鐵碳微電解技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

張 帥，趙志偉，彭 偉，麥正軍

(后勤工程學(xué)院國(guó)防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311)

鐵碳微電解技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

張 帥，趙志偉，彭 偉，麥正軍

(后勤工程學(xué)院國(guó)防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311)

介紹了鐵碳微電解技術(shù)的凈水機(jī)理和技術(shù)特點(diǎn)，從印染廢水處理、醫(yī)藥廢水處理、電鍍廢水處理、焦化廢水處理、飲用水處理等5個(gè)方面闡述了鐵碳微電解技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)鐵碳微電解技術(shù)存在的問(wèn)題提出了改進(jìn)填料、優(yōu)化工藝及與其它工藝相結(jié)合的研究方向。

鐵碳微電解；凈水機(jī)理；廢水處理

鐵碳微電解技術(shù)也稱(chēng)鐵屑過(guò)濾法、鐵碳內(nèi)電解法、鐵還原法等，是通過(guò)鐵屑和焦炭混合材料或者鐵碳復(fù)合材料在電解質(zhì)溶液中形成原電池反應(yīng)[1]而降解廢水中的污染物。微電解技術(shù)的研究最早可以追溯到20世紀(jì)60年代，但由于鐵屑板結(jié)、處理效果不佳等問(wèn)題，其工業(yè)化進(jìn)程受到了阻礙[2]。20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)研究者在處理印染廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵屑具有較好的處理效果，從此鐵碳微電解技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到廢水治理中[3]。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始該領(lǐng)域研究，至今鐵碳微電解技術(shù)已經(jīng)在印染廢水、焦化廢水、電鍍廢水、制藥廢水、垃圾滲濾液、石油化工等方面有了廣泛的應(yīng)用[4]。隨著研究的深入，鐵碳微電解技術(shù)日趨成熟，可用于處理飲用水中的硝酸鹽、Cr6+等污染物[5-6]。

1 鐵碳微電解技術(shù)凈水機(jī)理與技術(shù)特點(diǎn)

1.1 凈水機(jī)理

鐵碳微電解技術(shù)去除污染物是各種機(jī)理之間相互協(xié)作共同完成的。目前公認(rèn)的鐵碳微電解技術(shù)凈水機(jī)理主要有原電池反應(yīng)、絮凝、沉淀、氧化還原、電化學(xué)富集、物理吸附等6種[7]，如圖1所示。

1.1.1 原電池反應(yīng)機(jī)理

鐵碳微電解常選用鑄鐵或純鐵和碳屑作為電極材料，電極反應(yīng)的產(chǎn)物具有很高的活性，能夠與體系中一些難以降解的污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)到降解污染物的目的[8]。電極材料在電解質(zhì)溶液中發(fā)生如下原電池反應(yīng)[9-10]：

圖1 鐵碳微電解技術(shù)凈水機(jī)理示意圖

Fig.1 Schematic diagram of water purification mechanism by iron-carbon micro-electrolysis technology

陽(yáng)極(Fe電極)：

Φ(Fe2+,Fe)=0.44 V

陰極(C電極)：

1.1.2 絮凝、沉淀機(jī)理

經(jīng)原電池反應(yīng)后，溶液體系中出現(xiàn)大量的Fe2+和Fe3+。此時(shí)調(diào)整溶液的pH值至中性或堿性，溶液中會(huì)生成Fe(OH)2，當(dāng)水中存在一定濃度的溶解氧時(shí)，溶液中的Fe(OH)2會(huì)進(jìn)一步氧化成Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3具有很強(qiáng)的絮凝功能，可以吸附水中不溶污染物[11]。同時(shí)Fe2+和Fe3+也能發(fā)揮其沉淀作用，與含有S2-、CN-的無(wú)機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，達(dá)到去除污染物的目的。

1.1.3 氧化還原機(jī)理

鐵作為一種活潑金屬，在弱酸性條件下易被氧化成較高價(jià)態(tài)，同時(shí)其它高價(jià)態(tài)的金屬離子會(huì)還原到低價(jià)態(tài)。有研究者利用鐵的還原性，采用鐵碳微電解技術(shù)來(lái)降解一些毒性較高的金屬離子，如Cr6+在溶液體系內(nèi)得到鐵所失去的電子被還原成毒性較低的Cr3+[12]。利用鐵的還原性通過(guò)體系內(nèi)的電子遷移可以將硝酸根、亞硝酸根還原成氨根離子，如硝基苯通過(guò)還原反應(yīng)后可轉(zhuǎn)化為易降解的化合物。

