電化學(xué)技術(shù)在煤化工濁循環(huán)水零排放的應(yīng)用研究

馬俊

摘要：電化學(xué)循環(huán)水處理技術(shù)是一種兼具殺菌滅藻、緩蝕和阻垢功能的水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)，其作用機(jī)理主要是通過電解反應(yīng)，將水中的污染物通過電化學(xué)氧化，電化學(xué)還原和陰極吸附等方法去除。結(jié)合電化學(xué)設(shè)備在某煤化工企業(yè)間冷開式濁循環(huán)冷卻水零排放處理中進(jìn)行中試，通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論，驗(yàn)證了電化學(xué)技術(shù)的殺菌滅藻、緩蝕和阻垢等水質(zhì)穩(wěn)定效果。同時(shí)，以運(yùn)行效果和成本方面對電化學(xué)法與傳統(tǒng)化學(xué)藥劑法進(jìn)行對比分析。分析和研究了電化學(xué)設(shè)備應(yīng)用于煤化工企業(yè)循環(huán)冷卻水零排放處理的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)技術(shù);煤化工;濁循環(huán)水;零排放

0引言

煤化工生產(chǎn)過程中用水量、排水量巨大，且產(chǎn)生的廢水成分復(fù)雜，含有大量的酯類、油類、氨氮、酚等外，還含有氰化物、硫氰化物、多環(huán)芳香族化合物及雜環(huán)化合物等有毒有害物質(zhì)[1]，另外，煤化工廢水中含有的各種生色基團(tuán)和助色基團(tuán)物質(zhì)，也導(dǎo)致了廢水的色度和濁度較高。因此，在以煤化工廢水經(jīng)超濾預(yù)處理后的產(chǎn)水作為循環(huán)水補(bǔ)水的濁循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，面臨的主要問題包括水垢、腐蝕、微生物滋生、酚類，有機(jī)物和濁度和生物黏泥等。為解決上述問題，長期以來進(jìn)行各種探索，目前形成以投加水處理化學(xué)藥劑為主要控制水質(zhì)方法的常規(guī)解決方案。常見的水處理化學(xué)藥劑包括緩蝕劑、阻垢劑、殺菌滅藻劑、消泡劑及各類輔助藥劑等。采用投加化學(xué)藥劑法控制和改善水質(zhì)的方法簡單而有效，但也存在一定的問題，例如購買藥劑費(fèi)用較大，排污量大，后續(xù)污水處理成本高，對環(huán)境有二次污染、容易引起水體富營養(yǎng)化、對操作運(yùn)行水平要求高、管理維護(hù)復(fù)雜等。因此，國內(nèi)外同行一直在研究其他可行的循環(huán)冷卻水處理方法輔助或部分取代化學(xué)藥劑法，電化學(xué)法就是研究方向之一。

本研究主要通過電化學(xué)設(shè)備在煤化工企業(yè)間冷開式濁循環(huán)冷卻水零排放處理中進(jìn)行中試，驗(yàn)證電化學(xué)設(shè)備應(yīng)用于該煤化工企業(yè)濁循環(huán)水冷卻水處理的殺菌滅藻、緩蝕和阻垢效果，并從運(yùn)行效果和成本等方面，對電化學(xué)法與傳統(tǒng)化學(xué)藥劑法進(jìn)行對比。

1試驗(yàn)內(nèi)容

1.1試驗(yàn)背景

某煤化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)，平時(shí)采用投加化學(xué)藥劑法，來控制和保證循環(huán)冷卻水水質(zhì)。本次中試中，不投加化學(xué)藥劑，循環(huán)水不排污的條件下，采用電化學(xué)處理設(shè)備穩(wěn)定循環(huán)水水質(zhì)，對運(yùn)行半年的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析與討論。

