電吸附技術(shù)在石化污水回用領域應用的研究工作總結(jié)

 

背景介紹

電吸附除鹽技術(shù)是由常州愛思特凈化設備有限公司開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的除鹽技術(shù)。中石化齊魯分公司研究院2003年因為進行乙烯含鹽污水回用技術(shù)研究，在進行工藝路線選擇時，針對乙烯污水處理場外排污水的特點，特別需要一種既耐有機污染的又具備除鹽功能的技術(shù)，而此時愛思特公司剛好開發(fā)出電吸附除鹽技術(shù)，已經(jīng)有了初期的工業(yè)化設備用于引用水處理，并通過學術(shù)交流會的形式對新技術(shù)進行了公布。由此開始，我們2個單位開始進行3年的友好合作，共同進行電吸附技術(shù)在石化污水回用領域應用的研究工作，愛思特公司提供設備，齊魯研究院進行污水處理的試驗，發(fā)現(xiàn)問題后共同研究、協(xié)商，并對電吸附工藝進行改進。從2003年至2005年期間，使用愛思特公司提供的EMK300、EMK300B、EMK320和EMK400產(chǎn)品，分別對齊魯石化乙烯污水處理場I、II系列低含鹽生化出水、黃河水和齊魯石化煉油實業(yè)部二凈化污水處理場生化出水進行除鹽試驗，試驗結(jié)果表明：采用電吸附除鹽技術(shù)可以將中水和凈水中的鹽含量按需求進行去除，并且可以達到陰、陽離子同時去除，與此同時電吸附除鹽設備可以保持長周期穩(wěn)定運行。現(xiàn)將這三年的工作按項目總結(jié)如下：

 

1、2003年乙烯污水回用脫鹽試驗

2003年乙烯污水回用脫鹽試驗使用的電吸附模塊的型號為EMK300和EMK300B。流程為兩級模塊串聯(lián)，間歇運行，處理規(guī)模為1m3/h。第一級使用EMK300B，有50×6=300對模塊，第二級使用EMK300，有50×3=150對模塊，每對模對的尺寸為300×1800mm，因此，模塊的總面積為234m2，單位面積連續(xù)處理水量為2.14L/m2/h。試驗全部采用手動操作。試驗流程見表1：

表1 EMK300B和EMK300模塊串聯(lián)試驗結(jié)果

	COD/mg.L-1	電導/μS.cm-1	鈣硬/mg.L-1	氯離子/mg.L-1	硫酸根mg.L-1	噸水電耗/度	產(chǎn)水率/%	模對電壓/V
進水	20.7	2500	628	400	217	2.7	66.7	1.40
出水	15.0	800	106	118	40.3
去除率,%	27.5	68.0	83.1	70.4	81.4

表1的試驗結(jié)果表明：采用EMK300B和EMK300模塊串聯(lián)處理乙烯污水（電導率為2500μS/cm，處理水量1m3/h），模對電壓為1.4V時除鹽效果明顯；電導率去除率為68%時，鈣硬的去除率為83.1%，氯離子的去除率為70.4%，硫酸根去除率為81.4%，而且電吸附模塊對COD有去除能力，去除率可以達到27.5%，此時，產(chǎn)水率為66.7%，生產(chǎn)每噸水的電耗為2.7度電。
 

乙烯污水脫鹽試驗中存在的問題：

 

• 模塊啟動電流過大，可以達到110A，電器部分負荷很大，需要采用較大的變壓器；
• 外接變壓器，間歇式手動調(diào)壓，調(diào)壓的準確度低，電壓調(diào)整時，電流會明顯增加，說明電耗在明顯增加；
• 短接放電時，電流過大，由于放電電流達到300A以上，發(fā)生過電器元件過載的現(xiàn)象，而且此部分能量白白浪費掉，增加了單位產(chǎn)水的成本；
• EMK300模塊是方形，反洗時，頂部常漏水，說明模塊承壓能力差；
• EMK300B模塊的電極數(shù)量為300模塊的2.0倍，單獨使用時EMK300B模塊的處理效果較EMK300模塊差，事后證明該模塊存在串水現(xiàn)象；
• 由于生化出水電導率過高（約13000μS/cm），電吸附脫鹽試驗所用的原水為自來水與生化出水的配水，不能完全說明證明電吸附模塊抗化工污水污染的能力；
• 電吸附模塊的試驗周期較短，能否在工業(yè)應用中長期連續(xù)運行需要驗證。
   

