電滲析對(duì)高鹽廢水中各組分去除率

電滲析通過外加直流電場(chǎng)使水中的陰陽離子發(fā)生遷移并選擇性地透過陰陽離子交換膜，從而實(shí)現(xiàn)濃縮和脫鹽的目的。

進(jìn)口均相膜電滲析在濃縮效果、能耗和穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于國產(chǎn)異相膜電滲析，但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格過高，而且電滲析淡水通常無法實(shí)現(xiàn)直接回用，因此，電滲析在國內(nèi)高鹽廢水零排放領(lǐng)域未得到規(guī)?；こ虘?yīng)用。

然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，我國部分廠家逐漸掌握了低成本的均相膜電滲析制造技術(shù)，從而使電滲析在高鹽廢水零排放領(lǐng)域的推廣應(yīng)用成為可能。為此，通過研究電滲析對(duì)高鹽廢水的處理效果并掌握運(yùn)行規(guī)律，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電滲析的工程化應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

由于電滲析只對(duì)水中帶電荷的離子或組分具有遷移作用，而且遷移效果與電壓、膜面積、離子種類等條件有關(guān)，為此，筆者通過對(duì)高鹽廢水中不同離子或組分在電滲析中的去除或遷移效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到電滲析對(duì)不同離子或組分的去除率和遷移率數(shù)據(jù)，從而為電滲析的工程化應(yīng)用提供參考。

1、試驗(yàn)部分

1.1?試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用日本旭硝子（AGC）品牌的均相膜電滲析，膜對(duì)數(shù)量為100對(duì)，有效膜面積為5.1m2，配套整流器規(guī)格為DC60V×20A。試驗(yàn)搭建的中試裝置見圖1。

1.2?試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)分為3個(gè)部分，每個(gè)部分的試驗(yàn)步驟如下：

（1）在原水箱中注入約80L經(jīng)過預(yù)處理去除硬度和懸浮物的高鹽廢水，關(guān)閉閥門①、③、④，開啟閥門②，啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，通過便攜式TDS儀監(jiān)測(cè)淡水側(cè)TDS變化，TDS每降低約10000mg/L取樣一次，淡水TDS降低至10000mg/L左右停止取樣，測(cè)定水樣的TDS、Cl-、SO42-和NO3-濃度，根據(jù)公式①分別計(jì)算脫鹽率和3種離子的去除率。分析比較Cl-、SO42-和NO3-的去除率隨系統(tǒng)脫鹽率的變化趨勢(shì)。

式中：η――系統(tǒng)脫鹽率或離子去除率，%；Ce――電滲析淡水TDS或離子濃度，mg/L；Ci――電滲析進(jìn)水TDS或離子濃度，mg/L。

（2）開啟閥門①、③、④，關(guān)閉閥門②，通入高鹽廢水，控制系統(tǒng)在低脫鹽率和高脫鹽率下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，間隔4―6h取樣一次，并測(cè)定水樣的TDS、Cl-、SO42-和NO3-濃度，根據(jù)公式①分別計(jì)算脫鹽率和3種離子的去除率。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較在穩(wěn)定運(yùn)行條件下的系統(tǒng)脫鹽率和離子去除率。

（3）開啟閥門①、③、④，關(guān)閉閥門②，通入高鹽廢水，維持系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，間隔4―6h取樣一次，并測(cè)定水樣的COD、NH4+和SiO2濃度，根據(jù)公式①分別計(jì)算COD和NH4+的去除率，根據(jù)公式②計(jì)算SiO2的遷移率。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析電滲析對(duì)COD、NH4+和SiO2的去除或遷移效果。

