電滲析技術(shù)處理電廠脫硫廢水試驗研究

喻江 王詩琴

華電電力科學(xué)研究院有限公司（浙江杭州 310000）

石灰石-石膏法脫硫工藝效率高、適應(yīng)煤種廣，已經(jīng)成為中國燃煤機(jī)組煙氣脫硫的主流工藝[1]。為維持漿液離子平衡，濕法脫硫需定期排放廢水；因煙氣成分復(fù)雜，脫硫廢水具有含鹽量高、懸浮物含量高以及重金屬離子超標(biāo)等特點[2]，處理難度大。脫硫廢水現(xiàn)有的回用方式主要有兩種[3]，用于水力沖灰或灰場噴灑以及回用到除渣系統(tǒng)，但都存在較大缺陷。常規(guī)的“中和-絮凝-沉淀”三聯(lián)箱處理工藝能有效去除懸浮物及重金屬，但無法去除廢水中的氯離子，難以滿足部分地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)[4]。

目前，火電廠高鹽廢水濃縮主要有兩大主流工藝，熱法濃縮與膜法濃縮。熱法濃縮主要有機(jī)械蒸汽再壓縮、低溫多效蒸餾法、多級閃蒸、低溫?zé)煔鉂饪s等工藝；膜法濃縮主要有反滲透、正滲透、電滲析技術(shù)等。

機(jī)械蒸汽再壓縮是一種蒸汽再利用技術(shù)，根據(jù)配套蒸發(fā)器的不同而衍生出不同的水處理技術(shù)。低溫多效蒸餾法是指鹽水的最高蒸發(fā)溫度約70℃的淡化技術(shù)，其特征是將一系列的水平管降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來并分成若干效組，用一定量的蒸汽輸入通過多次蒸發(fā)和冷凝得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水。該技術(shù)多用于海水淡化，一般與蒸汽壓縮噴射器（TVC）聯(lián)合使用，目前廣東河源電廠廢水處理采用該工藝，運行比較穩(wěn)定、運行成本較高、初始投資高、占地面積較大。多級閃蒸因需要級數(shù)較多、占地面積大、投資較高，并不適合高鹽廢水處理領(lǐng)域，一般多在高鹽廢水處理的某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)。這3種工藝投資高、運行成本較高且占地面積大，而大部分火電廠無空地，因此，在火電廠廢水處理中的使用率低。

低溫?zé)煔鉂饪s是利用火電廠除塵器后煙氣余熱對廢水進(jìn)行濃縮處理，中國華電集團(tuán)有限公司山東公司幾家電廠采用該工藝，目前運行較好。

高鹽廢水膜法濃縮工藝主要有高壓反滲透、正滲透、電滲析技術(shù)。高壓反滲透的最佳進(jìn)水溶解性總固體（TDS）在40 000～60 000 mg/L，濃水側(cè)最大TDS可以達(dá)到100 000～120 000 mg/L，實際運行中，基本控制在80 000 mg/L。國內(nèi)電力行業(yè)應(yīng)用該技術(shù)較多，但受濃水側(cè)含量鹽影響，廢水濃縮倍率低，不適用于脫硫廢水量較多的電廠。

電滲析技術(shù)是膜分離技術(shù)之一，由于具有高效、低能耗等特點，已被多個行業(yè)廣泛使用[5]。該技術(shù)在海水制鹽領(lǐng)域擁有大量的成功應(yīng)用，在國內(nèi)的煤化工廠廢水“零排放”項目中有所應(yīng)用[6-7]，具有系統(tǒng)運行穩(wěn)定、運行成本低、占地面積小等優(yōu)點，且濃水側(cè)含鹽量高，可實現(xiàn)高濃縮，從而減少末端廢水量、降低末端廢水處理成本，在火電廠的廢水處理中應(yīng)用前景廣闊。