2、2004年煉油污水回用脫鹽試驗

2004年煉油污水回用脫鹽試驗使用的電吸附模塊的型號為EMK320。流程為兩級模塊串聯(lián)，間歇運行，處理規(guī)模為1m3/h。每一級均有59×2=118對模塊，每對模對的尺寸為300×1800mm，因此模對的總面積為127.44m2，單位面積連續(xù)處理水量為3.92L/m2.h。試驗結(jié)果見表2。

 

該電吸附脫鹽裝置較2003年使用的有如下幾個方面的改進：

• 電吸附模塊設計成長方體，并增設加強筋，使模塊具有一定的承壓能力，戰(zhàn)地面積也大大減少；
• 電吸附脫鹽裝置除鹽過程實現(xiàn)了自動和手動兩種方式運行；
• 模塊啟動時可以按要求自動增加電壓，電路系統(tǒng)中設置了限流，可避免電流過大，因此變壓器相對較��；
• 短接放電采用電阻放電，設置銅排，有效地避免了電器元件過載的現(xiàn)象，同時還可以將模塊中的電盡快放掉；
• 電吸附裝置工作23小時后，增加0.5小時的反洗時間，該部分水可以回到原水池中，不降低產(chǎn)水率。此措施用于降低模塊因連續(xù)工作而產(chǎn)生的無機鹽積累；
• 電吸附裝置工作若干個周期時，將中間水池中的反洗水PH調(diào)至3，在反洗的濃水排放期間內(nèi)使用一次，可有效提高電吸附裝置的工作效率，此措施用于解決電吸附模塊再生是否完全問題；
• 設備運行一段時間后進行徹底酸洗，用于徹底消除電吸附脫鹽裝置的無機鹽積累問題。

 

表2 EMK320模塊串聯(lián)處理煉油污水試驗結(jié)果

	COD/mg.L-1	電導/μS.cm-1	鈣硬/mg.L-1	氯離子/mg.L-1	硫酸根mg.L-1	噸水電耗/度	產(chǎn)水率/%	模對電壓/V
進水	37.8	1239	131.3	196.1	159.3	1.8	66.7	1.31
出水	14.0	297	44.7	36.1	26.2
去除率,%	63	76.0	75.3	81.6	83.5

表2的試驗結(jié)果表明：采用EMK320模塊串聯(lián)處理乙烯污水（電導率為1239μS/cm，處理水量1m3/h），模對電壓為1.31V時除鹽效果明顯；電導率去除率為76.0%時，鈣硬的去除率為75.3%，氯離子的去除率為81.6%，硫酸根去除率為83.5%，而且EMK320電吸附模塊對COD去除能力較好，去除率可以達到63.0%，此時，產(chǎn)水率為66.7%，生產(chǎn)每噸水的電耗為1.8度電。

 

3、2004年黃河水脫鹽試驗

2004年黃河水脫鹽試驗使用的電吸附模塊與2004年煉油污水回用脫鹽試驗使用的是同一塊電吸附模塊，間歇運行，處理規(guī)模為1.4m3/h，單位面積連續(xù)處理水量為5.49L/m2.h，試驗結(jié)果見表3。

表3 EMK320模塊串聯(lián)處理黃河水試驗結(jié)果

	電導/μS.cm-1	鈣硬/mg.L-1	氯離子/mg.L-1	硫酸根mg.L-1	噸水電耗/度	產(chǎn)水率/%	模對電壓/V
進水	976	216	114	136	1.01	75	1.36
出水	414	81	38	47
去除率,%	57.6	62.3	66.6	65.8

表3的試驗結(jié)果表明：采用EMK320模塊串聯(lián)處理黃河水（電導率為976μS/cm，處理水量1.4m3/h），模對電壓為1.36V時除鹽效果明顯；電導率去除率為57.6%時，鈣硬的去除率為62.3%，氯離子的去除率為66.6%，硫酸根去除率為65.8%，由于處理水量增大40%，因此處理效果低于煉油污水，但可以滿足要求，此時，產(chǎn)水率為75%，生產(chǎn)每噸水的電耗僅為1.01度電。
 

