鐵炭微電解法預處理廢水的研究

宋青松

（靖江市青鳥科技有限公司，江蘇 泰州 214500）

1 實驗部分

1.1 廢水樣本

實驗廢水樣取自南通宏信化工苯酐生產車間。廢水中的主要成分是富馬酸，水質指標為：pH=40～5.0，CODCr=4 167 mg/L。

1.2 主要材料

鐵炭微電解主要材料是電極物質，即鐵屑和活性炭。這兩種材料皆由南通市永泰化學試劑廠提供。

1.3 預處理

活性炭預處理：用自來水清洗干凈，晾干，浸泡在所處理的廢水中24 h 以上，使之達到吸附飽和，以消除活性炭吸附作用對實驗結果產生的影響，烘干備用。

鐵屑預處理：實驗將鐵屑放入5%氫氧化鈉溶液中者沸15 min，以除去其表面的油污。然后用去離子水沖洗至中性并在烘箱中烘干，備用；用時以9%的鹽酸溶液酸洗去除氧化膜，當鐵屑表面呈銀白色金屬光澤，且用水浸泡時看不到水面有油花，此時可認為鐵屑活化完全，而后再用蒸餾水沖洗至中性[1-2]。

2 實驗數據分析

2.1 廢水pH 對微電解效果的影響

一般來說，進水pH 越低，電極反應進行得越快，處理效果越好。取6 份1 000 mL 廢水于6 只大燒杯中，用5%的NaOH 和9%的HCl 溶液調節pH 分別為2、3、4、6、8、10，同時保證各燒杯鐵炭質量比為4∶1，鐵屑用量15 g/L，室溫下設定曝氣量15 L/min，曝氣反應90 min 后測其CODCr值，實驗結果見圖1。

從圖1 可以看出，隨著pH 的升高，CODCr的去除效率逐漸降低，且當pH 處于酸性值范圍時，CODCr降解效率明顯較高，尤其是pH=2～3，CODCr去除率可達到45%。產生上述現象是由于微電解反應電極電位受體系pH 的影響，低pH 可以提高氧化還原反應的電極電位差，促進微電解反應的進行，從而能夠產生較多的[H]，增強有機物降解效果。

圖1 廢水初始pH 對CODCr 去除率的影響

但是，pH 不是越小越好。低pH 需要大量的酸，pH 越小，調節pH 用酸量越大，運行成本增加；低pH會造成鐵的消耗量增加，水中鐵離子溶出量增高，在形成鐵的氫氧化物時會產生大量的污泥，增加處置成本。綜合考慮，鐵炭微電解處理有機廢水的初始pH應控制在3.0 左右。

2.2 反應時間對微電解效果的影響

時間參數初步確定在20 min～150 min 范圍內。分別取6 份1 000 mL 的廢水于6 只大燒杯中，調節pH=3.0，加鐵屑15 g/L，加炭并保證m（Fe）∶m（C）=4∶1，室溫，曝氣量15 L/min，反應時間設定依次為20、40、60、90、120、150 min。實驗結果見圖2。

圖2 反應時間t 對廢水CODCr 去除率的影響

根據圖2 可知，隨著反應時間的延長，CODCr的去除率逐漸增大。在前90 min 內，曲線上升的趨勢快，即CODCr降解的速度加快。這是因為，在反應開始的時間段，反應器中鐵炭的含量和氧氣量充足，且溶液酸性較強，微電解反應速度快，因而[H]能夠快速產生，使得CODCr降解效率增高；從90 min 開始，曲線上升的趨勢減緩，100 min 時CODCr去除率達到一個峰值，約48%之后，廢水中有機物含量減少，有機物濃度梯度降低，反應的推動力下降。又由于曝氣充氧的作用，微電解反應產生的OH-中和了水中部分H+，使溶液pH 上升，酸性減弱，電極電位差降低，也不利于反應的繼續進行。因此，反應時間應控制在100 min 左右。

2.3 鐵炭質量比對微電解效果的影響

有學者研究，鐵炭微電解處理有機廢水最佳m（Fe）∶m（C）=4∶1。實驗以m（Fe）∶m（C）=4∶1 為參照，在2～8 比值范圍內分別設定為2、3、4、5、6、8，調 節pH=3，加人鐵屑量15 g/L，于室溫下曝氣反應100 min，曝氣量15 L/min，實驗結果見圖3。

