工作流量變化對(duì)電吸附出水環(huán)境質(zhì)量影響探究

房 睿，彭 亮

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水文局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000)

電吸附除鹽性能的影響因素包括動(dòng)力學(xué)因素和熱力學(xué)因素，在設(shè)備的電極材料、結(jié)構(gòu)、尺寸固定的條件下電吸附設(shè)備除鹽性能主要受動(dòng)力學(xué)因素影響。動(dòng)力學(xué)因素包括對(duì)流、擴(kuò)散、電遷移，而工作過(guò)程中對(duì)流作用決定于水的流量。工作過(guò)程中含鹽水流經(jīng)通電極板間的通道時(shí)，工作流量越大，對(duì)流作用越大，流體對(duì)離子產(chǎn)生的遷移作用越大。本文主要研究工作流量對(duì)電吸附設(shè)備除鹽性能的影響，把不同工作流量下電吸附設(shè)備對(duì)鹽類(lèi)、氨氮等的去除率進(jìn)行對(duì)比，綜合分析得水率、能耗，確定適宜的工作流量。

1 試驗(yàn)方案

研究階段實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)為二級(jí)水質(zhì)，原水電導(dǎo)率1 400～2 000 μS/cm，氯離子濃度173～240 mg/L，COD≈66 mg/L，氨氮濃度≤20 mg/L，pH≈7，總堿度主要表現(xiàn)為重碳酸鹽堿度(265 mg/L)，重碳酸鹽堿度過(guò)高易導(dǎo)致電吸附設(shè)備模塊內(nèi)部結(jié)垢[1]，所以在電吸附工藝前進(jìn)行加酸曝氣處理至堿度≈120 mg/L。運(yùn)行期間，調(diào)整電吸附設(shè)備工作流量為300 L/h、500 L/h、700 L/h、900 L/h、1 100 L/h，通電工作時(shí)間為48 min，反洗流量控制在700 L/h，反洗時(shí)間為32 min。每種工況下穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)周期，以電導(dǎo)率(表征總含鹽量)、氯離子、氨氮、COD為指標(biāo)，取每個(gè)工況下各指標(biāo)的平均去除率，綜合分析得水率、能耗，確定適宜的工作流量。

得水率計(jì)算公式：

(1)

式中：η為得水率Q1為工作流量，t1為工作時(shí)間，Q2為反洗流量，t2反洗時(shí)間。

本章主要研究工作流量對(duì)電吸附設(shè)備去除中水中的鹽類(lèi)、氨氮的影響，電吸附設(shè)備工作過(guò)程中含鹽廢水流經(jīng)電極板通道，在電場(chǎng)遷移力作用下儲(chǔ)存于電極板材料中。在電吸附設(shè)備的電極材料、結(jié)構(gòu)、尺寸固定時(shí)，設(shè)備吸附性能主要受動(dòng)力學(xué)因素的影響，動(dòng)力學(xué)因素包括對(duì)流、擴(kuò)散、電遷移作用。工作過(guò)程中工作流量越大，對(duì)流作用越強(qiáng)，對(duì)流作用主要通過(guò)水力停留時(shí)間的長(zhǎng)短影響吸附效果。

2 工作流量對(duì)水中鹽離子去除效果的影響

工作流量主要通過(guò)影響待處理水在電吸附設(shè)備里的水力停留時(shí)間[2]，而影響設(shè)備對(duì)水中離子的去除效果，不同工作流量下設(shè)備對(duì)總含鹽量、氯離子、鈣離子、總硬度的去除效果如圖1所示。

圖1 工作流量對(duì)除鹽效果的影響

圖1 a為工作流量改變對(duì)TDS去除效果的影響圖，圖1 b為工作流量改變對(duì)氯離子去除效果的影響圖，圖1 c為工作流量改變對(duì)鈣離子去除效果圖，圖1 d為工作流量改變對(duì)硬度去除效果的影響圖。由以上各圖可以看出，電吸附設(shè)備除鹽過(guò)程中，流量對(duì)其有一定的影響，隨著流量的增大，TDS、氯離子、鈣離子、總硬度的去除率先略增大后降低，工作流量低于500 L/h除鹽率在80%以上、氯化物的去除率在85%以上，工作流量小于700 L/h氯化物的去除率在80%左右；鈣離子和總硬度的去除率在工作流量不超過(guò)900 L/h時(shí)去除率變化緩慢，可以保持在60%左右。從電吸附處理后出水水質(zhì)可以看出，在工作流量不超過(guò)900 L/h時(shí)，出水中電導(dǎo)率<400 μS/cm、氯離子濃度<50 mg/L、鈣離子濃度≈90 mg/L、總硬度≈120 mg/L，滿足工業(yè)循環(huán)用水標(biāo)準(zhǔn)[3]。