1.1.4 電化學(xué)富集機(jī)理

電化學(xué)富集的動(dòng)力來(lái)自于填料周?chē)a(chǎn)生的微電場(chǎng)。填料在充滿電解質(zhì)的溶液中會(huì)形成無(wú)數(shù)個(gè)原電池，而溶液中的污染物一般是帶有一定電荷量的穩(wěn)定的膠體顆粒，在微電解體系中膠體原有的穩(wěn)定性在微電場(chǎng)的作用下被破壞，膠體顆粒在電場(chǎng)力作用下形成電泳，向相反電荷的電極移動(dòng)，最終聚集到濾料的表面[13]。

1.1.5 物理吸附機(jī)理

鐵碳微電解所使用的填料一般有鑄鐵、海綿鐵、鐵屑、活性炭以及燒結(jié)的鐵碳混合材料等，這些材料表面大都具有發(fā)達(dá)的孔隙，能吸附多種污染物，比如重金屬離子、部分有機(jī)物。其中燒結(jié)的鐵碳混合材料是一種新型的球狀微電解材料，由鐵和碳的混合材料燒結(jié)而成，材料表面的孔隙發(fā)達(dá)，比表面積大，尤其是加入改性物質(zhì)后，填料表面有可能增加大量的不飽和鍵和含氧官能團(tuán)，吸附能力大幅提高。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

鐵碳微電解技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[14-18]：

(1)與其它工業(yè)材料相比，將廢鐵屑二次應(yīng)用于鐵碳微電解，大大降低了污染物處理成本；(2)與電絮凝等其它電化學(xué)技術(shù)相比，鐵碳微電解技術(shù)不需要額外電力和化學(xué)藥劑；(3)應(yīng)用廣泛，目前已用于印染廢水、醫(yī)藥廢水、電鍍廢水、焦化廢水的處理；(4)工程規(guī)模通常較小，運(yùn)行成本較低，占地面積小，操作維護(hù)方便，是一種低成本的高級(jí)氧化技術(shù)；(5)提高BOD5/CODCr(B/C)比。

鐵碳微電解技術(shù)的缺點(diǎn)[19-20]：

(1)由于鐵屑表面容易鈍化，使得鐵屑與碳填料的接觸面積縮小，反應(yīng)變緩，導(dǎo)致板結(jié)、部分填料層堵塞、反應(yīng)柱內(nèi)出現(xiàn)溝流等情況；(2)微電解反應(yīng)的接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)出水鐵超標(biāo)現(xiàn)象；(3)增加水中的溶氧量雖然可以加快反應(yīng)速率，但同時(shí)也增加了運(yùn)行成本；(4)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵碳處理效率逐漸降低。

2 鐵碳微電解技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

2.1 印染廢水處理

印染廢水具有高色度、高有機(jī)物含量、成分復(fù)雜、可生化性差等特點(diǎn)。更嚴(yán)重的是印染廢水大都有毒，并且對(duì)生物體有致癌作用，被公認(rèn)為是難處理的廢水之一。有很多學(xué)者嘗試用化學(xué)吸附、生物氧化、臭氧氧化、光催化氧化等傳統(tǒng)方法或幾種方法相結(jié)合來(lái)處理印染廢水。但由于印染廢水的多變性，效果不理想。

