您现在的位置: 中国污水处理工程网 >> 污水处理技术 >> 正文

工业废水处理微电解技术

发布时间:2021-9-3 9:45:13  中国污水处理工程网

  微电解作为一种低污染、低成本的高级氧化技术受到广泛研究和应用,其原理是废水作为电解质,铁和炭为电极来发生氧化还原反应的,从而降解废水中的污染物。其最早的雏形来源于RobertW.Gillham在地下水处理中提出的零价铁理论,在美国和北欧地下水微污染修复中被广泛研究并应用。我国于上世纪80年代引进该技术并将研究领域从地下水修复扩展到工业废水处理研究中,尤其是难直接生物降解有机废水。

  1、微电解技术机理

  目前微电解去除废水中污染物的理论主流观点认为有原电池理论、氧化还原理论、吸附絮凝理论和微电场理论。

  1.1 原电池理论

  微电解过程中主要使用的铸铁(铁碳合金)能在废水中形成微电池(微观电池),当体系中额外投加炭等宏观阴极材料,则又形成宏观电池。反应过程中出现各种腐蚀现象,也形成了腐蚀电池。微电解电极反应阴极反应主要分为酸性(无氧)、酸性(有氧)和中性碱性这三种情况,详情见反应方程式1-1、1-2、1-3、1-4:

1.jpg

  在酸性(有氧)条件产生的电极电位差比酸性(无氧)条件产生的电极电位差高1.22V,曝气可以增加原电池氧化能力;阳极Fe不断生成的Fe2+离子避免了阳极钝化,而且Fe2+离子具有一定氧化性,促进了电化学腐蚀,提高了处理效果。

  1.2 氧化还原理论

  由方程式1-1、1-3可知,酸性条件下产生Fe2+离子和原子H以及阳极Fe0能改变废水中某些污染物的性质来提高废水可生化性,例如硝基苯类和偶氮有机物被还原产生胺基。Fe0是活泼金属,可以有效还原含Cu2+、Pb2+等属废水,Fe2+离子能降低含Cr2O72-废水的毒性,Fe0还可以还原硝酸盐。

  1.3 氧化还原理论

  吸附絮凝理论可以分为两种情况:电极使用的材料具有一定的吸附物质能力和反应过程生产一些具有吸附能力的化学物质。阳极使用的材料一般为铸铁屑,具有多孔结构和比较大的比较面积,其表面活性较强能吸附一些污染物质。当额外投加活性炭作为阴极材料时,活性炭也会吸附废水中的污染物质。

  为阴极材料时,活性炭也会吸附废水中的污染物质。阳极Fe在工作过程中产生Fe2+,Fe2+在曝气条件下可以生成Fe3+,将废水溶液pH调至碱性可以产生具有高效絮凝能力的Fe(OH)2、Fe(OH)3,反应方程式见2-1、2-2:

2.jpg

  废水中的胶体因电荷异性相吸而沉淀,其余的悬浮物和不溶物质通过吸附絮凝产生沉淀。

  1.4 微电场理论

  因微电解中Fe级(正极)和C级(负极)在工作过程中存在一定电位差,从而产生的电场。废水中不溶性颗粒和极性物质在电场作用下富集在电极附近,形成大颗粒后沉淀,具有去除部分污染物的效果。

  2、影响因素

  对于微电解的影响因素的研究目前主要关注废水pH值、反应时间、铁屑种类及粒径、铁碳比、曝气量等。

  2.1 pH

  由反应方程式1-1和1-4可知废水初始反应pH对于微电解具有显著的影响,酸性条件下产生的电极电位差比中性或碱性产生的高。虽然酸性越强反应越快,但是生成的Fe2+过多会导致产生的污泥量增加,以及废水溶液pH调整回中性时产生额外的碱消耗,一般大多中试实验以及工业应用选择pH为3~7左右。

  李宏伟等利用微电解处理钻井废水时发现:pH<4时,随溶液pH值升高COD的去除率逐步升高。pH=1时COD去除率最低,pH>4时COD去除率变化幅度不大;颜兵等研究双甘膦废水降解研究中利用微电解技术,考察pH值对COD去除率影响,pH=3时COD去除率高达72%,其余情况下COD去除率都有所降低。

  2.2 反应时间

  反应时间是影响微电解效果的一个重要因素,不同的废水具有不同的最佳反应时间,而且溶液初始pH值也影响反应时间。

  张金良在研究微电解处理某精细化工废水,该废废水特点水质水量波动大。控制废水pH=3、气水比≈400的条件下,反应时间达4h时COD去除率达最高为53%,此后延长时间COD去除率没有提升。代秀兰研究微电解技术处理含铬电镀废水,实验过程中发现Cr6+的去除率不受时间影响;而Ni2+的去除率受时间影响,从20min到80minNi2+的去除率上升幅度比较大,80min后上升幅度减缓,到120min时达到100%。

  2.3 铁屑种类和粒径

  铁屑的种类决定了铁屑中碳含量,铁屑的粒径影响铁屑在反应过程中与废水的接触面积。铸铁屑比铁刨花和钢铁屑处理效果好,但材料成本高,而铁刨花和钢铁屑易得且属于废物再利用。相同一种铁屑活化后效果由于没有活化的;铁屑的粒径理论上是越细越好,因为越细铁屑的比表面积越大,反应效果越好,但粒径太细不容易控制导致铁屑随水流出或直接在反应器内板结,一般选择在60~80目之间。