本研究以某電廠脫硫廢水為研究對象，采用電滲析技術(shù)處理經(jīng)管式膜軟化后的脫硫廢水，進(jìn)行連續(xù)濃縮試驗，研究運行電流、電壓以及淡水和濃水中Cl-，SO42-，Ca2+，Mg2+等離子變化情況。

1 試驗裝置

電滲析系統(tǒng)采用日本旭硝子株式會社原裝進(jìn)口產(chǎn)品，包括電滲析膜堆（選用一價選擇性陰離子膜）、濃水箱、淡水箱、陰極液箱、陽極液箱、阻斷液箱、pH調(diào)節(jié)裝置、整流器（DC60V×20A）、換熱器。主要流程如圖1所示。

圖1 電滲析系統(tǒng)工藝流程

2 試驗原理

電滲析工藝原理是：在直流電場作用下，陰陽離子分別通過具有選擇透過性的陰離子膜和陽離子膜而分開。在電滲析裝置運行過程中，由于正負(fù)極相吸，淡水室中的陰離子向陽極方向遷移，透過陰離子膜進(jìn)入濃水室；陽離子向陰極方向遷移，透過陽離子膜進(jìn)入濃水室。濃水室中的陰、陽離子由于受到隔室兩側(cè)陽離子膜和陰離子膜的阻擋，雖然在直流電場作用下分別向陽極和陰極方向遷移，但無法遷出濃水室。濃水室鹽含量因陰、陽離子不斷進(jìn)入而不斷升高，淡水室鹽含量則因陰、陽離子不斷移出而下降。將陽離子膜和陰離子膜交錯放置，中間通過隔板多層層積，并在其兩端配置電極。原水交錯注入，離子在直流電場作用下透過離子交換膜集中在濃縮室，從而達(dá)到鹽分濃縮分離的效果。

3 系統(tǒng)介紹

某電廠目前總裝機(jī)容量960 MW，根據(jù)水平衡試驗結(jié)果，經(jīng)前期水資源優(yōu)化利用后，全廠無處消納的廢水包括循環(huán)冷卻系統(tǒng)排水250 m3/h、脫硫廢水18 m3/h及酸堿廢水1 m3/h，共計269 m3/h。為了減少末端廢水處理，降低投資成本，對無處消納的廢水進(jìn)行濃縮處理。具體工藝路線如下：

循環(huán)水排水→循環(huán)水排水調(diào)節(jié)池→高密度沉淀池→變孔隙濾池→超濾→一級反滲透→二級反滲透→管式膜→納濾→混合水箱→電滲析→旁路蒸發(fā)器煙氣噴霧蒸發(fā)干燥技術(shù)；

脫硫廢水→三聯(lián)箱→脫硫廢水調(diào)節(jié)池→管式膜→納濾→混合水箱→電滲析→旁路蒸發(fā)器煙氣噴霧蒸發(fā)干燥技術(shù)。

因高鹽廢水量大，在新建電滲析設(shè)備前，對高鹽廢水的電滲析處理設(shè)備進(jìn)行小試試驗。在系統(tǒng)外單獨對脫硫廢水進(jìn)行軟化，經(jīng)管式膜后進(jìn)入電滲析設(shè)備進(jìn)行脫鹽濃縮。試驗過程中記錄電壓、電流、脫鹽液電導(dǎo)率和濃縮液電導(dǎo)率隨運行時間的變化，以及進(jìn)水量、脫鹽液溢流水量和濃縮液溢流水量，連續(xù)進(jìn)行濃縮試驗，直到電壓、電流、脫鹽液電導(dǎo)率和濃縮液電導(dǎo)率不再隨運行時間發(fā)生明顯變化。過程中取幾組原水水樣、脫鹽液水樣和濃縮液水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，主要分析淡水和濃水中的Cl-，SO42-，Ca2+，Mg2+等離子，獲得電滲析濃縮工藝可以達(dá)到的濃縮液TDS極限值，對應(yīng)脫鹽液TDS值的電流和電壓，計算噸水電耗和藥劑消耗。

