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電吸附除鹽技術(shù)在中水回用中的應(yīng)用研究

朱廣東 郭洪飛 孫曉慰

（愛(ài)思特凈化設(shè)備有限公司，北京 100176）

摘要：采用電吸附除鹽設(shè)備，對(duì)某再生水廠(chǎng)出水進(jìn)行深度除鹽處理，其平均除鹽率為78.3%；在原水氯化物平均濃度為134.5mg/L，產(chǎn)水平均值11.6 mg/L，平均去除率達(dá)到了90.6%，噸水電耗為0.57kwh，系統(tǒng)產(chǎn)水率為76%。由此可見(jiàn)，電吸附技術(shù)應(yīng)用于該再生水廠(chǎng)的中水回用完全是可行的。

關(guān)鍵詞：電吸附技術(shù) 除鹽 再生水 回用

 

The Application Study on Middle Water Reused by electro-Sorb technology

Zhu Guangdong, Guo Hongfei，Sun Xiaowei

(EST Purification Equipment Co., Ltd, Beijing 100176, China)

Abstract: The Electro-Sorb process was used for desalination of effluent in a reclaimed water plant,and the average rate
of desalination is 78.3%;The average concentration of chloride of influent is 134.5 mg/L, the results show that the average
concentration of effluent is 11.6 mg/L ,and the removal rate is 90.6%. The power consumption is 0.57kWh/t, and the recovery
rate is 76%.Therefor, application of Electro-Sorb Technology on Middle Water Reused is completely feasible in the reclaimed
water plant.

Keywords: Electro-Sorb Technology; Desalination; Reclaimed Water ; Reused ;
 

1 項(xiàng)目概況

巖東排水有限公司以“保護(hù)環(huán)境、凈化水質(zhì)、服務(wù)社會(huì)、促進(jìn)發(fā)展”為宗旨，負(fù)責(zé)北侖城區(qū)的污水處理、再生水回用和承接污水處理設(shè)施的運(yùn)行管理業(yè)務(wù)。下轄的巖東再生水廠(chǎng)投資1.04億元于2008年8月建成投產(chǎn)一期規(guī)模10萬(wàn)噸/日再生水工程，再生水主要用于寧波鋼鐵、臺(tái)塑石化、寶新不銹鋼廠(chǎng)、海螺水泥廠(chǎng)等大工業(yè)用水。再生水在這些企業(yè)主要用作冷卻循環(huán)水，為提高循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)，減少新鮮水補(bǔ)充量，降低運(yùn)行費(fèi)用，這些企業(yè)都對(duì)補(bǔ)充水中的氯離子含量和總含鹽量提出了高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。盡管目前再生水廠(chǎng)出水水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920-2002）和《工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50050-95）中規(guī)定的回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但回用水用戶(hù)提出了更高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，他們有權(quán)選擇性?xún)r(jià)比優(yōu)異的水源。對(duì)于巖東再生水廠(chǎng)來(lái)水說(shuō)，氯離子含量超出用戶(hù)要求已成為再生水回用的關(guān)鍵制約因素。為解決這個(gè)問(wèn)題巖東排水有限公司擬將12萬(wàn)立方/天的再生水首先進(jìn)行電吸附深度除鹽處理中試研究，使其產(chǎn)品水滿(mǎn)足以上企業(yè)的用水要求。
 

2 基礎(chǔ)資料

水源：寧波北侖巖東再生水廠(chǎng)經(jīng)混合、反應(yīng)、沉淀、D型濾池過(guò)濾殺菌后的預(yù)處理水。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水指標(biāo)表：

項(xiàng)目	單位	電吸附系統(tǒng)進(jìn)水	電吸附系統(tǒng)產(chǎn)水
pH		6～9	6～9
SS	mg/L	≤5	≤5
濁度	NTU	≤2	≤2
色度	倍	≤10	≤10
＊電導(dǎo)率	μS/cm	≤1000	≤800
＊總?cè)芙庑怨腆w	mg/L	≤650	≤500
＊氯化物	mg/L	≤180	≤27
余氯	mg/L	0.1-0.2	—
堿度	mg/L	≤100	≤100

 

3 電吸附除鹽技術(shù)基本原理

由電化學(xué)基礎(chǔ)理論可知，將固體電極浸在水溶液中，施加電壓時(shí)，在固體電極/溶液的兩相界面處，電荷會(huì)在極短距離內(nèi)分布、排列。作為補(bǔ)償，帶正電荷的正極會(huì)吸引溶液中的負(fù)離子（相反，負(fù)極就會(huì)吸引正離子），從而形成雙電層[1]。雙電層結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)電容器，可以充放電，即雙電層所帶的電荷量的大小與雙電層的電容值和雙電層上的電位差成正比。所以，在一個(gè)完整的電化學(xué)體系中，且在不發(fā)生法拉第反應(yīng)的情況下，當(dāng)給兩個(gè)對(duì)應(yīng)電極的雙電層充電時(shí)，由于離子富集到電極周?chē)�，溶液本體中的濃度降低；相反，給雙電層去掉電壓，雙電層放電，被富集的離子將擴(kuò)散到本體溶液中，使本體溶液的離子濃度增大。
 

