李子軒，王繼全

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,武漢 430070;2.湖北省工程咨詢股份有限公司,武漢 430070)

隨著工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展，各種工業(yè)廢水的排放量不斷增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康都造成了很大的影響。因此，我們需要研究更加高效、經(jīng)濟(jì)的工業(yè)廢水處理技術(shù)。鐵碳微電解技術(shù)是一種有機(jī)廢水預(yù)處理工藝，能夠處理多種高濃度、難降解的工業(yè)廢水，并提高廢水的可生化性，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”的目標(biāo)，被認(rèn)為是一種綠色型、環(huán)境友好型的預(yù)處理技術(shù)[1]。該技術(shù)是利用處于溶液中鐵碳材料存在點(diǎn)位極差，金屬鐵經(jīng)過(guò)腐蝕而構(gòu)成無(wú)數(shù)個(gè)微原電池，這些微原電池產(chǎn)生大量的電子和活性還原物質(zhì)，能夠還原廢水中的無(wú)機(jī)污染物和有機(jī)污染物，形成膠體粒子，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)吸附、絮凝、沉淀等作用進(jìn)行凈化，將水體中的污染物進(jìn)行分離，從而達(dá)到去除污染物的目的[2]。由于該技術(shù)能夠較好地處理濃度高、難降解、可生化性差的有機(jī)廢水，且具有處理成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用到各種難治理廢水的預(yù)處理階段。文章介紹了鐵碳微電解技術(shù)的作用機(jī)理，綜述了鐵碳微電解技術(shù)的研究進(jìn)展并總結(jié)了鐵碳微電解技術(shù)在處理工業(yè)廢水中的應(yīng)用。

1 鐵碳微電解技術(shù)的作用機(jī)理

鐵碳微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水主要是通過(guò)原電池反應(yīng)、氧化還原、絮凝、吸附沉淀和微電場(chǎng)附集效應(yīng)等同時(shí)作用來(lái)對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行降解。

1.1 原電池反應(yīng)

在電解質(zhì)溶液中，鐵與活性炭同時(shí)混合存在，就會(huì)形成大量的微原電池。

鐵作為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)

Fe-2e-→ Fe2+E(Fe/Fe2+)= 0.44 V

(1)

Fe2+- e-→ Fe3+，E0(Fe3+/Fe2+)=+0.77 V

(2)

碳作為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，當(dāng)條件不同時(shí)，陰極產(chǎn)物也不相同。

厭氧條件反應(yīng)為 2H++ 2e-→ H2，E0(H+/H2)=0

(3)

酸性有氧條件反應(yīng)為 O2+4H++4e-→ 2H2O，E0(O2/H2O)=+1.23 V

(4)

O2+2H++2e-→ H2O2，E0(O2/H2O2)=+0.68 V

(5)

中性、弱堿性有氧條件反應(yīng)為

O2+2H2O+4e-→ 4OH-，E0(O2/OH-)=+0.40 V

(6)

從不同反應(yīng)條件下進(jìn)行的不同反應(yīng)可以看出，酸性有氧條件下陰極的反應(yīng)電勢(shì)大于厭氧條件和中性、堿性條件下的陰極反應(yīng)電勢(shì)，表明在酸性有氧條件下反應(yīng)速率更快。

1.2 氧化還原

Fe表面以及反應(yīng)中生成的Fe2+和[H]都有很強(qiáng)的活性。這些分子的存在改變了廢水中有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，因此能夠很好地對(duì)廢水進(jìn)行處理，達(dá)到降解有機(jī)物的目的。

1.3 絮凝、吸附沉淀

微電解過(guò)程中產(chǎn)生的Fe2+和Fe3+進(jìn)一步生成氫氧化物膠體，能夠作為絮凝劑吸附廢水中的懸浮物，使得污染物沉淀，達(dá)到去除污染物的效果。同時(shí)，這些離子會(huì)與廢水中的部分無(wú)機(jī)物反應(yīng)生成沉淀，從而達(dá)到去除無(wú)機(jī)物的效果。如Fe2+和Fe3+與S2-、CN-等反應(yīng)生成FeS、Fe3[Fe(CN)6]2、Fe4[Fe(CN)6]3等。

1.4 電場(chǎng)作用

鐵碳微電解體系中，陰極與陽(yáng)極之間會(huì)產(chǎn)生微電場(chǎng)，微電場(chǎng)的作用隨著兩極電位差的增大而增強(qiáng)。廢水中的帶電粒子、膠體粒子以及部分粒徑較小的污染物會(huì)在微電場(chǎng)作用下朝著帶相反電荷的電極移動(dòng)，隨后附集在電極上進(jìn)行沉淀，從而去除部分有機(jī)物。

2 鐵碳微電解技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1 傳統(tǒng)鐵碳微電解法

傳統(tǒng)鐵碳微電解法處理成本低，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，目前廣泛運(yùn)用于降解工業(yè)廢水的預(yù)處理階段。鄒東雷等利用制備的新型鐵碳微電解規(guī)整化填料，處理含有苯系污染物的地下水，苯系物去除率可達(dá)80 %以上。Luo等[3]研究發(fā)現(xiàn)，鐵碳微電解體系對(duì)硝酸鹽的還原效率相比單獨(dú)零價(jià)鐵體系提高了63%。