電化學(xué)處理設(shè)備于2019年10月1日開始投運(yùn)，至2020月1日1日結(jié)束。

中試的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)參數(shù)見表1-1，補(bǔ)水水質(zhì)指標(biāo)見表1-2。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用某電化學(xué)公司研發(fā)的電化學(xué)處理系統(tǒng)，這套系統(tǒng)有自動化程序高，占地面積小，運(yùn)輸安裝方便，操作簡單運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，系統(tǒng)主要包括處理、電源、除垢、控制和監(jiān)測等五個(gè)單元。通過電化學(xué)處理后的循環(huán)水來影響整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕可控。原理可以概括為陽極氧化反應(yīng)、陰極還原反應(yīng)以及極性水分子反應(yīng)。電化學(xué)設(shè)備的有效電流密度為110mA/cm2，電壓為4-6V，遠(yuǎn)低于人體安全電壓36V，對人體無傷害。電化學(xué)設(shè)備在水池邊安裝示意見圖1-1。

1.3試驗(yàn)方法

將電化學(xué)設(shè)備直接安裝在循環(huán)水池旁邊，在循環(huán)水系統(tǒng)回水管線開口連接，循環(huán)水流入電化學(xué)處理單元室，在液面到達(dá)一定高度后從電化學(xué)處理單元室上部的溢流口流回涼水池。電化學(xué)處理單元室里累積的沉降物（主要是水垢）定期處理。

每天在水池取樣點(diǎn)定點(diǎn)取樣或記錄現(xiàn)場儀表檢測讀數(shù)，有異議數(shù)據(jù)要重新取樣或分析。主要檢測項(xiàng)目包括pH、濁度、電導(dǎo)率、氯離子、總堿度、總硬度、鈣硬度、鐵離子、化學(xué)需氧量、總磷、氨氮和總酚。

2結(jié)果與討論

2.1水質(zhì)指標(biāo)影響試驗(yàn)

對重點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，其中設(shè)備投運(yùn)前取2019年5-8月數(shù)據(jù)，設(shè)備投運(yùn)后，取2019年10月到2019年12月的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，得到如表2-1所示結(jié)果。

可以發(fā)現(xiàn)，采用電化學(xué)法處理濁冷卻水后，循環(huán)水濁度、電導(dǎo)率、氯離子、鈣離子、總硬度、鐵離子、COD、總酚、總磷和氨氮都有不同程度的降低，這主要是由于在電場作用下，循環(huán)冷卻水中鈣、鎂成垢離子，大量向陰極遷移并附著在陰極表面，并在強(qiáng)堿性環(huán)境下與碳酸氫根反應(yīng)生成水垢，從而大大降低循環(huán)水的總硬度和Ca硬度，因此也導(dǎo)致電導(dǎo)率降低。由于采用電化學(xué)設(shè)備后，不再向水中投加含磷的化學(xué)藥劑，故水中總磷也有一定降低，同時(shí)電凝聚過程產(chǎn)生的金屬氫氧化物具有強(qiáng)烈的絮凝吸附作用，加速了磷的去除[11]。而Cl-含量的降低主要是Cl-在電場作用下轉(zhuǎn)化成其他形態(tài)，部分轉(zhuǎn)化為Cl2從水中逸出，化學(xué)需氧量、氨氮和總酚在電化學(xué)的直接和間接氧化作用下得到有效的去除和降解，電化學(xué)設(shè)備投運(yùn)前后，pH和總堿度呈上升趨勢，主要是電化學(xué)法并未向水中投加酸堿藥劑，且電化學(xué)采用的是弱電場，陰極產(chǎn)生氫氧根富余，說明電化學(xué)設(shè)備能提高循環(huán)水pH和總堿度，進(jìn)而降低循環(huán)水腐蝕性;各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的降低，對于本試驗(yàn)條件下循環(huán)冷卻水的水質(zhì)安全穩(wěn)定運(yùn)行有利。

