電滲析技術在高含鹽廢水處理中的研究進展

潘海如，陳廣洲，3，高雅倫，李順

(1.水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；2.環境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230601；3.安徽省智慧城市工程技術研究中心，安徽 合肥 230601)

目前，高含鹽廢水一直是廢水處理行業中的難點和熱點。針對高含鹽廢水，國內外的處理方法有：物理和化學法、活性污泥生化法和熱濃縮法。近年來，由于膜分離技術的迅速發展，膜法也漸漸地被開發來處理高含鹽廢水，其脫鹽率已超過傳統的熱濃縮工藝[4]。而電滲析技術作為膜技術中的一種，因其在高含鹽廢水中有著良好的處理能力，因此被廣泛應用。本文主要介紹了電滲析技術在處理各類高含鹽廢水的應用研究效果和進展，以便為高含鹽廢水的處理提供參考。

1 電滲析技術概述

1.1 電滲析技術原理及過程

電滲析是一種電驅動過程，通過外加直流電，利用陽離子、陰離子交換膜，將淡化液的無機鹽離子輸送到濃縮液中,其原理見圖1，電滲析核心部分是膜堆，由電極、離子交換膜、隔板和固定裝置組成[5]。當陽離子受到電勢差的影響，遷移到陰極，他們通過陽離子交換膜，但被陰離子交換膜所保留。類似地，陰離子向陽極遷移并穿過陰離子交換膜，但被陽離子交換膜保留[6]。陽離子和陰離子都遷出的隔室稱為淡化室，反之稱為濃縮室。

電滲析的過程見圖2，通常可以分為3個部分[7]：主過程、次過程和非正常過程。(1)反離子和同名離子遷移。反離子遷移是一個正常的遷移過程，同名離子遷移是一個因離子交換膜的非絕對值透過而影響電滲效率的過程。(2)水的極化。在一定電壓下，水分子在膜界面發生電解反應，電解成H+和OH-透過膜，造成膜室酸堿性變化。(3)滲析、滲透和滲漏。由于后期膜兩側的濃度差異較大，故會導致離子的滲析和水合離子的滲透發生。再者由于壓力差的存在，導致壓差滲漏無法避免，只能夠控制盡量減小。

1.2 幾種常用的電滲析工藝

近些年，污廢水成分等愈發復雜化，處理難度不斷加大，對于出水水質的要求也越來越高。傳統的ED技術可能無法更好的適應于多樣污廢水處理過程，因此，ED技術也在不斷的進步變化中，以便于更好的應用于污廢水處理。表1介紹了幾種比較常見的新型電滲析工藝。這些工藝不僅擁有傳統ED技術的脫鹽性能，而且能適應不同環境。

表1 幾種常用電滲析工藝Table 1 Several common electrodialytic technologies

2 電滲析技術在高含鹽廢水中的應用

電滲析作為一種成熟的技術，因其具有性價比高、操作方便、環境友好等顯著優點而被廣泛應用于水處理領域[15]。由于電滲析脫鹽過程沒有相變，并且該技術預處理要求低、占地面積小，因此在處理高含鹽廢水方面具有獨特的優勢[16]。在處理相同鹽濃度的含鹽廢水中，機械式蒸汽再壓縮技術(MVR)技術濃縮需要耗能20～25 kWh/m3，而電滲析技術只需要消耗7～15 kWh/m3能耗[17-18]。因此，電滲析在應用于高含鹽廢水中表現出良好的濃縮性能和良好的節能潛力[17]。

2.1 電滲析在制藥廢水處理中的應用

隨著醫藥行業的快速發展，制藥業廢水已逐漸成為難處理的廢水類型之一。制藥廢水多屬于高含鹽廢水，這類廢水通常含高有機物、無機鹽和生物抑制物(氰、酚等)，這些物質會對廢水處理的性能產生不利影響，屬于難處理的工業廢水[19]。如果不加處理或處理不當，會對周圍環境造成巨大的破壞。

近年來，隨著膜技術取得的進步，電滲析技術逐漸被應用處理制藥廢水[20]。李興等[21]針對制藥行業產生的高含鹽廢水的特點,通過改進電滲析技術,在進水壓力0.15～0.2 MPa,進水體積流量10 m3/h, 電流30 A的工作條件下,經過電滲析處理后,鹽去除率達到74%,水處理成本3.0元/m3。由此可見，電滲析技術不僅可以很好將制藥廢水中鹽去除掉，而且能降低處理成本，提高經濟效益和高含鹽廢水的回收利用率。針對制藥廢水的特點，電滲析通常需要和其它工藝一起連用，在除鹽的同時也能達到多個目標物的去除。王明波等[22]針對制藥企業產生的高含鹽廢水，采用電滲析+MVR工藝，不僅去除了廢水中的COD，同時將廢水中的鹽有效的進行濃縮分離，使得出鹽質量達到客戶的要求。曾萍等[23]采用中和-沉降-萃取-雙極膜電滲析工藝處理金剛烷胺胺化制藥廢水。研究發現：TOC、TN和色度分別下降了62.85%,41.91%和84.32%,并且脫鹽率達到65%以上，回收到了具有較高濃度的酸和堿，實現了廢水處理達標排放和分離回收資源化利用的目標。這種將電滲析技術和其他工藝糅合成的聯合工藝不僅能很好的去除廢水有機物，而且能降低成本，提高經濟效益，是目前制藥廢水比較有前景的處理方向。

