鐵碳微電解技術在處理偶氮廢水上的研究進展

張胤，包楊

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

偶氮染料的使用量占總有機染料的80%左右[1]，偶氮染料分子鍵中含有偶氮鍵（-N=N-），通常具有苯環結構，在特殊條件下，它能分解產生20多種致癌芳香胺[2]，如果不經過合適的處理就排放到環境中，必將嚴重危害環境和人類生命健康。因此，偶氮廢水的治理就成為了我國必須解決的問題之一。

鐵碳微電解法主要是利用鐵和碳在廢水中反應生成的一系列的氧化性和還原性物質[3]，對廢水中的污染物進行降解，鐵碳微電解法的主要反應物質為廢舊的鐵屑與活性炭，鐵碳來源豐富、價格低廉、不產生二次污染[4]，因此該法具有適應廢水范圍廣、成本低廉、處理效果顯著等優點，被譽為工業廢水十大處理技術之一，具有很大的發展前景。

1 鐵探微電解技術的作用機理

鐵碳微電解技術的主要原理是鐵的電化學腐蝕原理[5]，它利用Fe 和C 之間存在1.2 V 的電勢差，將鐵和碳浸泡在廢水中，形成無數微小的腐蝕原電池，從而引發一系列的電極反應和其他反應，進行有機物的降解。當廢鐵屑浸沒在酸性溶液中，一方面，鐵屑中的純鐵和碳化鐵之間存在電勢差，形成無數微小原電池，純鐵為陽極，碳化鐵為陰極[6]，另一方面，加入活性炭之后，鐵屑與活性炭充分接觸，會形成宏觀原電池，其中鐵屑為陽極，活性炭為陰極，加強了電化學腐燭的程度，陽極發生氧化作用，陰極發生還原作用。電極反應如下：

陽極：

陰極：

2H++ 2e-→ 2[H]→H2（酸性不曝氣）Eθ=0 V

O2+ 4H++ 4e-→2H2O（酸性曝氣）Eθ=1.23 V

O2+ 2H++ 2e-→H2O2（酸性曝氣）Eθ=0.86 V

O2+ 2H2O+4e-→4OH-（中性、堿性曝氣）Eθ=0.4 V

由于原電池作用，在鐵和碳之間形成微電流，在微電流的作用下，水分子被電解產生[O]，[O]可直接氧化降解有機物，或者進一步反應生成羥基自由基（·OH）等自由基[7]，從而氧化降解有機物。Fe表面、陰極反應生成的 [H]及陽極反應生成的Fe2+，具有較強的還原能力[8]，可使偶氮基斷裂、使染料的發色基團被還原降解，達到脫色的目的。鐵碳微電解法通過氧化作用、還原作用以及一系列的絮凝沉淀作用、微電場作用，達到降解有機物的目的。

2 鐵碳微電解技術的研究進展

2.1 新型填料的研究進展

解決鐵碳微電解技術本身的問題，關鍵是填料的選擇。近年來，人們通過研究發現，在微電解填料中添加一些相對于鐵元素來說的惰性電極材料，例如錫、銅、鎳等，可以形成雙金屬還原體系，加強整個工藝的還原強度，加快有機物的降解速率。周榮豐[9]等過在鐵表面鍍銅形成Fe-Cu 雙金屬體系，結果表明，Cu 加入后提高了電化學效率，COD 去除率為85%，脫色率達到90%以上，廢水的可生化性得到大大提高。

2.2 新型反應器的研究進展

傳統的鐵碳微電解反應器采用的一般是固定床反應器，廢水從底部流入，向上經過填料層進行處理[10]，但是在實際工程應用中，鐵碳反應器運行一段時間后，便會出現填料板結鈍化、鐵泥堵塞等問題，造成處理效果下降，要解決這一問題必須打破固定床，因此大量學者對此進行了研究。張雷[11]進行了內循環式鐵碳微電解反應器結構優化與性能研究的研究，結果表明，該反應器的COD 去除率和色度去除率分別為67.77%和93.75%，并且連續運行4個月并未出現填料板結鈍化現象。

