工業(yè)廢水處理微電解技術(shù)

微電解技術(shù)又叫作鐵碳內(nèi)電解技術(shù)，該技術(shù)以鐵屑等金屬材料和炭顆粒等非金屬材料分別作為陰極和陽極來構(gòu)造原電池產(chǎn)生Fe2+和OH-，利用Fe2+和OH-的氧化還原作用將工業(yè)廢水中的大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，同時在原電池產(chǎn)生的微電場作用下使得帶電的顆粒向著陰極進(jìn)行遷移和富集，此外，Fe2+和OH-通過氧化還原反應(yīng)能夠使得附著在污染物上的帶電顆粒失穩(wěn)并形成含Fe3+的絮凝物進(jìn)行沉淀。在實際應(yīng)用微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水時，通常，陰極材料為鐵屑填充物，陽極材料為炭顆粒填充物，為了防治鐵屑板結(jié)，通常在處理裝置中還要增加曝氣裝置。微電解技術(shù)就是利用原電池產(chǎn)生的氧化還原降解作用、電場遷移作用以及Fe2+反應(yīng)生成的Fe（OH）3、FeS、Fe32、Fe43等絮凝物的絮凝和吸附作用來實現(xiàn)對工業(yè)廢水的脫色、降解和凈化。

1、微電解技術(shù)的發(fā)展歷程

微電解技術(shù)的整個發(fā)展歷程分為發(fā)現(xiàn)、研究和改良三個階段。微電解技術(shù)最早起源于發(fā)達(dá)國家提出的零價鐵理論，并在發(fā)達(dá)國家地下水治理中得到了普遍的使用。20世紀(jì)70年代中葉，微電解技術(shù)開始受到科學(xué)家的關(guān)注，科學(xué)界也開始對其作用原理進(jìn)行研究。隨著關(guān)注度的增加和作用原理研究的不斷深入，微電解技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家的地下水治理中。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，科研人員開始研究與開發(fā)微電解技術(shù)相關(guān)的新型填料和新型反應(yīng)裝置。同期，微電解技術(shù)進(jìn)入我國，起初應(yīng)用在地下水修復(fù)中，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展和突出優(yōu)勢的顯現(xiàn)，其應(yīng)用面不斷地延伸和擴(kuò)展。目前，微電解技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在噴漆電鍍、造紙印染、制藥醫(yī)療和能源石化等眾多工業(yè)領(lǐng)域的廢水處理中。

2、傳統(tǒng)微電解技術(shù)及其弊端

傳統(tǒng)微電解技術(shù)具有處理工藝簡單、處理過程便于管理和處理成本低等優(yōu)點，目前已經(jīng)普遍地應(yīng)用在低濃度工業(yè)廢水處理以及高濃度和難降解工業(yè)廢水處理中。試驗研究和實踐證明，傳統(tǒng)微電解技術(shù)能夠有效降低印染廢水的毒性和化學(xué)需氧量（COD）濃度，對銅制品制備行業(yè)廢水中Cu2+的去除率可高達(dá)95.6%，同時對制銅業(yè)廢水中Zn2+和Pb2+的去除率也分別高達(dá)70.9%和91.8%。研究發(fā)現(xiàn)，微電解技術(shù)能夠有效打破工業(yè)廢水污泥的高分子聚合物結(jié)構(gòu)，該技術(shù)處理后的工業(yè)廢水污泥的絮體結(jié)構(gòu)和脫水性得到一定程度的改善，同時，微電解技術(shù)對工業(yè)廢水中重金屬離子也有較好的去除能力。然而，傳統(tǒng)微電解技術(shù)也存在一些弊端：陰陽極填料均是表面與廢水接觸，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，污染物附著于填料表面，容易導(dǎo)致填料表面出現(xiàn)板結(jié)問題；處理效果容易受到工業(yè)廢水pH的限制；傳統(tǒng)微電解技術(shù)的反應(yīng)器多為固定床和單層曝氣結(jié)構(gòu)，自身結(jié)構(gòu)設(shè)計存在弊端，造成水體的流動性較差，容易導(dǎo)致填料表面板結(jié)。

3、新型微電解技術(shù)的研究進(jìn)展

3.1 陰陽極填料的改良研究

近年來，科研人員主要從微電解技術(shù)陰陽極填料成分構(gòu)成、鐵填料形態(tài)及價態(tài)、炭填料顆粒及微觀空間構(gòu)型三個方面對陰陽極填料進(jìn)行改良研究。

3.1.1 陰陽極填料成分構(gòu)成

科研人員在傳統(tǒng)微電解技術(shù)陰陽極填料的基礎(chǔ)上有目的地加入了黏土或者聚四氟乙烯等具有優(yōu)良吸附能力的材料，使得陰陽極填料的成分和空間分布發(fā)生了變化。傳統(tǒng)陰陽極填料中，鐵屑和炭顆粒均通過物理表面與工業(yè)廢水直接接觸，添加黏土或者聚四氟乙烯后，黏土和聚四氟乙烯吸附于鐵屑和炭顆粒表面，將鐵屑和炭顆粒包裹起來，使得鐵屑和炭顆粒與工業(yè)廢水的接觸面積減小，鐵屑和炭顆粒的反應(yīng)溶解速率變得緩慢，與此同時，黏土和聚四氟乙烯等的加入能夠有效抑制陰陽極填料表面由于處理時間延長而形成鈍化層。

3.1.2 鐵填料形態(tài)及價態(tài)改良

科研人員采用金屬玻璃鐵料和Fe3O4等取代傳統(tǒng)填料中的鐵屑，使得反應(yīng)器陰極中鐵填料的形態(tài)和價態(tài)發(fā)生了改變?？蒲腥藛T通過試驗證實，改良后的反應(yīng)器陰極填料表面鈍化層的附著能力明顯下降，陰極填料的活性得到有效改善，同時，改良后的鐵填料在滿足原電池陰極構(gòu)造需求的基礎(chǔ)上還具備了充當(dāng)陰極填料載體的能力。

