铁炭微电解高浓度污水处理
慧聪水工业网 一、关于铁炭微电解的简介及区分方法
1、什么是铁炭微电解：
是指铁和炭在电解质溶液中自发产生的微弱电流分解废水中污染物的一种污水处理工艺。
将铁屑和炭颗粒浸没在酸性废水中时，由于铁和炭之间的电极电位差（0.9～17V），废水中会形成无数个微原电池。这些微电池是以电位低的铁成为阳极,电位高的炭做阴极,在含有酸性电解质的水溶液中发生电化学反应。在应中产生的大量初生态的Fe2+和新生态的[•H]，它们具有极高化学活性,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。
铁炭微电解工艺是集氧化、还原、电沉淀、絮凝、吸附、架桥、卷扫及共沉淀等多功能于一体。
2、铁炭微电解的最佳使用PH范围是多少？
铁炭微电解的最佳使用PH范围是3～4，在此PH范围内，高温烧结的铁炭微电解填料的年消耗量在10%～15%（个别厂家会讲他们的填料适用PH范围为5～7，这是不符合铁炭微电解的反应原理的，所以这种填料对废水处理的主要原理是通过铁炭中活性炭的吸附，不是通过真正的微电解反应原理达到处理效果）。
3、铁炭微电解工艺优点：
适用范围广，处理效果好，成本低，操作维护方便，不需要消耗电力资源，反应速度快，处理效果稳定，不会造成二次污染，提高废水的可生化性，可以达到化学沉淀除磷，可以通过还原除重金属，也可以作为生物处理的前处理，利于污泥的沉降和生物挂膜。目前成熟运用的行业有：化工、制药、染料、颜料、橡胶助剂、酚醛树脂、电镀、线路板、垃圾渗滤液、印染、煤化工等。
4、反应过程中铁和炭去哪里了：
在高温烧结的铁炭微电解填料中铁和炭不是以大颗粒形式存在，而是以合计结构的形式存在，反应中铁变为二价铁离子存在于废水中，通过后续的絮凝而沉淀出来；炭随着铁的溶解不断的脱落，脱落后的极其细小炭粒会吸附着污染物质进入沉淀池经絮凝沉淀。
5、什么是高温烧结的铁炭微电解填料：
高温烧结铁炭微电解填料是铁粉与炭粉、催化剂等组分通过高温（超过1300℃）熔炼形成的一体化合金结构，故填料的物理强度强（≥600kg/cm2）；框架式的微孔结构形式，为微电解反应提供极大的比表面积及均匀的水气通道，对废水处理提供了更大的电流密度和更好的催化反应效果。
6、如何区分铁炭微电解填料是否是高温烧结：
通过摔打或进行相关测试：高温烧结微电解填料不易敲碎。非高温烧结微电解填料非常容易敲碎，甚至一摔就碎。
孔隙率检测，可扔到水中看气泡的产生量：高温烧结微电解填料有真正的孔隙率，且孔隙率达到65%，扔进水中后，气泡量大、均匀、持久；单位填料处理污水能力强。非高温烧结微电解填料几乎没有孔隙率，扔进水中后，几乎没有气泡量；单位填料处理污水能力弱。
是否是真正的合金结构：用砂纸打磨填料或是用模切机将填料切开后，高温烧结的铁炭微电解填料有明显的金属关泽，是真正的合金结构。非高温烧结铁炭微电解填料经过打磨或是模切，每天合金结构的金属光泽，出现铁炭分离的情况。
7、为何要选用高温烧结的铁炭微电解填料：
选用高温烧结的铁炭微电解填料是保证微电解工艺正常运行的关键。高温烧结的铁炭微电解填料在使用过程中不会出现板结、钝化的情况，其1000kg/cm2的物理强度足以承受20m水柱压力及酸性废水对填料的侵蚀，不会出现非高温烧结铁炭填料的在水柱压力及酸性废水的侵蚀而出现的粉碎、钝化、板结的情况，因此必须选用高温烧结的铁炭微电解填料。
8、高温烧结的铁炭微电解填料为何不需要更换：
铁和炭是同时消耗的，填料中铁和炭的比例没有改变，因此在反应过程中填料的消耗只是量的改变，而不是质变。所以随着填料的消耗只需要添加新填料就可以了。在进水PH3～4的情况下，高温烧结的铁炭微电解填料的年消耗量在10%～15%。
