铁碳微电解技术具有无需外部电源、运行成本合理、操作简便等优点，是一项具有发展前景的水处理技术。本文以硫铁矿烧渣为主要材料制备了球形铁碳填料，并将其用于电镀清洗废水的处理。研究了铁碳填料对电镀清洗废水的微电解性能。
一、实验
1.1实验材料与试剂
硫铁矿烧渣，广东广业云硫矿业有限公司;黏土，取自广州某山隅;钙基膨润土，石家庄磊泰科技有限公司;活性炭粉末(分析纯)，天津市科密欧化学药剂有限公司;硫酸铵(分析纯)，天津市致远化学药剂有限公司;硫酸(分析纯)，天津市致远化学药剂有限公司;氧化钙(分析纯)，天津市致远化学药剂有限公司;阴离子型聚丙烯酰胺(分析纯)，天津北海药品有限公司;商业铁碳材料，取自邢台某电镀厂废水处理工段。
1.2实验仪器
FW80型高速万能粉碎机，上海书培实验设备有限公司;4-10型马弗炉，上海科恒实业发展有限公司;PHS-3E型pH计，上海雷磁仪器有限公司;Varan700型ICP，安捷伦科技(中国)有限公司。
1.3实验废水
实验废水采用河北邢台某电镀厂的清洗槽废水，其水质情况：pH值0.62，总As17.6mg/L，总Cr5.0mg/L，总Ni2.4mg/L，总Cu38.8mg/L，总Zn0.8mg/L，总Fe26.4mg/L，总Al306.4mg/L，氨氮3157.6mg/L，COD1198.9mg/L。除Zn外，废水中的重金属离子均超标，氨氮和COD偏高，不符合排放或进入生化系统处理的标准。
1.4铁碳填料的制备
1.4.1硫铁矿烧渣
硫铁矿烧渣是在硫铁矿制酸过程中由电除尘器收集得到的。先水洗烧渣，去除渣中残余的有机灰分及可溶性盐类，再干燥。烧渣的主要成分：有效硫3.06%，全硫5.49%，铁64.50%，氧化钙3.32%，硫酸根离子17.96%。
1.4.2铁碳填料
将黏土和钙基膨润土分别破碎后，过100目筛并烘干备用。制备100g铁碳填料，需要硫铁矿烧渣69.8g、活性炭粉末15g、黏土32g、钙基膨润土8g、氧化钙2g、硫酸铵1g。
根据实验配方称量药剂、材料，并放入烧杯中混匀。加入适量的水使混合物黏结，通过压片机压制成球形颗粒(直径为15mm$将铁碳填料置于坩埚内，表面覆盖过40目筛的洁净细沙，填料体积不大于坩体积的1/3。将圮坩放入烘箱内于80f下保温1h，105f下保温2h。转移进入马弗炉，加热至200f后，以2f/min的梯度升温，300f下真空焙烧2h，400f下保温2h。之后，停止加热并降至室温，取出铁碳填料，干燥后备用。铁碳填料的压溃强度为32.8N。
1.5实验方法
1.5.1微电解实验方法
微电解实验在自制的反应装置中进行。实验装置如图1所示。空气由反应器底部的曝气口进入，经砂芯气体分布板分散成细小气泡，使填料在曝气条件下对废水进行微电解处理。微电解反应前，使用氧化钙或硫酸调节废水pH值，过滤后的清液进入微电解反应系统。反应后的废水通过排放口进入处理槽，先使用氧化钙调节pH值至8〜9，再使用1%。阴离子型聚丙烯酰胺絮凝、沉淀并过滤。对不同反应阶段清液中的重金属离子、COD、氨氮进行分析，考察其去除情况。
1.5.2水质分析方法
COD的测定参照《水质化学需氧量的测定重铬盐法》(GB11914—1989)。
氨氮的测定参照《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》(HJ535—2009)。
重金属离子的测定采用ICP。
二、结果与讨论
2.1微电解工艺优化
2.1.1交互正交试验