式中：δ――離子遷移率，%；Co――電滲析濃水離子濃度，mg/L；Ci――電滲析進(jìn)水離子濃度，mg/L。

2、結(jié)果與討論

2.1?Cl-、SO42-和NO3-的去除率

試驗(yàn)用高鹽廢水水質(zhì)見表1，不同系統(tǒng)脫鹽率所對(duì)應(yīng)的各離子去除率見圖2。

由圖2可見，在任意系統(tǒng)脫鹽率下，3種陰離子的去除率大小依次為η（NO3-）＞η（Cl-）＞η（SO42-）。系統(tǒng)初始脫鹽率為16.0%，對(duì)應(yīng)的Cl-、SO42-和NO3-去除率分別為23.0%、12.5%和48.1%；系統(tǒng)終點(diǎn)脫鹽率為89.5%，對(duì)應(yīng)的Cl-、SO42-和NO3-去除率分別為97.0%、56.3%和97.7%。

隨著系統(tǒng)脫鹽率的升高，3種陰離子的去除率總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但增加的快慢即離子去除速率相差很大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種陰離子去除速率由大到小依次為v（Cl-）＞v（NO3-）＞v（SO42-）。其中，Cl-和NO3-去除率隨著系統(tǒng)脫鹽率的升高而迅速增加，去除速率較大且基本呈線性關(guān)系。相比之下，SO42-去除率則呈現(xiàn)不同的結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)脫鹽率≤70%時(shí)，SO42-去除率幾乎沒有明顯變化，最高只有14.6%，去除速率很低；當(dāng)系統(tǒng)脫鹽率＞70%時(shí)，SO42-去除率迅速增加，去除速率變大。

3種陰離子去除率和去除速率的不同表明，在電滲析直流電場(chǎng)的作用下，3種陰離子隨電流的遷移速率存在明顯區(qū)別，Cl-和NO3-遷移較快，能迅速轉(zhuǎn)移至濃水側(cè)，而SO42-遷移很慢，更多留在了淡水側(cè)。為此，可以利用電滲析的這種特性實(shí)現(xiàn)對(duì)一價(jià)和二價(jià)陰離子的分離，在本試驗(yàn)中，控制系統(tǒng)脫鹽率為70%左右可以達(dá)到最佳的分離效果。

2.2?系統(tǒng)脫鹽率與Cl-、SO42-、NO3-的去除率

低脫鹽率和高脫鹽率下，電滲析進(jìn)水、淡水和濃水各指標(biāo)平均濃度見表2、表3，系統(tǒng)脫鹽率和各離子去除率見圖3、圖4。

由圖3、圖4可見，兩種情況下，系統(tǒng)脫鹽率和各離子去除率都較為穩(wěn)定，可見電滲析系統(tǒng)具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性，并可以通過控制電壓、電流和膜面積等參數(shù)靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)脫鹽率。平均系統(tǒng)脫鹽率為65.6%時(shí)，Cl-、SO42-和NO3-的平均去除率分別為70.8%、20.1%和81.8%；平均系統(tǒng)脫鹽率為82.3%時(shí)，Cl-、SO42-和NO3-的平均去除率分別為87.0%、57.3%和83.9%。在不同的系統(tǒng)脫鹽率下，Cl-和SO42-去除率變化較大，而NO3-去除率變化很小，這一點(diǎn)在2.1節(jié)不同離子去除率的結(jié)論中也可以得到驗(yàn)證。

2.3?COD、NH4+去除率和SiO2遷移率

系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行后，電滲析進(jìn)水、淡水和濃水各指標(biāo)平均濃度見表4，COD、NH4+去除率和SiO2遷移率見圖5。

由圖5可見，系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，平均NH4+去除率為68.4%，平均COD去除率為63.8%，去除率不高，平均SiO2遷移率僅為4.7%，表明僅有極少量的SiO2可以遷移至濃水側(cè)，絕大部分仍然留在淡水側(cè)。

由于電滲析只能通過電場(chǎng)遷移帶電組分，因此對(duì)非電介質(zhì)SiO2無遷移作用，SiO2只會(huì)隨水分子極少量地轉(zhuǎn)移至濃水側(cè)，本試驗(yàn)數(shù)據(jù)與周占明等的研究結(jié)果相符合。另外，高鹽廢水中有機(jī)物成分十分復(fù)雜，部分離子型有機(jī)物可隨電流遷移至濃水側(cè)，而另一部分非離子型有機(jī)物則留在淡水側(cè)，因此電滲析對(duì)COD的去除率與廢水中有機(jī)物的成分有直接關(guān)系。