煉油污水和黃河水脫鹽試驗中存在的問題：

• 單組電吸附模塊每天需要增加半小時的清洗時間，操作較為繁瑣，當模塊進行長周期運轉(zhuǎn)并投入工業(yè)化時，需要較大的原水池。
• 電吸附模塊中離子的積累較快，酸洗頻率為3～4天一次，過于頻繁，不利于工業(yè)應用中的長周期連續(xù)運行。
• 短期放電時，放電電阻較熱，此部分能量白白浪費掉，對降低產(chǎn)水成本不利。
• 由于二凈化生化出水電導率過高（約2000μS/cm），預計將來二凈化生化出水電導率為1300μS/cm，電吸附脫鹽試驗所用的原水為自來水與生化出水1：1的配水，不能完全說明電吸附脫鹽裝置具有耐煉油污水污染的能力。
• 煉油污水脫鹽試驗單組模塊連續(xù)運行的時間為144h，黃河水脫鹽試驗單組模塊連續(xù)運行的時間為200h，運行時間相對較短，而且未能進行兩組模塊的連續(xù)運行試驗，因此，電吸附模塊能否長周期連續(xù)運行仍然需要驗證。
   

4、2005年煉油污水回用脫鹽試驗

4.1 EMK400電吸附模塊簡介

2005年煉油污水回用脫鹽試驗使用的電吸附模塊的型號為EMK400。由于EMK400電吸附模塊集成技術(shù)上面取得了重大突破，使電吸附核心模塊和整個系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和配置上更趨合理，性能有了很大程度的提高，因而帶動系統(tǒng)的投資有了較大幅度的下降。另外，在電吸附模塊的運行方式上進行了改進，避免了EMK320模塊的加洗和酸洗，使操作更為簡單合理，同時還有利于連續(xù)的長周期運轉(zhuǎn)。試驗流程為A、B兩組單級模塊，交替運行，連續(xù)產(chǎn)水，規(guī)模為1.4m3/h。A、B兩組模塊均有50×2=100對模塊模對的尺寸為600×1800mm，因此，模塊的總面積為216m2，單位面積連續(xù)處理水量為6.48L/m3.h。

4.2 EMK400電吸附模塊的改進

• 將過去的一組模塊間歇生產(chǎn)改為兩組模塊連續(xù)生產(chǎn)，對于煉油污水（電導率為1500μS/cm），處理規(guī)�？梢赃_到1.4m3/h以上；
• 改進了電吸附模塊的結(jié)構(gòu)設計，使核心材料的能力得以充分發(fā)揮，因此減少了模塊的需要量，試驗流程也由過去的兩級處理改為單級處理，這對模塊的再生極為有利，同時降低了投資；
• 實現(xiàn)了部分能量回收。將A組模塊再生時釋放的電能施加給B組模塊，從而實現(xiàn)部分能量的回收，使模塊工作的耗電量下降，B組模塊得到了預充電，啟動電流大幅度降低，這不僅降低了運行成本，而且使供電系統(tǒng)的負荷大幅度降低，從而降低了配電系統(tǒng)的投資；
• 改進了電吸附模塊的供電方式，將過去的50對電極施加75V電壓該為100對電極施加155V電壓，就是將兩個電阻由并聯(lián)該為串聯(lián)，從而大幅度減少了模塊的工作電流，使供電回路所需的電源、銅排、接觸器及其它輔助材料成本有了較大幅度地降低；
• 將電吸附模塊進水的PH值調(diào)到5.8～6.2，可有效地避免電吸附模塊的經(jīng)常性酸洗；
• 每日一次用原水更換中間水池的水，是降低電吸附模塊的積累有效措施之一，從而保證電吸附模塊長時間的穩(wěn)定運行；
• 每周斷電運行兩小時，也可以有效降低電吸附模塊的積累，為電吸附模塊長時間的穩(wěn)定運行提供保障；
• 通過采取電能回收時間內(nèi)工作通水、增加再生靜置時間、縮短短接排污時間和短接再生時間來有效地提高產(chǎn)水率，并保證出水水質(zhì)不受較大的影響。

4.3 2005年煉油污水回用脫鹽試驗情況

2005年煉油污水回用脫鹽試驗9月25日開始調(diào)試，10月9日8點開始連續(xù)運行，至11月19日8點的41天（984小時）時間里，該設備連續(xù)運行的時間為928小時，約38.7天，其它為停電26小時、維修18小時（模塊漏水）、斷電運行8小時、啟動 及清洗水池4小時。由于受煉油廠新原油灌區(qū)排水影響，二凈化車間排水電導率在2500～5200μS/cm范圍波動，因此，在進行電吸附脫鹽試驗時只能根據(jù)來水情況將原水配成電導率為1400μS/cm左右的試驗水進行脫鹽試驗，10月9日至10日14時采用自來水與污水服配作為電吸附進水，10月10日14時至11月8日8時采用電吸附出水與污水復配作為電吸附進水，11月8日8時至試驗結(jié)束的11月19日8時來水電導率在1500μS/cm左右，電吸附進水全部采用煉油廠二凈化污水進行試驗。

