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化工廢水處理-鐵碳微電解反應器(固定床)
已閱:4100  2012-3-6 13:18:09

鐵碳微電解反應器(固定床)

1. 應用范圍

隨著工業的發展,污水處理的難度也越來越大。在難降解工業廢水的處理技術中,微電解技術正日益受到重視,并已廣泛應用在工程實際中。目前多用于化工、農藥、染料、制藥等色度高、可生化性差廢水,用于降低有機污染和搞高廢水可生化性。

2. 技術原理

廢水的鐵內電解法的原理非常簡單,就是利用鐵-碳顆粒之間存在著電位差而形成了無數個細微原電池。這些細微電池是以電位低的鐵為陰極,電位高的碳做陽極,在含有酸性電解質的水溶液中發生電化學反應的。反應的結果是鐵受到腐蝕變成二價的鐵離子進入溶液。由于鐵離子有混凝作用,它與污染物中帶微弱負電荷的微粒異性相吸,形成比較穩定的絮凝物(也叫鐵泥)而去除。

當污水通過含鐵和碳的填料時,鐵成為陽極,碳成為陰極,并有微電流流動,形成了千千萬萬個微小電池,產生“內電解”,發生腐蝕,也就是氧化還原反應:
  陽極反應: Fe-2eFe2+ 
E0(Fe2+/Fe)=-0.44V
  陰極反應: 2H++2eH2↑ 
E0(H+/H2)=0.00V
  當有氧氣時:O2+4H++4e2H2O 
E0(O2)=1.23V
        O2+2H2O+4e40H- 
E0(O2/OH-)=0.40V
  上述反應在酸性和充氧的情況下腐蝕最甚,并具有如下被證實了的功能:由于有機物參預陰極的還原反應,使官能團發生了變化改變了原有機物性質,降低了色度,改善了 B/C值;一些無機物也參預反應生成沉淀得以去除,如:Fe2++S2-FeS; 廢水的膠體粒子和微小分散的污染物受電場作用,產生電泳現象,向相反電荷的電極移動,并聚集在電極上使水澄清;陽極生成的新生態Fe2+經石灰中和生成的Fe(OH)3,有極強的吸附能力,使水得以澄清;陰極生成的氫氣,具有氣浮效應。

 2.1
電極反應

陽極(Fe):Fe-2eFe2+ E0(Fe2+/Fe)=-0.44V

陰極(C):2H++2eH2↑ E0(H+/H2)=0.00V

當有O2時:O2+4H++4e2H2O E0(O2)=1.23V
        O2+2H2O+4e40H- E0(O2/OH-)=0.40V

由上述反應的標準電極電位E0可知,酸性充氧條件下電極反應的E0最大,有O2存在得情況下電極反應進行得最快,該反應不斷消耗廢水中的H +,使其pH值上升。因此,pH低、酸度大時,氧的電極電位提高,微電池的電位差加大,促進了電極反應的進行。這從理論上解釋了酸性廢水微電解反應效果較好的原因。

2.2 氧化還原反應

2.2.1 鐵的還原作用

鐵是活潑金屬,在酸性條件下可使一些重金屬離子和有機物還原為還原態,例如:

1)將汞離子還原為單質汞:

2)將六價鉻還原為三價鉻:

3)將偶氮型染料的發色基還原:

4)將硝基還原為胺基:

鐵的還原作用使廢水中重金屬離子轉變為單質或沉淀物而被除去,使一些大分子染料降解為小分子無色物質,具有脫色作用,同時提高了廢水的可生化性。

2.2.2 氫的氧化還原作用

電極反應中得到的新生態氫具有較大的活性。能與廢水中許多組分發生氧化還原作用,破壞發色、助色基團的結構,使偶氮鍵破裂、大分子分解為小分子、硝基化臺物還原為胺基化合物,達到脫色的目的。一般地,[H]是在Fe2+的共同作用下將偶氮鍵打斷、將硝基還原為胺基。1.3 電化學附集
當鐵與碳化鐵或其他雜質之間形成一個小的原電池,將在其周圍產生一個電場,許多廢水中存在著穩定的膠體如印染廢水,當這些膠體處于電場下時將產生電泳作用而被附集。

在電場的作用下,膠體粒子的電泳速度可由下式求出:

式中: V——膠體粒子的電泳速度(cms)

——電位(V)

D——分散介質的介電常數

E——電場強度(Vcm)

