新型重金屬廢水處理技術—旋轉磁場微電弧技術的探索

邊志明，王信梧，張博文

（1.淄博市環境監測站，山東 淄博 255040；2.淄博高新區中烏研究院，山東 淄博 255040）

0 引言

我國水資源匱乏，人均可再生淡水資源僅為世界平均水平的三分之一，淡水消費量占水資源總量的比重為22%，遠高于世界平均水平的9%，人均可再生淡水資源在所有國家中排名位于倒數15位左右[1]。隨著我國城市化、工業化的不斷發展，廢水排放量逐年增加，導致自然水體不斷惡化，水資源污染形勢嚴峻。而重金屬廢水又是工業廢水中較難處理的一種，重金屬廢水是指冶煉、電解、電鍍、機械制造、化工、電子等工業生產過程中排出含有重金屬的廢水，如鉻、銅、鋅、汞、鎘、鎳等這類金屬污染物。這類廢水毒性強，在自然條件作用下難以被降解，并通過土壤、水、空氣傳遞，尤其會影響食物鏈動植物生長，進而危害人類健康，對生態環境造成極大破壞。近年來，重金屬廢水的處理已備受重視，國內外的科研機構研發出了多種處理技術。本文對重金屬廢水的傳統處理方法及其優缺點進行了綜述，介紹了一種新型、高效的重金屬廢水處理技術—旋轉磁場微電弧技術。

1 重金屬廢水的傳統處理方法

現在廣泛應用的處理重金屬廢水的方法主要包括：化學沉淀法、吸附法、膜分離法以及生物法等[2]。

1.1 化學沉淀法

化學沉淀法包括中和沉淀法、硫化物沉淀法和鋇鹽沉淀法等。其中，中和沉淀法是目前工業上應用最廣的方法，它具有去除范圍廣、效率高、經濟簡便的特點，但需要添加大量化學藥劑，并產生較多的化學污泥，離子返溶造成不達標排放，處理水難以回用，存在二次污染問題[3]。

1.2 吸附法

吸附法可分為物理吸附法、樹脂吸附法、生物吸附法。吸附法主要是在重金屬化學形態不被改變的前提下，利用吸附劑的獨特結構以吸附分離的方式去除水中重金屬。常用的吸附劑有活性炭、沸石、硅藻土、凹凸棒石、二氧化硅、天然高分子及離子交換樹脂等，其中天然沸石吸附能力最強，也是最早用于重金屬廢水處理的礦物材料[4-5]。但由于吸附劑吸附容量有限，選擇性高，所以吸附法應用范圍限制在低濃度、單組分的重金屬廢水的處理中，而且吸附法還存在投資較大、運行費用較高、污泥產生量大、處理后的水難以穩定達標排放等問題[6]。

1.3 膜分離法

膜分離法是利用高分子所具有的選擇性來進行物質分離的技術，是利用一種特殊的半透膜，在外界壓力作用下，不改變溶液中化學形態的基礎上，將混合物進行分離、濃縮、提純的技術。膜技術包括反滲透、超濾、電滲析、液膜和滲透蒸發等。目前，反滲透和超濾膜在電鍍廢水處理中已得到廣泛應用[7]。膜技術設備簡單，去除范圍廣，處理效率高，但存在膜組件價格高、使用過程中膜污染、膜通量下降以及同分異構體就無法實現分離的問題，影響了膜技術在廢水處理中的廣泛應用，主要作為常規處理的后續處理[8]。

1.4 生物法

生物法分為植物修復法、生物絮凝法。植物修復法是利用植物通過吸收沉淀和絮凝等作用降低水中重金屬含量，但治理效率較低，并且由于一種植物只吸收一種或兩種重金屬，難以全面消除所有污染物[9]；生物絮凝法是利用微生物和微生物產生的代謝物進行絮凝沉淀的一種除污方法，但是，目前大部分微生物絮凝劑都還處在實驗階段，工業化生產的經濟成本較高，同時活體的微生物絮凝劑保存困難，所以限制了微生物絮凝劑的大規模應用。

2 旋轉磁場微電弧重金屬廢水處理技術

旋轉磁場微電弧處理技術是一種新型污水處理技術，在遵循化學反應定律的基礎上，通過系統核心部件Plazer-RF設備工作區域中導磁性工件的高速旋轉產生強烈電流和數量龐大的微電弧，瞬間增強化學動力反應，達到破壞流體結構、減弱分子內和原子間的聯接效果，將硫酸鹽藥劑快速分解、反應，促使氫氧根與金屬離子形成氫氧化的不溶物質，達到高效去除重金屬的目的；同時，依靠高濃度負離子的存在徹底消滅流體中致病微生物和病原體。

