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铁屑过滤法在废水处理中的应用
郝瑞霞，程水源，罗湘南
摘　要：综述了铁屑过滤法处理废水的机理，及其在废水处理中的应用状况、运行方式和强化铁屑过滤处理的途径，指出铁屑过滤是一种经济、有效的废水预处理技术。
关键词：铁屑过滤；电化学腐蚀；预处理
中图分类号：X792　　文献标识码：A　文章编号：1008-1534（1999)03-0032-04
The Application of Filtration with Iron Filings
in Wastewater Treatment
HAO Rui-xia，CHENG Shui-yuan,LUO Xiang-nan
（Department of Environmental Scieuce & Engineering,
Hebie University of Science and Technology,Hebei Shijiazhuang 050018,China)
Abstract　This paper sets forth the principle,application state at present,running process and the methods of heightening removal efficiency for wastewater treatment by filtration with iron filings.It points out that filtration with iron filings is a pretreatment technology for wastewater,which is simply effective and having application value.
Key words　filtration with iron filings;galvano-chemistry corrosion；pretreatment
　　近年来，对利用废铁屑处理电镀、染料、印染、煤气洗涤等工业废水进行了大量实验研究，一些设计研究单位研制出了专用设备。铁屑过滤处理工业废水是一种简便易行，经济有效的预处理技术。
1　方法原理与影响因素
1.1　原　　理
　　铁屑过滤是以机械加工过程中产生的废铸铁屑或废钢屑为滤料，用稀酸清洗其表面氧化物，装填成一定高度的铁屑滤床，进行废水处理的一种方法。铁屑过滤法是基于电化学反应的氧化还原、电池反应产物的絮凝、铁屑对絮体的电附集、新生絮体的吸附以及床层过滤的综合作用，其中电化学反应的氧化还原作用是主要的。
　　铸铁屑是铁碳合金，在废水中腐蚀形成许多微原电池，碳的电位高，形成无数微阴极；铁的电位低成为微阳极。当在铸铁屑中加入一定比例的含碳颗粒时，铸铁屑与碳颗粒接触，形成较大的原电池，使铸铁屑在受到微原电池腐蚀的基础上，又受到较大原电池的腐蚀，这就加速了铸铁屑的腐蚀。其电极反应为
　　阳极：Fe-2e→Fe2＋，E0（Fe2＋／Fe)=－0.44 V。
　　阴极：2H＋＋2e→2［H］→H2（酸性或偏酸性溶液中)，E0（H+/H2）＝0．00　V；
　　O2+4H＋＋4e→2H2O,E0（O2/H2O)=1.22 V;
　　O2+2H2O+4e→4OH－(中性或碱性溶液中)，E0（O2/OH－）＝0.41 V。
　　电极反应产物具有高的化学活性，其中新生态的［H］和Fe2＋能与废水中许多组分发生氧化还原作用，如破坏染料的发色或助色集团，使其失去发色能力；使大分子物质分解为小分子的中间体，使某些难生化降解的化学物质转变成容易生化处理的物质，提高废水的可生化性［1］。