電吸附（EST）除鹽的基本思想就是通過(guò)施加外加電壓形成靜電場(chǎng)，強(qiáng)制離子向帶有相反電荷的電極處移動(dòng)，對(duì)雙電層的充放電進(jìn)行控制，改變雙電層處的離子濃度，并使之不同于本體濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溶液的除鹽[2]。由于電吸附技術(shù)采用的材料，不僅導(dǎo)電性能良好，而且具有很大的比表面積，置于靜電場(chǎng)中時(shí)會(huì)在其與電解質(zhì)溶液界面處產(chǎn)生很強(qiáng)的雙電層。雙電層的厚度只有1~10nm，卻能吸引大量的電解質(zhì)離子，并儲(chǔ)存一定的能量。一旦除去電場(chǎng)，吸引的離子被釋放到本體溶液中，溶液中的濃度升高，然后通過(guò)沖洗模塊使電極得到再生，通過(guò)這一過(guò)程去除離子，如圖1所示。

圖1 電吸附除鹽原理圖
 

4 工藝流程

電吸附工藝流程分為二個(gè)步驟：工作流程，反洗流程。

流程如圖2所示：

圖-2 電吸附系統(tǒng)工藝流程圖

工作流程：原水池中的水通過(guò)提升泵被打入保安過(guò)濾器，固體懸浮物或沉淀物在此道工序被截流，水再被送入電吸附（EST）模塊。水中溶解性的鹽類(lèi)被吸附，水質(zhì)被凈化。

反洗流程：就是模塊的反沖洗過(guò)程，沖洗經(jīng)過(guò)短接靜置的模塊，使電極再生，反洗流程可根據(jù)進(jìn)水條件以及產(chǎn)水率要求選擇一級(jí)反洗、二級(jí)反洗、三級(jí)反洗或四級(jí)反洗。
 

5 數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)時(shí)間（連續(xù)運(yùn)行并考核）：2009年7月31日至2009年8月21日，共分為兩個(gè)階段，第一階段原水為為實(shí)際的預(yù)處理出水，時(shí)間為7月31日~8月11日；第二階段向原水中添加一定的氯化鈉以提高原水中氯化物的含量，時(shí)間為8月13日~8月21日。

檢測(cè)電導(dǎo)、總硬度、氯化物等指標(biāo)，并提出水質(zhì)分析報(bào)告單，數(shù)據(jù)分析如下。
 

5.1 電導(dǎo)率

水的電導(dǎo)率與其所含的無(wú)機(jī)離子的總量一定的關(guān)系，如水中的的無(wú)機(jī)酸、堿、鹽等。當(dāng)它們的濃度較低時(shí)，電導(dǎo)率隨濃度的增大而增大，因此常用于推測(cè)水中離子的總濃度或含鹽量。電吸附技術(shù)對(duì)電導(dǎo)率的去除效果如下圖所示。

圖3 電吸附原水和產(chǎn)水電導(dǎo)率及去除率的變化情況

從運(yùn)行和檢測(cè)結(jié)果看，原水和產(chǎn)水的電導(dǎo)率均比較穩(wěn)定，只是在第二階段試驗(yàn)時(shí)向原水中添加了一定量的氯化鈉，以增加原水中氯化物的含量，所以其原水電導(dǎo)率有所上升，其原水平均電導(dǎo)率為854μS/cm，產(chǎn)水平均電導(dǎo)率為181μS/cm，平均去除率為78.3%。
 

5.2 氯化物

圖4 原水和產(chǎn)水氯離子濃度的變化情況

由圖可知，在第一階段和第二階段，原水中氯化物含量變化較大的情況下，電吸附產(chǎn)水的氯離子濃度一直很穩(wěn)定，可見(jiàn)電吸附除鹽技術(shù)對(duì)氯離子有較好的去除效果。在原水氯化物平均濃度為134.5mg/L時(shí)，產(chǎn)水平均值11.6 mg/L，平均去除率達(dá)到了90.6%。這是由于陰離子一般不會(huì)形成水和離子，其離子半徑相對(duì)較小，有利于吸附行為的發(fā)生，所以氯離子的去除率要高于陽(yáng)離子甚至是其它陰離子[3]。
 

5.3 總硬度

圖5 原水和產(chǎn)水總硬度的變化情況

從圖5可以看出，電吸附技術(shù)對(duì)總硬度的去除效果比較穩(wěn)定，在原水平均濃度為127.9mg/L時(shí)，產(chǎn)水平均值52.5 mg/L，平均去除率為59.1%。
 

