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(yáng)極來(lái)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(shí)在原電池產(chǎn)生的微電場(chǎng)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(guò)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(shí)際應(yīng)用微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水時(shí)，通常，陰極材料為鐵屑填充物，陽(yáng)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(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)發(fā)展歷程分為發(fā)現(xiàn)、研究和改良三個(gè)階段。微電解技術(shù)最早起源于發(fā)達(dá)國(guó)家提出的零價(jià)鐵理論，并在發(fā)達(dá)國(guó)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(kāi)始受到科學(xué)家的關(guān)注，科學(xué)界也開(kāi)始對(duì)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(lái)越廣泛地應(yīng)用在發(fā)達(dá)國(guó)家的地下水治理中。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，科研人員開(kāi)始研究與開(kāi)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(guó)，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(shì)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(jiǎn)單、處理過(guò)程便于管理和處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(yàn)研究和實(shí)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(duì)銅制品制備行業(yè)廢水中Cu2+的去除率可高達(dá)95.6%，同時(shí)對(duì)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(shí)，微電解技術(shù)對(duì)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(yáng)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(wèn)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(jì)存在弊端，造成水體的流動(dòng)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(yáng)極填料的改良研究
近年來(lái)，科研人員主要從微電解技術(shù)陰陽(yáng)極填料成分構(gòu)成、鐵填料形態(tài)及價(jià)態(tài)、炭填料顆粒及微觀空間構(gòu)型三個(gè)方面對(duì)陰陽(yáng)極填料進(jìn)行改良研究。
3.1.1 陰陽(yáng)極填料成分構(gòu)成
科研人員在傳統(tǒng)微電解技術(shù)陰陽(yáng)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(yáng)極填料的成分和空間分布發(fā)生了變化。傳統(tǒng)陰陽(yáng)極填料中，鐵屑和炭顆粒均通過(guò)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(lái)，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(shí)，黏土和聚四氟乙烯等的加入能夠有效抑制陰陽(yáng)極填料表面由于處理時(shí)間延長(zhǎng)而形成鈍化層。
3.1.2 鐵填料形態(tài)及價(jià)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(jià)態(tài)發(fā)生了改變?？蒲腥藛T通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，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(shí)，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(yáng)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(duì)新型反應(yīng)裝置的改良研究，近年來(lái)，科研人員研究的方向之一是對(duì)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(duì)反應(yīng)裝置的布水方式進(jìn)行改進(jìn)，以增大廢水與陰陽(yáng)極填料的接觸反應(yīng)時(shí)間，使得處理效率和鐵炭填料利用率得以提升。針對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)水方式的優(yōu)化，近年來(lái)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(shí)，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(shí)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(kāi)來(lái)，隨著工業(yè)廢水的不斷泵入，廢水液面不斷升高，在此過(guò)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(duì)工業(yè)廢水的處理。該新型反應(yīng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)期間，內(nèi)部循環(huán)管道中的高速空氣流動(dòng)可以對(duì)鐵炭填料進(jìn)行有效攪動(dòng)，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(shí)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(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的降解和消毒，同時(shí)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(wèn)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(yàn)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(chǎng)耦合工藝
電場(chǎng)耦合工藝通過(guò)施加外部電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)處理過(guò)程的有效控制。研究人員將電場(chǎng)耦合工藝應(yīng)用于工業(yè)廢水處理中，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)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(shí)，電場(chǎng)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(guò)電場(chǎng)耦合工藝處理后，廢水的可生化性得到顯著改善，電場(chǎng)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(gè)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(yàn)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。科研人員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(yáng)極填料，對(duì)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。