——分散介質的粘度(Pa•S)

K——系數

例如采用電位差為1.2V的廢鐵屑和焦炭粒,浸泡在電位為0.30mV的廢水溶液中,粒料間的分離距離為0.10cm,可以得到5?0-3cm/s的分離速度,從理論上計算20s就可完成電泳沉積過程。

2.3 物理吸附

在弱酸性溶液中,鐵屑豐富的比表面積顯出較高的表面活性,能吸附多種金屬離子,能促進金屬的去除,同時鐵屑中的微碳粒對金屬的吸附作用也是不可忽視的。而且鑄鐵是一種多孔性的物質,其表面具有較強的活性,能吸附廢水中的有機污染物,凈化廢水,特別是加入煙道灰等物質時,其很大的比表面積和微晶表面上含有大量不飽和鍵和含氧活性基團,在相當寬的pH值范圍內對染料分子都有吸附作用。

2.4 鐵的混凝沉淀

在酸性條件下,用鐵屑處理廢水時,會產生Fe2 Fe3 Fe2 Fe3 是很好的絮凝劑,把溶液pH調至堿性且有O2存在時,會形成Fe(OH)2Fe(OH)3很好的絮凝劑,發生絮凝沉淀。反應式如下:

 生成的Fe(OH)3 是膠體絮凝劑,它的吸附能力高于一般藥劑水解得到的Fe(OH)3吸附能力。這樣,廢水中原有的懸浮物,通過微電池反應產生的不溶物和構成色度的不溶性染料均可被其吸附凝聚。
2.5
鐵離子的沉淀作用

在電池反應的產物中,Fe2 Fe3 也將和一些無機物發生反應生成沉淀物而去除這些無機物,以減少其對后續生化工段的毒害性。如S2一、CN-等將生成FeSFe3[Fe(CN)6]2Fe4[Fe(CN)6]3等沉淀而被去除。                                                                        3.工藝影響因素及設計參數

影響微電解工藝處理廢水效果的因素有許多,如pH值、停留時間、處理負荷、鐵屑粒徑、鐵碳比、通氣量等。這些因素的變化都會影響工藝的效果,有些可能還會影響到反應的機理。

3.1 pH

通常pH值是一個比較關鍵的因素,它直接影響了鐵屑對廢水的處理效果,而且在pH值范圍不同時,其反應的機理及產物的形式都大不相同。一般低pH值時,因有大量的H+,而會使反應快速地進行,但也不是pH值越低越好,因為pH值的降低會改變產物的存在形式,如破壞反應后生成的絮體,而產生有色的Fe2+使處理效果變差。而pH值在中性或堿性條件下,許多實際運行表明進行得不理想或根本不反應。因此,一般控制在pH值為偏酸性條件下,當然這也因根據實際廢水性質而改變。

3.2 停留時間

停留時間也是工藝設計的一個主要影響因素,停留時間的長短決定了氧化還原等作用時間的長短。停留時間越長,氧化還原等作用也進行得越徹底,但由于停留時間過長,會使鐵的消耗量增加,從而使溶出的Fe2 大量增加,并氧化成為Fe3+,造成色度的增加及后續處理的種種問題。所以停留時間并非越長越好,而且對各種不同的廢水,因其成分不同,其停留時間也不一樣。建議設計參數:染料廢水停留時間為30min;硝基苯廢水停留時間為4060min;制罐廢水停留時間為71Oh;制藥生產廢水停留時間為4h;含油廢水停留時間為3040min。停留時間還取決于進水的初始pH值,進水的初始pH值低時,則停留時間可以相對取得短一點;相反,進水的初始pH值高時,停留時間也應相對的長一點。停留時間還反映了鐵屑用量,停留時間長也就是說單位廢水的鐵屑用量大。兩個參數可以相互校核,共同控制。

3.3 Fe/C

加入碳是為了組成宏觀電池,當鐵中碳屑量低時,增加碳屑,可使體系中的原電池數量增多,提高對有機物等的去除效果。但當碳屑過量時,反而抑制了原電池的電極反應,更多表現為吸附,所以Fe/C比也應有一個適當值,且加入的碳的種類可以為活性炭或焦炭,碳種類對有機物等去除率影響不大,因此按經濟因素考慮應選焦炭為最佳,具體設計參數為Fe/C (體積比)=11.5

