用鐵炭微電解工藝處理含砷廢水試驗研究

王燦榮

(貴州紫金礦業股份有限公司，貴州 貞豐 562200)

鐵炭微電解工藝是依據金屬的腐蝕電化學原理，利用形成的微電池效應對廢水進行處理，又稱內電解法、鐵炭法、鐵屑過濾法、零價鐵法[1-3]。該工藝自20世紀60年代開始研究，但因鐵屑易成團結塊，廢水處理效果不佳，未能得到實際應用。此后，研究人員將鐵炭微電解工藝加以改進，并用于印染廢水處理，取得了較好效果[4-6]。鐵炭微電解工藝的原料可從工業廢料中得到，廢水處理成本低，且處理效果好，因此得到迅猛發展。近年來，該工藝在石油化工、電鍍、印染廢水及礦山含砷、氰廢水處理方面應用廣泛。隨著鐵炭工藝研究的深入，鐵炭微電解法處理廢水工藝也日趨成熟。

砷的毒性極強，含砷廢水的凈化及處理一直都是環境治理方面的重要課題[7-10]。目前較常用的除砷技術有鐵鹽法、硫化法、吸附法、離子交換法、生物法等[11-14]。其中：硫化法、生物法多用于處理高濃度工業廢水[15-16]；吸附法和離子交換法處理成本高，投資大，運營費用高，難以在礦山環境中用于處理礦山廢水[17-19]。鐵炭微電解工藝材料經濟廉價，運營成本低，去除效果好，但用于從礦山廢水中去除砷尚未見有報道[20-21]，所以，試驗研究采用鐵炭工藝對貴州某含砷廢水進行處理，通過考察各因素對砷去除率的影響，確定優化工藝條件。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

貴州某礦山含砷廢水，除砷超標外，其他元素都在排放標準限值之內，化學成分見表1。試驗所用鐵-炭參數見表2。

硫酸：工業級，純度95%。

表1 廢水多元素分析結果 mg/L

*.單位為g/L。

表2 試驗所用鐵-炭參數

1.2 分析方法

溶液中砷質量濃度采用原子熒光分光光度法測定。

1.3 試驗原理及方法

試驗原理：鐵炭微電解通過腐蝕電化學原理，利用形成的微電池效應產生的二價鐵離子在弱酸性并曝氣條件下被氧化成三價鐵離子。三價鐵離子在弱酸性或中性條件下生成吸附性極強的氫氧化鐵，其與砷形成共沉淀，凝聚后從溶液中將砷去除。基本反應如下：

陽極(Fe)，

陰極(C)，

有氧氣時，

試驗方法：取一定量含砷廢水，用硫酸調pH，根據砷質量濃度按比例加入一定質量鐵炭，曝氣，定期取樣，測定溶液中砷質量濃度。

2 試驗結果與討論

2.1 實驗室批次試驗

2.1.1廢水初始pH及曝氣時間對砷去除率的影響

試驗在2 L燒杯中進行。燒杯中加入0.5 L砷質量濃度0.22 mg/L廢水，分別用硫酸調初始pH為3、4、5、6。加入鐵炭50 g(HMT，以下未特別說明，均用此鐵炭)并曝氣，每隔10 min取樣過濾后測定砷質量濃度及pH。試驗結果見表2。可以看出：鐵炭氧化分解過程消耗氫離子，隨反應進行，廢水pH升高、砷質量濃度下降；初始pH=3的廢水經曝氣20 min，砷質量濃度降至檢測下限(<1.0 μg/L)以下，而初始pH=6的廢水經曝氣30 min，砷質量濃度為0.031 mg/L。適當降低初始廢水pH使呈弱酸性更有利于鐵炭氧化分解，提高砷去除率。

表2 廢水初始pH及曝氣時間對砷去除率的影響

2.1.2曝氣對砷去除率的影響

用1.5 m高的有機玻璃柱進行試驗。玻璃柱中加入砷質量濃度0.22 mg/L廢水10 L，用硫酸調初始pH=4，進行3組試驗。試驗1：只添加1 kg鐵炭，不曝氣，反應60 min；試驗2：添加1 kg鐵炭并曝氣60 min；試驗3：不加鐵炭，只曝氣60 min。反應完成后從沉降柱中取樣，測定砷質量濃度。各試驗平行5組，各次試驗結果見表3。