由圖2工作流量改變對(duì)各指標(biāo)去除率影響的分析圖可以看出，隨著工作流量的增大，各指標(biāo)的去除率先略增大后減小的現(xiàn)象[4]。由于工作流量增大，對(duì)流作用增強(qiáng)，流體對(duì)離子的遷移作用略增強(qiáng)，電極板吸附能力增大；之后去除率降低，電吸附設(shè)備除鹽效果變差，由于隨著工作流量的增大，本體溶液在電吸附設(shè)備內(nèi)的水力停留時(shí)間減小，其水力停留時(shí)間小于鹽離子從本體溶液中吸附到電極板所需時(shí)間，導(dǎo)致鹽離子吸附不充分。其中工作流量對(duì)TDS的去除效果影響相對(duì)較明顯，而隨工作流量的增大鈣離子、硬度去除率下降緩慢[5]。氯離子受水力停留時(shí)間影響較小，由于電極材料對(duì)極性鹽離子吸附量較大，吸附過(guò)程不容易受到水力停留時(shí)間的影響，所以隨著工作流量的增大氯離子去除率變化不大。

圖2 工作流量對(duì)去除率的影響

3 工作流量對(duì)COD、氨氮去除效果的影響

電吸附對(duì)水中的化學(xué)需氧量、氨氮的去除主要依靠電極材料對(duì)帶電有機(jī)粒子的吸附、催化作用，將其吸附或氧化而去除[6]。不同工作流量對(duì)COD、氨氮去除效果的影響如圖3和圖4所示。

圖3 工作流量對(duì)COD、氨氮去除效果的影響

圖4 工作流量對(duì)COD、氨氮去除率影響

圖3a為工作流量對(duì)COD去除效果的影響圖、圖3b為工作流量對(duì)氨氮去除效果的影響圖，由圖3可以看出工作流量的改變對(duì)COD、氨氮的去除效果存在一定影響，工作流量不超過(guò)700 L/h時(shí)，電吸附設(shè)備對(duì)COD去除率在40%以上，對(duì)氨氮的去除率在60%左右；工作流小于700 L/h時(shí)電吸附出水COD濃度低于30 mg/L，氨氮濃度不超過(guò)5 mg/L，符合敞開(kāi)式工業(yè)循環(huán)冷卻水補(bǔ)水標(biāo)準(zhǔn)(10 mg/L)[7]。

圖4為工作流量對(duì)COD、氨氮去除率的影響分析圖可以看出在工作流量=300 L/h時(shí)氨氮去除達(dá)到70%左右，COD去除率可以達(dá)到60%以上，可能由于電吸附設(shè)備對(duì)COD、氨氮的去除作用包括吸附作用和氧化作用(在工作電壓為1.5 V時(shí)在電極表面產(chǎn)生壽命短的e-1、·O2H、·O2、·OH等氧化性物質(zhì)，他們可以加速氧化一些有機(jī)物)，在小流量時(shí)水力停留時(shí)間長(zhǎng)吸附和氧化作用發(fā)揮較充分，增強(qiáng)了電吸附對(duì)COD、氨氮的去除效果[8]；在工作流量大于600 L/h時(shí)COD去除率變化趨勢(shì)大于氨氮，是因?yàn)榘钡趐H≈7時(shí)主要以銨根離子的形式，設(shè)備對(duì)氨氮吸附量大于COD，氨氮的遷移不容易受到水力停留時(shí)間的影響所導(dǎo)致[9]。

4 工作流量對(duì)能耗及得水率的影響

水力停留時(shí)間影響電吸附設(shè)備的除鹽效果可以改變工作流量的大小[10]，得水率、除鹽率的改變也是通過(guò)改變工作流量的大小。多種工作流量對(duì)得水率、脫鹽率的影響見(jiàn)圖5，能耗的改變影響見(jiàn)圖6。

