罗立新 覃志祥 李中宝 李少雄 陈刚
（武汉大学 武汉 430072） 摘 要 本文利用目前国内运行费用较低、处理效果较好的铁屑内电解法研制了一套废水综合处理装置。在本设计中创新地提出了“动态铁屑床”的做法,该装置具有运行费用低、能耗小的特点。该装置COD的去除率达70%，出水口COD均远小于100mg/l，重金属离子Cr(VI)的去除率在80%以上，有机物（苯胺）的去除率在60%以上。在实验的基础上，我们指出了提高其处理效率的一般方法。最后，本文还利用正交试验法对该装置的主要技术参数进行了探讨，为选择最佳的工艺条件提供了依据。 关键词 动态铁屑床工业废水 内电解法 The Development of Treatment Device of Dynamic Scrap-iron Bed Effluent
Luo Lixin Tan Zhixiang Li Zhongbao Li Shaoxiong Chen Gang
(Wuhan University , Wuhan , 430072) Abstract: A suit of combined wastewater treatment device was development using scrap iron inner electrolyte method, which is very cheap and has preferable effective. This paper originally advanced the device of “Dynamic Scrap-iron Bed”. This device ‘s running expensesare very cheap and the consumptions of energy are neglectable. Through this device, the COD can be removed 70%. The COD values of effluents are below 100mg/L. The removal effective of Cr of this method is better than other methods as well. At last, this paper also discussed the main technological parameters, which bring gist for the optical conditions. Keywords dynamic scrap-iron bed effluent inner electrolyte method １.前言 近年来，国内外广泛地开展了用Fe-C内电解法处理各种工业废水的研究[1-3]，但是传统的方法均采用静态铁屑床法，这存在着铁屑易结块、铁屑换料困难的缺点。而关于动态铁屑床处理工业废水的方法尚未见详细报道。本文旨在解决传统静态铁屑床的缺点，创新地提出了“动态铁屑床”的处理方法，并寻求该法的最佳工艺条件，给出其处理结果，以求开辟处理工业废水的一条新途径。 2.反应原理[4，5] 2.1 电化学腐蚀作用
利用经活化处理的废铁屑和碳粒作为原料，置于一箱体内，由于碳的电位高，而铁的电位低，在电解质溶液中可组成腐蚀电池的阴、阳极。
其反应机理如下：
阳极（Fe）：Fe →Fe2+ + 2e
阴极（C）：2H++2e→2[H]→H2 (酸性介质)
O2 + 2H2O + 4e→4OH- (碱性介质)
Mn+ + ne→M (还原金属离子)
在实际反应中，我们希望铁腐蚀进行，这是因为生成的Fe2+对于废水的处理有着十分重要的意义。
2.2 还原降解作用
在上面阳极反应中新生的Fe2+有极高的活性，在酸性条件下，对某些有机物有降解作用。如对于偶氮型染料，它可以发生如下反应：
R–N=N–R＇+ 4Fe2+ + 4H2O→RNH2 + R＇NH2 + 4Fe3+ + 4OH–
2.3 Fe(OH)3的吸附絮凝作用
首先，由Fe–C组成的许多微小原电池会产生许多小的电场，在该电场力的作用下，废水中的重金属离子、苯酚、苯胺等物质可以产生电絮凝反应和氧化还原反应。然后，利用机械增氧暴气的方法使Fe2+转化为Fe3+，进而转化为Fe(OH)3 胶体，由于该正电胶体的混凝吸附，所以可以除去废水中的负电荷基团，并且对COD的去除亦有较好的作用。
2.4 活性碳的吸附作用
由于活性碳有很强的吸附能力，尤其是废水中的固体微粒，很容易被它吸附除去。 3. 主要装置 实验装置的外观尺寸为75cm(长)×20cm(宽)×70cm(高)，动态铁屑床的尺寸为F15cm×50cm(高)×2个，过滤柱尺寸为F8cm×50cm(高)×2个。 
样分析 实验数据如下表(2,3,4,5分别表示反应时间为10,20,30,90min)| 编号 项目 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | | 空白 | 进水 | 出水 | 出水 | 出水 | 出水 | 吸 光 度 | A1 | -0.376 | -0.345 | -0.362 | -0.363 | -0.367 | -0.369 | A2 | -0.375 | -0.345 | -0.362 | -0.364 | -0.366 | -0.369 | A3 | -0.376 | -0.346 | -0.361 | -0.364 | -0.367 | -0.368 | A | -0.376 | -0.345 | -0.362 | -0.364 | -0.367 | -0.369 | 对应浓度C＇（mg/L） | 0 | 0.0367 | 0.0152 | 0.0108 | 0.0076 | 0.0056 | | 去除率 | \ | \ | 58.6% | 70.7% | 79.3% | 84.7% | 4.实验部分 4.1 铬离子的去除率实验