旋轉磁場微電弧污水處理技術從根本上強化了動力性能，大幅提升化學反應速率及反應充分度，減少藥劑投放量、輔助設備數量和體積，從而在保證低本、高效處理涉重廢水的同時，能夠解決污水中病原微生物、有毒物和污染物無法徹底處理的難題，實現污水無害化和水資源循環利用以及重金屬的回收利用，提高經濟效益。

2.1 旋轉磁場微電弧設備工作組件

旋轉磁場微電弧污水處理技術主要工藝組件為Plazer-RF裝置，以及Plazer-RF裝置的輔助設備（包括設備控制面板、冷卻裝置、沉淀器、過濾器等）。此裝置具有以下特點：設備占地尺寸小于傳統設備的10倍，主體設備尺寸僅為800 mm×300 mm，輔助設備使用數量少，復雜性降低，能耗只有0.05～0.25 KW/m3，系統整體成本遠遠低于傳統工藝成本；組件的處理單元數量或結構，可以根據處理需求進行組裝和調整，并可改裝為移動式，無需專門建設廠房或地基，節約占地面積，單套處理系統的處理效率為50～75 m3/d。圖1為Plazer-RF裝置外觀圖。

表1 PLAZER-RF裝置一基本設備參數Table 1 PLAZER-RF device a basic device parameter

2.2 Plazer-RF裝置工作原理

Plazer-RF設備工作區域為圓柱形軸心區域，工作區域中有圓柱形導磁性工件，采用動力學方式使工件在磁場作用下高速旋轉，旋轉速度接近磁場旋轉速度。工件在磁場中產生每秒幾千次的振蕩動作，短時間內形成電路并迅速斷開，從而產生強烈電流和數量龐大的微電弧。同時，工件旋轉過程中電極極性發生轉換（即反復磁化），使工件的長度發生快速變化，不斷產生小幅度的脈沖沖擊力，這種沖擊力在液體中會放大許多倍，產生機械、流體動力、水解、熱力等效應。圖2 為Plazer-RF裝置工作區域渦流圖（SKS-1M相機1000幀/秒照片）。

圖1 Plazer-RF裝置外觀圖 Fig. 1 Plazer-RF devic eappearance diagram

圖2 Plazer-RF裝置內部工作區域渦流圖Fig. 2 Internal working area vortex diagram of Plazer-RF device

2.2.1 處理過程中Plazer-RF裝置內產生的效應

處理系統中Plazer-RF裝置能夠進行快速高強的反應過程，產生以下作用：成分及反應參與物產生強力分散和混合作用；在液體中產生剪應力、強大旋流、微小范圍的脈動壓力[10-11]和流速，破壞流體結構，減弱分子內和原子間的聯接，產生電磁透鏡感應；強力的空化作用、沖擊波和二次非線性聲學影響；氧化和部分化合物的還原反應。

2.2.2 Plazer-RF裝置內工作區域的物理-化學過程

Plazer-RF裝置處理過程中水作為參與物，不僅改變了自身結構，且性質也發生了改變。處理過程中水的Н+及ОН-離子快速分解，并立即參與化學反應，形成了復合化合物。工件與待處理液體相互作用，使pH值升高，從而形成完整的氫氧化物沉淀，且分解水獲得ОН-，使用硫酸鐵或硫酸鋁（或其他硫酸鹽）作為藥劑，可使硫酸鹽快速分解為離子狀并進入反應，隨后ОН-與金屬離子形成氫氧化的不溶物質，達到去除廢水中重金屬和回收重金屬的目的。同時，在強力液流旋轉過程中，依靠水力空化作用[12]和高濃度負離子[13]的存在可徹底消滅致病微生物和病原體、蠕蟲及蟲卵。

圖3 Plazer-RF裝置內工作區域中水結構的變化示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the change of water structure in the working area of the Plazer-RF device

