铁碳微电解反应器(固定床)

1.应用范围

随着工业的发展，污水处理的难度也越来越大。在难降解工业废水的处理技术中，微电解技术正日益受到重视，并已广泛应用在工程实际中。目前多用于化工、农药、染料、制药等色度高、可生化性差废水，用于降低有机污染和搞高废水可生化性。

2.技术原理

废水的铁内电解法的原理非常简单,就是利用铁-碳颗粒之间存在着电位差而形成了无数个细微原电池。这些细微电池是以电位低的铁为阴极,电位高的碳做阳极,在含有酸性电解质的水溶液中发生电化学反应的。反应的结果是铁受到腐蚀变成二价的铁离子进入溶液。由于铁离子有混凝作用,它与污染物中带微弱负电荷的微粒异性相吸,形成比较稳定的絮凝物(也叫铁泥)而去除。

当污水通过含铁和碳的填料时，铁成为阳极，碳成为阴极，并有微电流流动，形成了千千万万个微小电池，产生“内电解”，发生腐蚀，也就是氧化还原反应：

阳极反应：Fe-2e一Fe2+E0(Fe2+/Fe)=-0.44V

阴极反应：2H++2e→H2↑　E0(H+/H2)=0.00V

当有氧气时：O2+4H++4e→2H2OE0(O2)=1.23V

O2+2H2O+4e→40H-E0(O2/OH-)=0.40V

　　上述反应在酸性和充氧的情况下腐蚀最甚，并具有如下被证实了的功能：由于有机物参预阴极的还原反应，使官能团发生了变化改变了原有机物性质，降低了色度，改善了B/C值；一些无机物也参预反应生成沉淀得以去除，如：Fe2++S2-→FeS↓;废水的胶体粒子和微小分散的污染物受电场作用，产生电泳现象，向相反电荷的电极移动，并聚集在电极上使水澄清；阳极生成的新生态Fe2+经石灰中和生成的Fe(OH)3，有极强的吸附能力，使水得以澄清；阴极生成的氢气，具有气浮效应。

 2.1电极反应

阳极（Fe）：Fe-2e一Fe2+E0(Fe2+/Fe)=-0.44V

阴极（C）：2H++2e→H2↑　E0(H+/H2)=0.00V

当有O2时：O2+4H++4e→2H2OE0(O2)=1.23V

O2+2H2O+4e→40H-E0(O2/OH-)=0.40V

由上述反应的标准电极电位E0可知，酸性充氧条件下电极反应的E0最大，有O2存在得情况下电极反应进行得最快，该反应不断消耗废水中的H＋，使其pH值上升。因此，pH低、酸度大时，氧的电极电位提高，微电池的电位差加大，促进了电极反应的进行。这从理论上解释了酸性废水微电解反应效果较好的原因。

2.2氧化还原反应

2.2.1铁的还原作用

铁是活泼金属，在酸性条件下可使一些重金属离子和有机物还原为还原态，例如：

（1）将汞离子还原为单质汞：

（2）将六价铬还原为三价铬：

（3）将偶氮型染料的发色基还原：

（4）将硝基还原为胺基：

铁的还原作用使废水中重金属离子转变为单质或沉淀物而被除去，使一些大分子染料降解为小分子无色物质，具有脱色作用，同时提高了废水的可生化性。

2.2.2氢的氧化还原作用

电极反应中得到的新生态氢具有较大的活性。能与废水中许多组分发生氧化还原作用，破坏发色、助色基团的结构，使偶氮键破裂、大分子分解为小分子、硝基化台物还原为胺基化合物，达到脱色的目的。一般地，[H]是在Fe2＋的共同作用下将偶氮键打断、将硝基还原为胺基。1.3电化学附集

当铁与碳化铁或其他杂质之间形成一个小的原电池，将在其周围产生一个电场，许多废水中存在着稳定的胶体如印染废水，当这些胶体处于电场下时将产生电泳作用而被附集。

在电场的作用下，胶体粒子的电泳速度可由下式求出：

式中：V——胶体粒子的电泳速度(cm／s)

——电位(V)

D——分散介质的介电常数

E——电场强度(V／cm)

