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鐵碳微電解廢水處理工藝

文章出處:管理員 人氣: 發表時間:2018-11-17 10:01
 

隨著工業化和城市化的快速發展,各種難治理廢水的排放也日益增加,對水環境和人類健康構成很大的威脅。因此,處理難治理廢水的高效技術亟待開發。在眾多預處理技術中,鐵碳微電解可以實現以廢治廢的目標,被認為是環境友好和綠色型預處理技術,是大多數高濃度難降解廢水預處理的首選技術。該技術的研究從20世紀60年代開始,20世紀70年代前蘇聯研究人員把該技術成功用於印染廢水的處理,20世紀80年代引入中國。微電解法利用鐵和碳在反應中形成具有較強還原能力的亞鐵離子,去還原某些氧化態的有機物,並使得部分有機物開環裂解,從而達到提高廢水可生化性的目的。

 

 

 

1原理

 

化學電位的金屬和非金屬置於導電性較好的廢水中,利用低電位的Fe和高電位的C在廢水中所產生的電位差,形成無數的原電池,由此引起一係列作用並用於工業廢水處理。目前微電解技術處理汙染物的主要反應涉及到電極反應、鐵還原作用以及吸附和絮凝作用等。微電解產生的新生態Fe2+具有較強的還原能力,可破壞發色基團的結構而降低色度,並且使部分難降解環狀和長鏈有機物分解成易生物降解的小分子有機物,從而提高廢水的可生化性;同時通過電極反應得到的新生態H+也具有較強的活性,也可改變有機物發色基團和助色基團的分子結構,如使偶氮鍵破裂、大分子分解為小分子、硝基化合物還原為氨基化合物,從而達到脫色的目的。在有氧和接近中性條件下時,Fe2+和Fe3+與水中的OH-結合形成Fe(OH)2和Fe(OH)3,新生態的Fe(OH)2和Fe(OH)3具有較強的吸附能力,能吸附廢水中的懸浮物顆粒、部分有色物質以及微電解產生的部分不溶物,絮凝成團後沉澱,起到了較好的絮凝作用。再對微電解出水進行Fenton處理,可提高對廢水中有機物的去除效果。

 

 

 

2、影響因子

 

當前,對鐵碳微電解技術預處理廢水效果的影響因子的研究主要包括停留時間、廢水pH、鐵碳體積比和鐵水質量比等。

2.1停留時間

停留時間是影響鐵碳微電解處理效果的最重要因素之一,且不同工業廢水對停留時間的要求也各不相同,差距較大,短則30min,長則3h以上。但是停留時間並非越長越好。一般來說,延長停留時間可增加鐵的溶解量,而溶液中Fe2+、Fe3+量的增加將有助於有機物的降解和絮凝效果的增強;但延長停留時間過長將導致鐵屑表麵鈍化,在鐵的表麵形成一層致密的氧化膜,阻礙了鐵碳微電解的繼續進行,表現為COD的去除率穩定在一定範圍內,甚至出現下降。

2.2廢水pH

趙美霞對精製棉廢水(廢水與鐵屑的體積比為3∶1、停留時間30min、廢水初始pH分別為1、3、5、7、9)的鐵碳微電解處理效果的對比研究結果表明,隨著pH的增加,COD去除效果逐漸降低,在pH=1時去除效果最佳,綜合考慮,選擇廢水初始pH=3為佳。張博對不同pH條件下的高濃度有機廢水鐵碳微電解處理效果也進行過類似研究,在反應時間為45min、鐵水比1∶6、鐵碳比1∶1的條件下,設計了pH分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0共9個梯度的對比試驗,其結果表明,以pH=3.5處理效果最優,COD去除率達到62%。

2.3鐵碳體積比

鐵碳比相近,能形成的原電池數量更多,電勢增加有利於微電解反應的進行。現有開展鐵碳體積比對廢水處理效果影響的研究報道大多選擇以1∶1為較優。

2.4鐵水質量比

鐵水質量比高低直接關係到在酸性條件下溶出Fe2+在微電解反應體係中的濃度,而反應體係中Fe2+濃度是影響微電解反應速率以及降解率的主要參數。由於各廢水成分不同,實際應用中需先進行小試確定合適的鐵水質量比。

2.5曝氣量

曝氣能夠增加廢水中的溶解氧含量,同時增加鐵屑與碳粒的充分接觸,有利於微電解反應的進行,能提高COD去除率,減少鐵碳的板結現象。曝氣對微電解處理效果有良好的促進作用。

 

 

 

3、改進技術

 

近年來,微電解新技術研發及其與Fenton法、超聲法和生物法等聯合技術的應用廣受關注,並已在一定程度上改善了鐵碳微電解法存在的鐵碳易板結、汙水處理不徹底等不足,促進了微電解技術在工業廢水中的廣泛應用。