2.2 電滲析在食品加工廢水處理中的應用

食品生產在作物灌溉、加工、冷卻、加熱和清洗等不同階段都需要水資源，食品加工過程對食品供應鏈至關重要，該過程不僅需要大量的水，同時也會排放出大量廢水[24]。食品加工廢水一般具有較高的BOD和COD，有機成分多為膠體或顆粒狀物質[25]。除了高有機物外，一般有無毒性、碎渣多、高含鹽量和無機鹽離子多等特點。

目前，食品加工廢水通常采用生化法和物理法處理，處理效果一般，主要因為廢水的高鹽度導致廢水生化性差。近些年，隨著電滲析技術的發展，逐漸被應用于食品加工廢水中。利用電滲析技術的脫鹽、濃縮和提純將食品加工廢水的鹽分和無機鹽離子去除，再進行生化工藝處理，使得食品加工廢水處理效果更加明顯。王文正等[26]采用電滲析技術對土豆淀粉廢水中的鹽的去除進行了研究。研究發現，電滲析30 min后，在最佳操作條件下，脫鹽率可達95%以上，良好的脫鹽效果為后續的生化操作提供了優異的環境。食品加工廢水含鹽量通常較高，如果能將其回收利用起來，不僅節約資源，而且能為后續處理消除鹽分的影響。為此，陳虹霖[27]采用電滲析技術對榨菜食品廢水研究，在最佳操作條件下：壓力差為0.01 MPa，電流為25 A，脫鹽過程約能回收70%(鹽度為1%的淡鹽水)。良好的脫鹽率和回收率使得電滲析技術在食品加工廢水中有著不錯的效果。

此外，電滲析技術往往不僅用于處理食品加工產生的廢水，同樣也可用在處理食品的加工過程中。比如：電滲析對醬油脫鹽[28]，提升醬油品質；電滲析和超濾工藝生產牛奶乳蛋白[29]，解決蛋白質污染問題等等都起到了不錯的效果。

2.3 電滲析在印染廢水處理中的應用

印染廢水中存在多種染料，具有生化性差、色度高、毒性強等特點[30]，且印染廢水中含有大量的無機鹽離子[31]。印染廢水未經處理直接排出將嚴重影響周邊環境的生態功能[32]。

印染廢水通常采用生化和物化法聯合處理，因為印染廢水中的鹽含量使單一的生化或物化處理法無法達到理想的處理效果。電滲析技術能對廢水中的鹽起到分離濃縮作用，理論可以應用于印染廢水處理。為此 Elk等[33]研究了電滲析處理印染廢水的可行性。實驗結果表明，采用電滲析技術可以有效去除印染廢水中的鹽分，為后續的生化和物化工藝減小了壓力和處理難度。電滲析技術除了能夠對印染廢水進行除鹽，廢水中的硬度和氯同樣可以去除。操家順等[34]采用電滲析技術對某印染廠澄清池的出水進行處理研究，在最優條件下，電滲析電流25 A，電流密度11.57 mA/cm2，電壓80 V，進水流量5.2 L/h時，電滲析的出水電導率為1 500 μS/cm，除鹽、除硬和除氯分別達到78.07%,85.88%,88.50%。對于實際的工業應用，電滲析技術通常應用于工藝后期，起到濃縮的作用。阮曉卿等[35]以某企業印染廢水為例，采用“物化+生化+超濾+反滲透+電滲析”工藝路線進行研究實驗。研究表明，電化學-生化結合可以實現印染廢水的達標排放。同時，污水的 COD、硬度、色度、SS、電導率等指標均有較好的處理效果，其中以反滲透法去除主要鹽分，進一步用電滲析技術濃縮反滲透濃水，濃縮廢水含鹽量平均達到60 000 mg/L，最后通過蒸發結晶，對鹽進行回收利用。

從目前來看，電滲析技術能在印染廢水中起到不錯的效果，但在實際應用中，電滲析的除鹽優勢及應用不及反滲透，通常在反滲透后起到進一步濃縮的作用。

2.4 電滲析在煤化工廢水處理中的應用

煤化工是以煤為原料，生產化工產品的工業，經常會產生大量的煤化工廢水[36]。這類廢水通常含有許多無機污染物，包括氯化物、硫酸鹽等無機鹽，還含有酚類、酰胺類、脂類等多種有機物[37]。特點：高COD濃度、高鹽度和有毒性等，直接排放不僅浪費大量水資源和無機鹽且嚴重危害生態環境。因此，煤化工廢水處理常與“零排放”聯系在一起，不僅可回收大量水資源，而且可有效回收氯化鈉和硫酸鈉晶體，達到真正的“零排放”。