通过前期大量的实验发现：废水pH值(A)、铁碳填料的添加量(B)、反应时间(C)对COD的去除率影响较大，曝气流量对废水处理结果的影响较小。考虑实验操作的稳定性，曝气流量维持不变。由单因素试验可知，三组灵敏因素对COD去除率的影响是非线性的，需要考虑各因素间的交互作用，由此设计了L27(313)正交试验，如表1所示。
2.1.2极差和方差分析
根据表1的试验设计进行相关试验，测定不同微电解处理条件下COD和氨氮的去除率。通过Minitab软件对两种评价指标进行极差和方差分析由极差分析结果可知，废水pH值、废水pH值与铁碳填料的添加量及反应时间的交互作用是影响COD和氨氮去除率的主要因素。由方差分析结果可知，废水pH值是极显著因素，废水pH值与铁碳填料的添加量及反应时间的交互影响是显著因素，其他因素影响不显著。这与极差分析的结果较为致。
2.1.3交互因素分析
(1)废水pH值与铁碳填料添量量的交互作用
图2为废水pH值与铁碳填料添量量的交互作用对COD去除率的影响。通过实验和相关文献证实，酸性条件有利于铁碳微电解反应的进行。若废水pH值过低(0.62)，Fe0消耗过快，水中铁离子的质量浓度快速升高。若要保证COD的去除率，需增加铁碳填料的添加量，后期中和处理重金属离子时会产生较多的化学污泥。若废水pH值偏高(4.50)，反应效率降低，反应时间和水力停留时间均延长，所需微电解反应器的体积也会相应增加，建设成本升高。合理的废水pH值，可平衡反应速率与反应强度之间的矛盾，缩短微电解反应时间，也可控制化学污泥的产量。废水pH值可通过氧化钙调节，控制在2.50左右，铁碳填料的添加量可选择15g/L。
(2)废水pH值与反应时间的交互作用
在微电解反应过程中，水相的pH值会随反应时间的延长而变化。反应初期，pH值会有一段短暂的增长，之后趋于稳定。pH值稳定后，微电解反应速率逐渐降低。合理地控制反应时间，在保证废水处理效果的前提下，节约运行成本。图3为废水pH值与反应时间的交互作用对COD去除率的影响。由图3可知：废水pH值和反应时间的交互作用对COD去除率的影响趋势呈“马鞍”型，反应时间可控制在30min。
综合考虑，铁碳填料微电解反应的最佳工艺条件为：废水pH值2.50，铁碳填料的添加量15g/L，反应时间30min。
2.2铁碳填料对电镀清洗废水的微电解性能
表2为不同处理过程的废水指标分析。由表2可知：氧化钙直接处理可沉降98.0%以上的重金属离子，COD降低约43.0%，对氨氮的处理效果不明显，产生化学污泥117g/L废水；而微电解过程产生的化学污泥是氧化钙方法的45%〜53%。商品铁碳填料的微电解过程对重金属离子的去除效果不明显，COD降低75.5%，氨氮降低3.5%，化学污泥共计62g/L废水。铁碳填料的微电解过程对As、Cr、Cu有明显的去除效果，COD降低78.6%，氨氮降低15.0%，化学污泥共计53g/L废水。与商品铁碳填料相比，由硫铁矿烧渣制备的铁碳填料存在较高的COD和氨氮去除率、添加量少、反应时间短、微电解初始pH值低、化学污泥减量等优势。
三、结论
以硫铁矿烧渣为主要材料制备了球形铁碳填料，并将其用于电镀清洗废水的处理。通过交互正交试验，确定铁碳填料微电解反应的最佳工艺条件为：废水pH值2.50，铁碳填料的添加量15g/L反应时间30min.与商品铁碳填料相比，由硫铁矿烧渣制备的铁碳填料存在较高的COD和氨氮去除率、添加，量少、反应时间短、微电解初始pH值低、化学污泥减量等优势。（来源：河南应用技术职业学院）