4.4 EMK400電吸附模塊工作情況

EMK400電吸附模塊工作時A、B兩組模塊交替運行，EMK400電吸附模塊2005年11月9日8：00至16：00工作時原水與A、B兩組交替工作時出水電導率（在線電導監(jiān)測數(shù)據(jù)）的變化情況。

 

來水電導率基本保持不變，A、B兩組模塊的出水電導率則呈現(xiàn)規(guī)律性變化，因此，出水經(jīng)過一段時間的停留，可以保持最終出水的連續(xù)和穩(wěn)定。電流和電壓的變化也呈現(xiàn)出了較好的規(guī)律。電流的正負值表示施加在模塊上電流的正向與反向。

4.5 EMK400電吸附模塊試驗結(jié)果

電吸附模塊在試驗初期電導率的去除率為58.6%，試驗結(jié)束時電導率的去除率仍達到58.4%，期間未對模塊進行酸洗或其它處理措施，由此可以說明采取了降低進水PH值、每日一次用原水更換中間水池水和每周斷電運行兩小時幾項措施后，電吸附模塊對污水電導率去除率在連續(xù)運行38.7天的時間里沒有明顯的下降，說明模塊中離子的積累現(xiàn)象已被消除，并且可以保持長時間的連續(xù)穩(wěn)定運行。

4.5.1 實際污水脫鹽試驗情況

試驗期間對模塊電壓、產(chǎn)水率進行了條件試驗。電吸附模塊處理煉油二凈化污水在流量為1.4m3/h、產(chǎn)水率為75%、模對電壓為1.55V、使用煉油實際污水進行試驗時（11月8日至18日），氯離子（每日分析數(shù)據(jù)）

采用EMK400電吸附模塊煉油實際污水時，來水電導率基本保持在1500μS/cm左右，在十天的試驗時間里出水電導率也基本保持穩(wěn)定，在630μS/cm左右，電導率的去除率相對比較穩(wěn)定，在58%左右。由圖子變化及去除率曲線與電導率基本相同，無明顯變化。由此可以說明EMK400電吸附模塊在處理煉油實際污水時可以連續(xù)穩(wěn)定運行。

4.5.2 試驗結(jié)果總結(jié)

將試驗期間各條件下的試驗結(jié)果的平均值列于表4，其中1#使用的原水為二凈化污水與EST產(chǎn)水的配水；2#～4#使用的原水全部為二凈化污水。

表4 EMK400單級模塊處理煉油污水試驗結(jié)果

編號	流量m3/h	酸	COD/mgL-1			/mg.L-1			SO42/mg.L-1			電導率/μS.cm			噸水 耗電 量度
			進水	出水	去除率,%	進水	出水	去除率,%	進水	出水	去除率,%	進水	出水	去除率,%
1#	1.4	HCL	38.1	28.6	24.9	287.6	103.1	64.2				1343	570	57.6	1.47
2#	1.4	HCL	33.8	15.9	53.0	255.9	95.9	62.5	73.0	39.0	45.8	1483	59.3	59.3	1.56
3#	1.4	H2SO4	52.5	30.2	42.5	241.0	92.0	61.8	144.0	73.0	49.4	1552	58.8	58.8	1.64
4#	1.6	H2SO4	77.6	53.9	30.5	194.3	79.2	59.2	163.4	90.1	44.9	1518	54.0	54.0	1.53

