微電解全量處理循環(huán)水零排放技術(shù)

＊謝世昭

（上海強(qiáng)源水處理技術(shù)有限公司 上海 200237）

前言

二十世紀(jì)六十年代，我國(guó)政府部門在《工業(yè)水處理》報(bào)導(dǎo)電子水處理器先關(guān)內(nèi)容，將電壓電流低稱為微電解。自1995年起，專業(yè)人員以取出循環(huán)水中結(jié)垢離子為目的，研制出微電解水處理裝置，主要包括梯度電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、水池回水口、出水口安裝、循環(huán)水全量處理等環(huán)節(jié)。根據(jù)專業(yè)人員研究發(fā)現(xiàn)，全量處理頻率等于循環(huán)水循環(huán)頻率，遵照30min循環(huán)一次的設(shè)計(jì)規(guī)范，處理頻率為48次/天。按水處理效果同電場(chǎng)對(duì)水的作用次數(shù)成正比，全量處理能得到較好的零排放水處理效果[1]。

近年來，通過分析電場(chǎng)中鈣離子陰極還原量、水中離子的電子交換反應(yīng)還原量、無鈣鎂離子水理論、極間距離大、還原量大等理論，研制出微電解復(fù)合電場(chǎng)水處理裝置和安裝工藝，通過對(duì)比同化學(xué)藥劑法和其它微電解裝置，證明該裝置具有良好的處理效果，能有效降低循環(huán)水總硬度、氯離子濃度，從而實(shí)現(xiàn)零排放的功能效果。為驗(yàn)證其實(shí)際功能，以往被應(yīng)用在國(guó)內(nèi)硬度水質(zhì)項(xiàng)目上，用案例監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說明功效。

1.全量處理循環(huán)水

微電解處理循環(huán)水有水池安裝和旁路安裝兩種工藝。水池安裝是一次對(duì)循環(huán)水進(jìn)行全量處理，旁路安裝是一次對(duì)6%循環(huán)水進(jìn)行處理，相對(duì)水池安裝處理完全量循環(huán)水，所需時(shí)間是水池處理的10～20倍，大大超過極性水分子、氧化還原反應(yīng)、強(qiáng)氧化劑的有效時(shí)間和有效距離，運(yùn)行結(jié)果是鈣鎂離子還原量低，總硬度不斷升高，根本不可能實(shí)現(xiàn)零排放；水池安裝全量處理的運(yùn)行結(jié)果完全相反。

圖1 微電解全量處理循環(huán)水設(shè)備

2.原理

在直流電場(chǎng)作用下，水分子電離（H2O→H++OH-），H+使陰極表面附近pH上升，CO32-增多，導(dǎo)致陰極區(qū)域的Ca2+、Mg2+和CO32-、OH-，反應(yīng)生成CaCO3、Mg(OH)2并脫離水體還原吸附在陰極上，未被還原吸附的鈣鎂離子流出電場(chǎng)，水流中的鈣鎂離子同碳酸根離子發(fā)生電子交換反應(yīng)也還原成碳酸鈣（鎂）。總還原量=陰極還原量+水中還原量。

鈣鎂離子被還原后會(huì)產(chǎn)生出無鈣鎂離子水，依據(jù)mg/L=0.001kg/m3、Ca2+只占CaCO3的40%可推算出還原量產(chǎn)生無鈣鎂離子水的數(shù)量，由此得出循環(huán)水硬度、氯離子濃度降低和實(shí)現(xiàn)零排放的根據(jù)。

水電解產(chǎn)生的OH-移向陽極，在放電反應(yīng)中氧化生成Cl2↑、·OH、H2O2、O3、[O]等，流出電場(chǎng)在有效時(shí)間、有效距離內(nèi)，由于氧化性、滲透性強(qiáng)，能改變固體和生物型態(tài)，起到除垢、殺菌滅藻的作用。

3.還原量

在直流電場(chǎng)作用下水中的鈣鎂離子首先變成碳酸鈣的結(jié)晶體，稱為晶核，它按一定方向成長(zhǎng)為晶體，同濟(jì)大學(xué)物理系應(yīng)用原子顯微鏡（AFM）直接觀察到1滴水中碳酸鈣晶體有薄片狀菱形晶體和立方體狀的菱方體晶體。

化學(xué)和電化學(xué)認(rèn)為鈣、鎂離子從晶核到碳酸鈣分子稱為還原。還原反應(yīng)在受直流電場(chǎng)作用的水中每個(gè)點(diǎn)都能發(fā)生，碳酸鈣晶核在電場(chǎng)中是在三維方向上運(yùn)動(dòng)，有的往陰極方向，有的往陽極方向，有的受陰陽極釋放的氣泡力向上隨水流運(yùn)動(dòng)[2]。

4.還原總量和產(chǎn)生的無鈣鎂離子水量

總還原量=陰極吸附還原量+Ca2+、CO3-交換反應(yīng)產(chǎn)生的還原量。

(1)陰極吸附產(chǎn)生的還原量

圖2 運(yùn)行1天產(chǎn)生的還原量

圖3 運(yùn)行3個(gè)月產(chǎn)生的還原量

(2)水中Ca2+、CO3-電子交換反應(yīng)產(chǎn)生的還原量

由于Ca2+、離子半徑十分接近，很易發(fā)生電子交換反應(yīng)還原成碳酸鈣分子。輸水管道結(jié)垢就是鈣離子同碳酸根離子產(chǎn)生電子交換反應(yīng)形成碳酸鈣晶體的事例。