圖5 工作流量對(duì)得水率、脫鹽率的影響

圖6 工作流量對(duì)能耗的影響

由圖5、圖6可得出，在工作時(shí)間、反洗流量、反洗時(shí)間一定的情況下，隨著工作流量的增大，得水率增大，最低流量時(shí)得水率=72%，最大流量時(shí)得水率在90%以上；隨著工作流量增大，除鹽率減小[11]，除鹽率在75%到85%之間，可根據(jù)具體水質(zhì)需求，調(diào)整工作流量；隨著工作流量的增加，單位制水所需電量減少[12]。工作流量越小，經(jīng)電吸附處理制得相同體積的低鹽水所需時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的電量越大[13]。根據(jù)能耗、得水率、除鹽率分析。根據(jù)數(shù)據(jù)圖分析，綜合考慮得水率、能耗、除鹽率，暫定工作流量為500 L/h，在工作流量=500 L/h時(shí)能耗1.57 kWh/m3，得水率81.1%，除鹽率85%。

5 反洗流量對(duì)電吸附工作各指標(biāo)脫附率和其去除效果的影響

試驗(yàn)過(guò)程中控制工作流量為500 L/h，工作時(shí)間為48 min，反洗時(shí)間為32 min，反洗流量為300 L/h、400 L/h、500 L/h、600 L/h、700 L/h、800 L/h[14]，反洗過(guò)程中流量大小對(duì)模塊極板的再生脫附效果有一定影響，通過(guò)分析反洗流量對(duì)鹽的脫附率、設(shè)備的除鹽效果，進(jìn)而確定反洗流量對(duì)電吸附設(shè)備工作性能的影響。

由圖7反洗流量對(duì)各指標(biāo)脫附率及其去除率的影響圖可以看出，圖a中隨著反洗流量的增大，總含鹽量(以電導(dǎo)率表征水中的總含鹽量)的脫附率逐漸增大，去除率和脫附率變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明電吸附模塊極板的再生效果直接影響模塊的除鹽性能；圖b中氯離子的脫附率隨著反洗流量的增大變化趨勢(shì)平緩，去除率與脫附率變化趨勢(shì)一致，由于氯離子屬于極性鹽離子易被電極板吸附，反之易從極板上脫附再生，在短接靜置過(guò)程中從極板上脫附下來(lái)，受反洗流量的影響較小；圖c、d中鈣離子與總硬度的脫附率隨著反洗流量增大先增大后減小，去除率在反洗流量大于600 L/h時(shí)與脫附率變化趨勢(shì)出現(xiàn)差異，說(shuō)明鈣離子的吸附效果與鈣離子特性及其在極板上的吸附情況有關(guān)；圖e為水中COD的脫附率和去除率的關(guān)系，隨著反洗流量的增大脫附率和去除率出現(xiàn)波浪形變化變化[15]，此現(xiàn)象與水中有機(jī)物的成分和其特性吸附(包括物理吸附和氧化作用)有一定關(guān)聯(lián)；圖f中氨氮的脫附率好去除率隨著反洗流量的增大整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，由于在水中pH小于9時(shí)水中的氨氮主要以銨根離子形式存在，氨氮與離子的脫附再生和去除效果變化趨勢(shì)有相似性。

圖7 反洗流量對(duì)各指標(biāo)脫附率和去除率的影響

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究電吸附工作流量的變化對(duì)去除水中鹽類(lèi)、氨氮、COD的效果，所得結(jié)論如下：