鐵碳微電解技術(shù)由于其高效、使用方便、成本低、污染少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注[21]。羅旌生等[22]將鐵碳微電解技術(shù)應(yīng)用于高CODCr、高色度和高含鹽量染料廢水的處理，效果明顯，發(fā)現(xiàn)鐵碳微電解技術(shù)主要通過(guò)鐵的絮凝作用和氧化還原作用去除色度和CODCr。在接觸時(shí)間為0.5 h、進(jìn)水pH值為1左右時(shí)，色度去除率大于94%，CODCr去除率在60%左右。張鍵等[23]采用鐵、碳流化床反應(yīng)器，克服了鐵、碳固定床反應(yīng)器易鈍化、結(jié)塊的缺點(diǎn)。在原水色度為1 500倍、CODCr為3 750 mg·L-1時(shí)，兩者去除率分別達(dá)到90%和77%。Han等[24]研制了一種新型的內(nèi)循環(huán)微電解反應(yīng)器(圖2)，也克服了固定床微電解反應(yīng)器的缺點(diǎn)；同時(shí)，他們還對(duì)比了固定床微電解反應(yīng)器與內(nèi)循環(huán)微電解反應(yīng)器對(duì)染料廢水的處理效果，發(fā)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)微電解反應(yīng)器對(duì)CODCr和色度的去除率分別為73%和98.5%，而固定床微電解反應(yīng)器對(duì)CODCr和色度的去除率分別為23%和40%。

圖2 內(nèi)循環(huán)微電解反應(yīng)器

2.2 醫(yī)藥廢水處理

醫(yī)藥廢水成分復(fù)雜，是一種比較典型的難處理的工業(yè)廢水。由于藥物種類(lèi)多、制藥工藝不同，醫(yī)藥廢水不僅具有一般難降解廢水的高有機(jī)物、高毒性、可生化性差的特點(diǎn)，還含有硝基類(lèi)化合物、抗生素類(lèi)化合物等。

鐵碳微電解技術(shù)作為醫(yī)藥廢水的預(yù)處理手段取得了較好的效果[25]。劉春早等[26]采用鐵碳微電解技術(shù)對(duì)紅霉素醫(yī)藥廢水生化二沉池出水進(jìn)行預(yù)處理，在鐵碳微電解填料為Poten-ICME05、廢水初始pH值為3.02、投加量為100 g·L-1、曝氣量為60 L·h-1、曝氣反應(yīng)時(shí)間為90 min的條件下，廢水CODCr、濁度和色度去除率分別為78.36%、90.23%和95.0%，B/C比由初始0.095提高到0.367，可生化性顯著改善，出水水質(zhì)可以達(dá)到GB 21903-2008《發(fā)酵類(lèi)制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。Xu等[27]利用微電解耦合Fenton工藝對(duì)類(lèi)膽固醇激素生產(chǎn)廢水進(jìn)行預(yù)處理，在原水CODCr約為15 000 mg·L-1、pH值為4、填料與原水體積比為1∶1、氣水比為10∶1、反應(yīng)時(shí)間為180 min的條件下，CODCr去除率為31.8%，B/C比提高了1.7倍，F(xiàn)e2+濃度為458.5 mg·L-1，滿足后續(xù)Fenton反應(yīng)的要求；Fenton反應(yīng)CODCr去除率為30.1%，B/C比達(dá)到0.59。

2.3 電鍍廢水處理

電鍍廢水所含污染物種類(lèi)多、毒性大、重金屬離子含量高，對(duì)人體危害極大。由于電鍍工藝的不同，電鍍廢水所含污染物和重金屬離子存在較大差異，通常所含的重金屬離子有Cr6+、Pb2+、Zn2+、Fe2+、Ni2+等，這些重金屬離子可能會(huì)致癌，甚至?xí)斐伤劳?。由于處理效果好、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，鐵碳微電解技術(shù)已普遍應(yīng)用于電鍍廢水的處理[28]。

Wang等[29]運(yùn)用新型的超重力電化學(xué)反應(yīng)器強(qiáng)化廢水中金屬離子的混合，加快廢水中反應(yīng)的傳質(zhì)速度，在廢水初始pH值為11、外加電流密度為10 mA·cm-2、裝置轉(zhuǎn)速為200 r·min-1的條件下，Cu2+、Cr6+、Ni2+去除率分別為99.54%、97.85%、98.37%，表明擾動(dòng)強(qiáng)化了金屬離子的去除。李詩(shī)瑤等[30]采用鐵碳微電解耦合Fenton工藝處理加入穩(wěn)定劑、絡(luò)合劑、加速劑的電鍍廢水，最佳工藝條件為：pH值3.0、鐵碳質(zhì)量比2∶1、反應(yīng)時(shí)間60 min、氣水比20∶1；最佳Fenton氧化條件為：pH值4.0、反應(yīng)時(shí)間60 min、H2O2投加量10%；用NaOH溶液調(diào)pH值至10.0左右共沉淀；CODCr去除率達(dá)95%，出水重金屬離子低于電鍍廢水處理限值。