　　新生态的Fe(OH)2和Fe(OH)3是良好的絮凝剂，具有高活性，能将废水中的胶体或类胶体颗粒交联在一起，形成具有较高表面能的微絮体，并进一步吸附废水中的污染物以降低其表面能，最终聚结成较大的絮体沉淀。另外，在微原电池周围电场的作用下，废水中以胶体状态存在的污染物可在很短时间内完成电泳沉积过程，附聚在滤料表面。
1．2　影响处理效果的因素
　　影响铁屑过滤处理效果的因素有进水pH值、停留时间、铁屑种类、活化助剂种类和投加比例等。
　　进水pH值和停留时间是影响铁屑过滤处理效果的主要因素，对出水含铁量及滤柱运行周期也有一定的影响。pH值影响滤柱内的氧化还原反应，pH值低，电极产物以［H］，Fe2＋为主，有利于氧化还原作用进行，且酸性条件下滤料表面附着的惰性物质少，滤柱运行周期长；停留时间长，氧化还原、絮凝吸附等各种作用进行得完全，COD去除率高，但滤料表面钝化较快，运行周期短。另外pH值低、停留时间长会导致出水含铁量增加，影响出水色度，而且对设备防腐等要求提高，增加设备投资。
　　铁屑过滤处理废水主要是利用铁-碳形成的微原电池产生的微电解作用，铁屑中具有较高的含碳量是有利的。铸铁屑的含碳量高于中碳钢铁屑，其COD去除率和脱色率高，目前大多以此为过滤介质，但铸铁屑较碎，强度低，易压碎、结块，过滤时易形成短流，影响运行过程。钢铁屑强度高，粒度较大、均匀，滤层空隙率高，废水通过时有较好的水力条件，使滤料表面沉积的钝化物质易随水排出，从而延长了滤柱的再生周期。
　　铁屑中加入一定比例的含碳颗粒，可加速铁屑的腐蚀过程，有利于污染物的去除，还可维持填料层一定的空隙率，防止铁屑结块板结，保持较好的水力条件，延长滤柱再生周期。
2　在工业废水处理中的应用
2.1　有色废水的脱色处理
　　有机物之所以显色是由于分子中发色团的作用。发色团有硝基、亚硝基、偶氮基、羰基等，发色团与苯、萘等芳烃相联组成发色体而显色，发色体所含发色团的数量越多，颜色就越深，当发色体中含有助色基团时才能形成染料。据报道废水经铁屑过滤处理后，硝基、亚硝基化合物转化为胺基物，一些不饱和发色团由于电极反应得到电子，不饱和双键被打开使发色基团破坏，失去发色能力，达到脱色目的。
　　铁屑过滤处理有色废水时，进水pH值和停留时间是影响脱色率的主要因素，酸性条件有利于脱色，延长停留时间可提高脱色率。一般进水pH值为3.5～4．5，停留时间为6～8　min，脱色率可达85%以上。但对COD的去除率不高，出水铁含量往往较高，影响出水色度［2］。
　　研究表明［3］，普通铁屑过滤对酸性、直接、阳离子等亲水性染料比对分散、硫化等疏水性染料脱色效果好；对含偶氮、硝基、亚硝基等发色团的染料比对含蒽醌型结构而发色的染料脱色效果好；对红色染料脱色效果最好。为提高铁屑过滤对疏水性染料的脱色效果，可对铁屑进行改性并加入活化助剂［4］，脱色率均在80%以上，COD去除率也可达80%。
2．2　铁屑过滤-混凝沉淀工艺
　　铁屑过滤工艺是在酸性条件下进水，用石灰乳中和出水兼有混凝沉淀作用。由于酸性条件下废水经铁屑过滤后，出水中含大量新生态的Fe2＋和Fe3＋，铁离子水解生成铁的单核络合物，在碱性条件下水解反应充分进行，逐渐形成聚合度大的多核络合物。这些络合物能对废水中的胶体和类胶体起有效的吸附、电中和及桥联等凝聚作用，从而增强净化效果。有研究表明，废水经铁屑过滤加石灰乳中和混凝沉淀处理效果比单纯石灰混凝沉淀效果要好［5］。
　　将废水pH值调至酸性或弱酸性通过铁屑过滤柱，废水在柱内停留时间与进水pH值有关。进水pH值为4～5时，停留时间一般5～10　min；pH值为5～6时，停留时间延长至10～20 min。
　　染料、印染等工业废水通过铁屑过滤-混凝沉淀工艺处理后COD去除率在80%以上，脱色率在90%以上，出水基本能满足标准要求［6］。
