微电解全量处理循环水零排放技术

＊谢世昭

（上海强源水处理技术有限公司 上海 200237）

前言

二十世纪六十年代，我国政府部门在《工业水处理》报导电子水处理器先关内容，将电压电流低称为微电解。自1995年起，专业人员以取出循环水中结垢离子为目的，研制出微电解水处理装置，主要包括梯度电场结构、水池回水口、出水口安装、循环水全量处理等环节。根据专业人员研究发现，全量处理频率等于循环水循环频率，遵照30min循环一次的设计规范，处理频率为48次/天。按水处理效果同电场对水的作用次数成正比，全量处理能得到较好的零排放水处理效果[1]。

近年来，通过分析电场中钙离子阴极还原量、水中离子的电子交换反应还原量、无钙镁离子水理论、极间距离大、还原量大等理论，研制出微电解复合电场水处理装置和安装工艺，通过对比同化学药剂法和其它微电解装置，证明该装置具有良好的处理效果，能有效降低循环水总硬度、氯离子浓度，从而实现零排放的功能效果。为验证其实际功能，以往被应用在国内硬度水质项目上，用案例监测数据说明功效。

1.全量处理循环水

微电解处理循环水有水池安装和旁路安装两种工艺。水池安装是一次对循环水进行全量处理，旁路安装是一次对6%循环水进行处理，相对水池安装处理完全量循环水，所需时间是水池处理的10～20倍，大大超过极性水分子、氧化还原反应、强氧化剂的有效时间和有效距离，运行结果是钙镁离子还原量低，总硬度不断升高，根本不可能实现零排放；水池安装全量处理的运行结果完全相反。

图1 微电解全量处理循环水设备

2.原理

在直流电场作用下，水分子电离（H2O→H++OH-），H+使阴极表面附近pH上升，CO32-增多，导致阴极区域的Ca2+、Mg2+和CO32-、OH-，反应生成CaCO3、Mg(OH)2并脱离水体还原吸附在阴极上，未被还原吸附的钙镁离子流出电场，水流中的钙镁离子同碳酸根离子发生电子交换反应也还原成碳酸钙（镁）。总还原量=阴极还原量+水中还原量。

钙镁离子被还原后会产生出无钙镁离子水，依据mg/L=0.001kg/m3、Ca2+只占CaCO3的40%可推算出还原量产生无钙镁离子水的数量，由此得出循环水硬度、氯离子浓度降低和实现零排放的根据。

水电解产生的OH-移向阳极，在放电反应中氧化生成Cl2↑、·OH、H2O2、O3、[O]等，流出电场在有效时间、有效距离内，由于氧化性、渗透性强，能改变固体和生物型态，起到除垢、杀菌灭藻的作用。

3.还原量

在直流电场作用下水中的钙镁离子首先变成碳酸钙的结晶体，称为晶核，它按一定方向成长为晶体，同济大学物理系应用原子显微镜（AFM）直接观察到1滴水中碳酸钙晶体有薄片状菱形晶体和立方体状的菱方体晶体。

化学和电化学认为钙、镁离子从晶核到碳酸钙分子称为还原。还原反应在受直流电场作用的水中每个点都能发生，碳酸钙晶核在电场中是在三维方向上运动，有的往阴极方向，有的往阳极方向，有的受阴阳极释放的气泡力向上隨水流运动[2]。

4.还原总量和产生的无钙镁离子水量

总还原量=阴极吸附还原量+Ca2+、CO3-交换反应产生的还原量。

(1)阴极吸附产生的还原量

图2 运行1天产生的还原量

图3 运行3个月产生的还原量

(2)水中Ca2+、CO3-电子交换反应产生的还原量

由于Ca2+、离子半径十分接近，很易发生电子交换反应还原成碳酸钙分子。输水管道结垢就是钙离子同碳酸根离子产生电子交换反应形成碳酸钙晶体的事例。

江河湖水中碳酸根的浓度在10～100mg/L，循环冷却水要循环爆气，进入的CO2多，CO3-浓度接近上限。按钙离子同碳酸根离子是1:1配对，还原碳酸钙的量很大，若循环水量为1600m3/h，补水硬度为180mg/L，粗算为46kg/d，远大于阴极还原量。