表4的試驗結(jié)果表明：采用單級EMK400模塊處理煉油污水時，來水電導率越高則產(chǎn)生每噸水的耗電量越高，而且使用鹽酸和使用硫酸調(diào)PH值時，各項指標的去除率沒有明顯的變化，因此，對于氯離子要求較高的回用水質(zhì)，需要使用硫酸調(diào)PH值。
表4的試驗結(jié)果表明：采用單級EMK400模塊處理煉油污水，在產(chǎn)水率為75%、流量為1.4m3/h、使用硫酸調(diào)PH值的情況下，電導率去除率為58.8%，氯離子去除率為61.8%，硫酸根去除率為49.4%，噸水耗電量為1.64度電。如果降低出水水質(zhì)，即電導率去除率為54%的情況下，處理水量可以達到1.6m3/h，氯離子去除率為59.2%，硫酸根去除率為44.9%，此時噸水耗電量為1.53度電。
試驗中使用硫酸調(diào)PH值時，對來水COD進行控制，表4 的試驗結(jié)果表明：采用單級EMK400模塊處理煉油污水時，雖然來水COD達到了52.5mg/L，甚至達到了77.6mg/L，均沒有影響到電吸附模塊的脫鹽效果，而且對COD仍有一定的去除能力，去除率可以達到30%以上，說明EMK400電吸附模塊對COD具有較好的耐受性。
綜上所述，將2003年至2005年電吸附模塊處理各種污水的試驗結(jié)果匯總見表5。

表5 電吸附模塊處理實驗結(jié)果匯總表

項目	原水	運行方式	處理水量m3/h	模塊	模塊 電壓V	產(chǎn)水率,%	原水電導μS.cm	單位模對面積處理水量L.h3/h	COD去除率,%	電導率去除率,%	氯離子去除率,%	噸水電耗量度
2003年乙烯污水	配水	間歇	1.0	EMK310+EMK300	70	66.7	2500	2.14	27.5	68.0	70.4	2.8
2004年煉油污水	配水	間歇	1.0	EMK310+EMK310	77	66.7	1239	3.92	63.0	76.0	81.6	1.8
2004年黃河水	實際水	間歇	1.4	EMK310+EMK310	80	75	976	5.49		57.6	66.6	1.01
2005年煉油污水	實際污水	連續(xù)	1.4	EMK400	155	75	1552	6.48	42.5	58.8	61.8	1.64

在2003年至2005年期間的試驗，采用電吸附模塊處理污水取得了如下幾個方面發(fā)進步：

• 電吸附模塊由處理配水到處理實際污水，使試驗數(shù)據(jù)更具代表性。
• 處理水量由間歇式1m3/h到連續(xù)式1.4m3/h，并且可以保證連續(xù)長周期穩(wěn)定運行。
• 電吸附模塊由EMK300升級到EMK400，單位模對面積處理水量由2.14L/m2.h提高到6.48L/m2.h，模塊的工作處理效率得以提高，與此同時，工作流程由兩級簡化到一級，雖然除鹽率下降17.2%，但可以滿足回用要求，因此，大大節(jié)省了電吸附模塊的投資。
• 由過去的50對電極施加75V電壓改為100對電極施加155V電壓，從而大幅度減少了模塊的工作電流，減少了電器方面的投資。建議繼續(xù)進行技術(shù)改進，達到200對電極施加310V電壓時，電器方面的投資還會降低。
• 產(chǎn)水率由66.7%提高到75%，使該技術(shù)更具實用性。建議繼續(xù)進行技術(shù)研究，充分利用電吸附模塊的放電電流來提高產(chǎn)水率，同時還可以降低噸水電耗量。
• 在相同水質(zhì)的情況下，噸水電耗量下降了25%，提升了電吸附水技術(shù)的競爭能力。

由此可以可以得到以下幾個方面的結(jié)論：

• 1.EMK400電吸附除鹽裝置對有機物具有較大的耐受性，能夠處理石化污水。
• 2.試驗結(jié)果表明：電吸附除鹽方式可以用于石化污水的除鹽，通過加強控制，EMK400電吸附模塊可以保持長時間的連續(xù)穩(wěn)定運行。
• 3.EMK400電吸附除鹽裝置對于石化行業(yè)污水具有較好的除鹽能力，對于那些不需要完全除鹽而且要求平衡地去除陰陽離子的水質(zhì)來說，電吸附不失為一種較好的選擇。
• 4.EMK400電吸附除鹽裝置對水質(zhì)的處理效果是可以控制的，在產(chǎn)水率為75%、流量為1.4m3/h、使用硫酸調(diào)PH值的情況下，電導率去除率為58.8%，氯離子去除率為61.8%，硫酸根去除率為49.4%，噸水耗電量為1.64度電。如果降低出水水質(zhì)，即電導率去除率為54%的情況下，處理水量可以達到1.6m3/h，氯離子去除率為59.2%，硫酸根去除率為44.9%，此時噸水耗電量為1.53度電。