中水回用電滲析中試實驗研究

楊海燕 周文凡 江 臣 王 恒 薛紅艷

（1. 中油股份獨山子石化分公司研究院設(shè)備研究所，新疆 獨山子 833699；2. 中油股份獨山子石化分公司科技信息處，新疆 獨山子 833699）

0 引言

為進一步論證電滲析工藝在公司中水回用工程的適應(yīng)性和可行性，需要通過中試試驗來驗證在較長時間連續(xù)運行和較大處理量下電滲析的處理效果，為將來工業(yè)化設(shè)計應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐。電滲析中試實驗?zāi)康模海?）在較長時間連續(xù)運行（15d）和較大流量（0.2～0.5m3·h-1）條件下，驗證電滲析技術(shù)在公司中水回用循環(huán)水過程中，同步降低電導(dǎo)率和COD的性能。建立電滲析的電流、電壓與水流量、脫鹽率之間關(guān)系；（2）考察電滲析膜污染防治效果。中水里面有明顯的懸浮物，中試實驗時，長期的連續(xù)運行，會導(dǎo)致膜污染十分嚴(yán)重，電滲析性能會明顯下降。同時中水硬度較高，也產(chǎn)生無機鹽結(jié)垢。中試試驗中將采用保安過濾器預(yù)處理、頻繁倒極、酸洗等操作來驗證解決膜污染問題的效果；（3）依據(jù)較長時間的運行數(shù)據(jù)，對電滲析技術(shù)用于中水回用循環(huán)水，進行技術(shù)經(jīng)濟分析，考察設(shè)備成本、使用壽命、運行成本、水回收率、以及維護成本等因素，對電滲析技術(shù)應(yīng)用中水回用循環(huán)水，做出客觀的分析和準(zhǔn)確的結(jié)論，為工業(yè)化設(shè)計，提供重要的參考。

1 中水電滲析中試實驗技術(shù)方案

1.1 技術(shù)原理

為提高循環(huán)水濃縮倍率，不但要降低中水的COD、濁度，還要降低電導(dǎo)率及氯離子、硫酸根等易腐蝕或結(jié)垢離子。中水脫鹽主要方法有離子交換、電滲析等技術(shù)。電滲析脫鹽的基本原理是利用離子交換膜的選擇透過性。陽離子交換膜只允許陽離子通過，阻檔陰離子通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過，在外加直流電場的作用下，水中離子作定向遷移，使一路水中大部份離子遷移到另一路水中去，從而達到含鹽水淡化、降低電導(dǎo)率的目的。相比較而言，電滲析進水水質(zhì)要求低，設(shè)備簡單，水處理成本較低，操作方便。

1.2 主要控制參數(shù)

淡水濃水流量、電滲析電壓、電滲析電流、離子交換膜尺寸和對數(shù)。

1.3 儀器設(shè)備

電滲析中試設(shè)備配置表如表1所示。

1.4 設(shè)備水處理流程

原水-原水泵-袋式過濾器-原水箱-離心泵-電滲析，得到極水、脫鹽水、和濃鹽水。極水循環(huán)回原水箱，脫鹽水和濃鹽水經(jīng)電導(dǎo)率表測量后，接塑料軟管外排。

2 實驗過程及結(jié)果分析

2.1 實驗過程

表1 電滲析中試設(shè)備配置表

中水通過原水泵經(jīng)袋式過濾器進入原水箱，再通過電滲析進水泵進入電滲析設(shè)備，以流量計調(diào)節(jié)脫鹽水、濃水、極水流量，流量控制在100～500L·h-1。打開電滲析電源，電壓在40～60V可調(diào)節(jié)。考察電壓、中水流量、脫鹽率等，以濃水電導(dǎo)率3000us/cm作為中水回收率確定的標(biāo)準(zhǔn)，以脫鹽水和濃鹽水的比例計算電滲析工藝的水回收率。電滲析產(chǎn)水和濃水外排到地漏，極水循環(huán)回到原水箱，每隔兩小時倒極運行以減輕膜污染。測量不同進水流量（濃水固定100L·h-1，淡水100、200、300、400、500L·h-1）及不同電壓（30、40、50、60V）下產(chǎn)水的電導(dǎo)率，探索電滲析脫鹽率與電壓、進水流量之間的關(guān)系。測量數(shù)據(jù)如表2所示，綜合脫鹽率、水回收率、噸水能耗、設(shè)備處理效率、濃水電導(dǎo)率等指標(biāo)，選擇60V操作電壓、淡水流量400L·h-1、濃水流量100L·h-1作為運行條件，連續(xù)運行15d，并按固定時間間隔對原水、產(chǎn)水、濃水的水質(zhì)進行分析，考察長期運行下電滲析工藝對中水水質(zhì)改善效果和膜污染防治效果。

2.2 結(jié)果分析

長期運行過程中水質(zhì)分析主要包括電導(dǎo)率、COD、pH、堿度、硬度、濁度、脫鹽率、噸水能耗等指標(biāo)。各指標(biāo)隨運行時間變化情況如下列各圖表所示。

