微電解塔

一、簡(jiǎn)介
微（內(nèi)）電解法是利用鐵–碳粒料在電解質(zhì)溶液中腐蝕形成的微（內(nèi)）電解過程來處理廢水的一種電化學(xué)技術(shù)。電極反應(yīng)過程不耗電，而能產(chǎn)生氧化還原、電附聚等作用；電極反應(yīng)產(chǎn)生的新生態(tài)Fe2+是一種吸附、包容和絡(luò)合能力相當(dāng)強(qiáng)的混凝劑。故微電解法的特點(diǎn)是作用機(jī)制多、協(xié)同性強(qiáng)、綜合效果好、脫色效果尤其明顯，還可提高廢水的可生化性，與二級(jí)生化處理工藝匹配性好、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行費(fèi)用低。其COD去除率可達(dá)20~60%，脫色率在50~96%。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種無機(jī)廢水處理和有機(jī)難降解廢水的預(yù)處理上，效果十分明顯。我們已在制藥廢水、染料生產(chǎn)廢水、印染廢水、有機(jī)與石油化工廢水及電鍍廢水的治理工程上進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，取得了相當(dāng)大的成功。廢水通過微（內(nèi)）電解預(yù)處理后，再進(jìn)入生化系統(tǒng)（H/O工藝）處理，出水都達(dá)到了相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)。
目前國(guó)內(nèi)外微電解設(shè)備均是固定床，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推流性好，但存在不少實(shí)用性問題：一是效率不高，反應(yīng)速度不快；二是床體易板結(jié)或堵塞及鈍化，造成短路和死區(qū)，效率下降；三是鐵屑補(bǔ)充勞動(dòng)強(qiáng)度大。為了克服上述這些主要缺點(diǎn)，我們以二元三相脈沖流態(tài)化技術(shù)原理為出發(fā)點(diǎn)，由江蘇省*立項(xiàng)（BS98***）進(jìn)行了高效微電解膨松床試驗(yàn)與開發(fā)研究，并已在電鍍廢水治理工程、染料生產(chǎn)廢水治理工程和有機(jī)化工廢水治理工程等工業(yè)運(yùn)行中獲得成功，通過驗(yàn)收，國(guó)內(nèi)。

