新型重金属废水处理技术—旋转磁场微电弧技术的探索

边志明，王信梧，张博文

（1.淄博市环境监测站，山东 淄博 255040；2.淄博高新区中乌研究院，山东 淄博 255040）

0 引言

我国水资源匮乏，人均可再生淡水资源仅为世界平均水平的三分之一，淡水消费量占水资源总量的比重为22%，远高于世界平均水平的9%，人均可再生淡水资源在所有国家中排名位于倒数15位左右[1]。随着我国城市化、工业化的不断发展，废水排放量逐年增加，导致自然水体不断恶化，水资源污染形势严峻。而重金属废水又是工业废水中较难处理的一种，重金属废水是指冶炼、电解、电镀、机械制造、化工、电子等工业生产过程中排出含有重金属的废水，如铬、铜、锌、汞、镉、镍等这类金属污染物。这类废水毒性强，在自然条件作用下难以被降解，并通过土壤、水、空气传递，尤其会影响食物链动植物生长，进而危害人类健康，对生态环境造成极大破坏。近年来，重金属废水的处理已备受重视，国内外的科研机构研发出了多种处理技术。本文对重金属废水的传统处理方法及其优缺点进行了综述，介绍了一种新型、高效的重金属废水处理技术—旋转磁场微电弧技术。

1 重金属废水的传统处理方法

现在广泛应用的处理重金属废水的方法主要包括：化学沉淀法、吸附法、膜分离法以及生物法等[2]。

1.1 化学沉淀法

化学沉淀法包括中和沉淀法、硫化物沉淀法和钡盐沉淀法等。其中，中和沉淀法是目前工业上应用最广的方法，它具有去除范围广、效率高、经济简便的特点，但需要添加大量化学药剂，并产生较多的化学污泥，离子返溶造成不达标排放，处理水难以回用，存在二次污染问题[3]。

1.2 吸附法

吸附法可分为物理吸附法、树脂吸附法、生物吸附法。吸附法主要是在重金属化学形态不被改变的前提下，利用吸附剂的独特结构以吸附分离的方式去除水中重金属。常用的吸附剂有活性炭、沸石、硅藻土、凹凸棒石、二氧化硅、天然高分子及离子交换树脂等，其中天然沸石吸附能力最强，也是最早用于重金属废水处理的矿物材料[4-5]。但由于吸附剂吸附容量有限，选择性高，所以吸附法应用范围限制在低浓度、单组分的重金属废水的处理中，而且吸附法还存在投资较大、运行费用较高、污泥产生量大、处理后的水难以稳定达标排放等问题[6]。

1.3 膜分离法

膜分离法是利用高分子所具有的选择性来进行物质分离的技术，是利用一种特殊的半透膜，在外界压力作用下，不改变溶液中化学形态的基础上，将混合物进行分离、浓缩、提纯的技术。膜技术包括反渗透、超滤、电渗析、液膜和渗透蒸发等。目前，反渗透和超滤膜在电镀废水处理中已得到广泛应用[7]。膜技术设备简单，去除范围广，处理效率高，但存在膜组件价格高、使用过程中膜污染、膜通量下降以及同分异构体就无法实现分离的问题，影响了膜技术在废水处理中的广泛应用，主要作为常规处理的后续处理[8]。

1.4 生物法

生物法分为植物修复法、生物絮凝法。植物修复法是利用植物通过吸收沉淀和絮凝等作用降低水中重金属含量，但治理效率较低，并且由于一种植物只吸收一种或两种重金属，难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产生的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法，但是，目前大部分微生物絮凝剂都还处在实验阶段，工业化生产的经济成本较高，同时活体的微生物絮凝剂保存困难，所以限制了微生物絮凝剂的大规模应用。

2 旋转磁场微电弧重金属废水处理技术

旋转磁场微电弧处理技术是一种新型污水处理技术，在遵循化学反应定律的基础上，通过系统核心部件Plazer-RF设备工作区域中导磁性工件的高速旋转产生强烈电流和数量庞大的微电弧，瞬间增强化学动力反应，达到破坏流体结构、减弱分子内和原子间的联接效果，将硫酸盐药剂快速分解、反应，促使氢氧根与金属离子形成氢氧化的不溶物质，达到高效去除重金属的目的；同时，依靠高浓度负离子的存在彻底消灭流体中致病微生物和病原体。