圖3 鐵炭質量比對廢水CODCr 去除率的影響

由圖3 可看出，CODCr去除率受炭鐵質量比的影響不是很大，在炭鐵質量比為2∶1 至3∶1 范圍內，隨著炭鐵質量比的增大，CODCr去除率也相應升高，炭鐵質量比為3∶1 時去除率達到最大，約為51%，隨后又開始減小。

在炭鐵質量比較小時，鐵量相對于炭較少，電極反應減弱，陽極供給電子量少，陰極不能得到充分的電子，[H]產出量下降，影響有機污染物的降解，因而CODCr去除率較低。隨著鐵炭比的增大，電子供給不足的狀況得到改善，表現為CODCr去除率增大，在比例為3∶1 時達到峰值。繼續增大鐵炭比，鐵出現過量，[H]產量過多，出現[H]局部過密的情況，過多的[H]相互作用生成氫氣放出，攪動先前絮凝沉淀下來的顆粒物，使其重新懸浮，絮凝體遭到破壞，CODCr去除率下降。因此，鐵炭質量比取3 為宜。

2.4 鐵用量對微電解效果的影響

鐵屑用量是鐵炭微電解工藝的一個重要因素，有研究者得出最佳鐵屑用量為15 g/L。本實驗設定鐵屑投加量依次為5、10、15、20、30、40 g/L 調節pH=3.0，投加鐵和炭并保證m（Fe）∶m（C）=3∶1，反應100 min，曝氣量為15 L/min。實驗結果見圖4。

圖4 鐵含量對廢水CODCr 去除率的影響

從圖4 可看出，當鐵屑用量低于20 g/L 時，隨著鐵含量增加，有機物的降解效率逐漸增高；鐵屑用量高于20 g/L 時，繼續加鐵，曲線上升幅度減小，CODCr去除率變化減緩，約在25 g/L 時達到一個峰值；之后再增加鐵屑用量，CODCr去除率變化甚微。

根據鐵炭微電解的原理可知，微電解反應的進行離不開陽極鐵釋放電子[3-5]。當鐵屑用量不足時，原電池數量少，電子釋放速度緩慢，產H 速度降低，電解反應受到影響，CODCr去除率偏低。若適當地增加鐵含量，原電池數量增加，反應繼續進行，有機物將進一步得到降解。這便是曲線前段部分上升較快的原因。但是，鐵含量過大時，由于鐵炭比值不變，炭量也過大，導致反應體系固液比過大，傳質阻力增加，使整個反應受阻，導致CODCr去除率升高緩慢。綜上所述，對于每升廢水投加鐵屑量25 g 即可。

2.5 曝氣量對微電解效果的影響

本實驗考察了不同曝氣條件下鐵炭微電解法對有機廢水CODCr去除率的影響。有學者研究得出最佳曝氣量為15 L/min 本實驗以此值為參照，設定了6 組曝氣參數，而其他條件的設定皆為優化條件。

由實驗數據可知，與非曝氣相比，曝氣有利于CODCr的去除，且曝氣量越大，微電解效果越好，CODCr的去除率越高。其原因為：一是相比于非曝氣，曝氣條件下，氧的分壓大，電極電位高，反應體系的驅動力增大，CODCr去除率提高。二是曝氣起到了攪拌作用，攪拌有利于鐵炭與房水中污染物充分接觸，能減弱濃差極化，加快鐵表面更新和固液傳質，便于后續混凝過程對CODCr的去除。但曝氣量不能太高，否則一會造成浪費，增加成本；二會導致鐵離子溶出量增高，這在形成Fe 的氫氧化物時會產生大量的污泥，增加處置成本。綜上所述，曝氣量以10 L/min 為宜。

3 結論

采用鐵炭微電解技術預處理富馬酸廢水是可行的，其優化工藝條件為：廢水初始pH=3.0，曝氣反應時間t=100 min，鐵屑投加量為25 g/L，m（Fe）∶m（C）=3，曝氣量10 L/min。且在此條件下，廢水CODCr的去除率達到55.92%。酸性條件及曝氣條件有利于鐵炭微電解運行效果的提高，但并不是pH 越低越好，不同種類的廢水有不同的最適酸堿度。