2.2.3 Plazer-RF設備與傳統工藝多相動力系統化學反應速率對比

采用傳統工藝處理時，因為反應時間長，產生的沉淀在溶液中容易下沉，減緩分離速度，影響處理效率和效果。

Plazer-RF裝置內工作區域處理產生的懸浮液可高速（相比傳統工藝高2～15倍或更多倍）沉淀，硬粒子轉變為新的性質，消除了范德瓦爾斯力（分子間作用力），加快沉淀速度，消除溶劑化影響，這樣可以減少沉淀池、沉降池、過濾器等設備的數量。

圖4 傳統工藝設備與Plazer-RF設備沉淀速率對比曲線圖Fig. 4 The precipitation rate of plazer-RF equipment was compared with the traditional process

Plazer-RF設備中的高效混合能力和工件釋放的沖擊波使硬粒子被快速粉碎，破壞硬粒子的氧化層、污垢層、反應產物層，使表層不斷形成新的缺口，減弱分子結合力，促使新鮮小粒子充分結合，達到大幅提升化學反應速率以及反應充分度的效果，進而促使組成成分和反應參與物充分活化，使原有的傳統工藝遷移物擴散方式變為動力方式，保障了所有參與反應物在設備工作區域內同時發生反應，可在短短幾秒內便產生氧化反應，化學反應動力直線上升 ，幾乎與縱軸平行。完整的化學反應過程幾乎可以瞬時完成，每套單獨裝置的處理效率為50～75 m3/d。而一般的攪拌反應器中氧化反應速度很慢，由于反應形成的新化學產物阻礙了反應的進行，因此反應不充分。

圖5 傳統工藝多相動力系統與Plazer-RF設備化學反應速率對比曲線圖Fig. 5 Comparison curve of chemical reaction rate between multi-phase power system and Plazer-RF device in traditional process

2.3 旋轉磁場微電弧技術處理重金屬廢水的實驗效果

實驗采用了某電鍍廠的電鍍廢水，經檢測，廢水中含有銅、鋅、鎘、六價鉻、總鉻、三價鐵等重金屬物質，各物質濃度均超過《電鍍污染物排放標準》（GB21900-2008）中規定的污染物排放濃度限值。詳見表2。

實驗中，先將廢水引入調節池，然后按照6 m3/h的速度與壓縮空氣一起進入Plazer-RF設備進行處理，同時由加藥器往Plazer-RF裝置加入硫酸亞鐵和質量分數為96%的氫氧化鈉，廢水在Plazer-RF裝置中經過快速充分反應后，排入初沉池進行初次沉淀，然后進入斜管沉淀池進行二次沉淀，同時注入二氧化碳氣體調節廢水pH值，最后排入綜合池。這樣廢水經Plazer-RF裝置處理后，經過兩級沉淀進入綜合池，各重金屬污染物濃度大幅降低，完全符合標準中規定的濃度限值，金屬離子形成氫氧化的不溶物質。同時，化學需氧量和氨氮兩項污染物的濃度也有不同程度的降低。可以看出旋轉磁場微電弧技術在處理重金屬廢水中具有去除率高，去除范圍廣，處理效果好的特點。

表2 電鍍廢水中各污染物處理前后濃度對比（單位：mg/L）Table 2 Comparison of the concentration of pollutants in electroplating wastewater before and after treatment

圖6 旋轉磁場微電弧技術處理工藝簡圖Fig.6 The schematic diagram of microarc technology for rotating magnetic field

3 結論

通過對旋轉磁場微電弧污水處理技術工作原理、技術參數、與傳統工藝反應對比以及電鍍廢水實驗結果可以看出，旋轉磁場微電弧污水處理技術較傳統處理技術具有以下優勢：

1）無需專門建設廠房或地基，設備占地尺寸小于傳統設備的10倍。

2）處理組件的處理單元數量或結構，可以根據處理需求進行調整，并可改裝為移動式。

3）性能高，可減少設備用料消耗和能源設備的使用，并節約能源。

4）將傳統的生化技術變為物化反應，使原有的傳統工藝遷移物擴散方式變為動力方式，去除率高，去除范圍廣，極大地提高了工作效率。

5）Plazer-RF設備中的高效混合能力保障了系統中所有參與反應的物質在設備全部工作區域內同時發生反應，處理污水效果更佳，可以徹底處理污水中的病原微生物、有毒物和污染物，尤其是針對重金屬廢水，處理后的水可以循環利用，中水回用率達到了80%以上，減少原水使用量，節約水資源；同時又可將污泥中的重金屬清理回收，回收利用率可達到90%，有效防止二次環境污染，改善生態環境，創造客觀的社會、經濟效益。

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