旋转磁场微电弧污水处理技术从根本上强化了动力性能，大幅提升化学反应速率及反应充分度，减少药剂投放量、辅助设备数量和体积，从而在保证低本、高效处理涉重废水的同时，能够解决污水中病原微生物、有毒物和污染物无法彻底处理的难题，实现污水无害化和水资源循环利用以及重金属的回收利用，提高经济效益。

2.1 旋转磁场微电弧设备工作组件

旋转磁场微电弧污水处理技术主要工艺组件为Plazer-RF装置，以及Plazer-RF装置的辅助设备（包括设备控制面板、冷却装置、沉淀器、过滤器等）。此装置具有以下特点：设备占地尺寸小于传统设备的10倍，主体设备尺寸仅为800 mm×300 mm，辅助设备使用数量少，复杂性降低，能耗只有0.05～0.25 KW/m3，系统整体成本远远低于传统工艺成本；组件的处理单元数量或结构，可以根据处理需求进行组装和调整，并可改装为移动式，无需专门建设厂房或地基，节约占地面积，单套处理系统的处理效率为50～75 m3/d。图1为Plazer-RF装置外观图。

表1 PLAZER-RF装置一基本设备参数Table 1 PLAZER-RF device a basic device parameter

2.2 Plazer-RF装置工作原理

Plazer-RF设备工作区域为圆柱形轴心区域，工作区域中有圆柱形导磁性工件，采用动力学方式使工件在磁场作用下高速旋转，旋转速度接近磁场旋转速度。工件在磁场中产生每秒几千次的振荡动作，短时间内形成电路并迅速断开，从而产生强烈电流和数量庞大的微电弧。同时，工件旋转过程中电极极性发生转换（即反复磁化），使工件的长度发生快速变化，不断产生小幅度的脉冲冲击力，这种冲击力在液体中会放大许多倍，产生机械、流体动力、水解、热力等效应。图2 为Plazer-RF装置工作区域涡流图（SKS-1M相机1000帧/秒照片）。

图1 Plazer-RF装置外观图 Fig. 1 Plazer-RF devic eappearance diagram

图2 Plazer-RF装置内部工作区域涡流图Fig. 2 Internal working area vortex diagram of Plazer-RF device

2.2.1 处理过程中Plazer-RF装置内产生的效应

处理系统中Plazer-RF装置能够进行快速高强的反应过程，产生以下作用：成分及反应参与物产生强力分散和混合作用；在液体中产生剪应力、强大旋流、微小范围的脉动压力[10-11]和流速，破坏流体结构，减弱分子内和原子间的联接，产生电磁透镜感应；强力的空化作用、冲击波和二次非线性声学影响；氧化和部分化合物的还原反应。

2.2.2 Plazer-RF装置内工作区域的物理-化学过程

Plazer-RF装置处理过程中水作为参与物，不仅改变了自身结构，且性质也发生了改变。处理过程中水的Н+及ОН-离子快速分解，并立即参与化学反应，形成了复合化合物。工件与待处理液体相互作用，使pH值升高，从而形成完整的氢氧化物沉淀，且分解水获得ОН-，使用硫酸铁或硫酸铝（或其他硫酸盐）作为药剂，可使硫酸盐快速分解为离子状并进入反应，随后ОН-与金属离子形成氢氧化的不溶物质，达到去除废水中重金属和回收重金属的目的。同时，在强力液流旋转过程中，依靠水力空化作用[12]和高浓度负离子[13]的存在可彻底消灭致病微生物和病原体、蠕虫及虫卵。

图3 Plazer-RF装置内工作区域中水结构的变化示意图Fig. 3 Schematic diagram of the change of water structure in the working area of the Plazer-RF device

2.2.3 Plazer-RF设备与传统工艺多相动力系统化学反应速率对比

采用传统工艺处理时，因为反应时间长，产生的沉淀在溶液中容易下沉，减缓分离速度，影响处理效率和效果。

Plazer-RF装置内工作区域处理产生的悬浮液可高速（相比传统工艺高2～15倍或更多倍）沉淀，硬粒子转变为新的性质，消除了范德瓦尔斯力（分子间作用力），加快沉淀速度，消除溶剂化影响，这样可以减少沉淀池、沉降池、过滤器等设备的数量。

图4 传统工艺设备与Plazer-RF设备沉淀速率对比曲线图Fig. 4 The precipitation rate of plazer-RF equipment was compared with the traditional process

