電化學技術在煤化工濁循環(huán)水零排放的應用研究

馬俊

摘要：電化學循環(huán)水處理技術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，其作用機理主要是通過電解反應，將水中的污染物通過電化學氧化，電化學還原和陰極吸附等方法去除。結合電化學設備在某煤化工企業(yè)間冷開式濁循環(huán)冷卻水零排放處理中進行中試，通過對試驗結果的分析與討論，驗證了電化學技術的殺菌滅藻、緩蝕和阻垢等水質(zhì)穩(wěn)定效果。同時，以運行效果和成本方面對電化學法與傳統(tǒng)化學藥劑法進行對比分析。分析和研究了電化學設備應用于煤化工企業(yè)循環(huán)冷卻水零排放處理的技術可行性和經(jīng)濟合理性。

關鍵詞：電化學技術;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和助色基團物質(zhì)，也導致了廢水的色度和濁度較高。因此，在以煤化工廢水經(jīng)超濾預處理后的產(chǎn)水作為循環(huán)水補水的濁循環(huán)水系統(tǒng)運行過程中，面臨的主要問題包括水垢、腐蝕、微生物滋生、酚類，有機物和濁度和生物黏泥等。為解決上述問題，長期以來進行各種探索，目前形成以投加水處理化學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、對操作運行水平要求高、管理維護復雜等。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藥劑法，電化學法就是研究方向之一。

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

1試驗內(nèi)容

1.1試驗背景

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

電化學處理設備于2019年10月1日開始投運，至2020月1日1日結束。

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

1.2試驗設備

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

1.3試驗方法

將電化學設備直接安裝在循環(huán)水池旁邊，在循環(huán)水系統(tǒng)回水管線開口連接，循環(huán)水流入電化學處理單元室，在液面到達一定高度后從電化學處理單元室上部的溢流口流回涼水池。電化學處理單元室里累積的沉降物（主要是水垢）定期處理。

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

2結果與討論

2.1水質(zhì)指標影響試驗

對重點水質(zhì)指標進行分析，其中設備投運前取2019年5-8月數(shù)據(jù)，設備投運后，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所示結果。

可以發(fā)現(xiàn)，采用電化學法處理濁冷卻水后，循環(huán)水濁度、電導率、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，并在強堿性環(huán)境下與碳酸氫根反應生成水垢，從而大大降低循環(huán)水的總硬度和Ca硬度，因此也導致電導率降低。由于采用電化學設備后，不再向水中投加含磷的化學藥劑，故水中總磷也有一定降低，同時電凝聚過程產(chǎn)生的金屬氫氧化物具有強烈的絮凝吸附作用，加速了磷的去除[11]。而Cl-含量的降低主要是Cl-在電場作用下轉化成其他形態(tài)，部分轉化為Cl2從水中逸出，化學需氧量、氨氮和總酚在電化學的直接和間接氧化作用下得到有效的去除和降解，電化學設備投運前后，pH和總堿度呈上升趨勢，主要是電化學法并未向水中投加酸堿藥劑，且電化學采用的是弱電場，陰極產(chǎn)生氫氧根富余，說明電化學設備能提高循環(huán)水pH和總堿度，進而降低循環(huán)水腐蝕性;各項水質(zhì)指標的降低，對于本試驗條件下循環(huán)冷卻水的水質(zhì)安全穩(wěn)定運行有利。

2.2電化學法處理效果

2.2.1殺菌滅藻效果

異氧菌測試因測試周期較長，且實驗過程不具備測試條件，對此未能獲得實驗數(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處理設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技術的除垢阻垢效果。2019年11月25日對電化學設備出垢情況進行觀察，電化學持續(xù)運行一個月，出垢量約為800-900公斤。

電化學設備從循環(huán)水系統(tǒng)中取出大量沉積物，有效降低了換熱器中的結垢速率，大大降低了換熱器的清洗頻率，同時，隨著電化學設備的持續(xù)運行，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處理后的污垢熱阻值和黏附速率的運行數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，得電化學投運后污垢熱阻值為0.940×10-4m2·K/W，小于電化學投運前的污垢熱阻值為2.440×10-4m2·K/W，且都小于國標3.44×10-4m2·K/W。