傳統(tǒng)鐵碳微電解法也常用于污泥處理、重金屬去除等方面。羅發(fā)生等采用鐵碳微電解法處理制銅廢水，結(jié)果表明，Cu2+、Pb2+、Zn2+的最高去除率分別可達(dá)到95.6%、91.8%和70.9%。Ning等[4]采用鐵碳微電解法處理印染污泥，結(jié)果表明，污泥中的胞外聚合物被破壞，處理后提高了污泥的脫水性能，污泥的絮體結(jié)構(gòu)也得到了改善。

傳統(tǒng)鐵碳微電解法對(duì)處理低濃度廢水同樣適用。蔣夢(mèng)然等采用鐵碳微電解法深度處理印染廢水，結(jié)果表明，該技術(shù)不僅去除了廢水中的COD(化學(xué)需氧量)，還減弱了廢水毒性。

2.2 改性微電解法

傳統(tǒng)鐵碳微電解法雖然能夠?qū)I(yè)廢水進(jìn)行處理，但處理效果不能達(dá)到廢水的排放要求，因此需要對(duì)傳統(tǒng)鐵碳微電解法進(jìn)行改進(jìn)。部分學(xué)者在傳統(tǒng)鐵碳微電解體系中加入Al、Cu、Zn等金屬對(duì)其改性，增加溶液中原電池的數(shù)量，提高催化反應(yīng)的速率，從而達(dá)到提高廢水處理效果的目的[5]。楊曉明等利用少量的羧甲基纖維素鈉和燒結(jié)而成的鋁碳粒，采用鋁碳微電解法降解酸性品紅模擬廢水，在鋁碳質(zhì)量比1∶1、廢水pH 10～11、焙燒溫度在1 000 ℃的條件下焙燒2 h，結(jié)果表明，COD去除68.2%，色度去除90%。李彤等將錳粉加入到傳統(tǒng)鐵碳微電解材料中，制備出鐵錳碳改性微電解材料，并將其用于處理1 000 mg/L的模擬對(duì)苯二酚廢水，對(duì)苯二酚去除率可達(dá)到95.55%。相比鐵碳材料，鐵錳碳材料的去除效果有很大的提高，并且能夠拓寬廢水pH的適用范圍[6]。

3 鐵碳微電解技術(shù)在處理工業(yè)廢水中的應(yīng)用

3.1 印染廢水處理

印染廢水有機(jī)物含量高、含鹽量高、色度大、成分復(fù)雜、可生化性差，并且具有毒性，是難處理廢水之一。利用鐵碳微電解技術(shù)對(duì)印染廢水進(jìn)行處理，具有高效、處理成本低、二次污染小等特點(diǎn)[7]。張鍵等采用鐵和碳流化床反應(yīng)器，對(duì)色度為1 500倍、CODCr為3 750 mg/L的原廢水進(jìn)行處理。結(jié)果表明，廢水色度去除90%，CODCr去除77%。

3.2 醫(yī)藥廢水處理

制藥過(guò)程由于藥品種類多、制藥工序不同，因此產(chǎn)生的制藥廢水具有成分復(fù)雜、有毒性、可生化性差等特點(diǎn)。將鐵碳微電解法用于處理醫(yī)藥廢水取得了較好的效果。Xu等[8]利用鐵碳微電解技術(shù)聯(lián)合Fenton體系處理CODCr為15 000 mg/L的類膽固醇激素生產(chǎn)廢水，在初始pH值為4、填料廢水體積比為1∶1、氣水比為10∶1的條件下反應(yīng)180 min，CODCr去除了31.8%，B/C(BOD5(生化需氧量)/COD，表示廢水的可生化降解特性)提高了70%，F(xiàn)enton反應(yīng)中CODCr去除了30.1%，B/C提高到0.59。

3.3 電鍍廢水處理

電鍍廢水中存在大量的有毒金屬離子，污染物種類多，且不同工藝產(chǎn)生的電鍍廢水所含有的重金屬離子不同。鐵碳微電解技術(shù)因其處理電鍍廢水效果較好且不產(chǎn)生二次污染而得到廣泛應(yīng)用[9]。Wang等[10]應(yīng)用新型的超重力電化學(xué)反應(yīng)器使廢水中的金屬離子更好地混合，達(dá)到加快反應(yīng)速度的目的。在外加電流10 mA/cm2、初始pH為11、轉(zhuǎn)速為200 r/min的條件下，Cu2+、Cr6+、Ni2+的去除率分別為99.54%、97.85%和98.37%。

3.4 飲用水處理

目前，鐵碳微電解技術(shù)在飲用水除Cr6+、硝酸鹽等方面有相關(guān)研究。李春霞對(duì)利用鐵碳微電解技術(shù)去除飲用水中濃度為1 mg/L的Cr6+進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在鐵碳質(zhì)量比7∶3、固液比為14∶100、25 ℃的條件下，Cr6+可去除95%左右。

4 結(jié) 論

鐵碳微電解技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的水處理技術(shù)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、適用范圍廣、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于處理印染廢水、醫(yī)藥廢水等行業(yè)廢水。在此綜述中，鐵碳微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水的反應(yīng)機(jī)理對(duì)新型微電解技術(shù)的研究和與其他工藝聯(lián)合的實(shí)際應(yīng)用都有意義。因此，在未來(lái)的研究中，需要尋求與其他工藝聯(lián)用的方案和新型微電解材料，在提高處理效果的基礎(chǔ)上降低成本，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。