——分散介质的粘度(Pa•S)

K——系数

例如采用电位差为1.2V的废铁屑和焦炭粒，浸泡在电位为0.30mV的废水溶液中，粒料间的分离距离为0.10cm，可以得到5?0-3cm/s的分离速度，从理论上计算20s就可完成电泳沉积过程。

2.3物理吸附

在弱酸性溶液中，铁屑丰富的比表面积显出较高的表面活性，能吸附多种金属离子，能促进金属的去除，同时铁屑中的微碳粒对金属的吸附作用也是不可忽视的。而且铸铁是一种多孔性的物质，其表面具有较强的活性，能吸附废水中的有机污染物，净化废水，特别是加入烟道灰等物质时，其很大的比表面积和微晶表面上含有大量不饱和键和含氧活性基团，在相当宽的pH值范围内对染料分子都有吸附作用。

2.4铁的混凝沉淀

在酸性条件下，用铁屑处理废水时，会产生Fe2和Fe3。Fe2和Fe3是很好的絮凝剂，把溶液pH调至碱性且有O2存在时，会形成Fe(OH)2和Fe(OH)3很好的絮凝剂，发生絮凝沉淀。反应式如下：

 生成的Fe(OH)3是胶体絮凝剂，它的吸附能力高于一般药剂水解得到的Fe(OH)3吸附能力。这样，废水中原有的悬浮物，通过微电池反应产生的不溶物和构成色度的不溶性染料均可被其吸附凝聚。

2.5铁离子的沉淀作用

在电池反应的产物中，Fe2和Fe3也将和一些无机物发生反应生成沉淀物而去除这些无机物，以减少其对后续生化工段的毒害性。如S2一、CN－等将生成FeS、Fe3[Fe(CN)6]2、Fe4[Fe(CN)6]3等沉淀而被去除。                                                                        3.工艺影响因素及设计参数

影响微电解工艺处理废水效果的因素有许多，如pH值、停留时间、处理负荷、铁屑粒径、铁碳比、通气量等。这些因素的变化都会影响工艺的效果，有些可能还会影响到反应的机理。

3.1 pH值

通常pH值是一个比较关键的因素，它直接影响了铁屑对废水的处理效果，而且在pH值范围不同时，其反应的机理及产物的形式都大不相同。一般低pH值时，因有大量的H＋，而会使反应快速地进行，但也不是pH值越低越好，因为pH值的降低会改变产物的存在形式，如破坏反应后生成的絮体，而产生有色的Fe2＋使处理效果变差。而pH值在中性或碱性条件下，许多实际运行表明进行得不理想或根本不反应。因此，一般控制在pH值为偏酸性条件下，当然这也因根据实际废水性质而改变。

3.2停留时间

停留时间也是工艺设计的一个主要影响因素，停留时间的长短决定了氧化还原等作用时间的长短。停留时间越长，氧化还原等作用也进行得越彻底，但由于停留时间过长，会使铁的消耗量增加，从而使溶出的Fe2＋大量增加，并氧化成为Fe3＋，造成色度的增加及后续处理的种种问题。所以停留时间并非越长越好，而且对各种不同的废水，因其成分不同，其停留时间也不一样。建议设计参数：染料废水停留时间为30min；硝基苯废水停留时间为40～60min；制罐废水停留时间为7～1Oh；制药生产废水停留时间为4h；含油废水停留时间为30～40min。停留时间还取决于进水的初始pH值，进水的初始pH值低时，则停留时间可以相对取得短一点；相反，进水的初始pH值高时，停留时间也应相对的长一点。停留时间还反映了铁屑用量，停留时间长也就是说单位废水的铁屑用量大。两个参数可以相互校核，共同控制。

3.3 Fe/C比

加入碳是为了组成宏观电池，当铁中碳屑量低时，增加碳屑，可使体系中的原电池数量增多，提高对有机物等的去除效果。但当碳屑过量时，反而抑制了原电池的电极反应，更多表现为吸附，所以Fe/C比也应有一个适当值，且加入的碳的种类可以为活性炭或焦炭，碳种类对有机物等去除率影响不大，因此按经济因素考虑应选焦炭为最佳，具体设计参数为Fe/C (体积比)=1～1.5。