二、铁炭微电解法在废水处理中的研究进展及应用现状
1、铁炭微电解的作用机理
1.1、微电解工作原理：
一般原理：铁炭微电解是基于电化学中的原电池反应。当铁和炭浸入电解质溶液中时，由于Fe和C之间存在1.2V的电极电位差，因而会形成无数的微电池系统,在其作用空间构成一个电场。阳极反应产生的新生态二价铁离子具有较强的还原能力，可使某些有机物还原，也可使某些不饱和基团(如羧基—COOH、偶氮基-N＝N-)的双键打开，使部分难降解环状和长链有机物分解成易生物降解的小分子有机物而提高可生化性。此外，二价和三价铁离子是良好的絮凝剂，特别是新生的二价铁离子具有更高的吸附-絮凝活性，调节废水的pH可使铁离子变成氢氧化物的絮状沉淀，吸附污水中的悬浮或胶体态的微小颗粒及有机高分子，可进一步降低废水的色度，同时去除部分有机污染物质使废水得到净化。阴极反应产生大量新生态的[H]和[O]，在偏酸性的条件下，这些活性成分均能与废水中的许多组分发生氧化还原反应，使有机大分子发生断链降解，从而消除了有机废水的色度，提高了废水的可生化性。
铁炭原电池反应：
阳极：Fe-2e→Fe2+E(Fe/Fe2+)=0.44V
阴极：2H++2e→H2E(H+/H2)=0.00V
当有氧存在时,阴极反应如下：
O2+4H++4e→2H2OE(O2)=1.23V
O2+2H2O+4e→4OH-E(O2/OH-)=0.41V
1.2、一般微电解反应为：铁原子与炭原子是紧挨着或分开而形成原电池反应。这种铁炭接触不利于电子的转移，电荷效率较低，因此废水中有机物的去除效率一般也较低。同时当铁炭一旦分层将更不利于有机物的去除。
1.3、铁炭包容式微电解反应为：铁原子与炭原子是相互包容组成架构而形成的原电池反应。这种铁炭接触不存在铁与炭的分层问题，因此更有利于电子的转移，电荷效率较高，废水中有机物的去除效率也较高。
2、铁炭微电解技术在废水处理中的应用进展
2.1、在印染废水处理中的应用
铁炭微电解技术作为一种新的废水处理手段最初就是应用于印染废水的处理，并取得良好的效果。印染废水中的有机污染物主要来源于染料及染整添加剂，近年来由于印染技术的不断进步和有机合成染料新产品的不断出现，使得印染废水具有pH低,色泽深,毒性大,生物可降解性差等特点。因此，铁炭微电解用于印染废水的处理体现出了其他工艺不可比拟的优势。
经过试验分别对色度300倍，COD为602mg/L，pH为9.76和色度700倍，COD为1223mg/L，pH为5.76的两种不同的印染废水进行处理，研究发现，当铁炭体积比为1：1，pH为3.0左右，反应时间20～30min时，对色度的去除率能够达到95%以上，同时COD的去除率能也能够达到60~70%。
用铁炭微电解法对印染废水进行处理，结果表明pH为3，接触时间20～30min，色度的去除率都能达到90%以上，COD去除率也能达到60%左右。
对于COD很高或者出水要求较高的印染，单纯的用铁炭微电解工艺处理并不能达到出水要求，常使之与其他的高级氧化处理工艺相结合，作为生物处理的预处理。对原水COD为11000mg/L,pH为6，色度为8000倍的印染废水采用铁炭微电解法进行预处理，当铁粉粒径为18目，焦炭粒径为2～4mm，铁粉和焦炭比为1：1，水里停留时间为60～90min时，脱色率达到了90%以上，BOD/COD值从原来的0.23提高到0.59，大大提高了后续生物处理的COD去除率。
2.2、在造纸废水处理中的应用
造纸废水主要来源于制浆过程中的蒸煮、清洗、筛分、漂白。废水中含有大量的木质素等难以生物降解的物质，许多的造纸企业在经过一级物化、二级生化处理后出水的CODCr、色度等各项排放指标都不能达到国家造纸工业水污染物排放一级标准。
