铁碳微电解法在废水处理中的研究进展及应用现状

1、铁碳微电解的作用机理

1.1、微电解工作原理：

一般原理：铁碳微电解是基于电化学中的原电池反应。当铁和碳浸入电解质溶液中时，由于Fe和C之间存在1.2V的电极电位差，因而会形成无数的微电池系统，在其作用空间构成一个电场。阳极反应产生的新生态二价铁离子具有较强的还原能力，可使某些有机物还原，也可使某些不饱和基团(如羧基—COOH、偶氮基-N＝N-)的双键打开，使部分难降解环状和长链有机物分解成易生物降解的小分子有机物而提高可生化性。此外，二价和三价铁离子是良好的絮凝剂，特别是新生的二价铁离子具有更高的吸附-絮凝活性，调节废水的pH可使铁离子变成氢氧化物的絮状沉淀，吸附污水中的悬浮或胶体态的微小颗粒及有机高分子，可进一步降低废水的色度，同时去除部分有机污染物质使废水得到净化。阴极反应产生大量新生态的[H]和[O]，在偏酸性的条件下，这些活性成分均能与废水中的许多组分发生氧化还原反应，使有机大分子发生断链降解，从而消除了有机废水的色度，提高了废水的可生化性。

铁碳原电池反应：

阳极：Fe - 2e → Fe2+ E (Fe/Fe2+) = 0.44V

阴极：2H+ + 2e → H2 E (H+/H2) = 0.00V

当有氧存在时，阴极反应如下：

O2 + 4H+ + 4e → 2H2O E (O2) = 1.23V

O2 + 2H2O + 4e → 4OH- E (O2/OH-) = 0.41V

1.2、一般微电解反应为：铁原子与碳原子是紧挨着或分开而形成原电池反应。这种铁碳接触不利于电子的转移，电荷效率较低，因此废水中有机物的去除效率一般也较低。同时当铁碳一旦分层将更不利于有机物的去除。

1.3、铁碳包容式微电解反应为：铁原子与碳原子是相互包容组成架构而形成的原电池反应。这种铁碳接触不存在铁与碳的分层问题，因此更有利于电子的转移，电荷效率较高，废水中有机物的去除效率也较高。

2、铁碳微电解技术在废水处理中的应用进展

2.1、在印染废水处理中的应用

铁碳微电解技术作为一种新的废水处理手段最初就是应用于印染废水的处理，并取得良好的效果。印染废水中的有机污染物主要来源于染料及染整添加剂，近年来由于印染技术的不断进步和有机合成染料新产品的不断出现，使得印染废水具有pH低，色泽深，毒性大，生物可降解性差等特点。因此，铁碳微电解用于印染废水的处理体现出了其他工艺不可比拟的优势。

经过试验分别对色度300倍，COD为602mg/L，pH为9.76和色度700倍，COD为1223mg/L，pH为5.76 的两种不同的印染废水进行处理，研究发现，当铁碳体积比为1：1，pH为3.0左右，反应时间20～30 min时，对色度的去除率能够达到95%以上，同时COD的去除率能也能够达到60~70%。

用铁碳微电解法对印染废水进行处理，结果表明pH为3，接触时间20～30 min，色度的去除率都能达到90%以上，COD去除率也能达到60%左右。

对于COD很高或者出水要求较高的印染，单纯的用铁碳微电解工艺处理并不能达到出水要求，常使之与其他的高级氧化处理工艺相结合，作为生物处理的预处理。对原水COD为11000mg/L， pH为6，色度为8000倍的印染废水采用铁碳微电解法进行预处理，当铁粉粒径为18目，焦碳粒径为2～4mm，铁粉和焦碳比为1：1，水里停留时间为60～90min时，脱色率达到了90%以上，BOD/ COD 值从原来的0.23 提高到0. 59，大大提高了后续生物处理的COD去除率。

2.2、在造纸废水处理中的应用

造纸废水主要来源于制浆过程中的蒸煮、清洗、筛分、漂白。废水中含有大量的木质素等难以生物降解的物质，许多的造纸企业在经过一级物化、二级生化处理后出水的CODCr、色度等各项排放指标都不能达到国家造纸工业水污染物排放一级标准。

针对用白腐菌-厌氧-好氧生物法处理造纸黑液的出水色度过高，而COD也不能达标的现象，利用铁碳微电解反应柱对出水进行脱色与去除COD的研究，发现在常温下，铁碳质量比2:1，初始pH值4.5~5.5 之间，反应时间为30~40min，最终色度与COD 的去除率分别达到94.2%与68.9%，出水达到了行业排放标准。

采用强化的铁碳微电解对制浆造纸二级出水进行深度处理，在铁碳微电解反应体系中加入适量的H2O2，使电解产生的Fe2+与H2O2形成Fenton试剂，与铁碳微电解协同作用，强化微电解反应后用Ca(OH)2调节出水的pH值至中性，并与电解液中的Fe2+和Fe3+生成Fe(OH)2和Fe(OH)3絮体，进一步网捕水中的CODCr并去除了水中的Fe2+和Fe3以及SO42+等离子，使溶液的色度进一步得到改善。研究结果表明，当溶液初始pH 值为3.0 、活性碳投加量8.0g/L、铸铁屑40.0g/L 、H2O2 7.17mmol/L 以及反应时间60min，用Ca(OH)2的投入量为8.0g/L时，总CODCr和色度去除率分别达到75%和95%，达到了国家造纸工业水污染物排放一级标准（GB35442001）。

2.3、在焦化废水处理中的应用

目前我国对焦化废水主要的处理工艺主要是A/O和A-A/O工艺，但是由于出水中含有高浓度的氨氮、高毒性的CN和以及难以生物降解的有机物等，对微生物均有抑制作用。因此，有人利用微电解技术对A2/O进水或者出水分别进行预处理和深度处理，最后使出水达到了国家一级排放标准。利用铁碳微电解和Fenton试剂联合氧化法对焦化废水进行预处理的试验研究，通过单因素实验法确定了最佳工艺条件，在铁碳比为4，用量分别为300mg/L和75mg/L，H2O2的用量为1000mg/L，pH值为3，反应时间为20min时，COD、NH3-N和CN-的去除率分别为61.2%、74%、56.2%和74.3%。B/C比由0.189提高到0.387，大大降低了后续生物处理的有机负荷并提高了生物处理的效率。

2.4、在制药废水处理中的应用

目前，制药废水处理面临的主要问题是污染物种类多、浓度高且成分复杂，冲击负荷大，部分废水中抗生素的存在抑制生化处理时微生物的生长，可生化性差，色度高等特点。

工程实践表明，铁碳微电解法对各种成分的制药废水COD、色度都具有较好的去除效果，同时B/C有所提高。

2.5、在其他废水处理中的应用

除上述的之外，还有学者对含油废水、垃圾渗滤液、高盐度废水等利用铁碳微电解法进行处理，并对结果进行研究和探讨。

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