3.4铁屑粒度的影响

铁屑粒度越小，单位重量铁屑中所含的铁屑颗粒越多，使电极反应中絮凝过程增加，利于提高去除率。另一方面铁屑粒度越小，颗粒的比表面积越大。微电池数也增加，颗粒间的接触更加紧密，延长了过柱时间，也提高了去除率。但粒度越小，使单位时间处理的水量太小，且易产生堵塞、结块等不利影响，故一般的粒度以60～80目为佳。

3.5通气量

对铁屑进行曝气利于氧化某些物质，如三价砷等，也增加了对铁屑的搅动，减少了结块的可能性，且进行摩擦后，利于去除铁屑表面沉积的钝化膜，且可以增加出水的絮凝效果，但曝气量过大也影响水与铁屑的接触时间，使去除率降低。在中性条件下，通过曝气，一方面提供更充足的氧气，促进阳极反应的进行。另一方面也起到搅拌、振荡的作用，减弱浓差极化，加速电极反应的进行，并且通过向体系加入催化剂改进阴极的电极性能，提高其电化学活性来促进电极反应的进行，已取得了显著效果。

3.6铁屑活化时间

由于铁屑表面存在有氧化膜钝层，因此在使用之前应对铁屑表面进行活化。研究表明，用稀盐酸进行活化时，当进行20min后，反应的K值基本已经稳定，故活化时间可以以20min为宜。

3.7温度

温度的升高可使还原反应加快，但是加快最大的是反应初期，且由于维持一定的温度需要保温等措拖，一般的工业应用不予以考虑，均在常温下进行反应。

3.8铁粉品种

一般使用的铁屑有铸铁屑和钢铁屑两种。铸铁屑含碳量高，处理效果好，但材料来源不易，絮体易破碎，强度低，易压碎结块；钢铁屑含碳量稍低而效果差，但材料易得。在流动水体中，能与废水接触均匀，不易短流或结块，表面钝化物也易被带走，自然更新力强，且增大停留时间，效果也能接近铸铁屑。马业英等人研究了磁性铸铁粉处理含铬电镀废水，取得了极佳的净化效果。磁性铸铁粉主要强化了铸铁粉表面的微电池作用，同时也加速了铁粉表面和溶液中的氧化还原速度，也能加速絮体的沉降过程。

4.特点

4.1反应速率快，一般工业废水只需要半小时至数小时；

4.2作用有机污染物质范围广，如：含有偶氟、碳双键、硝基、卤代基结构的难降解有机物质；

4.3运行成本极低，只消耗少量的单质铁（最理想并且价廉易得的是金属加工废料铁刨花）；

4.4.使用寿命长，操作维护方便，微电解塔只要定期的添加铁屑便可，惰性电极不用更换，腐蚀电极每年补充投入两次；

4.5.具有良好的混凝效果，COD去除率高；

4.6.该方法可以达到化学沉淀除磷的效果，还可以通过还原除重金属；

4.7.设备采用机械搅拌，长期运行效果好。

 5.适用废水种类

5.1.染料、印染废水；焦化废水；石油化工废水；

------上述废水在脱色的同时，处理水中的BOD/COD值显著提高。

5.2石油废水；皮革废水；造纸废水、木材加工废水；

------上述废水处理水后的BOD/COD值大幅度提高。

5.3电镀废水；印刷废水；采矿废水；其他含有重金属的废水；

------可以从上述废水中去除重金属。

5.4有机磷农业废水；有机氯农业废水；

------大大提高上述废水的可生化性，且可除磷，除硫化物

6.产品选型

型号	LAT-DJ10	LAT-DJ12	LAT-DJ15	LAT-DJQ12	LAT-DJQ16	LAT-DJQ20
处理能力（m3/d）	159	196	240	159	196	240
Q(m3/h)	6	8	10	6	8	10
外形尺寸（mm）	1800*4000	2000*4000	2200*4000	1800*5000	2000*5000	2200*5000
HRT(h)	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
备注：废水设计停留时间为1.0h，对于某些有机物浓度特别高的废水或是特别难氧化分解的废水，停留时间相应延长，一般有2~6h。