2.3 新型聯合技術的研究進展

2.3.1 鐵碳微電解-生物法的組合

早期的鐵碳微電解技術單獨使用時雖然脫色效果好，但是COD 去除率較低，經過大量的國內外學者的研究，探索出鐵碳微電解-生物法的聯合處理技術，鐵碳微電解技術作為預處理技術，可以大大提高廢水的可生化性，便于后續的生物處理進行有機物降解。劉喆[12]等學者進行了鐵碳微電解+A/O 工藝降解有機硅廢水COD 的研究，結果表明，該組合工藝的COD 去除率達到96%，工藝運行穩定，出水水質達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）的一級標準。

2.3.2 鐵碳微電解-高級氧化法的組合

高級氧化法是一種通過催化劑、氧化劑或者借助微波、超聲波[13]等方法來降解有機物的一種污水處理方法，反應過程中產生的·OH 等自由基，可以高效氧化降解水中的大多數有機物，這種聯合工藝在國內已有了較多的研究及應用。肖揚[14]采用鐵碳微電解耦合Fenton 法預處理甲硝唑制藥廢水，結果表明，組合工藝的COD 去除率為42.5%，較單一工藝高許多，并且處理后的可生化性得到大大提高。

3 鐵碳微電解技術在處理偶氮廢水上的研究進展

3.1 H2O2強化鐵碳微電解技術

傳統的鐵碳微電解工藝在曝氣的條件下可以產生羥基自由基，但是數量極其微小，所以工藝上通常外加H2O2，使其形成Fenton 反應。由于鐵碳微電解技術在反應過程中會產生大量的Fe2+，若此時加入H2O2則會與廢水中已存在的Fe2+形成Fenton 試劑，從而進行高效的有機物降解。張孔亮[15]采用Fe/C微電解組合Fenton試劑處理偶氮廢水，結果表明，組合工藝的降解效果大大提高，脫色率和COD 去除率分別達到了97.09%和94.07%。

3.2 鐵碳微電解活化過硫酸鹽技術

在鐵碳微電解技術反應過程中產生的Fe2+的催化作用下，過硫酸鹽會產生硫酸根自由基（SO4-·）[16]，其與·OH 有相當的氧化能力，較·OH其穩定時間更長，可以對污染物進行高效持續的降解。張鵬[17]采用鐵碳微電解填料活化過硫酸鹽降解活性黑 5 染料，結果表明，反應過程中產生SO4-·和·OH，主要降解過程為SO4-·的氧化作用，其脫色率達到了87%以上；趙瑾[18]等學者采用鐵碳微電解活化過硫酸鹽處理實際印染廢水，結果表明，該工藝的COD 去除率和色度去除率分別可達64.6%和79.6%，處理后廢水的可生化性也得到提高。

3.3 臭氧-鐵碳微電解聯合技術

鐵碳填料的主要成分為零價鐵和活性炭，其與臭氧結合均能發揮協同作用，促進臭氧產生羥基自由基[19]，從而提高處理效率。徐向枝[20]采用臭氧/微電解工藝處理活性偶氮染料廢水，結果表明，臭氧/微電解一體式工藝與臭氧與微電解分開組合的工藝相比，其運行成本低切反應速度快，并且顯著提高了廢水的可生化性。

4 結束語

鐵碳微電解作為一種新型的高效環保的廢水處理技術[21]，具有脫色效果好、工藝反應成本低、工藝反應系統構造簡單等特點，在偶氮廢水上的處理已有了較多的研究，但是現在仍然存在著填料易板結、鐵污染嚴重等問題。因此，在未來的研究中，鐵碳微電解應在新型填料、新型反應器以及與其他工藝聯用的方向發展，提高其處理效果，擴大其適用范圍。