铁碳微电解在废水处理中的研究与进展

http://www.water.hc360.com2018年07月10日09:38 来源:水博网T|T

    慧聪水工业网 分析铁碳微电解法的基本原理和反应机理,总结铁碳微电解处理效果的影响因素并进行分析,并概述了该工艺在废水治理中的应用现状和微电解技术的发展趋势。

    引言

    在难降解工业废水的处理技术中,由于废水的BOD5/CODcr低,且成分复杂,对微生物活性具有较强的抑制性,直接生化具有很大的难度,必须进行强化预处理,改变原废水的难生化性及分子结构,为此经常会涉及到铁碳微电解工艺及曝气铁碳微电解工艺进行废水的预处理,以提高废水的可生化性,保证后继生物工艺的进行,保证出水达标。

    1反应原理

    微电解法是利用铁屑和炭粒构成原电池,通过微电场作用使带电胶粒脱稳聚集而沉降,并且新生态Fe2+和[H]与废水中许多组分发生还原作用,破坏有机污染物的发色或助色基团而使废水脱色,本质利用金属腐蚀原理,形成原电池对废水进行处理的良好工艺,又称为内电解法、零价铁法、铁屑过滤法、铁碳法,是一项被广泛研究与应用的废水处理技术。因其工艺简单、操作方便且可达到“以废治废”的目的,近年来受到广泛重,但是,大量研究结果表明,该法在应用中存在诸多缺陷;运行一段时间后由于铁的腐蚀,容易出现结块和沟流,使处理效果降低;同时铁屑表面会生成一层金属氧化物和氢氧化物,致使铁屑钝化,进而导致微电解过程中断,影响处理效果。

    当将铁屑和碳颗粒浸没在酸性废水中时,由于铁和碳之间的电极电位差,废水中会形成无数个微原电池。其中电位低的铁成为阳极,电位高的碳成为阴极,在酸性充氧条件下发生电化学反应,其反应过程如下:

    阳极(Fe):Fe-2e→Fe2+,

    阴极(C):2H++2e→2[H]→H2,

    从反应中看出,产生的了初生态的Fe2+和原子H,它们具有高化学活性,能改变废水中许多有机物的结构和特性,使有机物发生断链、开环等作用。若有曝气,即充氧和防止铁屑板结。还会发生下面的反应:

    O2+4H++4e→2H2O;

    O2+2H2O+4e→4OH-;

    2Fe2++O2+4H+→2H2O+Fe3+。

    反应中生成的OH-是出水pH值升高的原因,而由Fe2+氧化生成的Fe3+逐渐水解生成聚合度大的Fe(OH)3胶体絮凝剂,可以有效地吸附、凝聚水中的污染物,从而增强对废水的净化效果。

    2铁碳微电解法的工艺特点

    

    近年来,微电解法在许多行业的废水处理中都有大量应用,工艺已日趋成熟。影响微电解处理效果的因素主要有废水pH值、停留时间、处理负荷、铁屑粒径、铁炭比、通气量、微电解材料选择及组合方式等,有的还会影响反应的机理[3]。一般来说:

    1)入水pH值应选偏酸性,可控制到3-6.5,酸性过强虽能促进微电解的作用,但破坏了后续的絮凝体,且铁的消耗量较大,后续处理负荷重,产生铁泥多。随着微电解的进行,废水中的H+逐渐被消耗而导致pH值升高,从而使得微电解反应趋于缓和。

    2)停留时间也是影响微电解处理效果的重要因素,其长短直接关系到微电解反应的进程。一般处理效果随停留时间延长而提高,但当到达这一定时间后反应基本停止,且量停留时间过长会带来铁消耗量大,反色等不利因素,停留时间不足则反应不完全。不同的废水其污染物不同,所需反应时间也差异很大。。因此,针对某种特定的废水,其水力停留时间应通过试验确定。

    3)对填料进行曝气有利于某些物质的氧化,也增加对铁屑的揽动,减少结块,丑能及时去除铁屑表面沉积的钝化膜,还可增加出水的絮凝效果。但曝气量过大也影响废水与铁屑的接触时间,使有机物去除率降低。而在中性条件下曝气一方面供氧,促进阳极反应的进行,另一方面也起到搅拌,震荡的作用,减弱浓差极化,加速电极反应的进行。[8]

    4)向体系中加入催化剂(如金属氧化物CuO,Mn02、A120,等)能改进阴极的电极性能,提高其电化学活性,效果显著[4]。盐类(妇氯化钠,氯化氨)的存在由于提高了废水的电导率也有助于电解反应的进行。

    5)合适的填料铁炭比例可使填料在废水中形成的微电池数量最大化,从而达到最佳处理效果。一般铁炭质量比可控制在一定范围内.0.5-30:1之间,针对不同的生产废水,合适的铁炭质量比能达到不同的处理效果。

    6)填料粒径越小,它的比表面积就越大,在废水中形成的微电池数量也越多,微电解反应的速度就越快.对废水的处理效果就越好。但在实际工程中,采用小的填料粒径会导致更为严重的填料板结问题,综合考虑、最好使用填料粒径在10-20之间的铁粉。经一般铁粉来源困难,广泛使用的是工厂的废铸铁屑。[3]

    7)微电解出水的后处理中和沉降的pH值。一般微电解出水中不可避免会含有一定浓度的亚铁离子,不仅干扰CODcr的测定,还会带来反色等不利因索,故应设法除去。目前广泛使用的加碱混凝法就是加入碱溶液使亚铁离子沉淀为墨绿色的Fe(OH)2而除去。有资料报道,中和沉降适宜的pH值为8-85。理论计算亚铁离子完全沉淀的pH值为8.95,一般应调节pH值为9以上。[8]

    8)材料选择,不同成分,不同杂质的材料反应活性不同,故对应的处理效果差异较大。一般阳极材料采用铸铁屑,小碎铁块、铸铝屑、锅台金等,阴极材料则采用焦炭、活性炭、石墨、煤粉等,故可进行很多搭配。

    3微电解工艺处理运用实例

    由于微电解过程包含了氧化还原、电附集、物理吸附、絮凝沉降以及铁作为催化剂的多种作用。而不同的废水成分差异很大,不同的有机物其降解难易程度不同,因此对应的微电解工艺参数也差异很大。

    下面列举几种微电解处理的运用实例:

    1)偶氮染料废水[9]

    张宗恩等选用上海某染料厂总排水口的废水为实验水样。研究结果表明:经微电解处理后,废水色度去除率达95%,CODcr去除率达40%,并指出脱色机理主要是基于还原作用,使偶氮键-N=N-断裂,从而破坏整个偶氮染料分子的共轭发色体系,到达脱色的目的。偶氮分子的结构对还原作用也有一定影响。

    2)分散染料废水[9]

    分散染料是疏水性较强的非离子型染料。

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