2.2電化學(xué)法處理效果

2.2.1殺菌滅藻效果

異氧菌測試因測試周期較長，且實(shí)驗(yàn)過程不具備測試條件，對此未能獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀察循環(huán)水塔池橫梁和立柱均無藻類滋生現(xiàn)象。

2.2.2除垢和阻垢效果

通過直接觀察電化學(xué)處理設(shè)備陰極板的除垢情況及循環(huán)水系統(tǒng)所配備監(jiān)測換熱器測定的污垢熱阻值和黏附速率來判斷電化學(xué)技術(shù)的除垢阻垢效果。2019年11月25日對電化學(xué)設(shè)備出垢情況進(jìn)行觀察，電化學(xué)持續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，出垢量約為800-900公斤。

電化學(xué)設(shè)備從循環(huán)水系統(tǒng)中取出大量沉積物，有效降低了換熱器中的結(jié)垢速率，大大降低了換熱器的清洗頻率，同時(shí)，隨著電化學(xué)設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行，循環(huán)水中生物黏泥量減少，清出的水垢越來越干凈，所含雜質(zhì)越來越少。

利用監(jiān)測換熱器測定電化學(xué)處理后的污垢熱阻值和黏附速率的運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，得電化學(xué)投運(yùn)后污垢熱阻值為0.940×10-4m2·K/W，小于電化學(xué)投運(yùn)前的污垢熱阻值為2.440×10-4m2·K/W，且都小于國標(biāo)3.44×10-4m2·K/W。

電化學(xué)投運(yùn)后黏附速率的平均值為4.0440mg/cm2.月，小于電化學(xué)投運(yùn)前的17.2227mg/cm2.月，且遠(yuǎn)小于國標(biāo)化工循環(huán)水系統(tǒng)中要求的15mg/cm2.月，且電化學(xué)設(shè)備從循環(huán)水中拿出來了部分結(jié)垢物質(zhì)，說明電化學(xué)技術(shù)對循環(huán)水有很好的除垢和阻垢效果。

2.2.3緩釋效果

電化學(xué)技術(shù)的緩蝕效果通過循環(huán)水鐵離子和掛片試驗(yàn)來檢驗(yàn)。腐蝕率的計(jì)算公式如式（2-1）所示。

于2019年10月25日開始測試，2019年12月23日測試結(jié)束。掛片類別：碳鋼標(biāo)準(zhǔn)掛片：數(shù)量：3片（收回3片）;不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)掛片5片，（收回5片），掛片試驗(yàn)結(jié)果見表2-3。

電化學(xué)投運(yùn)后，總鐵量小于2mg/L，碳鋼腐蝕速率為0.0054mm/a，不銹鋼腐蝕速率為0.0004mm/a，均符合國標(biāo)中要求的總鐵量≤2 mg/L，碳鋼掛片腐蝕速率≤0.075mm/a;不銹鋼掛片腐蝕速率≤0.005mm/a。

通過對比，電化學(xué)投運(yùn)后的總鐵量和碳鋼的腐蝕速率均小于電化學(xué)投運(yùn)前的指標(biāo)，不銹鋼的腐蝕速率兩種處理方式的腐蝕速率相同，并遠(yuǎn)小于國標(biāo)要求的0.005mm/a，說明電化學(xué)技術(shù)對腐蝕的控制優(yōu)于投加化學(xué)藥劑處理。

3電化學(xué)法與化學(xué)藥劑法經(jīng)濟(jì)對比分析

3.1電耗費(fèi)用對比

（1）化學(xué)藥劑法

化學(xué)藥劑的自動加藥裝置主要耗電設(shè)備有攪拌機(jī)、隔膜計(jì)量泵，電控柜元件用電量很少，忽略不計(jì)。每種藥劑的加藥裝置用電功率約5.5kW，4種藥劑加藥裝置總用電功率為22kW，每年扣除大修運(yùn)行8000h計(jì)算，電費(fèi)單價(jià)0.5元/（kW·h），每年的電費(fèi)為：22×8000×0.5=8.80（萬元）。