5.4 COD

圖6 電吸附原水和產(chǎn)水COD的變化情況

由圖6可知，電吸附技術(shù)對(duì)該種原水中的COD也有一定的去除效果。在原水的COD為28.6 mg/L的情況下，電吸附產(chǎn)水的COD平均濃度為10.9 mg/L。去除率為53.1%。
 

5.5 氨氮

圖7 原水和產(chǎn)水氨氮含量的變化情況

從圖上可以看出，電吸附技術(shù)對(duì)氨氮的去除效果較低，在原水為0.2294 mg/L的情況下，產(chǎn)水的平均含量為0.1581 mg/L，去除率只有44.17%，可見(jiàn)相對(duì)于其它離子來(lái)說(shuō)電吸附技術(shù)對(duì)氨氮的去除率偏低，當(dāng)然這可能是原水中氨氮的含量本來(lái)就比較低的緣故。
 

5.6 硝酸鹽氮

圖8 硝酸鹽氮含量的變化情況

有圖可見(jiàn)，電吸附技術(shù)對(duì)硝酸鹽氮的去除效果非常好，大大高于對(duì)氨氮的去除效果，究其原因可能是電吸附技術(shù)對(duì)以離子態(tài)形式存在的物質(zhì)去除效果較好，而對(duì)于以分子尤其是以有機(jī)物形式存在的物質(zhì)去除效果相對(duì)較差。在原水硝酸鹽氮含量為5.73 mg/L的情況下，產(chǎn)水的平均濃度為0.42 mg/L，去除率達(dá)到了92.65%。
 

5.7總磷

圖9 原水和產(chǎn)水總磷的變化情況

由圖可知，此次試驗(yàn)原水中總磷的濃度波動(dòng)較大，其總體的去除效果與氨氮差不多，在原水為0.5649 mg/L的情況下，產(chǎn)水為0.3149 mg/L，平均去除率為42.41%。
 

5.8 噸水電耗與產(chǎn)水率

此次中試采用的電吸附除鹽系統(tǒng)的處理量為0.5~1.0m3/h，連續(xù)運(yùn)行20天，總共產(chǎn)水451 m3 ，總排水108 m3，耗電量為257kwh，其噸水電耗為0.57kwh，電價(jià)按0.7元/kwh計(jì)，其噸水運(yùn)行成本為0.39元；系統(tǒng)產(chǎn)水率為76%。
 

6 結(jié)論

采用電吸附除鹽技術(shù)對(duì)巖東排水有限公司再生水廠(chǎng)出水進(jìn)行除鹽中試試驗(yàn)研究，并取得了很好的效果，在原水波動(dòng)較大的情況下，產(chǎn)水一直比較穩(wěn)定，具體結(jié)果如下：

（1）原水平均電導(dǎo)率為854μS/cm，產(chǎn)水平均電導(dǎo)率為181μS/cm，平均去除率為78.3%；

（2）原水氯化物平均濃度為134.5mg/L，產(chǎn)水平均值11.6 mg/L，平均去除率達(dá)到了90.6%

（3）總硬度原水平均為127.9mg/L，產(chǎn)水平均值52.5 mg/L，平均去除率為59.1%；

（4）原水COD為28.6 mg/L，電吸附產(chǎn)水的COD平均濃度為10.9 mg/L，去除率為53.1%

（5）氨氮原水為0.2294 mg/L，產(chǎn)水的平均含量為0.1581 mg/L，去除率44.17%；

（6）原水硝酸鹽氮含量為5.73 mg/L，產(chǎn)水平均濃度為0.42 mg/L，去除率達(dá)到了92.65%；

（7）原水總磷為0.5649 mg/L的情況下，產(chǎn)水為0.3149 mg/L，平均去除率為42.41%；

（8）其噸水電耗為0.57kwh，電價(jià)按0.7元/kwh計(jì)，其噸水運(yùn)行成本為0.39元，系統(tǒng)產(chǎn)水率為76%；

由此可見(jiàn)，電吸附技術(shù)完全能夠滿(mǎn)足處理該種水質(zhì)的需求，尤其對(duì)氯化物的去除效果較好，在保證產(chǎn)水水質(zhì)的情況下，系統(tǒng)的運(yùn)行成本也比較低，所以電吸附技術(shù)應(yīng)用于該再生水廠(chǎng)的中水回用系統(tǒng)完全是可行的。

 

參考文獻(xiàn)

[1] 查全性. 電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論（第3版）[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2002.

[2] 孫曉慰. 電吸附水處理技術(shù)及設(shè)備. 工業(yè)水處理, 2002, 22(8): 1- 3.

[3] Dengsong Zhang, Liyi Shi, Jianhui Fan, et.al.Removal of NaCl from salt water solution using carbon nanotubes/activated carbon composite electrodes[J]. Materials Letters, 2006, 60:360-363.