2.4 焦化廢水處理

焦化廢水一般是焦煤煉化、煤氣凈化以及一些化工產(chǎn)品精加工等過(guò)程產(chǎn)生的，含有大量的芳香族化合物，具有成分復(fù)雜、濃度高、可生化性差等特點(diǎn)。

目前，焦化廢水處理方法不僅有物理化學(xué)法，而且生化法也有很多應(yīng)用，我國(guó)通常采用A/O、A/O2、A2/O、A2/O2、SBR等生化法，但是處理后水質(zhì)仍然達(dá)不到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)[31]。

鐵碳微電解技術(shù)因高效、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于焦化廢水處理。前期研究主要集中于焦化廢水的預(yù)處理，現(xiàn)在越來(lái)越多的研究者利用鐵碳微電解技術(shù)組合工藝深度處理焦化廢水。田京雷等[32]采用鐵碳微電解協(xié)同催化氧化技術(shù)處理焦化廢水，當(dāng)鐵碳微電解反應(yīng)時(shí)間為2.5 h、進(jìn)水pH值為3.0、氣水比為3∶1，催化氧化反應(yīng)時(shí)間為0.5 h、雙氧水添加量為0.1%、進(jìn)水pH值為3.5時(shí)，CODCr、氨氮、揮發(fā)酚類(lèi)物質(zhì)的去除率分別達(dá)到30%、20%、50%以上，廢水B/C比由0.26提高至0.45以上。

2.5 飲用水處理

鐵碳微電解技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是在飲用水處理領(lǐng)域應(yīng)用較少。目前，僅在飲用水除Cr6+、苯、硝酸鹽等方面開(kāi)展了一些研究。

李春霞[34]通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究了鐵碳微電解技術(shù)去除飲用水中Cr6+，發(fā)現(xiàn)鐵碳微電解處理濃度為1 mg·L-1的Cr6+的最佳工藝條件為：鐵碳質(zhì)量比7∶3、固液比14∶100(g∶mL)、反應(yīng)時(shí)間40 min、溫度25.30 ℃，在此條件下，去除率達(dá)95%以上。

3 鐵碳微電解技術(shù)的研究方向

3.1 改進(jìn)填料

傳統(tǒng)的鐵碳填料在運(yùn)行一段時(shí)間后易出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象；在電解過(guò)程中產(chǎn)生的沉淀容易堆積在鐵屑表面，使鐵屑表面鈍化，影響處理效果。

隨著鐵碳微電解技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型鐵碳填料。劉嘯乾等[35]以煤粉還原菱鐵礦，通過(guò)兩段焙燒工藝制備了新型鐵碳復(fù)合材料(Fe/C材料)，并將其用于染料廢水的處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e/C材料對(duì)染料廢水的脫色性能比傳統(tǒng)的鐵碳分離微電解材料更好；在Fe/C材料投加量為0.3 g·L-1、粒徑為0.18～0.25 mm、25 ℃下處理8 h后，100 mg·L-1直接青蓮染料廢水的去除率可達(dá)90%，且共存離子影響較??；柱實(shí)驗(yàn)表明，制備的Fe/C材料對(duì)該染料的處理量為15.7 mg·g-1。

周璇等[36]以鐵屑和活性炭為主要原料，以膨潤(rùn)土為粘結(jié)劑，經(jīng)過(guò)高溫焙燒制成球狀新型微電解材料，并將其用于化工園區(qū)廢水處理，雖然CODCr去除率僅為22%，但該廢水的生物急性毒性削減率高達(dá)90%，B/C比提高了59%；該新型微電解材料的固體孔結(jié)構(gòu)多為介孔，比表面積為16.45 m2·g-1，平均孔徑為5.889 nm。

