鐵碳微電解法處理含砷廢水工藝研究

段銘誠，張 洪

(紅河砷業有限責任公司，云南 個舊 61000)

鐵碳微電解法是在電解質溶液中鐵-碳間形成的微電池效應對廢水進行處理的一種電化學技術，又稱內電解法、零價鐵法、鐵屑過濾法、鐵碳法[1]。它是利用廢水中填充的微電解材料自身微電池效應產生的 1.2 V 電位差，對廢水進行電解沉砷處理的一種電解工藝。在系統通水后，形成空間型電場的無數微電池系統就會在電解塔內部形成，能與廢水中的污染物組分發生復雜的物理-化學反應，如微電池效應產生的新生態[H]+、Fe2+等。生成的Fe2+被進一步氧化為Fe3+，可與大部分重金屬離子形成絡合沉淀，它們的水合物具有很強的吸附絮凝活性。尤其是生成的氫氧化亞鐵和氫氧化鐵膠體絮凝劑，吸附能力比一般藥劑水解后得到的氫氧化鐵膠體要高得多，對分散在水中的微小顆粒、有機大分子和金屬微粒都可以大量吸附。它的工作原理是將廢水的砷轉移至電化學、氧化-還原、物理吸附和絮凝沉淀的綜合作用上。該法適用范圍廣，處理效果好，操作維護方便，占用資源少，且處理費用低，原料來源廣泛[2]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硫酸(98%)，鐵碳填料(3 cm×1 cm 扁圓形)。

儀器：空壓機(V-0.67/7型)，微電解塔(非標定制)，精密過濾器(Φ250×1450)。

1.2 試驗物料

GB8978-1996污染物最高允許排放濃度指標與含砷廢水性質對比如表1所示。

表1 GB8978-1996與含砷廢水對比指標表 mg/L

從表1看出，含砷廢水中總砷質量濃度超過 0.5 mg/L，其他的指標含量均滿足標準。

1.3 試驗原理

當鐵碳填料通入含砷廢水(充當電解質溶液)中時，由于鐵和碳之間的氧化還原電位差存在較大差異，從而在鐵和碳之間形成無數個細微原電池(鐵充當陽極，碳充當陰極的鐵碳原電池)[3]，如圖1。

圖1 微電解反應示意圖

主要發生如下反應

陽極：

(1)

(2)

(3)

鼓入空氣時，陰極反應方程式如下：

(4)

(5)

砷沉淀反應如下：

(6)

(7)

同時存在的反應:

(8)

(9)

1.4 工藝流程

鐵碳微電解處理含砷廢水的工藝流程如圖2所示。

圖2 微電解處理含砷廢水工藝示意圖

2 結果與討論

2.1 pH值、停留時間對除砷效果的影響

微電解塔加入鐵碳填料 220 kg，調節含砷廢水pH值分別成6和2，通入含砷廢水停留時間為0.5～2 h，結果如表2所示。

表2 不同pH除砷結果

由表2看出，pH值為6時，除砷過程中原電池一開始反應較充分，脫砷效果好；隨著試驗的開展，生成的氫氧化亞鐵、氫氧化鐵以及砷鐵化合物等會在鐵碳填料表面覆蓋，阻礙了進一步電化學反應，從而對后續砷的去除效果產生不利影響。當pH值為2時，鐵碳材料除砷效率基本一致，重現性較好，且3次試驗中曝氣 2 h 出水的砷質量濃度已經降到 0.5 mg/L 以下。因此宜調整為pH值2的含砷廢水進行微電解除砷處理。

2.2 液固比對除砷效果的影響

含砷廢水 110 L，pH值調成2，分別加入 55.41 kg、110.82 kg 和 221.64 kg 鐵碳填料，液固比分別為：2∶1、1∶1、1∶2 L/kg，試驗結果如表3所示。

表3 不同液固比除砷結果

從表3看出，當加入的填料比增多時，原電池在相同處理時間內發生反應產生足夠多的鐵離子和氫氧根離子，沉砷反應更快；液固比為1∶2 L/kg時，處理效果和處理效率均最好，曝氣 2 h 后出水砷質量濃度降到 0.25 mg/L，所以微電解處理含砷廢水較佳液固比為1∶2 L/kg。

2.3 兩級間歇式微電解對除砷效果的影響

含砷廢水 110 L，加入 221.64 kg 鐵碳填料，進水pH值為2，停留時間 2 h，試驗結果如表4所示。

表4 兩級間歇式微電解試驗結果

由表4可知，兩級間歇式微電解工藝可將廢水中砷的質量濃度，最優從 43.2 mg/L 降至小于 0.02 mg/L，遠低于 0.5 mg/L 的水質要求，且處理效果穩定，未出現鐵碳填料“覆膜”現象。

2.4 三級連續式微電解對除砷效果的影響

原水砷質量濃度 340 mg/L，鐵碳填料量 220 kg，進水pH值為2，原水流量60～70 L/h，一級微電解塔連續進水，從上溢流口出水，兩個微電解塔中間連接一個精密過濾器，經過上一級出水過濾后，濾液采取連續滴加硫酸的方式調節pH值后進入下一級微電解塔，實現從第一級進水到第三級出水的連續進出水過程，結果如表5所示。

表5 三級連續式微電解試驗結果

從表5看出，三級連續式微電解處理含砷廢水，可以將廢水中As的質量濃度從 340 mg/L 降至低于 0.5 mg/L，連續處理效果穩定，處理水量大于間歇式處理工藝。

3 結論

1)當液固比為1∶2 L/kg，進水pH為2，停留時間 2 h 時，含砷廢水經過鐵碳微電解法處理后，廢水砷質量濃度可由 300 mg/L 降至 0.5 mg/L 以下，生成砷鐵渣 5 kg/m3；砷的去除效率高，產生的渣量小，出水可以回用到生產流程，實現含砷廢水零排放的目的。

2)兩級間歇式和三級連續式微電解法都可以處理含砷廢水，出水砷含量能滿足要求，也能回用于生產中。從實際應用來看，三級連續式微電解處理含砷廢水量大，具備良好的工業應用前景。