電化學反應的氧化還原。
鐵屑對絮體的電附集和對反應的催化作用。電池反應產(chǎn)物的混凝，新生絮體的吸附和床層的過濾等作用的綜合效應的結(jié)果。其中主要作用是氧化還原和電附集，廢鐵屑的主要成分是鐵和碳，當將其浸入電解質(zhì)溶液中時,由于Fe和C之間存在1.2V的電極電位差,因而會形成無數(shù)的微電池系統(tǒng),在其作用空間構(gòu)成一個電場，陽極反應生成大量的Fe2+進入廢水,進而氧化成Fe3+,形成具有較高吸附絮凝活性的絮凝劑。陰極反應產(chǎn)生大量新生態(tài)的[H]和[O],在偏酸性的條件下,這些活性成分均能與廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原反應,使有機大分子發(fā)生斷鏈降解,從而消除了有機物尤其是印染廢水的色度,提高了廢水的可生化度,且陰極反應消耗了大量的H+生成了大量的OH-,這使得廢水的pH值也有所提高。
當廢水與鐵碳接觸后發(fā)生如下電化學反應:
陽極:Fe-2e-→Fe Eo(Fe/Fe)=0.4
陰極:2H++2e-→H2 Eo(H+/H2)=0V
當有氧存在時,陰極反應如下:
O2+4H++4e-→2H2O Eo(O2)=1.23V
O2+2H2O+4e-→4OH- Eo(O2/OH-)=0.41V
有試驗在鐵碳反應后加H2O2，陽極反應生成的Fe2+可作為后續(xù)催化氧化處理的催化劑,即Fe2+與H2O2構(gòu)成Fenton試劑氧化體系。陰極反應生成的新生態(tài)[H]能與廢水中許多組分發(fā)生氧化還原反應,破壞染料中間體分子中的發(fā)色基團(如偶氮基團),使其脫色。通過鐵碳曝氣反應,消耗了大量的氫離子,使廢水的pH值升高,為后續(xù)催化氧化處理創(chuàng)造了條件。
催化氧化原理 向廢水中投加適量的H2O2溶液與廢水中的Fe2+組成試劑,它具有極強的氧化能力,特別適用于難降解有機廢水的治理。Fenton試劑之所以具有極強的氧化能力,是由于HO被Fe催化分解產(chǎn)生·OH(羥基自由基)。
生化性能改善和色度去除的機理
微電解對色度去除有明顯的效果。這是由于電極反應產(chǎn)生的新生態(tài)二價鐵離子具有較強的還原能力,可使某些有機物的發(fā)色基團硝基-NO2 、亞硝基-NO 還原成胺基-NH2 ,另胺基類有機物的可生化性也明顯高于硝基類有機物;新生態(tài)的二價鐵離子也可使某些不飽和發(fā)色基團(如羧基-COOH、偶氮基-N=N-) 的雙鍵打開,使發(fā)色基團破壞而除去色度,使部分難降解環(huán)狀和長鏈有機物分解成易生物降解的小分子有機物而提高可生化性。此外,二價和三價鐵離子是良好的絮凝劑,特別是新生的二價鐵離子具有更高的吸附-絮凝活性,調(diào)節(jié)廢水的pH 可使鐵離子變成氫氧化物的絮狀沉淀,吸附污水中的懸浮或膠體態(tài)的微小顆粒及有機高分子,可進一步降低廢水的色度,同時去除部分有機污染物質(zhì)使廢水得到凈化。
微電解處理廢水自誕生以來，便引起國內(nèi)外環(huán)保研究學者的關(guān)注，并進行了大量的研究!已有很多專利和實用技術(shù)成果。最近幾年，微電解處理工業(yè)廢水發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已用于印染、電鍍、石油化工、制藥、煤氣洗滌、印刷電路板生產(chǎn)等工業(yè)廢水及含砷、含氟廢水的處理工程，并收到了良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效果。微電解工藝對廢水的脫色有良好處理的效果，且以廢治廢，運行費用低，因此在我國將具有良好的工業(yè)應用前景。
目前國內(nèi)外微電解設備均是固定床，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，推流性好，但存在不少實用性問題:一是效率不高，反應速度不快;二是床體易板結(jié)，造成短路和死區(qū);三是鐵屑補充勞動強度大。
內(nèi)電解法處理工業(yè)廢水中存在的問題
內(nèi)電解法對不同結(jié)構(gòu)，不同性質(zhì)的染料的作用機理各異，需進一步探討脫色降污作用機理及最佳處理工藝。根據(jù)各類染料的特點，尤其處理高濃度廢水時，需找出與混凝法、生化法、曝氣氧化法等配合的適宜工藝，有效克服該法去除率偏低的缺點。
在解決酸性廢水電化腐燭速率高而中性偏酸廢水電極吸附及新生鐵離子水解、絮凝效果好這矛盾。篩選有效催化劑、助劑使之能在較廣PH范圍內(nèi)發(fā)揮電化腐燭及絮凝吸附最佳效果。尤其是在酸性廢水中，雖脫色率較高，但鐵溶出量大，污泥量亦大。要采取有效措施盡量減少污泥量，減低污泥含水率以避免產(chǎn)生二次污染。 選擇合適的鐵屑活化方法，設計合理的過濾床，解決鐵屑易鈍化、易結(jié)塊從而出現(xiàn)溝流等弊端.提高處理效率。
問題及對策