极间距离小，阴极吸附量大是电解工业所需求的，循环水处理所需求的是还原量，极间距离和水容量同还原量成正比，能获得降低硬度等水处理效果至实现零排放。

钙镁的分析结果是1mg/L=0.001kg/m3，即取出0.001kg的钙镁离子就会产生1m3的无钙镁离子水，相当于软水，起到取消排污水、减少补充水、提高浓缩倍数等节水节能和环境效益的作用[3]。

按总还原量计算产生的无钙镁离子水。表1为不同水量下计算还原钙镁量和产生的无钙镁离子水。

表1 不同水量下，计算还原钙镁量和产生的无钙镁离子水

无钙镁离子水量＞设计排放量，即可实现零排放。

5.应用

(1)全量处理循环水—运行12天实现零排放

简况：江西钢厂氧气厂6千制氧机，循环水量1300m3/h，补充水量20m3/h，补水硬度120mg/L，排放水量7m3/h，补充水带入量=20m3/h×0.12kg/m3=57.6kg/d，其中Ca2+为23kg/d。例行检测结果如表2所示。

表2 例行监测结果

表3 在相同补充水的循环水池中全量处理循环水微电解和药剂法对比测定

(2)全量处理循环水—回水口安装

简况：武汉钢铁公司气体厂2台3万制氧机循环水量5600m3/h，补充水量112m3/h、补充水硬度149mg/L，排放水：40m3/h，两个回水口各装1台，4个出水口未装，投运时间为2006年5月，监测单位为氧气厂中心化验室，监管为生产技术部、方工等[4]。

(3)全量处理循环水—2个出水口安装，回水口未装

表4为微电解处理循环水跟踪分析结果和降低率。主管为宝丰能源总工办、宝钢工程水处理部。监测为宝丰能源中心化验室。协检为上海宝钢中心化验室。

表4 微电解处理循环水跟踪分析结果和降低率

6.工业废水和生活污水零排放的意义

首先，如果随意、不合理地排放和回注含有油污的污水，不仅会使油田无法正常运行，还会给地层带来堵塞的危害，而且不仅对环境造成污染，对油田安全生产也会造成影响，因此，必须对工业污水进行合理、零排放的处理，特别是对含有油污的污水进行严格的处理，这样才能保证油田的安全生产[5]。其次，缓解水资源的缺乏，解决一部分工业用水的问题，使得这些经过处理的水能够再次发挥它巨大的作用，从而在一定程度上缓解水资源缺乏的现状，同时也解决了一部分工业用水的问题，并且很大程度上解决了生活用水的问题。再次，减少对地下水的污染，我们随意排放工业废水和生活污水会给地下水带来污染，使我们本来就不充足的地下水资源变得更加拮据，会导致更多的居民喝不上干净水，因此造成污染一片的惨重后果。所以我们说新科技处理工业废水、生活污水的零排放，对于地下水污染的降低是非常有效的。最后，为推进节约型社会、和谐社会建设我们对工业废水、生活污水进行的零排放处理，能够有效地促进国民节约用水的意识和理念[6]。

7.结论

（1）从实践中总结出：微电解阴、阳极氧化还原反应、阴极吸附还原量、水中电子交换反应产生的还原量和无钙镁离子水是循环水零排放的核心原理，梯度电场设备、水池出水口、回水口安装的全量处理工艺是实现零排放的重要手段。

（2）复合电场还原量产生的无钙镁离子水能取代排放水、减少补充水所具有的节水节能、降低硬度、特别是降低氯离子浓度具有很大的经济和环境效益。微电解全量处理循环水是一项新理论新技术，丰富了微电解水处理的科学价值，为其进一步应用打下了基础。

（3）未来还需进一步研究方便、省力、稳定长期运行的安全维护工艺。