二、微電解原理

⑴. 電場(chǎng)作用
廢水中的膠體粒子和細(xì)小分散的污染物一般都帶有電荷，在微電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電泳，向相反電荷的電極移動(dòng)，在電極上交換電子發(fā)生氧化還原和電中和等反應(yīng)，并使膠體脫穩(wěn)。例如利用鐵屑處理鹵代烴的原理主要是依據(jù)下列反應(yīng)(鹵代烴以R-X表示)：
陽極過程： Fe → Fe2++2e
陰極過程： [R-X]+2e+H20 → [R-H]+X一+OH一
脫鹵過程中會(huì)有大量OH一產(chǎn)生，使附近溶液pH上升，若溶液偏堿性則在陽極鐵表面形成Fe(OH)2、Fe(OH)3、Ca(0H)2等沉淀物。研究結(jié)果表明鐵屑能與其中的13種鹵代烴(12種氯代烴)發(fā)生反應(yīng)；并且發(fā)現(xiàn)，鐵屑對(duì)氯代烴的降解速度要比氯代烴的天然降解速度快得多(約快5～15個(gè)數(shù)量級(jí))。研究還表明：其降解速度與鐵屑含量和鐵屑比表容積(單位體積的溶液所接觸到的鐵屑表面積)有關(guān)，即鐵屑含量越多，比表容積越大，其降解速率就越快。廢水中的氯代烴不僅難于生物降階，而且對(duì)微生物的毒性也很大，零價(jià)鐵對(duì)氯代烴的轉(zhuǎn)化與脫氯作用可以大大提高廢水的可生化性。
⑵. 氫、鐵、Fe2+的還原作用
鐵是活潑金屬，有較強(qiáng)還原能力，因而在偏酸性水溶液中能夠發(fā)生如下反應(yīng)：
Fe＋2H+＝Fe2+＋2［H］
電極反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)中得到的新生態(tài)氫[H]以及Fe和Fe2＋都具有很高的化學(xué)活性，能與印染廢水中的許多污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。如使偶氮基斷裂而破壞發(fā)色基團(tuán)、使大分子降解為小分子，具有脫色和提高廢水可生化性的作用，反應(yīng)式為
R—N＝N—R’＋4Fe2+＋4H20＝RNH2＋R’NH2＋4Fe3+＋40H－
Fe和Fe2+也可將硝基化合物還原為胺基化合物等，同時(shí)提高了廢水的可生化性。反應(yīng)式為：
C6H5NO2＋3Fe＋6H+＝C6H5NH2＋3Fe2＋＋2H20
有研究認(rèn)為Fe0在上述還原過程中具有反應(yīng)物和由H2誘發(fā)的還原反應(yīng)催化劑的雙重作用。
鐵被氧化生成的Fe2＋也具有較高的還原性，可將氧化性較強(qiáng)的離子或化合物還原及某些有機(jī)物還原，對(duì)Cr(Ⅵ)的還原如下式所示。
6Fe2＋＋Cr2O72一十14H十＝6Fe3+＋2Cr3++7H20
鉻由毒性較強(qiáng)的氧化態(tài)(Cr2O72－)轉(zhuǎn)化成毒性較弱的(Cr3＋)還原態(tài)，并在后續(xù)堿中和的堿性條件下形成Cr(OH)3沉淀而得到去除。
也有人利用鐵屑的還原性來處理水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽，還原產(chǎn)物為銨離子。
Fe2+也具有還原性，E0(Fe3+／Fe2+)=0．771V，因而當(dāng)水中有強(qiáng)氧化劑存在時(shí)，F(xiàn)e2+可進(jìn)一步氧化成Fe3十。
⑶. 鐵離子的絡(luò)合和混凝作用
在酸性條件下，用鐵-炭微電解處理廢水時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Fe2+和Fe3＋離子。新生態(tài)的Fe2+和Fe3+具有很好的絮凝作用，溶液在堿性條件下且有O2存在時(shí)，會(huì)形成Fe(OH)2和Fe(OH)3，反應(yīng)式為
Fe2+＋20H一＝Fe(OH)2
4Fe2+＋8 0H一＋02＋2H20＝4Fe(OH)3
生成的Fe(OH)2和Fe(OH)3的吸附能力高于一般藥劑水解得到的Fe(OH)3吸附能力。同時(shí)其中的Fe離子能與許多有機(jī)物形成墨綠色的絡(luò)合物。這樣，廢水中原有的懸浮物、膠體和油類等及通過內(nèi)電解反應(yīng)產(chǎn)生的不溶物和構(gòu)成色度的染料及相當(dāng)一部分水溶性有機(jī)物均可被其絡(luò)合、吸附凝聚而從廢水中分離去除。廢水中具有負(fù)電位的油珠在外電場(chǎng)作用下，很快完成電泳沉積和聚結(jié)，經(jīng)過Fe(OH)3絮狀膠體的吸附與絮凝作用，除油率達(dá)到70％～80％。
⑷. 鐵的置換作用
鐵是活潑金屬，電極電位E0 (Fe2+／Fe)＝- 0．44V，它具有還原能力，可將在金屬活動(dòng)順序表中排于其后的金屬置換出來而沉積在鐵的表面，如鎳、錫、鉛、銅、銀等；如用鋁－碳填料，還可置換出錳、鋅。當(dāng)鐵屑不斷被腐蝕變成鐵粉時(shí)，這些微小的沉積金屬粉粒也一起隨廢水流出，而在后續(xù)的堿中和絮凝沉淀時(shí)一同被分離去除。
⑸. 沉淀與共沉淀作用
微電解床出水加堿中和絮凝沉淀是微電解工藝中*的組成部分，通常用石灰乳
［Ca(OH)2］作為中和用堿液，石灰乳本身就是一個(gè)助凝劑，它不僅價(jià)格便宜，而且形成的沉淀污泥也易于脫水，更重要的是Ca2＋能與許多污染物反應(yīng)形成沉淀物而被分離除去，如S2－、PO43－、F－及磺酸基－SO3－等。
微電池反應(yīng)產(chǎn)物Fe2+和Fe3+也能通過沉淀反應(yīng)去除某些無機(jī)物，以減少其對(duì)后續(xù)生化工藝段的毒害，如與S2一、CN一等反應(yīng)生成FeS 、 Fe3[Fe(CN)6]2 （鐵氰化亞鐵）、 Fe4[Fe(CN)6]3 （亞鐵氰化鐵）等沉淀而被去除。
對(duì)于含有重金屬的廢水，重金屬離子還可與鐵離子形成穩(wěn)定的鐵氧共沉淀物而被去除；微電解法不僅可以處理單一的含Cr6+的廢水，還可以處理含Cr6＋、Cu2+、Ni2+、Zn2+、pb2+等多種重金屬離子的綜合性含金屬離子的廢水（如電鍍、礦山等行業(yè)），無需分流，一次處理達(dá)標(biāo)，大大地簡(jiǎn)化了處理流程，且處理后的水質(zhì)穩(wěn)定。處理后出水中的Cr6＋濃度有望達(dá)到0.3mg/L。Fe2＋的吸附和共沉淀作用也可經(jīng)濟(jì)地去除廢水中的As、F，去除效果分別達(dá)到93％和99％。
此外，沉淀后廢水中殘留的少量Fe離子對(duì)后續(xù)的生化處理過程有促進(jìn)作用。
微電解法處理廢水正是通過以上有關(guān)過程與機(jī)制共同作用的結(jié)果。
歸納起來，微電解技術(shù)處理廢水的作用機(jī)制相當(dāng)豐富，可以去除大量的COD，而且可以提高廢水的可生化性，其脫色效果也十分顯著；并且對(duì)各種金屬離子都有*的共沉淀去除效果，還能脫硫、磷，除氰、氟和去砷。微電解工藝與后續(xù)生化處理單元的匹配性也相當(dāng)好。不僅如此，微電解過程只消耗一些鐵屑（廢料）和酸（視廢水而定，不一定是必須投加的）及堿［Ca(OH)2］，因此處理費(fèi)用也相當(dāng)?shù)土ㄍǔＶ幌喈?dāng)化學(xué)法的1／10～1／5)，投資和運(yùn)行費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性都很好?？梢姡㈦娊饧夹g(shù)用于處理電鍍綜合廢水或化工、礦山、染料、印染混排廢水是一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。