铁碳微电解技术在处理偶氮废水上的研究进展

张胤，包杨

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

偶氮染料的使用量占总有机染料的80%左右[1]，偶氮染料分子键中含有偶氮键（-N=N-），通常具有苯环结构，在特殊条件下，它能分解产生20多种致癌芳香胺[2]，如果不经过合适的处理就排放到环境中，必将严重危害环境和人类生命健康。因此，偶氮废水的治理就成为了我国必须解决的问题之一。

铁碳微电解法主要是利用铁和碳在废水中反应生成的一系列的氧化性和还原性物质[3]，对废水中的污染物进行降解，铁碳微电解法的主要反应物质为废旧的铁屑与活性炭，铁碳来源丰富、价格低廉、不产生二次污染[4]，因此该法具有适应废水范围广、成本低廉、处理效果显著等优点，被誉为工业废水十大处理技术之一，具有很大的发展前景。

1 铁探微电解技术的作用机理

铁碳微电解技术的主要原理是铁的电化学腐蚀原理[5]，它利用Fe 和C 之间存在1.2 V 的电势差，将铁和碳浸泡在废水中，形成无数微小的腐蚀原电池，从而引发一系列的电极反应和其他反应，进行有机物的降解。当废铁屑浸没在酸性溶液中，一方面，铁屑中的纯铁和碳化铁之间存在电势差，形成无数微小原电池，纯铁为阳极，碳化铁为阴极[6]，另一方面，加入活性炭之后，铁屑与活性炭充分接触，会形成宏观原电池，其中铁屑为阳极，活性炭为阴极，加强了电化学腐烛的程度，阳极发生氧化作用，阴极发生还原作用。电极反应如下：

阳极：

阴极：

2H++ 2e-→ 2[H]→H2（酸性不曝气）Eθ=0 V

O2+ 4H++ 4e-→2H2O（酸性曝气）Eθ=1.23 V

O2+ 2H++ 2e-→H2O2（酸性曝气）Eθ=0.86 V

O2+ 2H2O+4e-→4OH-（中性、碱性曝气）Eθ=0.4 V

由于原电池作用，在铁和碳之间形成微电流，在微电流的作用下，水分子被电解产生[O]，[O]可直接氧化降解有机物，或者进一步反应生成羟基自由基（·OH）等自由基[7]，从而氧化降解有机物。Fe表面、阴极反应生成的 [H]及阳极反应生成的Fe2+，具有较强的还原能力[8]，可使偶氮基断裂、使染料的发色基团被还原降解，达到脱色的目的。铁碳微电解法通过氧化作用、还原作用以及一系列的絮凝沉淀作用、微电场作用，达到降解有机物的目的。

2 铁碳微电解技术的研究进展

2.1 新型填料的研究进展

解决铁碳微电解技术本身的问题，关键是填料的选择。近年来，人们通过研究发现，在微电解填料中添加一些相对于铁元素来说的惰性电极材料，例如锡、铜、镍等，可以形成双金属还原体系，加强整个工艺的还原强度，加快有机物的降解速率。周荣丰[9]等过在铁表面镀铜形成Fe-Cu 双金属体系，结果表明，Cu 加入后提高了电化学效率，COD 去除率为85%，脱色率达到90%以上，废水的可生化性得到大大提高。

2.2 新型反应器的研究进展

传统的铁碳微电解反应器采用的一般是固定床反应器，废水从底部流入，向上经过填料层进行处理[10]，但是在实际工程应用中，铁碳反应器运行一段时间后，便会出现填料板结钝化、铁泥堵塞等问题，造成处理效果下降，要解决这一问题必须打破固定床，因此大量学者对此进行了研究。张雷[11]进行了内循环式铁碳微电解反应器结构优化与性能研究的研究，结果表明，该反应器的COD 去除率和色度去除率分别为67.77%和93.75%，并且连续运行4个月并未出现填料板结钝化现象。

2.3 新型联合技术的研究进展

2.3.1 铁碳微电解-生物法的组合

早期的铁碳微电解技术单独使用时虽然脱色效果好，但是COD 去除率较低，经过大量的国内外学者的研究，探索出铁碳微电解-生物法的联合处理技术，铁碳微电解技术作为预处理技术，可以大大提高废水的可生化性，便于后续的生物处理进行有机物降解。刘喆[12]等学者进行了铁碳微电解+A/O 工艺降解有机硅废水COD 的研究，结果表明，该组合工艺的COD 去除率达到96%，工艺运行稳定，出水水质达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）的一级标准。

2.3.2 铁碳微电解-高级氧化法的组合

高级氧化法是一种通过催化剂、氧化剂或者借助微波、超声波[13]等方法来降解有机物的一种污水处理方法，反应过程中产生的·OH 等自由基，可以高效氧化降解水中的大多数有机物，这种联合工艺在国内已有了较多的研究及应用。肖扬[14]采用铁碳微电解耦合Fenton 法预处理甲硝唑制药废水，结果表明，组合工艺的COD 去除率为42.5%，较单一工艺高许多，并且处理后的可生化性得到大大提高。

3 铁碳微电解技术在处理偶氮废水上的研究进展

3.1 H2O2强化铁碳微电解技术

传统的铁碳微电解工艺在曝气的条件下可以产生羟基自由基，但是数量极其微小，所以工艺上通常外加H2O2，使其形成Fenton 反应。由于铁碳微电解技术在反应过程中会产生大量的Fe2+，若此时加入H2O2则会与废水中已存在的Fe2+形成Fenton 试剂，从而进行高效的有机物降解。张孔亮[15]采用Fe/C微电解组合Fenton试剂处理偶氮废水，结果表明，组合工艺的降解效果大大提高，脱色率和COD 去除率分别达到了97.09%和94.07%。

3.2 铁碳微电解活化过硫酸盐技术

在铁碳微电解技术反应过程中产生的Fe2+的催化作用下，过硫酸盐会产生硫酸根自由基（SO4-·）[16]，其与·OH 有相当的氧化能力，较·OH其稳定时间更长，可以对污染物进行高效持续的降解。张鹏[17]采用铁碳微电解填料活化过硫酸盐降解活性黑 5 染料，结果表明，反应过程中产生SO4-·和·OH，主要降解过程为SO4-·的氧化作用，其脱色率达到了87%以上；赵瑾[18]等学者采用铁碳微电解活化过硫酸盐处理实际印染废水，结果表明，该工艺的COD 去除率和色度去除率分别可达64.6%和79.6%，处理后废水的可生化性也得到提高。

3.3 臭氧-铁碳微电解联合技术

铁碳填料的主要成分为零价铁和活性炭，其与臭氧结合均能发挥协同作用，促进臭氧产生羟基自由基[19]，从而提高处理效率。徐向枝[20]采用臭氧/微电解工艺处理活性偶氮染料废水，结果表明，臭氧/微电解一体式工艺与臭氧与微电解分开组合的工艺相比，其运行成本低切反应速度快，并且显著提高了废水的可生化性。

4 结束语

铁碳微电解作为一种新型的高效环保的废水处理技术[21]，具有脱色效果好、工艺反应成本低、工艺反应系统构造简单等特点，在偶氮废水上的处理已有了较多的研究，但是现在仍然存在着填料易板结、铁污染严重等问题。因此，在未来的研究中，铁碳微电解应在新型填料、新型反应器以及与其他工艺联用的方向发展，提高其处理效果，扩大其适用范围。