邊志明，王信梧，張博文

（1.淄博市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東 淄博 255040；2.淄博高新區(qū)中烏研究院，山東 淄博 255040）

0 引言

我國(guó)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(fèi)量占水資源總量的比重為22%，遠(yuǎn)高于世界平均水平的9%，人均可再生淡水資源在所有國(guó)家中排名位于倒數(shù)15位左右[1]。隨著我國(guó)城市化、工業(yè)化的不斷發(fā)展，廢水排放量逐年增加，導(dǎo)致自然水體不斷惡化，水資源污染形勢(shì)嚴(yán)峻。而重金屬?gòu)U水又是工業(yè)廢水中較難處理的一種，重金屬?gòu)U水是指冶煉、電解、電鍍、機(jī)械制造、化工、電子等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出含有重金屬的廢水，如鉻、銅、鋅、汞、鎘、鎳等這類(lèi)金屬污染物。這類(lèi)廢水毒性強(qiáng)，在自然條件作用下難以被降解，并通過(guò)土壤、水、空氣傳遞，尤其會(huì)影響食物鏈動(dòng)植物生長(zhǎng)，進(jìn)而危害人類(lèi)健康，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大破壞。近年來(lái)，重金屬?gòu)U水的處理已備受重視，國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)研發(fā)出了多種處理技術(shù)。本文對(duì)重金屬?gòu)U水的傳統(tǒng)處理方法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜述，介紹了一種新型、高效的重金屬?gòu)U水處理技術(shù)—旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧技術(shù)。

1 重金屬?gòu)U水的傳統(tǒng)處理方法

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的處理重金屬?gòu)U水的方法主要包括：化學(xué)沉淀法、吸附法、膜分離法以及生物法等[2]。

1.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)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(yè)上應(yīng)用最廣的方法，它具有去除范圍廣、效率高、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，但需要添加大量化學(xué)藥劑，并產(chǎn)生較多的化學(xué)污泥，離子返溶造成不達(dá)標(biāo)排放，處理水難以回用，存在二次污染問(wèn)題[3]。

1.2 吸附法

吸附法可分為物理吸附法、樹(shù)脂吸附法、生物吸附法。吸附法主要是在重金屬化學(xué)形態(tài)不被改變的前提下，利用吸附劑的獨(dú)特結(jié)構(gòu)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(shù)脂等，其中天然沸石吸附能力最強(qiáng)，也是最早用于重金屬?gòu)U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(yīng)用范圍限制在低濃度、單組分的重金屬?gòu)U水的處理中，而且吸附法還存在投資較大、運(yùn)行費(fèi)用較高、污泥產(chǎn)生量大、處理后的水難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放等問(wèn)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(lái)進(jìn)行物質(zhì)分離的技術(shù)，是利用一種特殊的半透膜，在外界壓力作用下，不改變?nèi)芤褐谢瘜W(xué)形態(tài)的基礎(chǔ)上，將混合物進(jìn)行分離、濃縮、提純的技術(shù)。膜技術(shù)包括反滲透、超濾、電滲析、液膜和滲透蒸發(fā)等。目前，反滲透和超濾膜在電鍍廢水處理中已得到廣泛應(yīng)用[7]。膜技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，去除范圍廣，處理效率高，但存在膜組件價(jià)格高、使用過(guò)程中膜污染、膜通量下降以及同分異構(gòu)體就無(wú)法實(shí)現(xiàn)分離的問(wèn)題，影響了膜技術(shù)在廢水處理中的廣泛應(yīng)用，主要作為常規(guī)處理的后續(xù)處理[8]。

1.4 生物法

生物法分為植物修復(fù)法、生物絮凝法。植物修復(fù)法是利用植物通過(guò)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(chǎn)生的代謝物進(jìn)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(shí)驗(yàn)階段，工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本較高，同時(shí)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(guī)模應(yīng)用。

2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧重金屬?gòu)U水處理技術(shù)

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧處理技術(shù)是一種新型污水處理技術(shù)，在遵循化學(xué)反應(yīng)定律的基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)核心部件Plazer-RF設(shè)備工作區(qū)域中導(dǎo)磁性工件的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈電流和數(shù)量龐大的微電弧，瞬間增強(qiáng)化學(xué)動(dòng)力反應(yīng)，達(dá)到破壞流體結(jié)構(gòu)、減弱分子內(nèi)和原子間的聯(lián)接效果，將硫酸鹽藥劑快速分解、反應(yīng)，促使氫氧根與金屬離子形成氫氧化的不溶物質(zhì)，達(dá)到高效去除重金屬的目的；同時(shí)，依靠高濃度負(fù)離子的存在徹底消滅流體中致病微生物和病原體。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧污水處理技術(shù)從根本上強(qiáng)化了動(dòng)力性能，大幅提升化學(xué)反應(yīng)速率及反應(yīng)充分度，減少藥劑投放量、輔助設(shè)備數(shù)量和體積，從而在保證低本、高效處理涉重廢水的同時(shí)，能夠解決污水中病原微生物、有毒物和污染物無(wú)法徹底處理的難題，實(shí)現(xiàn)污水無(wú)害化和水資源循環(huán)利用以及重金屬的回收利用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧設(shè)備工作組件