電化學投運后黏附速率的平均值為4.0440mg/cm2.月，小于電化學投運前的17.2227mg/cm2.月，且遠小于國標化工循環(huán)水系統(tǒng)中要求的15mg/cm2.月，且電化學設備從循環(huán)水中拿出來了部分結垢物質(zhì)，說明電化學技術對循環(huán)水有很好的除垢和阻垢效果。

2.2.3緩釋效果

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

于2019年10月25日開始測試，2019年12月23日測試結束。掛片類別：碳鋼標準掛片：數(shù)量：3片（收回3片）;不銹鋼標準掛片5片，（收回5片），掛片試驗結果見表2-3。

電化學投運后，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，電化學投運后的總鐵量和碳鋼的腐蝕速率均小于電化學投運前的指標，不銹鋼的腐蝕速率兩種處理方式的腐蝕速率相同，并遠小于國標要求的0.005mm/a，說明電化學技術對腐蝕的控制優(yōu)于投加化學藥劑處理。

3電化學法與化學藥劑法經(jīng)濟對比分析

3.1電耗費用對比

（1）化學藥劑法

化學藥劑的自動加藥裝置主要耗電設備有攪拌機、隔膜計量泵，電控柜元件用電量很少，忽略不計。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，每年扣除大修運行8000h計算，電費單價0.5元/（kW·h），每年的電費為：22×8000×0.5=8.80（萬元）。

（2）電化學法

一套4臺電化學設備總功率為25kw，每年扣除大修運行8000h計算，電費單價0.5元/（kW·h），每年的電費為：25×8000×0.5=10.0萬元）。

電化學法比化學藥劑法運行電費多1.20萬元。

3.2藥劑費用對比

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

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

3.3水耗費用對比

試驗過程中每日對循環(huán)量，補水量和排水量進行統(tǒng)計，分析得出電化學投運前其補排水量大于電化學處理時的補排水量。若系統(tǒng)循環(huán)量按12000m3/h運行時，在電化學條件下零排放運行，排污量可減少393m3/d，也減少了后續(xù)排污水處理負荷，同時節(jié)約補水393m3/d，年運行時間按8000h計，考慮超濾產(chǎn)水電化學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，只考慮排污處理費用，按排污水處理費5.0元/噸，可減少污水處理量為13.1萬m3/年，污水處理費65.5萬元。

3.4管理維護費用對比

（1）化學藥劑法?；瘜W藥劑的運輸、儲存，包括加藥設備的運行管理，都需要人員點檢維護，每年的管理維護費用約10萬元。

（2）電化學法。電化學設備不需要企業(yè)日常維護，每年只需要2-3次清除設備下箱體積攢的水垢，每次需要4人耗時1d，按人工費300元/（人·d）計，維護費用合計0.36萬元。

電化學法比化學藥劑法節(jié)省管理維護費用9.64萬元。

在本試驗條件下，處理同等循環(huán)量，達到同等水質(zhì)穩(wěn)定效果，電化學法的電費、水費、藥劑費、管理維護費均低于化學藥劑法，因此電化學法在運行成本方面的費用少于傳統(tǒng)化學藥劑法，用于煤化工循環(huán)零排放處理上從經(jīng)濟角度出發(fā)是可行的。

4結論

本研究結合電化學設備在煤化工企業(yè)間開式循環(huán)冷卻水處理中進行中試，通過對各項試驗結果的分析討論，驗證了電化學技術應用于煤化工企業(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，電化學法的運行成本相比較傳統(tǒng)化學藥劑法低。因此，電化學技術在煤化工企業(yè)間冷開式濁循環(huán)冷卻水零排放處理中具有技術可行性和經(jīng)濟合理性，可以對其他水質(zhì)進行進一步試驗，從而進行更好地推廣。

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