Plazer-RF设备中的高效混合能力和工件释放的冲击波使硬粒子被快速粉碎，破坏硬粒子的氧化层、污垢层、反应产物层，使表层不断形成新的缺口，减弱分子结合力，促使新鲜小粒子充分结合，达到大幅提升化学反应速率以及反应充分度的效果，进而促使组成成分和反应参与物充分活化，使原有的传统工艺迁移物扩散方式变为动力方式，保障了所有参与反应物在设备工作区域内同时发生反应，可在短短几秒内便产生氧化反应，化学反应动力直线上升 ，几乎与纵轴平行。完整的化学反应过程几乎可以瞬时完成，每套单独装置的处理效率为50～75 m3/d。而一般的搅拌反应器中氧化反应速度很慢，由于反应形成的新化学产物阻碍了反应的进行，因此反应不充分。

图5 传统工艺多相动力系统与Plazer-RF设备化学反应速率对比曲线图Fig. 5 Comparison curve of chemical reaction rate between multi-phase power system and Plazer-RF device in traditional process

2.3 旋转磁场微电弧技术处理重金属废水的实验效果

实验采用了某电镀厂的电镀废水，经检测，废水中含有铜、锌、镉、六价铬、总铬、三价铁等重金属物质，各物质浓度均超过《电镀污染物排放标准》（GB21900-2008）中规定的污染物排放浓度限值。详见表2。

实验中，先将废水引入调节池，然后按照6 m3/h的速度与压缩空气一起进入Plazer-RF设备进行处理，同时由加药器往Plazer-RF装置加入硫酸亚铁和质量分数为96%的氢氧化钠，废水在Plazer-RF装置中经过快速充分反应后，排入初沉池进行初次沉淀，然后进入斜管沉淀池进行二次沉淀，同时注入二氧化碳气体调节废水pH值，最后排入综合池。这样废水经Plazer-RF装置处理后，经过两级沉淀进入综合池，各重金属污染物浓度大幅降低，完全符合标准中规定的浓度限值，金属离子形成氢氧化的不溶物质。同时，化学需氧量和氨氮两项污染物的浓度也有不同程度的降低。可以看出旋转磁场微电弧技术在处理重金属废水中具有去除率高，去除范围广，处理效果好的特点。

表2 电镀废水中各污染物处理前后浓度对比（单位：mg/L）Table 2 Comparison of the concentration of pollutants in electroplating wastewater before and after treatment

图6 旋转磁场微电弧技术处理工艺简图Fig.6 The schematic diagram of microarc technology for rotating magnetic field

3 结论

通过对旋转磁场微电弧污水处理技术工作原理、技术参数、与传统工艺反应对比以及电镀废水实验结果可以看出，旋转磁场微电弧污水处理技术较传统处理技术具有以下优势：

1）无需专门建设厂房或地基，设备占地尺寸小于传统设备的10倍。

2）处理组件的处理单元数量或结构，可以根据处理需求进行调整，并可改装为移动式。

3）性能高，可减少设备用料消耗和能源设备的使用，并节约能源。

4）将传统的生化技术变为物化反应，使原有的传统工艺迁移物扩散方式变为动力方式，去除率高，去除范围广，极大地提高了工作效率。

5）Plazer-RF设备中的高效混合能力保障了系统中所有参与反应的物质在设备全部工作区域内同时发生反应，处理污水效果更佳，可以彻底处理污水中的病原微生物、有毒物和污染物，尤其是针对重金属废水，处理后的水可以循环利用，中水回用率达到了80%以上，减少原水使用量，节约水资源；同时又可将污泥中的重金属清理回收，回收利用率可达到90%，有效防止二次环境污染，改善生态环境，创造客观的社会、经济效益。

参考文献

[1] 博思数据研究中心. 2015-2020年中国污水处理市场竞争力分析及投资前景研究报告[R/OL]. (2014-12-30) [2018-04-09].http://www.bosidata.com/huanbao1412/A25043MZNT.html.Booz data center. 2015-2020 years competitiveness analysis and investment prospect report of China's sewage treatment market[R/OL].(2014-12-30) [2018-04-09].http://www.bosidata.com/huanbao1412/A25043MZNT.html.

[2] 梅越民, 刘明亚, 毕远伟. 重金属废水处理技术研究进展 [J]. 中国高新技术企业, 2017(12): 124-125.MEI Yue-min, LIU Ming-ya, BI Yuan-wei. Research Progress on treatment technology of heavy metal wastewater [J]. China High-Tech Enterprises, 2017(12): 124-125.