（2）電化學(xué)法

一套4臺電化學(xué)設(shè)備總功率為25kw，每年扣除大修運(yùn)行8000h計(jì)算，電費(fèi)單價(jià)0.5元/（kW·h），每年的電費(fèi)為：25×8000×0.5=10.0萬元）。

電化學(xué)法比化學(xué)藥劑法運(yùn)行電費(fèi)多1.20萬元。

3.2藥劑費(fèi)用對比

（1）化學(xué)藥劑法。按照循環(huán)水量10000m3/h，每年化學(xué)藥劑費(fèi)用超25萬元。

（2）電化學(xué)法。采用電化學(xué)法后，不需要投加任何其他藥劑，故不產(chǎn)生藥劑費(fèi)用。電化學(xué)法比化學(xué)藥劑法最少能節(jié)省藥劑費(fèi)25萬元。

3.3水耗費(fèi)用對比

試驗(yàn)過程中每日對循環(huán)量，補(bǔ)水量和排水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析得出電化學(xué)投運(yùn)前其補(bǔ)排水量大于電化學(xué)處理時(shí)的補(bǔ)排水量。若系統(tǒng)循環(huán)量按12000m3/h運(yùn)行時(shí)，在電化學(xué)條件下零排放運(yùn)行，排污量可減少393m3/d，也減少了后續(xù)排污水處理負(fù)荷，同時(shí)節(jié)約補(bǔ)水393m3/d，年運(yùn)行時(shí)間按8000h計(jì)，考慮超濾產(chǎn)水電化學(xué)工藝和加藥工藝都回用的情況，則不考慮節(jié)水節(jié)約的金額，只考慮排污處理費(fèi)用，按排污水處理費(fèi)5.0元/噸，可減少污水處理量為13.1萬m3/年，污水處理費(fèi)65.5萬元。

3.4管理維護(hù)費(fèi)用對比

（1）化學(xué)藥劑法。化學(xué)藥劑的運(yùn)輸、儲存，包括加藥設(shè)備的運(yùn)行管理，都需要人員點(diǎn)檢維護(hù)，每年的管理維護(hù)費(fèi)用約10萬元。

（2）電化學(xué)法。電化學(xué)設(shè)備不需要企業(yè)日常維護(hù)，每年只需要2-3次清除設(shè)備下箱體積攢的水垢，每次需要4人耗時(shí)1d，按人工費(fèi)300元/（人·d）計(jì)，維護(hù)費(fèi)用合計(jì)0.36萬元。

電化學(xué)法比化學(xué)藥劑法節(jié)省管理維護(hù)費(fèi)用9.64萬元。

在本試驗(yàn)條件下，處理同等循環(huán)量，達(dá)到同等水質(zhì)穩(wěn)定效果，電化學(xué)法的電費(fèi)、水費(fèi)、藥劑費(fèi)、管理維護(hù)費(fèi)均低于化學(xué)藥劑法，因此電化學(xué)法在運(yùn)行成本方面的費(fèi)用少于傳統(tǒng)化學(xué)藥劑法，用于煤化工循環(huán)零排放處理上從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)是可行的。

4結(jié)論

本研究結(jié)合電化學(xué)設(shè)備在煤化工企業(yè)間開式循環(huán)冷卻水處理中進(jìn)行中試，通過對各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果的分析討論，驗(yàn)證了電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用于煤化工企業(yè)濁循環(huán)水冷卻水零排方處理的殺菌滅藻、緩蝕和阻垢等水質(zhì)穩(wěn)定效果。此外，電化學(xué)法的運(yùn)行成本相比較傳統(tǒng)化學(xué)藥劑法低。因此，電化學(xué)技術(shù)在煤化工企業(yè)間冷開式濁循環(huán)冷卻水零排放處理中具有技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，可以對其他水質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，從而進(jìn)行更好地推廣。

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