4 試驗結(jié)果

4.1 運行數(shù)據(jù)

電滲析裝置運行29 h，原水進(jìn)水量約為3 583.8 L，平均123.6 L/h；脫鹽液溢流量約為3 385.8 L，平均116.8 L/h；濃液溢流量約為198.0 L，平均6.8 L/h。平均回收率約為94.5%。

電流及電壓隨運行時間的變化曲線分別如圖2與圖3所示。

圖2 電流隨運行時間變化曲線

圖3 電壓隨運行時間變化曲線

電流與電壓反應(yīng)了電滲析電耗，決定運行成本。由圖2可知，系統(tǒng)運行到最后3 h，電流穩(wěn)定在10.0 A；由圖3可知，系統(tǒng)電壓較穩(wěn)定，維持在54.3 V左右。運行初期，淡水側(cè)與濃水側(cè)濃度差未形成，電流較小，隨濃度差慢慢形成并趨于穩(wěn)定，電流逐步增大，最后保持穩(wěn)定。由兩圖可知，平均每小時電耗約為0.543 kW·h，噸水電耗約為4.39 kW·h。

4.2 水質(zhì)分析結(jié)果

穩(wěn)定運行不同時間段電滲析進(jìn)水、淡水和濃水水質(zhì)分析結(jié)果分別見表1、表2和表3；淡水與濃水電導(dǎo)率隨運行時間的變化情況見圖4。

圖4 電導(dǎo)率隨運行時間變化情況

表1 電滲析系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)分析結(jié)果mg/L

表2 電滲析系統(tǒng)淡水水質(zhì)分析結(jié)果mg/L

表3 電滲析系統(tǒng)濃水水質(zhì)分析結(jié)果 mg/L

上述表格，表1的3組數(shù)據(jù)進(jìn)水TDS質(zhì)量濃度為31 000～37 000 mg/L，處理效果良好，表明電滲析能夠處理高含鹽廢水；表3中，濃水側(cè)TDS最高質(zhì)量濃度為222 106 mg/L,相應(yīng)的濃縮倍率約為7，表明電滲析在處理高含鹽廢水時，能夠?qū)崿F(xiàn)高濃縮倍率，從而減少末端廢水量，達(dá)到減少零排放系統(tǒng)投資的目的。

由上表可以得知，Cl-去除率約為63%，二價離子基本不能去除，說明選用一價選擇性陰離子膜處理脫硫廢水，對SO42-截留效果較好。

考慮高濃縮倍率下的結(jié)垢風(fēng)險，按ρ（Ca2+）=788.43 mg/L和ρ（SO42-）=1 230.39 mg/L計算溶度積，為233.19 mmol/L，小于溶度積常數(shù)（2 000 mmol/L），因此濃水側(cè)CaSO4結(jié)垢風(fēng)險極低。

由圖4可以直觀看出：隨運行時間的推進(jìn)，濃水側(cè)電導(dǎo)率逐步增大，運行約3 h后趨于穩(wěn)定；淡水側(cè)電導(dǎo)率保持穩(wěn)定，出水水質(zhì)能夠得到保證。圖4與圖2對比分析，在運行初期，濃水側(cè)電導(dǎo)率較低，電滲析電流較小，隨濃水側(cè)濃縮倍率提高，電導(dǎo)率升高，電流變大。

5 結(jié)論

（1）一價選擇性陰離子膜能夠有效截留SO42-，處理高鹽廢水效果較好

（2）電滲析裝置濃縮倍率較高，濃水側(cè)含鹽量最高至222 106 mg/L，淡水側(cè)水質(zhì)穩(wěn)定，含鹽量約為17000 mg/L。

（3）電滲析電耗和濃水側(cè)含鹽量線性相關(guān)，含鹽量越高，電耗越高。本次試驗中，濃水側(cè)TDS質(zhì)量濃度約220000 mg/L時，噸水電耗約為4.39 kW·h。