3.4 鐵屑粒度的影響

鐵屑粒度越小,單位重量鐵屑中所含的鐵屑顆粒越多,使電極反應中絮凝過程增加,利于提高去除率。另一方面鐵屑粒度越小,顆粒的比表面積越大。微電池數也增加,顆粒間的接觸更加緊密,延長了過柱時間,也提高了去除率。但粒度越小,使單位時間處理的水量太小,且易產生堵塞、結塊等不利影響,故一般的粒度以6080目為佳。

3.5 通氣量

對鐵屑進行曝氣利于氧化某些物質,如三價砷等,也增加了對鐵屑的攪動,減少了結塊的可能性,且進行摩擦后,利于去除鐵屑表面沉積的鈍化膜,且可以增加出水的絮凝效果,但曝氣量過大也影響水與鐵屑的接觸時間,使去除率降低。在中性條件下,通過曝氣,一方面提供更充足的氧氣,促進陽極反應的進行。另一方面也起到攪拌、振蕩的作用,減弱濃差極化,加速電極反應的進行,并且通過向體系加入催化劑改進陰極的電極性能,提高其電化學活性來促進電極反應的進行,已取得了顯著效果。

3.6 鐵屑活化時間

由于鐵屑表面存在有氧化膜鈍層,因此在使用之前應對鐵屑表面進行活化。研究表明,用稀鹽酸進行活化時,當進行20min后,反應的K值基本已經穩定,故活化時間可以以20min為宜。

3.7 溫度

溫度的升高可使還原反應加快,但是加快最大的是反應初期,且由于維持一定的溫度需要保溫等措拖,一般的工業應用不予以考慮,均在常溫下進行反應。

3.8 鐵粉品種

一般使用的鐵屑有鑄鐵屑和鋼鐵屑兩種。鑄鐵屑含碳量高,處理效果好,但材料來源不易,絮體易破碎,強度低,易壓碎結塊;鋼鐵屑含碳量稍低而效果差,但材料易得。在流動水體中,能與廢水接觸均勻,不易短流或結塊,表面鈍化物也易被帶走,自然更新力強,且增大停留時間,效果也能接近鑄鐵屑。馬業英等人研究了磁性鑄鐵粉處理含鉻電鍍廢水,取得了極佳的凈化效果。磁性鑄鐵粉主要強化了鑄鐵粉表面的微電池作用,同時也加速了鐵粉表面和溶液中的氧化還原速度,也能加速絮體的沉降過程。

4.特點

4.1 反應速率快,一般工業廢水只需要半小時至數小時;

4.2 作用有機污染物質范圍廣,如:含有偶氟、碳雙鍵、硝基、鹵代基結構的難降解有機物質;

4.3 運行成本極低,只消耗少量的單質鐵(最理想并且價廉易得的是金屬加工廢料鐵刨花);

4.4. 使用壽命長,操作維護方便,微電解塔只要定期的添加鐵屑便可,惰性電極不用更換,腐蝕電極每年補充投入兩次;

4.5. 具有良好的混凝效果,COD去除率高;

4.6.該方法可以達到化學沉淀除磷的效果,還可以通過還原除重金屬;

4.7.設備采用機械攪拌,長期運行效果好。

 5.適用廢水種類

5.1. 染料、印染廢水;焦化廢水;石油化工廢水;

------上述廢水在脫色的同時,處理水中的BOD/COD值顯著提高。

5.2 石油廢水;皮革廢水;造紙廢水、木材加工廢水;

------上述廢水處理水后的BOD/COD值大幅度提高。

5.3 電鍍廢水;印刷廢水;采礦廢水;其他含有重金屬的廢水;

------可以從上述廢水中去除重金屬。

5.4 有機磷農業廢水;有機氯農業廢水;

------大大提高上述廢水的可生化性,且可除磷,除硫化物

6.產品選型

型號

SYHB-3

SYHB-5

SYHB-8

SYHB-10

處理能力(m3/d)

80

120

200

240

q (m3/h)

3.0

5.0

8.0

10.0

HRT(h)

1.0

1.0

1.0

1.0

外形尺寸(mm)

φ1600×3000

φ1600×4000

φ2000×4000

φ2200×4500

注:廢水設計停留時間為1.0h,對于某些有機物濃度特別高的廢水或是特別難氧化分解的廢水,停留時間相應延長,一般有2~6h

 
 
 
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