标准曲线的回归方程：A=0.7712C-0.3733，均方误差：σ=0.0057，相关系数：r=0.9994
4.2 有机物(苯胺)的去除率实验[6]
苯胺标准曲线的线性回归方程为：A=0.2026242C-0.3738075，均方误差为：0.0146720，相关系数：r=0.9993900
水样去除率：59.0～60.2%
4.3 COD的去除率的实验
出水口的COD的测定29.5mg/L
进水口的COD的测定98.5mg/L
COD去除率:70.05%
4.4 最佳工作条件的选择实验(以Cr6+的去除率为准)[7]
4.4.1 实验方案
我们经过正交实验得如下数据： 因素 实验次数 | 铁炭比
A | 处理时间
B | 电机转速
C | Cr(VI)去除率
（%） | | 1 | A1 | B1 | C1 | 60（Y1） | | 2 | A1 | B2 | C2 | 75（Y2） | | 3 | A1 | B3 | C3 | 79（Y3） | | 4 | A2 | B1 | C2 | 67（Y4） | | 5 | A2 | B2 | C3 | 80（Y5） | | 6 | A2 | B3 | C1 | 85（Y6） | | 7 | A3 | B1 | C3 | 70（Y7） | | 8 | A3 | B2 | C1 | 81（Y8） | | 9 | A3 | B3 | C2 | 85（Y9） |
在本实验中，影响实验效果的因素很多，但我们在此仅考虑了三种主要的因素，我们以A表示因素铁炭比例，B表示因素反应时间，C表示因素电机的转速,以A1表示铁炭比为1：1(低水平)，A2表示铁炭比为1：2(中水平)，A3表示铁炭比为1：3(高水平)；B1表示反应时间为10min，B2表示反应时间为30min，B3表示反应时间为90min；C1表示电机低速转动，C2表示电机中速转动，C3表示电机高速转动。
由以上数据分析可知：转速对实验结果的影响不大，因此，我们有理由采用较低的转速而不影响处理效果。增大铁碳比水平或使反应时间延长可以提高处理效果，但是它们的中水平与高水平之间对处理效率的提高的程度不大，为了节约成本和提高单位时间内的废水的处理量，我们可以将这两个因素均选择在中水平。
另外，在实验中，我们发现废水处理的效率与铁屑床的体积有很大的关系，由于我们所做的实验装置的铁屑床的体积较小，所以其极限处理效率也较低，由实验表格可知其极限处理效率约在85%。一个有趣的实验是：当铁屑床的体积与处理容器的体积比为1：2时，其Cr(VI)的去除率基本上趋近于100%，而我们的铁屑床的体积与处理容器的体积比约为1：6，其处理效率可达80%，可见这是很不错的了。至于应当采用多大体积的铁屑床，应结合处理的结果要求用实验的方法去确定。但是由于这种实验需要不断更换不同体积的铁屑床，因而显得较为费时，所以我们没有深入做下去，但我们有足够的理由去相信：在一定的要求下，一定有一个最佳的铁屑床的体积。
由以上的分析可知：动态铁屑床的优点就在于铁屑床是动态的，很方便装御，可以根据处理的要求方便地选择铁屑床，以达到预期的效果。而对于静态铁屑床，当入水口的废水浓度变化或对出水口的水质的要求变化时，便显得有点麻烦了。正因为如此，静态铁屑床在设计时应考虑最坏的情况，因而它们设计得较为庞大，在材料上显得有点浪费。
4.5 实验结论
(1) 本实验装置的Cr6+的去除率可达80%。
(2) 本实验装置的有机物(苯胺)的去除率可达60%。
(3) 本实验装置COD的去除率可达70%。
(4) 本实验装置的最佳工艺条件为：铁炭比为1：2，反应时间为30min，电机转速对实验结果影响不大。我们可以将电机的转速处于低速状态。
(5) 可以通过增大铁屑床的体积的方法提高处理效率。
(6) 动态铁屑床易于装御，应用灵活广泛。 5. 结果与讨论 通过实验我现影响实验结果的因素很多，但是其中最根本的影响因素是Fe与C的活性。我们将废铸铁屑先经过碱浸泡达24小时后再用酸浸泡8个小时，发现处理效果较好。另外，活性炭宜采用粒状颗粒的活性炭，而不宜采用棒状活性炭。在实验中，我们还发现由于铁屑床是动态的，故卸装填料十分方便，在电机的带动下，铁屑床带动废水激起的旋涡有利于反应的效率提高并可延长铁屑床的老化时间(见附录推证)。电机的转速对实验影响不大，电机在该装置中起了搅拌兼防止铁屑结块的作用。
另外，在本实验装置中，与处理效果有关的因素还有曝气量，废水的pH值，过滤材料的选择，流量(由于单位时间内的流量与反应时间有内在的联系，也可以仅当一个因素去考虑)……由于实验时间紧张，我们也未做深入的研究，大家可以参考前人在静态铁屑床的研究中在此方面的成果。在实际应用中，我们须考虑废水的日处理量的问题，这可以通过放大处理装置或采用多个装置并联的方式解决。 6. 结论 该装置创新的提出的“动态铁屑床”的方法能有效地去除工业废水中的无机离子和有机污染物，是一种值得推广的方法! 参考文献 1.曹一兵，铁屑内解法处理综合性电镀废水技术，重庆环境科学,1995,17(4):41-43
2.孙哲等，混杂滤料处理印染废水的试验研究，哈尔滨建筑大学学报,1996,29(2):57-60
3.魏振枢，铁氧体法处理含铬废水工艺条件探讨，化工环保,1998,18(1):33-36
4.李凤仙等，电化腐蚀一还原降解一混凝土吸附法处理印染废水的研究，中国环境科学,1995,15(5):379
5.张天胜等，铁屑法处理含合成洗涤剂废水的研究，环境科学研究,1993,6(3):56-59
6.王洪波等，甲萘酚分光光度法测定水中苯胺类化合物，化工环保,1999,第5期:307-309
7.汪荣鑫，数理统计，第1版，陕西：西安交通大学出版社，1987.6,P148-157 | 