圖1 濃水淡水電導(dǎo)率隨運行時間變化關(guān)系圖

圖2 電滲析脫鹽率隨運行時間變化關(guān)系圖

表2 不同操作電壓和進水流量下的產(chǎn)水電導(dǎo)率

表3 電滲析對腐蝕性離子脫除效果

（1）由圖1、圖2可以看出，電滲析工藝對中水具有明顯的脫鹽效果，原水電導(dǎo)率從600～790μs·cm-1降到230～340μs·cm-1，以電導(dǎo)率指標(biāo)為計算標(biāo)準(zhǔn)脫鹽率可達58～62%。相應(yīng)的，根據(jù)電滲析的工作原理，濃水的電導(dǎo)率提升至1800～2800μs·cm-1。同時，從腐蝕性離子濃度（如表3所示）也可以觀察電滲析工藝對中水的脫鹽效果：原水中氯離子和硫酸根離子的濃度分別從42.51、97.82mg·L-1降至8.82、48.22mg·L-1，脫除的離子主要進入濃水中，因此濃水的氯離子和硫酸根離子濃度分別升至181.17、232.41mg·L-1；

圖3 濃水淡水COD隨運行時間變化關(guān)系圖

（2）從圖3可以看出，電滲析工藝對中水可以降低部分COD，原水COD從17～29mg·L-1經(jīng)電滲析裝置后降至2～13mg·L-1，而濃水的COD則上升至30～86mg·L-1，從而可以判斷電滲析工藝能降低COD值主要是因為溶解性荷電有機物在電場作用下從淡室遷移到濃室中；

圖4 濃水淡水濁度隨運行時間變化關(guān)系圖

（3）從圖4可以看出，原水經(jīng)過電滲析裝置后濁度明顯降低，而且淡水和濃水濁度都下降至相近水平，而不是像COD和電導(dǎo)率那樣淡水降低濃水升高。而且在實驗過程中觀察到原水經(jīng)過電滲析裝置后，水質(zhì)明顯變清澈，這說明中水里的不溶性物質(zhì)在電滲析膜堆中被截留，而這將不可避免的造成電滲析膜污染，降低電滲析裝置的脫鹽效果。而且實驗過程中電滲析進水壓力逐漸升高，說明隔室水流阻力上升，進一步說明膜污染的發(fā)生；

（4）電滲析裝置的脫鹽效果也因為膜污染問題逐漸下降，隨著電滲析裝置連續(xù)運行240h后，脫鹽率（如圖2所示）逐漸從剛開始運行時的67%降至56%。為減輕膜污染，配制20L百分之二的檸檬酸溶液對膜進行循環(huán)酸洗2h，酸洗后電滲析脫鹽率部分恢復(fù)至62%；

圖5 濃水淡水pH隨運行時間變化關(guān)系圖

圖6 淡水堿度隨運行時間變化關(guān)系圖

（5）從圖5可以看出，中水經(jīng)過電滲析處理后，產(chǎn)水pH值些許降低，而濃水pH值相應(yīng)上升，pH值的變化可以從堿度變化（如圖6所示）解釋：中水經(jīng)過電滲析處理后，堿性離子從淡室定向遷移至濃室中，原水堿度從90～129mg·L-1降至淡水堿度15～56mg·L-1；

圖7 淡水硬度隨運行時間變化關(guān)系圖

（6）從圖7為中水經(jīng)過電滲析處理前后的硬度變化情況，可以看出中水硬度經(jīng)過電滲析處理后有明顯降低，從107～170mg·L-1降至5～63mg·L-1。硬度降低原因是中水中的鈣、鎂離子在電滲析電場作用下從淡室定向遷移至濃室中；

圖8 電滲析噸水能耗隨運行時間變化關(guān)系圖

（7）從圖8可以看出，在電滲析長期運行過程中，電滲析噸水能耗保持在0.04～0.06KW·h較低水平，充分體現(xiàn)出電滲析工藝能耗低的優(yōu)勢。

3 結(jié)語

（1）綜合考慮脫鹽率、水回收率、噸水能耗、設(shè)備處理效率、濃水電導(dǎo)率等指標(biāo)，通過參數(shù)摸索試驗選定60V操作電壓、淡水流量400L·h-1、濃水流量100L·h-1作為中試連續(xù)運行的最優(yōu)條件；

（2）經(jīng)過連續(xù)15d左右中試試驗，電滲析工藝處理中水的脫鹽效果穩(wěn)定，脫鹽率可達58～62%，噸水能耗保持在0.04～0.06KW·h較低水平；氯離子、硫酸根離子等腐蝕性離子濃度的去除率分別可達79.25%、50.71%；

（3）中水經(jīng)過電滲析處理后，堿性離子從淡室定向遷移至濃室中，堿度從90～129mg·L-1降至淡水堿度15～56mg·L-1，硬度從107～170mg·L-1降至淡水硬度5～63mg·L-1；

（4）實驗過程中，采取每隔2h手動倒極（工業(yè)上可實現(xiàn)自動倒極操作），可控制電滲析膜的污染問題，實現(xiàn)電滲析工藝長時間連續(xù)運行。若電滲析的脫鹽率下降10%左右時，可配制少量2%的檸檬酸溶液對膜進行循環(huán)酸洗2h，即可恢復(fù)電滲析膜的脫鹽效果。