鐵床作為一種廢水處理裝置，目前無論從理論上還是從實踐上來講，都有待進一步完善和改進。在實際運行中，常會出現(xiàn)填料鈍化、板結(jié)以及出水"返色"等現(xiàn)象，這是在實際工程中必須妥善解決的問題。
1)關(guān)于填料鈍化問題
鐵床經(jīng)過一段時間的運行后，填料表面會形成鈍化膜，廢水中的懸浮顆粒也會部分沉積在填料表面上，這樣就阻隔了填料與廢水的有效接觸，導致鐵床處理效果降低。鐵床的運行周期應通過實際運行確定，一般為20 d左右，浸洗活化時間可采用2-3 h。
2)關(guān)于填料板結(jié)問題
鐵床填料的板結(jié)除了導致鐵床內(nèi)部廢水流態(tài)惡化致使處理效果降低外，還會使填料更換的難度大大增加。
通過在鐵床填料中加入適當?shù)妮o料可以有效避免填料出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，同時也有利于氣、液、固硯相充分接觸，提高處理效果。輔料可選用X50聚乙烯多面空心球。
采用流化床裝置也能較好地解決鐵床填料的板結(jié)問題。但高的投資費用、運行費用及操作管理要求使此種裝置的應用受到一定限制。
鐵碳內(nèi)電解柱運行一段時間后,鐵屑易結(jié)塊,出現(xiàn)溝流等現(xiàn)象,大大影響了處理效果。目前吳全義等采用鐵屑高頻結(jié)孔技術(shù)可有效防止鐵屑結(jié)塊現(xiàn)象的發(fā)生,但此技術(shù)有待進一步的研究和完善。
采用鐵、炭流化床反應器對染料廢水進行預處理,克服了固定床鐵炭反應器表面易鈍化、填料易結(jié)塊及運行效果隨運行時間的延長而逐步降低的不足。
在對反應器內(nèi)部結(jié)構(gòu)作適當調(diào)整后,可以方便地將傳統(tǒng)的固定床工藝改造為流化床工藝。這樣,不僅可提高預處理效果,而且大大方便了設施操作和運行管理。
3)關(guān)于鐵床出水"返色"問題
一些染料廢水經(jīng)鐵床脫色后，在較短時間內(nèi)出現(xiàn)顏色逐漸加深的現(xiàn)象。關(guān)于這種"返色"現(xiàn)象的原因，普遍認同的觀點是:鐵床填料和廢水反應，破壞了染料分子的發(fā)色或助色基團，但染料分子只是轉(zhuǎn)變成了無色的小分子有機物，仍舊存在于廢水中，這些小分子有機物具有一定的逆反應趨勢。但通過實驗作者發(fā)現(xiàn)，對于一些類型的染料廢水，當中和沉降pH值為8-8 . 5時，這種"返色"現(xiàn)象除表現(xiàn)在廢水顏色逐漸加深外，廢水還會逐漸變渾濁，較長時間靜置后，會出現(xiàn)少量較深顏色的沉淀物。經(jīng)分析，此為Fe (OH)3沉淀。這種現(xiàn)象很容易解釋:Fe2+被氧化成了Fe3+，而它們的水解產(chǎn)物Fe(OH )2和Fe(OH ) 3的溶度積常數(shù)相差1021倍以上。
基于以上分析，作者認為，F(xiàn)e2+末完全去除會在一定程度上加劇這種"返色"現(xiàn)象。因此，解決鐵床出水"返色"問題，除應考慮在后續(xù)處理工藝中徹底脫除發(fā)色母體外，還應在中和沉降時調(diào)節(jié)pH值至9以上，使Fe2+完全沉淀或加人適當?shù)难趸瘎?如O2、H2O2和O3等)使Fe2+迅速被氧化成Fe3+后以Fe (0H)3膠體形式析出。
4)鐵碳法通常是在酸性條件下進行的,但酸性條件下,溶出的鐵屑量大,加堿中和時產(chǎn)生的沉淀物多,增加了脫水工序的負擔,而且廢渣的處理也成了問題。目前一般將廢渣送至煉鐵廠處置或摻合制作建筑材料。
鐵碳微電解注意事項:
1、微電解填料在使用前注意防水防腐蝕，運行一旦通水后應始終有水進行保護，不可長時間曝露在空氣中，以免在空氣中被氧化，影響使用;
2、微電解系統(tǒng)運行過程中應注意合適的曝氣量，不可長時間反復曝氣;
3、微電解系統(tǒng)不可長時間在堿性條件下運行;
4、其它注意事項可據(jù)微電解發(fā)應基礎原理。油脂類廢水必須先隔油。
5、對于一些特殊廢水，鐵碳微電解工藝僅僅能起到破鏈的作用，即把大分子鏈破解為稍小的小分子鏈物質(zhì)，COD這時會不降反升，對于這種情況，后續(xù)采取芬頓工藝作為補充，會起到更好的電解效果。
鐵碳微電解應用廢水的種類:
鐵碳微電解針對有機物濃度大、高毒性、高色度、難生化廢水的處理,可大幅度地降低廢水的色度和COD，提高B/C比值即提高廢水的可生化性;可廣泛應用于印染、化工、電鍍、制漿造紙、制藥、洗毛、農(nóng)藥、酒精等各類工業(yè)廢水的處理及處理水回用工程。
⑴ 染料、印染廢水;焦化廢水;石油化工廢水;橡膠助劑廢水。
-----上述廢水在脫色的同時，處理水中的BOD/COD值顯著提高。
⑵ 石油廢水;皮革廢水;造紙廢水、木材加工廢水。
-----上述廢水處理水后的BOD/COD值大幅度提高。
⑶ 電鍍廢水;印刷廢水;采礦廢水;其他含有重金屬的廢水。
-----可以從上述廢水中去除重金屬。
⑷ 有機磷農(nóng)業(yè)廢水;有機氯農(nóng)業(yè)廢水。
-----大大提高上述廢水的可生化性，且可除磷，除硫化物。