煤化工廢水一般處理方法為：預處理+生化處理+深度處理[38]。膜技術常用于煤化工廢水的深度處理，深度處理末端的反滲透(RO)濃縮液常用電滲析技術來進一步提高其含鹽量[39]。靖陽等[40]以焦化廢水經深度處理后的高含鹽廢水為對象，采用“超濾-反滲透-電滲析”對RO濃縮液進行處理。實驗證明，該工藝處理水質符合要求。Zhang等[41]通過對 RO濃縮液電滲析技術進行可行性研究，減少鹽水排放，提高水回用率，并生產滲透水用作地下水回灌。研究表明，電滲析技術能很好的處理RO濃縮液，不僅提高了脫鹽效果，而且水利用率也大大提高。綜上，電滲析技術對于煤化工廢水而言，主要是應用于后期RO的濃縮液處理，良好的濃縮和脫鹽性能，證明電滲析是處理RO濃縮液的良好選擇。

2.5 電滲析在制革廢水處理中的應用

制革過程中會使用大量的水，每千克處理過的皮革平均產生35 L制革廢水[42]，廢水主要來源毛皮處理和鞣制過程。制革廢水的高污染主要表現在：懸浮物多、高有機物、無機鹽和重金屬離子，特別是用作鞣劑的鉻。這些廢水若未經處理排入河流、湖泊和海洋生態系統，會直接造成環境污染[43]。

目前，我國針對制革廢水處理方法一般為：物理化學法預處理含硫廢水和鞣制廢水，再生化處理綜合廢水。隨著技術發展，吸附[44]、電滲析和超聲等[45]技術也被應用到制革廢水的處理當中。Sabrina等[46]采用電滲析技術處理制革脫毛廢水，以分離和濃縮低分子量的強電解質，并分離稀釋室中的高分子蛋白質。因為電滲析陰離子膜會被蛋白質污染，因此，將陰離子膜由超濾膜片保護，使得低分子量陰離子可滲透，蛋白質不可滲透。由此可見，電滲析技術除了對無機鹽有著不錯的去除效果，而且在高分子蛋白質的處理方面也具有效果。目前，制革廢水中浸革工序對原料的需求方面經常應用電滲析和其他技術聯合使用處理。胡棟梁等[47]采用電滲析-反滲透聯合技術處理制革高含鹽廢水。在電壓、進水流量和體積流量為25 V、30 L/h、和500 L/h工況下，能使濃縮鹽水 TDS的質量濃度超過150 g/L，滿足浸革工序對原料的要求。Abdalhadi等[48]研究了電凝聚-電滲析組合工藝去除制革廢水中化學需氧量、氨氮、鉻和色度的性能。因此，電滲析搭配的組合工藝處理制革廢水能夠達到多種處理效果。因此，無論是吸附、電滲析還是超聲波技術都是針對制革廢水的某一組分或處理環節進行的，完全處理制革廢水還是需要和其他處理工藝等相結合來實現處理制革廢水的目標。

3 結語與展望

電滲析技術因高效便捷的優點被廣泛應用于各領域的污廢水處理當中，在得到廣泛應用的同時，也存在不足。為此，就電滲析技術對高含鹽廢水的處理做如下展望：

(1)高含鹽廢水往往具有高COD、高鹽度特點，不同高含鹽廢水來源不同其水質情況也不同，電滲析作為獨立的單元無法做到滿足任何水質狀況，因此，電滲析需要與其它工藝聯合使用，組合工藝的運用格外重要。例如，電滲析+生化復合工藝可以去除鹽和COD。為此，針對來源不同的高含鹽廢水，想要達到理想的去除效果，電滲析技術應與其他工藝技術組合起來仍是當前研究的熱點。

(2)電滲析技術在處理工業生產中的高含鹽廢水方面取得了良好的效果，但是在海水代用產生的高含鹽廢水處理方面涉及較少。由于我國淡水資源匱乏，與內陸城市相比，沿海城市人均占有量僅為500 m3，因此海水代用成為解決這一矛盾的有效途徑，但海水代用產生的高含鹽廢水卻是制約該技術應用的一大難題[49]。因此，隨著經濟社會的發展，海水代用需求會增加，電滲析技術與其它工藝連用處理海水代用高鹽廢水將是研究熱點。

(3)膜堆是電滲析技術最核心的部分，而離子交換膜是膜堆的核心。影響含鹽廢水電滲析處理效果的因素有膜污染、膜堵塞和不同電價離子選擇性離子交換膜問題。因此，聚焦于新型離子交換膜的開發將是當前和今后的研究重點。