江河湖水中碳酸根的濃度在10～100mg/L，循環(huán)冷卻水要循環(huán)爆氣，進(jìn)入的CO2多，CO3-濃度接近上限。按鈣離子同碳酸根離子是1:1配對(duì)，還原碳酸鈣的量很大，若循環(huán)水量為1600m3/h，補(bǔ)水硬度為180mg/L，粗算為46kg/d，遠(yuǎn)大于陰極還原量。

極間距離小，陰極吸附量大是電解工業(yè)所需求的，循環(huán)水處理所需求的是還原量，極間距離和水容量同還原量成正比，能獲得降低硬度等水處理效果至實(shí)現(xiàn)零排放。

鈣鎂的分析結(jié)果是1mg/L=0.001kg/m3，即取出0.001kg的鈣鎂離子就會(huì)產(chǎn)生1m3的無鈣鎂離子水，相當(dāng)于軟水，起到取消排污水、減少補(bǔ)充水、提高濃縮倍數(shù)等節(jié)水節(jié)能和環(huán)境效益的作用[3]。

按總還原量計(jì)算產(chǎn)生的無鈣鎂離子水。表1為不同水量下計(jì)算還原鈣鎂量和產(chǎn)生的無鈣鎂離子水。

表1 不同水量下，計(jì)算還原鈣鎂量和產(chǎn)生的無鈣鎂離子水

無鈣鎂離子水量＞設(shè)計(jì)排放量，即可實(shí)現(xiàn)零排放。

5.應(yīng)用

(1)全量處理循環(huán)水—運(yùn)行12天實(shí)現(xiàn)零排放

簡(jiǎn)況：江西鋼廠氧氣廠6千制氧機(jī)，循環(huán)水量1300m3/h，補(bǔ)充水量20m3/h，補(bǔ)水硬度120mg/L，排放水量7m3/h，補(bǔ)充水帶入量=20m3/h×0.12kg/m3=57.6kg/d，其中Ca2+為23kg/d。例行檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 例行監(jiān)測(cè)結(jié)果

表3 在相同補(bǔ)充水的循環(huán)水池中全量處理循環(huán)水微電解和藥劑法對(duì)比測(cè)定

(2)全量處理循環(huán)水—回水口安裝

簡(jiǎn)況：武漢鋼鐵公司氣體廠2臺(tái)3萬制氧機(jī)循環(huán)水量5600m3/h，補(bǔ)充水量112m3/h、補(bǔ)充水硬度149mg/L，排放水：40m3/h，兩個(gè)回水口各裝1臺(tái)，4個(gè)出水口未裝，投運(yùn)時(shí)間為2006年5月，監(jiān)測(cè)單位為氧氣廠中心化驗(yàn)室，監(jiān)管為生產(chǎn)技術(shù)部、方工等[4]。

(3)全量處理循環(huán)水—2個(gè)出水口安裝，回水口未裝

表4為微電解處理循環(huán)水跟蹤分析結(jié)果和降低率。主管為寶豐能源總工辦、寶鋼工程水處理部。監(jiān)測(cè)為寶豐能源中心化驗(yàn)室。協(xié)檢為上海寶鋼中心化驗(yàn)室。

表4 微電解處理循環(huán)水跟蹤分析結(jié)果和降低率

6.工業(yè)廢水和生活污水零排放的意義

首先，如果隨意、不合理地排放和回注含有油污的污水，不僅會(huì)使油田無法正常運(yùn)行，還會(huì)給地層帶來堵塞的危害，而且不僅對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)油田安全生產(chǎn)也會(huì)造成影響，因此，必須對(duì)工業(yè)污水進(jìn)行合理、零排放的處理，特別是對(duì)含有油污的污水進(jìn)行嚴(yán)格的處理，這樣才能保證油田的安全生產(chǎn)[5]。其次，緩解水資源的缺乏，解決一部分工業(yè)用水的問題，使得這些經(jīng)過處理的水能夠再次發(fā)揮它巨大的作用，從而在一定程度上緩解水資源缺乏的現(xiàn)狀，同時(shí)也解決了一部分工業(yè)用水的問題，并且很大程度上解決了生活用水的問題。再次，減少對(duì)地下水的污染，我們隨意排放工業(yè)廢水和生活污水會(huì)給地下水帶來污染，使我們本來就不充足的地下水資源變得更加拮據(jù)，會(huì)導(dǎo)致更多的居民喝不上干凈水，因此造成污染一片的慘重后果。所以我們說新科技處理工業(yè)廢水、生活污水的零排放，對(duì)于地下水污染的降低是非常有效的。最后，為推進(jìn)節(jié)約型社會(huì)、和諧社會(huì)建設(shè)我們對(duì)工業(yè)廢水、生活污水進(jìn)行的零排放處理，能夠有效地促進(jìn)國(guó)民節(jié)約用水的意識(shí)和理念[6]。

7.結(jié)論

（1）從實(shí)踐中總結(jié)出：微電解陰、陽極氧化還原反應(yīng)、陰極吸附還原量、水中電子交換反應(yīng)產(chǎn)生的還原量和無鈣鎂離子水是循環(huán)水零排放的核心原理，梯度電場(chǎng)設(shè)備、水池出水口、回水口安裝的全量處理工藝是實(shí)現(xiàn)零排放的重要手段。

（2）復(fù)合電場(chǎng)還原量產(chǎn)生的無鈣鎂離子水能取代排放水、減少補(bǔ)充水所具有的節(jié)水節(jié)能、降低硬度、特別是降低氯離子濃度具有很大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。微電解全量處理循環(huán)水是一項(xiàng)新理論新技術(shù)，豐富了微電解水處理的科學(xué)價(jià)值，為其進(jìn)一步應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

（3）未來還需進(jìn)一步研究方便、省力、穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行的安全維護(hù)工藝。