  马业英等在研究铁屑、铸铁屑及磁性铸铁屑这三种铁屑处理含铬废水,磁性铸铁屑效果最佳。陈水平研究铁屑微电解技术处理船舶含油废水时,铁屑粒度(目)分为20~40、40~50、60~80、>90,柴油基废水油份去除率分别为65.1%、73.1%、92.1%、93.2%,渣油基废水油份去除率分别为57.2%、66.3%、90.1%、92.3%。从实验数据来看粒度越大,油份去除率越高,但粒度在60~80和>90油份去除率相差不足3%,考虑处理效率,粒度在60~80目之间即可以取得良好的效果。

  2.4 铁碳比

  加入的碳与铁屑可以形成宏观电池,加快了铁屑的腐蚀速率且可以保持填料层一定的空隙率。碳的选型对于微电解处理效果也具有一定影响,铁碳比(体积比)由实验确定,一般为1︰1~2︰1。

  张荣全研究微电解技术处理霜脲氰废水时考察了不同铁碳比COD和CN-的去除率,具体铁碳比为1︰10、1︰5、1︰3、1︰1、3︰1、5︰1、10︰1,COD和CN-的去除率都在铁碳比为3︰1时达到最高。孙莹莹等研究微电解技术处理聚氯乙烯(PVC)离心母液,考察铁碳比对COD和聚乙烯醇(PVA)去除率的影响,具体铁碳比为1︰3、1︰2、1︰1.5、1︰1、1.5︰1、2︰1、3︰1,铁碳比=3︰1时COD去除率最高,铁碳比=1︰3、1︰1.5、2︰1时PVA去除率最高。

  2.5 曝气量

  由化学反应方程式1-2、1-4可知有O2参与,微电解电位差很大,对于处理效果有很大影响。曝气可以增加铁屑与弹力的接触程度,避免出现板结现象。

  于璐璐等研究微电解处理含氰废水时,考察了曝气对COD的去除效果和Fe2+溶出量。曝气量从0到300L/h,当曝气量=150L/h时Fe2+溶出浓度为最高达到3g/L,此时COD的去除率最高为61.6%。此后曝气量增加,效果变差,曝气产生的气泡阻止了填料与污染物质的接触反应。杨玉峰应用微电解技术处理制药废水,控制其他实验参数对比曝气与不曝气去除COD的效果,曝气情况下COD去除率比不曝气情况下COD去除率高13.6%,实验说明曝气对微电解具有一定影响。

  3、技术优缺点

  微电解研究和应用至今体现出一些高级氧化技术无法比拟的优点,例如:材料易获得且符合废物再利用、设备造价成本低、应用广泛且操作简单等;但也体现出一些需要改进的现象,例如:长时间运行容易出现板结现象、物化污泥量大等。

  4、工业应用

  4.1 电镀废水

  邓小红等在某电镀厂改造过程中以微电解技术作为主体处理单元,控制进水pH=3~4,铸铁屑、活性炭、鹅卵石比例为3︰2︰1。调试运行稳定后Cr6+、Ni2+、COD和PO43-(以P计)的平均去除率分别为99.5%、95.8%、44.6%和99.2%。孙萍等利用铁炭微电解处理电镀混合废水,控制进水pH=2~3、曝气量0.25~0.35m3/min、铸铁与炭质量比为1:1和反应时间为25~30min,出水Cr6+、总铜、总镍和总氰去除率分别为85%、98.8%、99.6%和99.7%。

  4.2 印染废水

  董岁明等采用微电解处理染料废水,同时探讨了静态和动态两种模式的废水pH、铁碳投加量、反应时间对处理效果的影响,静态模式中研究发现pH=4,铁碳质量浓度为450g/L,反应时间90min,COD和色度去除率分别为77%和79%;动态模式研究发现,反应时间100min,铁碳质量浓度为700g/L,COD和色度去除率分别为89%和98.7%。Han等自制一种新型的内循环微电解反应器,他们通过对比传统固定床微电解反应器与自制的内循环微电解反应器对染料废水的处理效果,发现自制的内循环微电解反应器的COD和色度的去除率分别比传统的高50%和58.5%。

  4.3 化工废水

  杨家村利用铁碳微电解与生化联用技术处理高浓度医药废水,采用上流反冲型式及强制机械搅拌来避免铁碳填料板结和失活。经过微电解处理废水pH由1.5提升到4.5,且废水B/C得到提高,降低了后续生化负荷,实现出水达标。黄燕萍等采用铁碳微电解+水解酸化/+MBR组合工艺对制药废水进行预处理试验,研究结果表明,反应初始废水pH=4、铁碳质量比4︰5、铁碳填料质量浓度为400g/L、曝气量为3L/min、反应时间为180min时,微电解工艺的COD去除率达47.5%,废水的可生化性由0.23提高至0.38,降低了后续水解酸化和MBR的负荷。

  5、展望

  微电解技术作为一种高效、低成本的技术在工业废水处理中得到广泛应用,微电解在与生化技术联用过程主要是提升废水的可生化。反观微电解在工业应用中暴露的问题,应该解决铁碳填料板结和失活的问题,以及反应的pH值和产生得物化污泥。(来源:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司)

相关推荐
技术工艺案例