[3] 邹照华, 何素芳, 韩彩芸, 等. 重金属废水处理技术研究进展 [J]. 水处理技术, 2010, 30(5): 17-21.ZOU Zhao-hua, HE Su-fang, HAN Cai-yun, et al. Research progress of heavy metal wastewater treatment technology [J]. Water treatment technology, 2010, 30 (5): 17-21.

[4] PSNSINI M. Natural zeolites as cation exchangers for environment protection [J]. Mineral Deposita, 1996, 8 (31): 563-575.

[5] 李江, 甄宝勤. 吸附法处理重金属废水的研究进展 [J]. 应用化工, 2005, 34(10): 591-594.LI Jiang, ZHEN Bao-qin. Research progress on adsorption treatment of heavy metal wastewater[J]. Application of chemical industry, 2005,(10): 591-594.

[6] 唐学芳, 罗雪梅. 电镀重金属废水处理技术的研究进展 [J]. 能源环境保护, 2014, 28(4): 6-10.TANG Xue-fang, LUO Xue-mei. Research progress of electroplating heavy metal wastewater treatment technology [J]. Energy and environment protection, 2014, 28(4): 6-10.

[7] 邵刚. 膜法水处理技术 [M]. 北京: 冶金工业出版社, 2000: 30-45.SHAO Gang. Membrane water treatment technology [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2000: 30-45.

[8] 张永胜, 张向荣. 膜分离技术及其在水处理中的应用与前景 [J]. 河北理工大学学报（自然科学版）, 2008, 30(3): 138-141.ZHANG Yong-sheng, ZHANG Xiang-rong. Membrane separation technology and its application and prospect in water treatment [J]. Journal of Hebei Polytechnic University (Natural science edition), 2008, 30(3): 138-141.

[9] 马前, 张小龙. 国内外重金属废水处理新技术的研究进展 [J]. 环境工程学报, 2007,1(7): 10-14.MA Qian, ZHANG Xiao-long. Research progress of heavy metal wastewater treatment technology at home and abroad [J]. Journal of environmental engineering, 2007,1 (7): 10-14.

[10] 周宜红, 叶恩立. 水流脉动压力过程的正交展开 [J]. 武汉大学学报（工学版）, 2014, 47(3): 332-335.ZHOU Yi-hong, YE En-Li. Orthogonal expansion of processes for fluctuating pressure of water flow [J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2014, 47(3): 332-335.

[11] 张铁生, 肖兴斌. 水流脉动压力研究进展综述 [J]. 中南水利发电, 1995(2): 68-72.ZHANG Tie-sheng, XIAO Xing-bin. Review of research progress on flow pulsation pressure [J]. Zhong Nan Shui LI Fa Dian, 1995(2): 68-72.

[12] 张晓东, 杨会中, 李志义, 等. 水力空化对水中微生物的灭活作用及特性 [J].化学工程, 2007, 35(10): 53-56.ZHANG Xiao-dong, YANG Hui-zhong, Li Zhi-yi, et al. Effect and characteristic of hydrodynamic cavitation on inactivation of microbe in water [J]. Chemical Engineering, 2007, 35(10): 53-56.

[13] 朱虹, 孙杰, 李剑超. 印染废水处理技术 [M]. 北京: 中国纺织出版社, 2004.ZHU Hong, SUN Jie, LI Jian-chao, et al. Printing and dyeing wastewater treatment technology [M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 2004.

[14] 宋翼颉, 王欣. 基于LSSVM 的污水处理过程预测控制 [J]. 新型工业化, 2015, 5(8): 33-38.SONG Yi-jie, WANG Xin. Prediction Control of Wastewater Treatment Process Based on LSSVM [J]. The Journal of New Industrialization,2015, 5(8): 33-38.

[15] 刘帮, 秦斌, 彭小玉. 污水出水水质的SVR建模 [J]. 新型工业化, 2015, 5(1): 45-48.LIU Bang, QIN Bin, PENG Xiao-yu. Modeling of Wastewater Effluent water Quality on Support Vector Regression Machine[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(1): 45-48.

[16] 郭玲. 重金属废水处理问题和对策研究 [J]. 环境与发展, 2018, 30(1): 71-73.GUO Ling. Study on the treatment of heavy metal wastewater and countermeasures [J]. Inner Mongolia Environmental Sciences, 2018, 30(1):71-73.