3.1.3 炭填料顆粒及微觀空間構(gòu)型改良

科研人員用炭粉末或者炭涂層等取代炭顆粒，使得炭填料的顆粒直徑和微觀空間構(gòu)型發(fā)生了變化。改良后，炭填料的比表面積大幅提升，使得陽極填料中炭與工業(yè)廢水中污染物得以充分接觸，使得反應(yīng)器的廢水處理速率顯著提升。

3.2 反應(yīng)裝置的改良研究

針對新型反應(yīng)裝置的改良研究，近年來，科研人員研究的方向之一是對反應(yīng)裝置進(jìn)水方式進(jìn)行優(yōu)化。在此方面，科研人員主要對反應(yīng)裝置的布水方式進(jìn)行改進(jìn)，以增大廢水與陰陽極填料的接觸反應(yīng)時間，使得處理效率和鐵炭填料利用率得以提升。針對反應(yīng)裝置進(jìn)水方式的優(yōu)化，近年來出現(xiàn)了一種新型反應(yīng)裝置，如圖1所示。

該新型反應(yīng)裝置工作時，工業(yè)廢水被泵入反應(yīng)裝置的內(nèi)部循環(huán)管道中，同時與底部空氣管道泵入的空氣有效混合，再被反應(yīng)裝置下面的布水板充分地分布開來，隨著工業(yè)廢水的不斷泵入，廢水液面不斷升高，在此過程中，廢水與反應(yīng)裝置中的鐵炭填料有效接觸和反應(yīng)，最終凈化后的廢水從反應(yīng)裝置的出水口溢流而出，便完成了對工業(yè)廢水的處理。該新型反應(yīng)裝置運轉(zhuǎn)期間，內(nèi)部循環(huán)管道中的高速空氣流動可以對鐵炭填料進(jìn)行有效攪動，使得被洗滌活化后的鐵炭填料在空氣壓力作用下又回到填料頂層，實現(xiàn)了填料的循環(huán)利用。研究人員將該新型反應(yīng)裝置應(yīng)用于印染廢水的處理中，試驗結(jié)果表明，經(jīng)過該新型反應(yīng)裝置處理后，廢水的COD去除率為73%，色度去除率為98.5%，相比傳統(tǒng)反應(yīng)器分別提高了50%和58.5%。

3.3 微電解技術(shù)新型工藝的優(yōu)化研究'

3.3.1 微波耦合工藝

微波耦合工藝借助微波技術(shù)的快速加熱作用將廢水中的大分子有機(jī)污染物斷裂成小分子實現(xiàn)對廢水的降解和消毒，同時微波技術(shù)能夠有效削弱微電解反應(yīng)強(qiáng)度，從而控制反應(yīng)處理速率，有效克服填料表面板結(jié)堵塞問題，使得處理后廢水的可生化性明顯改善。研究人員將微波耦合工藝應(yīng)用于高濃度含油工業(yè)廢水處理中，試驗證明，處理后的廢水中油污含量降低了95.5%，腐蝕性細(xì)菌含量降低了96.5%，懸浮固體顆粒物含量降低了98.3%，處理后的廢水腐蝕性降低到0.025mm/a，處理后廢水水質(zhì)達(dá)到了理想預(yù)期。

3.3.2 電場耦合工藝

電場耦合工藝通過施加外部電場的方式在微電解反應(yīng)器中創(chuàng)造出一定強(qiáng)度的電位差，利用電位差作用削弱微電解反應(yīng)強(qiáng)度，實現(xiàn)對處理過程的有效控制。研究人員將電場耦合工藝應(yīng)用于工業(yè)廢水處理中，發(fā)現(xiàn)電場耦合工藝可以有效地抑制填料表面出現(xiàn)板結(jié)和堵塞現(xiàn)象，研究還證實，電場耦合工藝在堿性和中性環(huán)境中也具有理想的處理效果，適用于不同pH工業(yè)廢水的處理，經(jīng)過電場耦合工藝處理后，廢水的可生化性得到顯著改善，電場耦合工藝是一種穩(wěn)定、高效、適應(yīng)面廣的新型微電解工藝。

3.3.3 添加其他金屬工藝

向傳統(tǒng)微電解反應(yīng)體系中添加其他金屬也是科研人員研究的一個方向，通常加入的金屬有Zn、Al、Cu等，旨在擴(kuò)展微電解反應(yīng)體系中原電池的數(shù)量和密度，從而增強(qiáng)反應(yīng)處理效率。研究人員在傳統(tǒng)微電解材料中加入錳粉末制成錳鐵炭新型微電解填料，科研人員將此新型填料應(yīng)用于濃度1000mg/L的苯二酚工業(yè)廢水處理中，試驗結(jié)果證明，處理后，廢水中苯二酚的含量降低了95.6%，處理效果相比傳統(tǒng)微電解技術(shù)得到了明顯改善，而且其適用于不同pH的工業(yè)廢水處理中?？蒲腥藛T還選取少量的羥甲基纖維素鈉充當(dāng)致孔劑，然后取相同質(zhì)量的碳和鋁粉末混合，在1000℃下燒結(jié)2h制成碳鋁混合顆粒，然后利用制備的碳鋁燒結(jié)顆粒制成微電解反應(yīng)器陽極填料，對酸性工業(yè)廢水進(jìn)行處理，處理后，廢水的色度下降90%，COD下降68.2%，廢水pH為10～11，處理效果達(dá)到理想預(yù)期。