鐵炭微電解工藝是依據(jù)金屬的腐蝕電化學(xué)原理，利用形成的微電池效應(yīng)對廢水進(jìn)行處理，又稱內(nèi)電解法、鐵炭法、鐵屑過濾法、零價(jià)鐵法。該工藝自20世紀(jì)60年代開始研究，但因鐵屑易成團(tuán)結(jié)塊，廢水處理效果不佳，未能得到實(shí)際應(yīng)用。此后，研究人員將鐵炭微電解工藝加以改進(jìn)，并用于印染廢水處理，取得了較好效果。鐵炭微電解工藝的原料可從工業(yè)廢料中得到，廢水處理成本低，且處理效果好，因此得到迅猛發(fā)展。近年來，該工藝在石油化工、電鍍、印染廢水及礦山含砷、氰廢水處理方面應(yīng)用廣泛。隨著鐵炭工藝研究的深入，鐵炭微電解法處理廢水工藝也日趨成熟。
砷的毒性極強(qiáng)，含砷廢水的凈化及處理一直都是環(huán)境治理方面的重要課題。目前較常用的除砷技術(shù)有鐵鹽法、硫化法、吸附法、離子交換法、生物法等。其中：硫化法、生物法多用于處理高濃度工業(yè)廢水;吸附法和離子交換法處理成本高，投資大，運(yùn)營費(fèi)用高，難以在礦山環(huán)境中用于處理礦山廢水。鐵炭微電解工藝材料經(jīng)濟(jì)廉價(jià)，運(yùn)營成本低，去除效果好，但用于從礦山廢水中去除砷尚未見有報(bào)道，所以，試驗(yàn)研究采用鐵炭工藝對貴州某含砷廢水進(jìn)行處理，通過考察各因素對砷去除率的影響，確定優(yōu)化工藝條件。
1、試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)材料
貴州某礦山含砷廢水，除砷超標(biāo)外，其他元素都在排放標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)，化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)所用鐵-炭參數(shù)見表2。
硫酸：工業(yè)級，純度95%。
1.2 分析方法
溶液中砷質(zhì)量濃度采用原子熒光分光光度法測定。
1.3 試驗(yàn)原理及方法
試驗(yàn)原理：鐵炭微電解通過腐蝕電化學(xué)原理，利用形成的微電池效應(yīng)產(chǎn)生的二價(jià)鐵離子在弱酸性并曝氣條件下被氧化成三價(jià)鐵離子。三價(jià)鐵離子在弱酸性或中性條件下生成吸附性極強(qiáng)的氫氧化鐵，其與砷形成共沉淀，凝聚后從溶液中將砷去除?；痉磻?yīng)如下：
試驗(yàn)方法：取一定量含砷廢水，用硫酸調(diào)pH，根據(jù)砷質(zhì)量濃度按比例加入一定質(zhì)量鐵炭，曝氣，定期取樣，測定溶液中砷質(zhì)量濃度。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 實(shí)驗(yàn)室批次試驗(yàn)
2.1.1 廢水初始pH及曝氣時間對砷去除率的影響
試驗(yàn)在2L燒杯中進(jìn)行。燒杯中加入0.5L砷質(zhì)量濃度0.22mg/L廢水，分別用硫酸調(diào)初始pH為3、4、5、6。加入鐵炭50g(HMT，以下未特別說明，均用此鐵炭)并曝氣，每隔10min取樣過濾后測定砷質(zhì)量濃度及pH。試驗(yàn)結(jié)果見表2。可以看出：鐵炭氧化分解過程消耗氫離子，隨反應(yīng)進(jìn)行，廢水pH升高、砷質(zhì)量濃度下降;初始pH=3的廢水經(jīng)曝氣20min，砷質(zhì)量濃度降至檢測下限(<1.0μg/L)以下，而初始pH=6的廢水經(jīng)曝氣30min，砷質(zhì)量濃度為0.031mg/L。適當(dāng)降低初始廢水pH使呈弱酸性更有利于鐵炭氧化分解，提高砷去除率。
2.1.2 曝氣對砷去除率的影響
用1.5m高的有機(jī)玻璃柱進(jìn)行試驗(yàn)。玻璃柱中加入砷質(zhì)量濃度0.22mg/L廢水10L，用硫酸調(diào)初始pH=4，進(jìn)行3組試驗(yàn)。試驗(yàn)1：只添加1kg鐵炭，不曝氣，反應(yīng)60min;試驗(yàn)2：添加1kg鐵炭并曝氣60min;試驗(yàn)3：不加鐵炭，只曝氣60min。反應(yīng)完成后從沉降柱中取樣，測定砷質(zhì)量濃度。各試驗(yàn)平行5組，各次試驗(yàn)結(jié)果見表3。