(1)在進(jìn)水條件固定，工作時(shí)間、反洗流量和反洗時(shí)間等參數(shù)固定時(shí)，隨著工作流量的增大各指標(biāo)的去除率下降，可能由于溶液在極板間的水力停留時(shí)間減小，對(duì)鹽離子的吸附不充分，導(dǎo)致隨著工作流量增大除鹽效果變差；在工作流量小于600 L/h除鹽率在70%以上，工作流量小于700 L/h氯化物的去除率在75%以上，鈣離子和總硬度的去除率在工作流量不超過(guò)900 L/h時(shí)去除率變化緩慢，可以保持在60%左右。在工作流量不超過(guò)900 L/h時(shí)，電吸附出水TDS≈500 μS/cm、氯離子濃度≈50 mg/L、鈣離子濃度≈80 mg/L、總硬度≈120 mg/L，滿足工業(yè)循環(huán)用水標(biāo)準(zhǔn)。工作流量越小，經(jīng)電吸附處理制得相同體積的低鹽水所需時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的電量越大。根據(jù)能耗、得水率、除鹽率分析，在500～600 L/h時(shí)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，綜合考慮得水率、能耗、除鹽率，暫定工作流量為500 L/h，在工作流量=500 L/h時(shí)能耗1.57 kwh/m3，得水率81.1%，除鹽率75%。

(2)反洗過(guò)程中的操作參數(shù)對(duì)極板的再生(鹽離子的洗脫)有一定影響[16]，極板的洗脫再生效果影響下一周期的電吸附除鹽效果。隨著反洗過(guò)程的改變除鹽、氯化物脫附率對(duì)其去除效果影響較大，反洗流量對(duì)TDS、氯化物洗脫率的影響不明顯，可能由于極性鹽離子比較容易脫附，斷電靜置過(guò)程離子從極板上脫附下來(lái)[17]。小流量長(zhǎng)時(shí)間反洗效果與大流量短時(shí)間反洗效果一致；反洗過(guò)程對(duì)COD和氨氮脫附率、去除率的影響性可能與水中有機(jī)物的具體成分、氨氮的存在狀態(tài)，及電吸附極板對(duì)COD、氨氮的去除作用包括吸附和氧化雙重作用有關(guān)；綜合考慮產(chǎn)水效率和電吸附的除鹽性能，反洗操作參數(shù)可定為反洗流量為700 L/h、反洗時(shí)間為32 min。

(3)穩(wěn)定運(yùn)行階段，電吸附除鹽、氨氮、COD效果穩(wěn)定，且出水的電導(dǎo)率在400 μS/cm左右，氯離子濃度在40 mg/L左右，出水氨氮濃度小于5 mg/L，COD濃度在25 mg/L左右，符合敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水標(biāo)準(zhǔn)。

(4)電吸附工作流程中，對(duì)COD的去除作用主要依靠電吸附模塊對(duì)有機(jī)物的吸附、氧化作用，保安過(guò)濾器對(duì)COD去除率僅為15%左右，電吸附模塊對(duì)COD的去除率在55%左右。

(5)隨著氨氮濃度的增大，氨氮的去除率由50%增大到60%左右，COD的去除率明顯增大，可能由于隨著氯化銨的投入溶液中氨氮濃度增大[18]，增強(qiáng)了模塊極板材料對(duì)氨氮的吸附作用和氧化作用，而COD的去除率明顯增大可能由于氨氮濃度的增大，COD濃度隨之增大，而產(chǎn)生COD的銨根離子受到極板的吸附和氧化雙重作用，使得COD的去除效果明顯增大。

(6)隨著水中含鹽量的增大除鹽率先增大后降低[19]，可能隨著氯化鈉的加入水的導(dǎo)電性增大，極板的間的隱形電勢(shì)升高，除鹽效果提高，當(dāng)電導(dǎo)率超過(guò)2500?μS/cm時(shí)，極板的吸附能力有限而除鹽效果下降；隨著鹽濃度的升高，氨氮的去除率先有65%升高到70%，在電導(dǎo)率超過(guò)2 500 μS/cm時(shí)氨氮的去除率下降，由于氨氮有還原性切在中性條件下主要以銨根離子的形式存在，可能由于隨著鹽濃度的增大溶液內(nèi)電阻降低，極板間隱形電勢(shì)升高，極板對(duì)銨根離子的吸附作用和氧化作用加強(qiáng)的緣故，后又因極板吸附量的緣故氨氮去除率降低。

(7)后期的建議：電吸附設(shè)備對(duì)有機(jī)物的去除[20]，濃水中COD不濃縮，有機(jī)物的物質(zhì)平衡有待進(jìn)行分析研究；隨著原水鹽濃度的提高，凈電勢(shì)隨之提高發(fā)生電解副反應(yīng)對(duì)極板材料的性能和壽命的影響，有待進(jìn)一步分析研究。