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧污水處理技術(shù)主要工藝組件為Plazer-RF裝置，以及Plazer-RF裝置的輔助設(shè)備（包括設(shè)備控制面板、冷卻裝置、沉淀器、過(guò)濾器等）。此裝置具有以下特點(diǎn)：設(shè)備占地尺寸小于傳統(tǒng)設(shè)備的10倍，主體設(shè)備尺寸僅為800 mm×300 mm，輔助設(shè)備使用數(shù)量少，復(fù)雜性降低，能耗只有0.05～0.25 KW/m3，系統(tǒng)整體成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝成本；組件的處理單元數(shù)量或結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)處理需求進(jìn)行組裝和調(diào)整，并可改裝為移動(dòng)式，無(wú)需專(zhuān)門(mén)建設(shè)廠(chǎng)房或地基，節(jié)約占地面積，單套處理系統(tǒng)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(shè)備參數(shù)Table 1 PLAZER-RF device a basic device parameter

2.2 Plazer-RF裝置工作原理

Plazer-RF設(shè)備工作區(qū)域?yàn)閳A柱形軸心區(qū)域，工作區(qū)域中有圓柱形導(dǎo)磁性工件，采用動(dòng)力學(xué)方式使工件在磁場(chǎng)作用下高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度接近磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度。工件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生每秒幾千次的振蕩動(dòng)作，短時(shí)間內(nèi)形成電路并迅速斷開(kāi)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈電流和數(shù)量龐大的微電弧。同時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中電極極性發(fā)生轉(zhuǎn)換（即反復(fù)磁化），使工件的長(zhǎng)度發(fā)生快速變化，不斷產(chǎn)生小幅度的脈沖沖擊力，這種沖擊力在液體中會(huì)放大許多倍，產(chǎn)生機(jī)械、流體動(dòng)力、水解、熱力等效應(yīng)。圖2 為Plazer-RF裝置工作區(qū)域渦流圖（SKS-1M相機(jī)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(nèi)部工作區(qū)域渦流圖Fig. 2 Internal working area vortex diagram of Plazer-RF device

2.2.1 處理過(guò)程中Plazer-RF裝置內(nèi)產(chǎn)生的效應(yīng)

處理系統(tǒng)中Plazer-RF裝置能夠進(jìn)行快速高強(qiáng)的反應(yīng)過(guò)程，產(chǎn)生以下作用：成分及反應(yīng)參與物產(chǎn)生強(qiáng)力分散和混合作用；在液體中產(chǎn)生剪應(yīng)力、強(qiáng)大旋流、微小范圍的脈動(dòng)壓力[10-11]和流速，破壞流體結(jié)構(gòu)，減弱分子內(nèi)和原子間的聯(lián)接，產(chǎn)生電磁透鏡感應(yīng)；強(qiáng)力的空化作用、沖擊波和二次非線(xiàn)性聲學(xué)影響；氧化和部分化合物的還原反應(yīng)。

2.2.2 Plazer-RF裝置內(nèi)工作區(qū)域的物理-化學(xué)過(guò)程

Plazer-RF裝置處理過(guò)程中水作為參與物，不僅改變了自身結(jié)構(gòu)，且性質(zhì)也發(fā)生了改變。處理過(guò)程中水的Н+及ОН-離子快速分解，并立即參與化學(xué)反應(yīng)，形成了復(fù)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(jìn)入反應(yīng)，隨后ОН-與金屬離子形成氫氧化的不溶物質(zhì)，達(dá)到去除廢水中重金屬和回收重金屬的目的。同時(shí)，在強(qiáng)力液流旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，依靠水力空化作用[12]和高濃度負(fù)離子[13]的存在可徹底消滅致病微生物和病原體、蠕蟲(chóng)及蟲(chóng)卵。

圖3 Plazer-RF裝置內(nèi)工作區(qū)域中水結(jié)構(gòu)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(shè)備與傳統(tǒng)工藝多相動(dòng)力系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)比

采用傳統(tǒng)工藝處理時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)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(nèi)工作區(qū)域處理產(chǎn)生的懸浮液可高速（相比傳統(tǒng)工藝高2～15倍或更多倍）沉淀，硬粒子轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌男再|(zhì)，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(guò)濾器等設(shè)備的數(shù)量。