针对用白腐菌-厌氧-好氧生物法处理造纸黑液的出水色度过高，而COD也不能达标的现象，利用铁炭微电解反应柱对出水进行脱色与去除COD的研究，发现在常温下，铁炭质量比2:1，初始pH值4.5~5.5之间，反应时间为30~40min，最终色度与COD的去除率分别达到94.2%与68.9%，出水达到了行业排放标准。
采用强化的铁炭微电解对制浆造纸二级出水进行深度处理，在铁炭微电解反应体系中加入适量的H2O2，使电解产生的Fe2+与H2O2形成Fenton试剂，与铁炭微电解协同作用，强化微电解反应后用Ca(OH)2调节出水的pH值至中性，并与电解液中的Fe2+和Fe3+生成Fe(OH)2和Fe(OH)3絮体，进一步网捕水中的CODCr并去除了水中的Fe2+和Fe3以及SO42+等离子，使溶液的色度进一步得到改善。研究结果表明，当溶液初始pH值为3.0、活性炭投加量8.0g/L、铸铁屑40.0g/L、H2O27.17mmol/L以及反应时间60min,用Ca(OH)2的投入量为8.0g/L时，总CODCr和色度去除率分别达到75%和95%，达到了国家造纸工业水污染物排放一级标准（GB3544—2001）。
2.3、在焦化废水处理中的应用
目前我国对焦化废水主要的处理工艺主要是A/O和A-A/O工艺，但是由于出水中含有高浓度的氨氮、高毒性的CN和以及难以生物降解的有机物等，对微生物均有抑制作用。因此，有人利用微电解技术对A2/O进水或者出水分别进行预处理和深度处理，最后使出水达到了国家一级排放标准。利用铁炭微电解和Fenton试剂联合氧化法对焦化废水进行预处理的试验研究，通过单因素实验法确定了最佳工艺条件，在铁炭比为4，用量分别为300mg/L和75mg/L，H2O2的用量为1000mg/L，pH值为3，反应时间为20min时,COD、NH3-N和CN-的去除率分别为61.2%、74%、56.2%和74.3%。B/C比由0.189提高到0.387，大大降低了后续生物处理的有机负荷并提高了生物处理的效率。
2.4、在制药废水处理中的应用
目前，制药废水处理面临的主要问题是污染物种类多、浓度高且成分复杂,冲击负荷大，部分废水中抗生素的存在抑制生化处理时微生物的生长，可生化性差,色度高等特点。
工程实践表明，铁炭微电解法对各种成分的制药废水COD、色度都具有较好的去除效果，同时B/C有所提高。
2.5、在其他废水处理中的应用
除上述的之外，还有学者对含油废水、垃圾渗滤液、高盐度废水等利用铁炭微电解法进行处理，并对结果进行研究和探讨。
三、PCB络合废水与铁炭微电解工艺
印制电路板（PCB）废水水量大，废水污染物种类多，成分复杂，含多种络合剂（螯合剂）如氨、EDTA、酒石酸根等，与铜等重金属离子形成稳定的络合物，严重影响铜等重金属的处理，处理难度大。就PCB络合废水处理而言，络合物的破除成为铜等重金属去除的关键。
1、利用铁炭微电解法处理PCB络合废水原理：络合重金属废水在微电解反应器内发生微电解反应和置换反应：
阳极(Fe):Fe-2e→Fe2+
阴极(C):2H++2e→2[H]→H2
一方面，微电解反应产生新生态的氢和亚铁，能与水中的许多物质发生氧化还原反应，破坏络合物的结构，使其失去或降低与铜等重金属的络合能力，同时新生的Fe（OH）2与Fe（OH）3具有较高的絮凝、吸附活性，能吸附水中的分散小颗粒及有机分子而絮凝沉降下来，使废水进一步净化。另一方面，铁能与废水中的铜进行置换反应，铁把络合铜中的铜置换出单质铜。
2、典型工艺流程
铁炭微电解法具有适用范围广，处理效果好，适用寿命长，成本低廉，操作方便等优点，已在PCB络合废水处理中得到广泛应用。
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