2.4?電滲析與反滲透參數(shù)對(duì)比

在高鹽廢水零排放處理中，電滲析與反滲透的作用都是對(duì)濃鹽水進(jìn)行脫鹽和濃縮處理。為此，通過將電滲析的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與某煤化工高鹽廢水零排放項(xiàng)目的高壓反滲透（運(yùn)行壓力<100bar）運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以探討電滲析在工程上代替高壓反滲透的可行性。

電滲析試驗(yàn)數(shù)據(jù)與高壓反滲透運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。

由表5可知，電滲析除對(duì)NO3-的去除率高于高壓反滲透外，對(duì)其他組分的去除率都明顯低于高壓反滲透，其系統(tǒng)脫鹽率也明顯低于高壓反滲透，但系統(tǒng)回收率和濃水TDS要高很多。因此，相比高壓反滲透，電滲析的脫鹽效果較差，但濃縮效果很好。另外，盡管電滲析的系統(tǒng)脫鹽率較低，但系統(tǒng)脫鹽率的大小可以靈活調(diào)節(jié)，從而提升了電滲析在不同使用工況下的適應(yīng)性。

與此同時(shí)，電滲析對(duì)SiO2沒有任何去除效果，使其在淡水側(cè)富集，而高壓反滲透對(duì)SiO2的去除率很高，使其在濃水側(cè)富集；電滲析對(duì)于非離子型有機(jī)物沒有去除效果，使其留在淡水側(cè)，而高壓反滲透對(duì)所有有機(jī)物都有很高的去除率，有機(jī)物幾乎都被截留在濃水側(cè)。電滲析的這一特性有效避免了SiO2和有機(jī)物在濃水側(cè)富集，從而保證了后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而SiO2和有機(jī)物則可以隨淡水回流至前端的預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行去除。

通過綜合分析可以看出，電滲析盡管脫鹽效果較差，但可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)脫鹽率，而且因其具有很高的濃縮效果，以及對(duì)SiO2和COD的特殊選擇性，使其在高鹽廢水零排放項(xiàng)目中的應(yīng)用成為可能。

3、結(jié)語

（1）電滲析對(duì)3種陰離子的去除速率從大到小依次為v（Cl-）＞v（NO3-）＞v（SO42-），同一系統(tǒng)脫鹽率下的離子去除率從大到小依次為η（NO3-）＞η（Cl-）＞η（SO42-）。

（2）系統(tǒng)脫鹽率為69.7%時(shí)，對(duì)應(yīng)的Cl-、NO3-和SO42-去除率分別為82.8%、92.0%和14.6%，此時(shí)對(duì)一價(jià)陰離子和二價(jià)陰離子的分離效果最好。因此，可以利用電滲析的這一特性實(shí)現(xiàn)對(duì)高鹽廢水中一價(jià)鹽和二價(jià)鹽的初步分離。

（3）通過控制電壓、電流和膜對(duì)面積等參數(shù)可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)脫鹽率，而且電滲析在不同脫鹽率下具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，使其在不同工況下的適應(yīng)性大大提升。

（4）SiO2和非離子型有機(jī)物均不受電滲析直流電場(chǎng)的影響，平均SiO2遷移率僅為4.7%，平均COD去除率為63.8%。

（5）對(duì)比高壓反滲透，電滲析的脫鹽效果較差，需要進(jìn)行二級(jí)脫鹽，但其濃縮效果很好，平均濃水TDS可達(dá)到212912mg/L，遠(yuǎn)高于高壓反滲透的152433mg/L。

（6）電滲析具有濃縮效果好、系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)、系統(tǒng)脫鹽率可靈活調(diào)節(jié)以及不富集SiO2和有機(jī)物等優(yōu)點(diǎn)，具備較好的工程化應(yīng)用前景。（來源：內(nèi)蒙古久科康瑞環(huán)?？萍加邢薰荆?/span>