由表3看出：只用鐵炭處理不曝氣，廢水中砷質(zhì)量濃度只降至0.17mg/L，且反應(yīng)速度緩慢;相比之下，添加鐵炭并曝氣，處理效果更好，廢水中砷質(zhì)量濃度降至0.001mg/L。可能的原因是，在酸性富氧條件下，鐵、砷電位差較大，電化學(xué)腐蝕速度較快，鐵形成絮狀氫氧化鐵，砷氧化為砷酸根，加快了吸附絮凝，進(jìn)而沉淀析出。
2.1.3 溶液砷質(zhì)量濃度對鐵炭去除砷的影響
分別取砷質(zhì)量濃度為0.22、0.55、1.03mg/L的廢水各5L，置于上述有機(jī)玻璃柱中，調(diào)pH=4。分別加入480g鐵炭并曝氣。每間隔一段時間取少許水樣過濾并測定其中砷質(zhì)量濃度，計(jì)算砷去除率。試驗(yàn)共取樣9次，時間間隔及試驗(yàn)結(jié)果見表4。
由表4看出：廢水中初始砷質(zhì)量濃度越高，曝氣處理至達(dá)標(biāo)所需時間越長;初始砷質(zhì)量濃度為0.22mg/L時，曝氣20min即可達(dá)標(biāo)，而初始砷質(zhì)量濃度為1.03mg/L時，曝氣90min才可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
2.1.4 鐵炭類型對砷去除率的影響
分別取480g不同廠家的鐵炭(TB、HMT、YX、LAT)放入上述有機(jī)玻璃柱中，加入砷質(zhì)量濃度為0.22mg/L的廢水5L，曝氣一段時間后取樣測定廢水砷質(zhì)量濃度，試驗(yàn)結(jié)果見表5。反應(yīng)完成后，過濾，觀察鐵炭結(jié)垢情況。將鐵炭酸洗24h，觀察清洗后的鐵炭外觀。鐵炭結(jié)垢及清洗試驗(yàn)結(jié)果見表6。
由表5、6看出，不同廠家的鐵炭形態(tài)、反應(yīng)后結(jié)垢情況及砷處理能力有較大差別，鐵炭YX除砷效果較好，但酸洗后復(fù)原效果差。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)具體廢水水質(zhì)綜合考慮加以選擇。
2.2 實(shí)驗(yàn)室連續(xù)試驗(yàn)
根據(jù)以上結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室連續(xù)試驗(yàn)，驗(yàn)證中性和弱酸性條件下用鐵炭工藝去除廢水中砷的效果。
試驗(yàn)在22cm×11cm×15.5cm自制反應(yīng)器中進(jìn)行。反應(yīng)器分為反應(yīng)槽、一級沉降槽和二級沉降槽3部分。設(shè)置蠕動泵進(jìn)水速度，讓水在反應(yīng)槽內(nèi)的曝氣時間固定，處理后水樣溢流至一級沉降槽和二級沉降槽后排出。同時進(jìn)行3組試驗(yàn)：試驗(yàn)1，廢水pH=4，曝氣時間20min;試驗(yàn)2，廢水pH=5，曝氣時間20min;試驗(yàn)3，廢水pH=6，曝氣時間30min。反應(yīng)槽內(nèi)加入600g鐵炭、750mL廢水，廢水中砷質(zhì)量濃度0.22mg/L。曝氣一段時間后，打開蠕動泵，使廢水流入反應(yīng)槽。連續(xù)反應(yīng)后，定時取二級沉降槽的溢流分析砷質(zhì)量濃度。試驗(yàn)結(jié)果見表7。
連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果(表7)很好地驗(yàn)證了批次試驗(yàn)結(jié)果：控制廢水pH在4～5之間，曝氣20min可使溶液中砷質(zhì)量濃度降至地表水標(biāo)準(zhǔn)以下;廢水pH=6時，曝氣30min，也可使廢水中砷質(zhì)量濃度低于0.05mg/L。
3、結(jié)論
用鐵炭微電解工藝處理含砷廢水可有效去除其中的砷，處理后的廢水中砷質(zhì)量濃度符合要求。在酸性條件下連續(xù)處理，控制廢水pH在4～5之間，曝氣時間20min，可將廢水中砷質(zhì)量濃度降至0.05mg/L以下，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
降低廢水pH有利于鐵炭的氧化、分解，提高對含砷廢水的處理效果。鐵炭氧化分解過程消耗氫離子，使溶液pH升高，出水pH達(dá)到中性。
不同廠家生產(chǎn)的鐵炭形態(tài)、反應(yīng)后結(jié)垢情況及砷處理能力有較大差別，需要根據(jù)實(shí)際水質(zhì)加以篩選。( >
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