圖4 傳統(tǒng)工藝設(shè)備與Plazer-RF設(shè)備沉淀速率對(duì)比曲線(xiàn)圖Fig. 4 The precipitation rate of plazer-RF equipment was compared with the traditional process

Plazer-RF設(shè)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(yīng)產(chǎn)物層，使表層不斷形成新的缺口，減弱分子結(jié)合力，促使新鮮小粒子充分結(jié)合，達(dá)到大幅提升化學(xué)反應(yīng)速率以及反應(yīng)充分度的效果，進(jìn)而促使組成成分和反應(yīng)參與物充分活化，使原有的傳統(tǒng)工藝遷移物擴(kuò)散方式變?yōu)閯?dòng)力方式，保障了所有參與反應(yīng)物在設(shè)備工作區(qū)域內(nèi)同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，可在短短幾秒內(nèi)便產(chǎn)生氧化反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力直線(xiàn)上升 ，幾乎與縱軸平行。完整的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程幾乎可以瞬時(shí)完成，每套單獨(dú)裝置的處理效率為50～75 m3/d。而一般的攪拌反應(yīng)器中氧化反應(yīng)速度很慢，由于反應(yīng)形成的新化學(xué)產(chǎn)物阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行，因此反應(yīng)不充分。

圖5 傳統(tǒng)工藝多相動(dòng)力系統(tǒng)與Plazer-RF設(shè)備化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)比曲線(xiàn)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(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧技術(shù)處理重金屬?gòu)U水的實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)采用了某電鍍廠(chǎng)的電鍍廢水，經(jīng)檢測(cè)，廢水中含有銅、鋅、鎘、六價(jià)鉻、總鉻、三價(jià)鐵等重金屬物質(zhì)，各物質(zhì)濃度均超過(guò)《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB21900-2008）中規(guī)定的污染物排放濃度限值。詳見(jiàn)表2。

實(shí)驗(yàn)中，先將廢水引入調(diào)節(jié)池，然后按照6 m3/h的速度與壓縮空氣一起進(jìn)入Plazer-RF設(shè)備進(jìn)行處理，同時(shí)由加藥器往Plazer-RF裝置加入硫酸亞鐵和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%的氫氧化鈉，廢水在Plazer-RF裝置中經(jīng)過(guò)快速充分反應(yīng)后，排入初沉池進(jìn)行初次沉淀，然后進(jìn)入斜管沉淀池進(jìn)行二次沉淀，同時(shí)注入二氧化碳?xì)怏w調(diào)節(jié)廢水pH值，最后排入綜合池。這樣廢水經(jīng)Plazer-RF裝置處理后，經(jīng)過(guò)兩級(jí)沉淀進(jìn)入綜合池，各重金屬污染物濃度大幅降低，完全符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的濃度限值，金屬離子形成氫氧化的不溶物質(zhì)。同時(shí)，化學(xué)需氧量和氨氮兩項(xiàng)污染物的濃度也有不同程度的降低?？梢钥闯鲂D(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧技術(shù)在處理重金屬?gòu)U水中具有去除率高，去除范圍廣，處理效果好的特點(diǎn)。

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

圖6 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧技術(shù)處理工藝簡(jiǎn)圖Fig.6 The schematic diagram of microarc technology for rotating magnetic field

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧污水處理技術(shù)工作原理、技術(shù)參數(shù)、與傳統(tǒng)工藝反應(yīng)對(duì)比以及電鍍廢水實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧污水處理技術(shù)較傳統(tǒng)處理技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）無(wú)需專(zhuān)門(mén)建設(shè)廠(chǎng)房或地基，設(shè)備占地尺寸小于傳統(tǒng)設(shè)備的10倍。

2）處理組件的處理單元數(shù)量或結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)處理需求進(jìn)行調(diào)整，并可改裝為移動(dòng)式。

3）性能高，可減少設(shè)備用料消耗和能源設(shè)備的使用，并節(jié)約能源。

4）將傳統(tǒng)的生化技術(shù)變?yōu)槲锘磻?yīng)，使原有的傳統(tǒng)工藝遷移物擴(kuò)散方式變?yōu)閯?dòng)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(shè)備中的高效混合能力保障了系統(tǒng)中所有參與反應(yīng)的物質(zhì)在設(shè)備全部工作區(qū)域內(nèi)同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，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(duì)重金屬?gòu)U水，處理后的水可以循環(huán)利用，中水回用率達(dá)到了80%以上，減少原水使用量，節(jié)約水資源；同時(shí)又可將污泥中的重金屬清理回收，回收利用率可達(dá)到90%，有效防止二次環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)造客觀的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

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