3.2 優(yōu)化工藝

傳統(tǒng)的鐵碳微電解技術(shù)大多采用的是固定床，固定床在使用過(guò)程中常常出現(xiàn)反應(yīng)不充分、短流等情況。為此，研究者將流化床、內(nèi)循環(huán)填料床引入鐵碳微電解工藝中。針對(duì)固定床反應(yīng)器鈍化、板結(jié)的問(wèn)題，張鍵等[23]研發(fā)了流化床反應(yīng)器；Han等[24]采用內(nèi)循環(huán)鐵碳微電解反應(yīng)器將CODCr和色度去除率分別提高了3.17倍和2.46倍。

3.3 與其它工藝相結(jié)合

鐵碳微電解技術(shù)在廢水預(yù)處理領(lǐng)域效果顯著，但單一的鐵碳微電解工藝在廢水深度處理時(shí)效果欠佳，或需要消耗大量鐵碳材料才能達(dá)到較佳效果。若將鐵碳微電解工藝與其它工藝相結(jié)合，不僅能加快微電解反應(yīng)效率，還可以減少電解材料的消耗，達(dá)到高效低耗的處理效果。如，鐵碳微電解協(xié)同催化氧化技術(shù)，即在鐵碳微電解反應(yīng)后加入適量的H2O2進(jìn)行Fenton反應(yīng)，達(dá)到深度處理的目的；鐵碳微電解與超聲耦合處理偶氮染料廢水具有明顯的協(xié)同效應(yīng)，染料廢水中有機(jī)物大多降解為磺胺產(chǎn)物；鐵碳微電解與生物處理相結(jié)合處理廢水，也能得到較好的效果[14]。

4 結(jié)語(yǔ)

鐵碳微電解技術(shù)作為一種環(huán)保、低能耗的水處理方法，具有反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣、不添加其它化學(xué)藥劑、能實(shí)現(xiàn)廢物再利用等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)鐵碳微電解技術(shù)在運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)板結(jié)、短流、需調(diào)節(jié)pH值等問(wèn)題，今后應(yīng)在鐵碳微電解新材料、反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)、與其它工藝相結(jié)合等方面進(jìn)行深入研究，提高微電解效率，進(jìn)一步拓寬鐵碳微電解技術(shù)應(yīng)用范圍。

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版權(quán)聲明

《化學(xué)與生物工程》編輯部

Applications of Iron-Carbon Micro-Electrolysis Technology in Water Treatment

ZHANG Shuai,ZHAO Zhi-wei,PENG Wei,MAI Zheng-jun

(DepartmentofNationalDefenseArchitecturalPlaningandEnvironmentalEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)

Water purification mechanism and technical characteristics of iron-carbon micro-electrolysis technology are introduced.In addition,application status of iron-carbon micro-electrolysis technology are summarized in treatments of printing and dyeing wastewater,pharmaceutical wastewater,electroplating wastewater,coking wastewater,or drinking water.Finally,aiming at the problems of iron-carbon micro-electrolysis technology,the future researches toward improving iron-carbon packing,optimizing process,and combination with other process are put forward.

iron-carbon micro-electrolysis;water purification mechanism;wastewater treatment

軍隊(duì)后勤科研計(jì)劃項(xiàng)目(CHJ13J021、BY114J005)，重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB16126)

2016-07-23

張帥(1991-)，男，湖南瀏陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：軍事給排水技術(shù)與裝備，E-mail:zhangshuai4182@163.com；通訊作者：趙志偉，博士，教授。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.12.003

張帥，趙志偉，彭偉，等.鐵碳微電解技術(shù)在水處理中的應(yīng)用[J].化學(xué)與生物工程，2016，33(12)：14-18.

X 703.1

A

1672-5425(2016)12-0014-05

國(guó)信息化建設(shè)，擴(kuò)大本刊及作者知識(shí)信息交流渠道，本刊已被《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊

總庫(kù)》及CNKI系列數(shù)據(jù)庫(kù)、《萬(wàn)方數(shù)據(jù)——數(shù)字化期刊群》、《中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)(全文版)》、《臺(tái)灣華藝數(shù)據(jù)庫(kù)》等收錄。如作者不同意論文被收錄，請(qǐng)?jiān)趤?lái)稿時(shí)向本刊聲明，本刊將作適當(dāng)處理。