = 0.44V
陰：2H+ + 2e → H2 E（H+/H2） = 0.00V
當有氧存在時(shí)，陰反應如下：
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O E（O2） = 1.23V
O2 + 2H2O + 4e → 4OH- E （O2/OH-） = 0.41V
1.2、一般微電解反應為：鐵原子與炭原子是緊挨著(zhù)或分開(kāi)而形成原電池反應。這種鐵炭接觸不利于電子的轉移，電荷效率較低，因此廢水中有機物的去除效率一般也較低。同時(shí)當鐵炭一旦分層將不利于有機物的去除。
1.3、鐵炭包容式微電解反應為：鐵原子與炭原子是相互包容組成架構而形成的原電池反應。這種鐵炭接觸不存在鐵與炭的分層問(wèn)題，因此有利于電子的轉移，電荷效率較高，廢水中有機物的去除效率也較高。
2、 鐵炭微電解技術(shù)在廢水處理中的應用進(jìn)展
2.1、在印染廢水處理中的應用
鐵炭微電解技術(shù)作為一種新的廢水處理手段初就是應用于印染廢水的處理，并取得良好的效果。印染廢水中的有機污染物主要來(lái)源于染料及染整添加劑，近年來(lái)由于印染技術(shù)的不斷進(jìn)步和有機合成染料新產(chǎn)品的不斷出現，使得印染廢水具有pH低，色澤深，毒性大，生物可降解性差等特點(diǎn)。因此，鐵炭微電解用于印染廢水的處理體現出了其他工藝不可比擬的優(yōu)勢。
經(jīng)過(guò)試驗分別對色度300倍，COD為602mg/L，pH為9.76和色度700倍，COD為1223mg/L，pH為5.76 的兩種不同的印染廢水進(jìn)行處理，研究發(fā)現，當鐵炭體積比為1：1，pH為3.0左右，反應時(shí)間20～30 min時(shí)，對色度的去除率能夠達到95%以上，同時(shí)COD的去除率能也能夠達到60~70%。
用鐵炭微電解法對印染廢水進(jìn)行處理，結果表明pH為3，接觸時(shí)間20～30 min，色度的去除率都能達到90%以上，COD去除率也能達到60%左右。
對于COD很高或者出水要求較高的印染，單純的用鐵炭微電解工藝處理并不能達到出水要求，常使之與其他的高級氧化處理工藝相結合，作為生物處理的預處理。對原水COD為11000mg/L，pH為6，色度為8000倍的印染廢水采用鐵炭微電解法進(jìn)行預處理，當鐵粉粒徑為18目，焦炭粒徑為2～4mm，鐵粉和焦炭比為1：1，水里停留時(shí)間為60～90min時(shí)，脫色率達到了90%以上，BOD/ COD 值從原來(lái)的0.23 提高到0. 59，大大提高了后續生物處理的COD去除率。
2.2、在造紙廢水處理中的應用
造紙廢水主要來(lái)源于制漿過(guò)程中的蒸煮、清洗、篩分、漂白。廢水中含有大量的木質(zhì)素等難以生物降解的物質(zhì)，許多的造紙企業(yè)在經(jīng)過(guò)一級物化、二級生化處理后出水的CODCr、色度等各項排放指標都不能達到國家造紙工業(yè)水污染物排放一級標準。
針對用白腐菌-厭氧-好氧生物法處理造紙黑液的出水色度過(guò)高，而COD也不能達標的現象，利用鐵炭微電解反應柱對出水進(jìn)行脫色與去除COD的研究，發(fā)現在常溫下，鐵炭質(zhì)量比2:1，初始pH值4.5~5.5 之間，反應時(shí)間為30~40min，終色度與COD 的去除率分別達到94.2%與68.9%，出水達到了行業(yè)排放標準。
采用強化的鐵炭微電解對制漿造紙二級出水進(jìn)行深度處理，在鐵炭微電解反應體系中加入適量的H2O2，使電解產(chǎn)生的Fe2+與H2O2形成Fenton試劑，與鐵炭微電解協(xié)同作用，強化微電解反應后用Ca（OH）2調節出水的pH值至中性，并與電解液中的Fe2+和Fe3+生成Fe（OH）2和Fe（OH）3絮體，進(jìn)一步網(wǎng)捕水中的CODCr并去除了水中的Fe2+和Fe3以及SO42+等離子，使溶液的色度進(jìn)一步得到改善。研究結果表明，當溶液初始pH 值為3.0 、活性炭投加量8.0g/L、鑄鐵屑40.0g/L 、H2O2 7.17mmol/L 以及反應時(shí)間60min，用Ca（OH）2的投入量為8.0g/L時(shí)，總CODCr和色度去除率分別達到75%和95%，達到了國家造紙工業(yè)水污染物排放一級標準（GB3544—2001）。
2.3、在焦化廢水處理中的應用
目前我國對焦化廢水主要的處理工藝主要是A/O和A-A/O工藝，但是由于出水中含有高濃度的氨氮、高毒性的CN和以及難以生物降解的有機物等，對微生物均有抑制作用。因此，有人利用微電解技術(shù)對A2/O進(jìn)水或者出水分別進(jìn)行預處理和深度處理，后使出水達到了國家一級排放標準。利用鐵炭微電解和Fenton試劑聯(lián)合氧化法對焦化廢水進(jìn)行預處理的試驗研究，通過(guò)單因素實(shí)驗法確定了好工藝條件，在鐵炭比為4，用量分別為300mg/L和75mg/L，H2O2的用量為1000mg/L，pH值為3，反應時(shí)間為20min時(shí)，COD、NH3-N和CN-的去除率分別為61.2%、74%、56.2%和74.3%。B/C比由0.189提高到0.387，大大降低了后續生物處理的有機負荷并提高了生物處理的效率。
2.4、在制藥廢水處理中的應用
目前，制藥廢水處理面臨的主要問(wèn)題是污染物種類(lèi)多、濃度高且成分復雜，沖擊負荷大，部分廢水中抗生素的存在抑制生化處理時(shí)微生物的生長(cháng)，可生化性差，色度高等特點(diǎn)。
工程實(shí)踐表明，鐵炭微電解法對各種成分的制藥廢水COD、色度都具有較好的去除效果，同時(shí)B/C有所提高。