表3 曝氣對砷去除率的影響結果 mg/L

由表3看出：只用鐵炭處理不曝氣，廢水中砷質量濃度只降至0.17 mg/L，且反應速度緩慢；相比之下，添加鐵炭并曝氣，處理效果更好，廢水中砷質量濃度降至0.001 mg/L。可能的原因是，在酸性富氧條件下，鐵、砷電位差較大，電化學腐蝕速度較快，鐵形成絮狀氫氧化鐵，砷氧化為砷酸根，加快了吸附絮凝，進而沉淀析出。

2.1.3溶液砷質量濃度對鐵炭去除砷的影響

分別取砷質量濃度為0.22、0.55、1.03 mg/L的廢水各5 L，置于上述有機玻璃柱中，調pH=4。分別加入480 g鐵炭并曝氣。每間隔一段時間取少許水樣過濾并測定其中砷質量濃度，計算砷去除率。試驗共取樣9次，時間間隔及試驗結果見表4。

表4廢水砷質量濃度對砷去除率的影響

曝氣時間/min初始ρ(As)/(mg·L-1)0.220.551.03100.0750.2300.476200.0150.1500.663300.0060.1200.582500.0060.0430.350700.0040.0320.142900.0010.0180.0331100.0010.0010.0311300.0010.0010.0161500.0010.0010.001

由表4看出：廢水中初始砷質量濃度越高，曝氣處理至達標所需時間越長；初始砷質量濃度為0.22 mg/L時，曝氣20 min即可達標，而初始砷質量濃度為1.03 mg/L時，曝氣90 min才可達到排放標準。

2.1.4鐵炭類型對砷去除率的影響

分別取480 g不同廠家的鐵炭(TB、HMT、YX、LAT)放入上述有機玻璃柱中，加入砷質量濃度為0.22 mg/L的廢水5 L，曝氣一段時間后取樣測定廢水砷質量濃度，試驗結果見表5。反應完成后，過濾，觀察鐵炭結垢情況。將鐵炭酸洗24 h，觀察清洗后的鐵炭外觀。鐵炭結垢及清洗試驗結果見表6。

表5 鐵炭類型對砷去除率的影響 mg/L

表6 鐵炭結垢及清洗試驗結果

由表5、6看出，不同廠家的鐵炭形態、反應后結垢情況及砷處理能力有較大差別，鐵炭YX除砷效果較好，但酸洗后復原效果差。實際生產中，應根據具體廢水水質綜合考慮加以選擇。

2.2 實驗室連續試驗

根據以上結果進行實驗室連續試驗，驗證中性和弱酸性條件下用鐵炭工藝去除廢水中砷的效果。

試驗在22 cm×11 cm×15.5 cm自制反應器中進行。反應器分為反應槽、一級沉降槽和二級沉降槽3部分。設置蠕動泵進水速度，讓水在反應槽內的曝氣時間固定，處理后水樣溢流至一級沉降槽和二級沉降槽后排出。同時進行3組試驗：試驗1，廢水pH=4，曝氣時間20 min；試驗2，廢水pH=5，曝氣時間20 min；試驗3，廢水pH=6，曝氣時間30 min。反應槽內加入600 g鐵炭、750 mL廢水，廢水中砷質量濃度0.22 mg/L。曝氣一段時間后，打開蠕動泵，使廢水流入反應槽。連續反應后，定時取二級沉降槽的溢流分析砷質量濃度。試驗結果見表7。

表7 實驗室連續試驗結果

*.取樣時間是指連續試驗過程中，從溶液曝氣開始計時，連續取樣時間，與曝氣時間無關。

連續試驗結果(表7)很好地驗證了批次試驗結果：控制廢水pH在4～5之間，曝氣20 min可使溶液中砷質量濃度降至地表水標準以下；廢水pH=6時，曝氣30 min，也可使廢水中砷質量濃度低于0.05 mg/L。

3 結論

用鐵炭微電解工藝處理含砷廢水可有效去除其中的砷，處理后的廢水中砷質量濃度符合要求。在酸性條件下連續處理，控制廢水pH在4～5之間，曝氣時間20 min，可將廢水中砷質量濃度降至0.05 mg/L以下，達到排放標準。

降低廢水pH有利于鐵炭的氧化、分解，提高對含砷廢水的處理效果。鐵炭氧化分解過程消耗氫離子，使溶液pH升高，出水pH達到中性。

不同廠家生產的鐵炭形態、反應后結垢情況及砷處理能力有較大差別，需要根據實際水質加以篩選。