　　在酸性条件下，标准电极电位比铁高的元素如Cu,Ag,Hg,Sn,Pb,Ni等均可被铁置换，然后以金属氢氧化物沉淀形式去除，因此对含重金属离子的电镀废水等采用铁屑过滤-混凝沉淀工艺处理，重金属去除率可达90%以上［7］。E.H.Smith研究发现，铁屑表面对废水中镉、锌、铅等重金属有吸附能力，其去除原理是金属表面和正在形成的氧化层间的络合作用，而且循环利用的铁屑的金属吸附能力比得上天然金属氧化物和一些商业吸附剂［8］。
2．3　铁屑过滤-生物处理工艺
　　随着高分子合成有机物在工业生产中的大量使用，废水的可生化性下降，人们对铁屑过滤的兴趣不仅局限于脱色和去除重金属，研究发现废水经铁屑过滤预处理后，废水的可生化性提高，有利于后续生化处理。
　　产生这种结果的原因：1)由于铁是生物氧化酶系中细胞色素的重要组成部分，通过Fe3＋Fe2＋氧化还原反应进行电子传递，铁屑过滤出水中所含的新生态铁离子能参与这种电子传递，并对生化反应有促进作用，提高了生化反应速度。2)铁屑过滤柱内形成的铁碳微原电池产生微电解作用，使废水中的大分子难生化降解的有机物转化为易生化降解的物质，如硝基化合物转化为易生化的胺基物，从而提高了废水的可生化性，为后续生化处理提供了有利条件。研究表明［9］，印染废水经铁屑过滤预处理后，BOD5／COD由原来的0.20～0.27提高到0.35以上。3)铁屑过滤出水含有铁离子，在生化处理系统中形成密度较大的生物铁絮凝体，污泥沉降性能得到改善，允许有较高的污泥浓度，从而降低了污泥负荷。
　　采用铁屑过滤-生化处理工艺，铁屑进水pH值不宜太低，否则将影响后续生化处理过程。一般进水pH值为中性或弱酸性。
　　目前已有铁屑过滤与间歇性污泥法(SBR法)、连续流活性污泥法、生物接触氧化法等生物处理法组成联合处理工艺处理印染、染料等废水的实验研究报道，均取得好的处理效果［9，10］。
3　强化铁屑过滤处理
　　由电极反应知，铸铁屑在酸性条件并且充氧的情况下腐蚀最甚。当在铸铁中混入含碳粒料(如石墨、焦炭、活性炭、煤渣、烟道灰等)［11～13］时可加速腐蚀过程。调节进水pH值在酸性范围内，增加进水中氧的含量［14］(可短时曝气)以及混入1种或几种含碳粒料其比例一般1∶1，能防止铁屑表面钝化，提高处理效果。为保持铁屑表面新鲜，提高电化腐蚀活性，程正东［15］设计了粒铁滚动自磨方法以消除铁屑表面的钝化倾向，搅拌废水，并提供一定量的微细铁粉，促进微原电池的产生。
　　利用铁屑腐蚀生成的高活性Fe2＋作催化剂，在铁屑过滤进水或出水中加入H2O2可产生高于Fenton试剂氧化能力的处理效果，用该方法处理炼油厂含酚废水的研究取得很好的效果，当质量分数为30%的H2O2投加量为7.5 mL/L,pH值为7.2，反应2 h后，脱酚率达99.9%［16］。处理含十二烷基苯磺酸钠(ABS)合成洗涤剂废水，ABS脱除率为91.6%［17］。
4　结束语
　　铁屑过滤作为预处理手段处理染料、印染、电镀等工业废水，可与混凝沉淀或生物化学处理方法组成联合工艺，废水经铁屑过滤预处理后可提高废水的可生化性，有利于后续生化处理。
　　今后人们将继续探讨电极产物对不同污染物的作用机理，对铁屑活化、改性处理药剂选择，活化助剂的选用和配比，工艺条件的确定，滤料的再生与激活，废水在滤柱内的流动状态，铁屑过滤与絮凝法、生物法的联用等内容进行研究。
基金项目：河北省科委资助课题(94208092)
作者简介：郝瑞霞(1960-)，女，讲师，硕士。
作者单位:河北科技大学环境科学与工程系，河北石家庄　050018　郝瑞霞　程水源　罗湘南
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责任编辑：王士敏
收稿日期：1999-03-22；修回日期：1999-05-25