3.1新技術

在微電解技術改進方麵,主要是通過改變填料結構或者改變微電解的電極,優化工藝設計等方式。如趙懷穎等利用倒極微電解廢水處理裝置,通過在鐵碳填料兩端添加微弱電壓並且不斷變換正負電極,利用外加電壓產生的雜散電流減緩鐵碳填料的鈍化速度,用該方法處理染料廢水在很大程度上提高了染料的脫色率,同時也將酸洗周期延長3倍。

3.2聯合技術

鐵碳微電解在實際應用聯合技術方麵,其與超聲法、Fenton法、沉澱法、生物法等技術的耦合,提高了廢水處理效果。    

HainingLiu等在鐵碳微電解基礎上采用超聲輔助手段降解偶氮染料酸性橙7(AO7)的試驗結果表明,超聲-鐵碳微電解處理染料廢水的色度、TOC去除率分別達到80%、57%,而單獨采用微電解法色度、COD去除率僅34%、28%,超聲單獨處理則無明顯變化,說明超聲波與鐵碳微電解耦合具有明顯的協同效應。

段寧等利用鐵碳微電解—絮凝沉澱複合工藝來處理原始COD為14689mg/L、BOD5為2729mg/L的高濃度化工廢水,總COD去除率達72%,其中第一步微電解處理的COD去除率為45%,第二步絮凝沉澱處理的COD去除率為49%,廢水的可生化性從原來的0.18提高到0.38。

張樂觀等利用Fenton法和鐵碳微電解耦合法處理初始COD為6000mg/L的難生化降解土黴素廢水,結果表明,單一鐵碳微電解處理廢水COD去除率為40%;微電解後的出水投加220mg/L H2O2經Fenton法深度處理50min,其廢水COD去除率可以達到75%。

XiaoyiYang等利用活性汙泥與微電解聯合工藝對紡織廢水進行處理,結果表明,該工藝與傳統的活性汙泥法和微電解法相比具有很多優點,如COD去除率高、處理汙染物的種類多,同時大範圍的pH變化對該工藝的影響也較小。

 

 

 

4、結語與展望

 

4.1存在問題

微電解工藝因具有投入低、操作簡單、占地麵積小、普適性強等特點,現已應用於焦化、染料、製藥、石油、造紙等多個產業領域的廢水處理,並已取得了較好的效果。

鐵碳微電解技術與其他汙水處理技術相比,具有處理效率高、運行成本低、操作簡便等優點,同時還能利用生產中剩餘的鐵屑材料實現以廢治廢的目的,具有廣闊的應用前景。但由於針對不同工業廢水所采用的處理工藝差異較大,且大部分研究還處在實驗室研究階段,目前鐵碳微電解技術主要麵臨以下四大難題。

(1)對於微電解技術如何降解廢水中的有機汙染物的機理還有待明確。

(2)鐵碳顆粒易板結以及鐵屑的表麵鈍化問題。鐵碳微電解裝置經過長時間的運行處理後,其內部的鐵屑與碳粒易板結成塊,且鐵碳微電解填料裝置越高,其結塊效應越明顯,同時可能出現溝流現象。此外,鐵屑在溶液中因氧化還原導致其表麵鈍化,降低微電解效果。

(3)鐵碳微電解處理出水的鐵離子含量較高問題。由於微電解裝置大部分都是在弱酸性條件下進行的反應,所以其溶出的總鐵離子濃度較高,增加了後續處理難度和固體廢棄物數量。

(4)隻能在酸性條件下才能發揮較好的作用。鐵碳微電解技術幾乎隻有在酸性條件下才能發揮作用,所以在處理堿性廢水時需要投加大量的酸,會造成處理成本過高等問題。

4.2 展望

為了能突破鐵碳微電解技術難點,拓寬其應用領域,還需對微電解技術進行深入研究,力爭在以下3個方麵取得突破性進展。

(1)對鐵碳微電解反應機理進行深入探究,利用相關技術,對微電解的複雜機理進行剖析和探究,尋找其動力方程式,為揭示鐵碳微電解技術的機理提供更多的理論依據。

(2)改進鐵碳微電解裝置的內部結構和操作方式,使得微電解反應體係的廢水處理效率更加穩定,減弱鐵碳填料的結塊效應。

(3)將微電解技術同其他技術耦合聯用起來。單一的微電解技術在處理廢水方麵還有一些不足,需要和其他廢水處理技術相結合,比如超聲技術、Fenton技術等,提高廢水的處理效果,同時降低處理成本。

(4)尋找替代鐵的材料,使得微電解技術在中性或偏堿性廢水中得到應用,降低處理成本。